ChemieXtra 7-8/2017 by SIGWERB GmbH

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Juli/August 2017

Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes

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EDITORIAL

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Erfreuliches einheimisches Schaffen Es gehört zu den Gepflogenheiten der Schweizer Politik, dass immer wieder über die Reduktion der Bildungsausgaben diskutiert wird. Die Gründe da gegen müssen hier nicht diskutiert werden; sie sind bekannt. Und glücklicherweise konnte bis heute jeweils das Schlimmste abgewendet werden. Die Resultate der fortschrittlichen Schweizer Bildungs politik lassen sich sehen, nicht zuletzt auch in der Forschung und Entwicklung. Ein gutes Beispiel ist die vorliegende Ausgabe von «ChemieXtra» mit nicht weniger als zehn Artikeln mit Schweizer Hinter grund. Es folgen einige Beispiele. Auf Seite 15 steht ein Bericht über die Strukturaufklärung des molekularen Gifttransporters ABCG2 durch Zürcher und Basler Wissenschaftler. Dieser kann mindestens 200 bekannte Stoffe – darunter auch Chemotherapeutika – erkennen und aus Zellen entfernen. Eine wichtige Konsequenz dieser Arbeit: In Zukunft kann am Computer simuliert werden, ob ein neues Arzneimittel von ABCG2 in unerwünschter Weise erkannt und aus den Zellen entfernt werden kann. Am 22. Juni fand in Wädenswil der 9. Day of Life Sciences statt, veranstaltet vom Institut für Chemie und Biotechnologie ICBT der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW. Es war eine Freude zu sehen, mit welchem Enthusiasmus Dozenten und Studenten über ihre Forschung berichteten (Seite 18). Über Forschungs- und Entwicklungsergebnisse, die auf dem Weg zur indus triellen Nutzung sind, gibt es ebenfalls zu berichten. Am eindrücklichsten ist wohl die Leistung zweier ehemaliger ETH-Absolventen und ihrer Mitarbeiter, die reines CO2 aus der Luft filtern und für kommerzielle Zwecke bereitstellen. Ihr ehrgeiziges Ziel ist es, bis 2025 ein Prozent der globalen CO2-Emissionen aus der Luft zu filtern. Mit der in Hinwil in Betrieb genommenen kommerzi ellen Anlage sind sie bei 900 Tonnen pro Jahr angelangt (Seite 45). Auf dem grossen Sprung ist auch die Firma BluAct Technologies GmbH, ein Spin-off der ETH. Ihr Produkt ist eine einfache weltweit patentierte Filtermembran, mit der Schwermetalle und andere Schadstoffe effizient aus Wasser entfernt werden können. Der Anwendungsbereich reicht vom einfachen Hausfilter bis zum einen Quadratmeter grossen Filter für industri elle Anwendungen (Seite 37). Das Finden weiterer Beispiele von ausgezeichneter Schweizer Forschung und Entwicklung in diesem Heft überlasse ich Ihnen, liebe Leser. Freuen Sie sich mit mir über das gute Forschungsklima in der Schweiz.

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I N H A LT S V E R Z E I C H N I S

FOKUS Kunststoff – nicht nur Müll

Am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung beschäftigt man sich mit den weniger erfreulichen Aspekten von Kunststoffen und sucht nach Alternativen.

CHEMIE Struktur eines molekularen Motors

Mithilfe von Mikrowellen haben Forscher am DESY die exakte Struktur eines winzigen molekularen Motors entschlüsselt.

BIOWISSENSCHAFTEN Blick auf einen molekularen Gifttransporter

MEDIZIN Umkehr der Alterungsprozesse im Gehirn

Mit zunehmendem Alter nimmt die Gedächtnisleistung ab. Cannabis kann diese Alterungsprozesse im Gehirn von Mäusen umkehren.

ERNÄHRUNG Natürlich entkoffeinierter Schwarztee

Mit einer in der Schweiz entwickelten Anlage kann erstmals qualitativ hochwertiger Tee ohne Chemie entkoffeiniert werden.

VERANSTALTUNGEN Der Bedarf für Cannabis-Normen

REPORTAGE Factories of the Future

Bericht über den 9. Day of Life Sciences des Instituts für Chemie und Biotechnologie ICBT der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW in Wädenswil.

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

Erscheinungsweise 10 × jährlich Jahrgang 7. Jahrgang (2017) Druckauflage 12 000 Exemplare WEMF / SW-Beglaubigung 2016 11 696 Exemplare Total verbreitete Auflage 2 480 Exemplare davon verkauft ISSN-Nummer 1664-6770 Internet www.chemiextra.com

Geschäftsleiter Andreas A. Keller Herausgeber/Verlag SIGWERB GmbH Unter Altstadt 10, CH-6301 Zug Telefon +41 (0)41 711 61 11 info@sigwerb.com www.sigwerb.com Anzeigenverkaufsleitung Thomas Füglistaler Anzeigenverkauf SIGImedia AG Jörg Signer Pfaffacherweg 189, Postfach 19 CH-5246 Scherz Telefon +41 (0)56 619 52 52 info@sigimedia.ch Redaktion Dr. Kurt Hermann Unter Altstadt 10 CH-6301 Zug Telefon +41 (0)41 711 61 11 redaktion@sigwerb.com

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Bild: Pixabay

FOKUS

Kunststoff- und andere Abfälle auf einer Müllhalde. Welche Alternativen es zum Umgang mit Kunststoff allgemein und mit Abfällen insbesondere es gibt, erforschen die Wissenschaftler des Projekts PlastX.

Schwierige Wiederverwertung

Kunststoff – nicht nur Müll Aus guten Gründen stecken Kunststoffe heute beinahe in allen Dingen, die uns das Leben erleichtern: in Computern, Autos und natürlich Verpackungen. Doch weil sie so stabil sind und oft nicht ordentlich entsorgt werden, sammelt sich immer mehr Plastikabfall in den Meeren an. Um das Risiko durch Kunststoffe und mögliche Alternativen zu erforschen, beteiligen sich Frederik Wurm und seine Mitarbeiter vom Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung am Projekt PlastX.

Peter Hergersberg

Bild: Vberger/Wikipedia

Die Plastiktüte ist die Glühbirne der Abfallwirtschaft. Wie der Bann gegen den Leuchtkörper, der mehr Wärme als Licht erzeugt, hat auch das EU-weite Verbot kostenloser Tüten, das ab 2018 wirksam wird, viel öffentliche Aufmerksamkeit ge-

Grober Plastikmüll am Ufer des Roten Meeres (nahe Safaga, Ägypten)

funden – und nicht nur wohlwollende. Und im einen wie im anderen Fall handelt es sich um eine Aktion mit Symbolkraft, die ein Bewusstsein für ein Problem schaffen kann, deren Effekt für das Erreichen des eigentlichen Ziel aber bescheiden bleiben dürfte. Gemeinsam ist beiden Verboten zudem, dass sie auch unerwünschte Nebenwirkungen haben. So leisten Energiesparlampen nur einen kleinen Beitrag, um den CO2 -Ausstoss Europas auf ein klimaverträgliches Mass zu reduzieren, die Schwermetalle in den Birnen machen diese im normalen Hausmüll aber zur Giftquelle. Und das Verbot kostenloser Plastiktüten in Europa führt wahrscheinlich nicht dazu, dass sich spürbar weniger Plastik in den Weltmeeren ansammelt. «Vor allem in Entwicklungs- und Schwellenländern gelangen Kunststoffe oft aus Achtlosigkeit in die Umwelt», sagt Frederik Wurm, Forschungsgruppenleiter am MaxPlanck-Institut für Polymerforschung in Mainz. «Aber in Ländern wie Deutschland, wo Plastikabfälle meistens in der Mülltonne oder im gelben Sack landen, liegt das Problem eher im ungewollten Kunststoffabfall, das heisst in Mikropartikeln, die von

Autoreifen oder beim Waschen von Kunstfasertextilien abgerieben werden und in die Gewässer geraten.» Dagegen hilft kein Verbot, kein guter Wille und bislang auch noch keine Kläranlage.

Umweltbelastung durch Kunststoffe reduzieren Um das Risiko abzuschätzen, das von den Kunststoffen ausgeht, wenn sie sich in der Umwelt statt der Mülltonne ansammeln, arbeiten die Chemiker um Wurm gemeinsam mit Sozialwissenschaftlern der Goethe-Universität Frankfurt und des Instituts für sozialökologische Forschung am Projekt PlastX. Die Forscher wollen darin auch mögliche Alternativen zu den gängigen Polymermaterialien vorstellen und Vorschläge machen, wie man die Umweltbelastung durch Kunststoffe nicht nur in Deutschland, sondern vor allem in Entwicklungs- und Schwellenländer reduzieren kann. Schnell wurde den Forschern im PlastXProjekt klar, dass es für die Fragen, die sie beantworten wollen, keine einfachen Lösungen gibt. Das fängt mit den Gefahren, 7– 8 /2017

FOKUS

die Kunststoffe in der Umwelt für Tiere und Menschen darstellen. Die Materialien werden heute alleine deshalb als Bedrohung gesehen, weil sie so unverwüstlich sind und sich massenhaft in der Umwelt ansammeln, wenn sie nicht ordentlich entsorgt werden. Und tatsächlich wirken alleine die Zahlen beängstigend: Eine US-amerikanische Studie unter anderem von Forschern der Universität Georgia hat ergeben, dass die Menge an Plastikmüll jährlich um 4,8 bis 12,7 Millionen Tonnen wächst – vor allem weil Verpackungen und ausgediente Geräte gedankenlos weggeworfen werden. Zudem werden einer Studie der internationalen Naturschutz-Organisation IUCN zufolge pro Jahr zwischen 0,8 und 2,5 Millionen Tonnen Kunststoff-Mikropartikel in die Ozeane gespült. «Bislang ist aber noch nicht klar, inwieweit Kunststoffe vor allem in Form von Mikropartikeln für Tiere und Menschen gefährlich sind», sagt Wurm. «Wir wissen zum Beispiel noch nicht, ob daraus Nanoparti-

kel entstehen, die vom Körper viel besser aufgenommen werden als Mikropartikel.» Unklar sei zudem, ob über die Plastikteilchen Schadstoffe in den tierischen oder menschlichen Organismus gelangen und ob sie dort dann auch von den Plastikteilchen abgelöst werden.

Billig, leicht, stabil, luftund wasserdicht Auch wenn mit Kunststoffen Risiken verbunden sind, wer sie deswegen von vorneherein ächtet, macht es sich zu einfach. Denn auch auf der Habenseite der Materialien lässt sich einiges verbuchen. Nicht zu Unrecht sind Kunststoffe seit einigen Jahrzehnten nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken und finden sich in fast jedem Gerät, das uns das Leben erleichtert. So gehört auch zu ihren Vorteilen, dass sie so haltbar sind, obwohl genau das zu einem ökologischen Problem werden kann. Sie sind zudem leicht, stabil, luftund wasserdicht und nicht zuletzt billig.

Wegen ihrer Vorzüge sind Kunststoffe nicht einfach zu ersetzen. Zum Beispiel in Tüten. So bieten Taschen aus Papier der Deutschen Umwelthilfe zufolge keine umweltfreundliche Alternative. Denn ihre Produktion verbraucht deutlich mehr Energie und Wasser, zudem werden dabei Chemikalien eingesetzt, die der Umwelt schaden. So fällt die Ökobilanz einer Papiertüte schlechter aus als die einer ordentlich entsorgten Plastiktüte. Während aus dem Tütendilemma noch der Stoffbeutel hilft, den man bei jedem Einkauf wiederverwenden kann, ist das in anderen Fällen deutlich schwieriger. Vor allem wenn es darum geht, feuchte und leicht verderbliche Lebensmittel entsprechend der heutigen Hygienestandards zu verpacken, gibt es kaum Alternativen zu Plastik. Auch mit der eigenen Kunststoffdose oder einem Glas in den Supermarkt zu gehen und sich darin den Joghurt abfüllen oder die Wurst einpacken zu lassen, sei keine, sagt Wurm. «Die Behältnisse zu waschen, belastet die Umwelt mehr als

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FOKUS

Kunststoff-Verpackungen, die ordentlich entsorgt werden.» Ausserdem müssten sich die Verbraucher dann selbst darum kümmern, dass ihre Behälter immer sauber sind.

Abbaubare Kunststoffbehälter Eine Lösung des Problems wären Kunststoffe, die entweder biologisch oder durch Wasser, Luft und Licht in einer überschaubaren Zeit abgebaut werden. Genau an solchen Polymeren arbeiten der Mainzer Chemiker und seine Mitarbeiter. Sie erforschen Synthesewege für phosphathaltige Polymere. Diese Kunststoffe lösen sich im Wasser allmählich auf und bringen sich bereits für die eine oder andere Anwendung in Position. Etwa als abbaubare Flammschutzmittel oder als Beschichtung von Mikro- und Nanotransportern, die im menschlichen Körper einmal medizinische Wirkstoffe direkt zum Krankheitsherd bringen sollen. «Unsere Polyphosphorester eignen sich nur für solche relativ speziellen Anwendungen», sagt Wurm. «Für kurzlebige Massenprodukte wie Verpackungen sind sie zu teuer.»

Auch wenn die phosphathaltigen Polymere für die breite Anwendung nicht in Frage kommen, wollten die Mainzer Forscher mit ihrer Erfahrung aus der Forschung an diesen Materialien abbaubare Kunststoffe für Verpackungen entwickeln. Das war zumindest der Plan, als das PlastX-Projekt startete. «Wir haben aber schnell gemerkt, dass das viel komplizierter ist, als wir dachten», sagt Wurm. Das fängt dabei an, dass die Chemiker steuern müssen, wann ein Kunststoff abgebaut wird. Schliesslich soll sich der Joghurtbecher, der im Wasser abgebaut wird, ja nicht schon auflösen, wenn er mit seinem wasserhaltigen Inhalt noch im Kühlschrank steht. «Ausserdem müssen wir steuern, an welchen Stellen ein Polymer gespalten wird, damit nicht Produkte entstehen, die für die Umwelt auch schädlich sind.» So entstehen aus den abbaubaren Kunststoffen, die derzeit erforscht werden oder sogar schon zu Verpackungen verarbeitet werden, Tenside, sobald sie zerfallen. Und die sind in Gewässern genauso unwillkommen wie Kunststoffe, weil sie dort zur Überdüngung führen. Zudem erfüllen viele Kunststoffe, die als abbaubar beworben werden, dieses Versprechen nur in der Kompostieranlage.

Gegen Mikropartikel helfen Filter in Kläranlagen Die Mainzer Chemiker gehen daher nun anders vor: «Wir analysieren jetzt erst einmal, was wir wollen, welche Alternativen zu gängigen Kunststoffen es bereits gibt und welche davon für die Umwelt unterm Strich am besten ist», sagt Wurm. Um Mikropartikel aus den Gewässern fernzuhalten, bleibe wahrscheinlich ohnehin nur die Möglichkeit, Kläranlagen mit Filtern auszustatten, die diese Verunreinigungen aus dem Abwasser entfernen. Aber auch unabhängig von dem Müllproblem lässt sich die Ökobilanz von Kunststoffen vielleicht aufbessern. Kunststoffe aus regenerativen Rohstoffen oder gar aus Kohlendioxid, das bei der Verfeuerung von Kohle entsteht, könnten da helfen. Denn sie könnten das Plastik ersetzen, das heute noch fast ausschliesslich aus Erdöl erzeugt wird. Solche Materialien könnten vor allem die Klimabilanz des Allzweckmaterials aufbessern und helfen fossile Ressourcen zu sparen. «Das Post-Erdölzeitalter ist leichter zu erreichen, als das Problem des Plastikmülls zu lösen.» Um der Umweltverschmutzung durch Plastikmüll beizukommen, bleibt vielleicht

Einträge von primärem und sekundärem Mikroplastik in die Ozeane.

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FOKUS

das Recycling. Kunststoffe beim Einkauf, aber auch in Telefonen, Computern oder Autos lassen sich kaum ersetzen und Polymere, die sich nicht von selbst auflösen, sind nicht in Sicht. «Eine Verpackung kann man nur zu einer neuen Verpackung recyceln, wenn die Kunststoffe sortenrein getrennt werden», sagt Wurm. Will heissen, Polyethylen, Polypropylen, Polyester und wie sie alle heissen dürfen sich nicht mischen. Genau das tun sie aber im Müll, und auch in der gelben Tonne oder im gelben Sack. Dazu kommen noch unterschiedliche Zusätze und Farbstoffe, die es zusätzlich erschweren, das Material wiederzuverwerten. «Es gibt zwar die Möglichkeit, Kunststoffe durch Flotation im Luftstrom zu trennen, aber das ist zum einen sehr aufwendig und teuer und führt am Ende auch nicht zu Kunststoffen, die rein genug sind, um daraus wieder hochwertige Produkte herzustellen», sagt der Chemiker. Einen Fortschritt hat in dieser Hinsicht immerhin das Einwegpfand gebracht. Es hat

zwar die Mehrwegquote nicht erhöht, in den Auffangbehältern der Pfandautomaten sammeln sich aber nur Flaschen aus dem gleichen Kunststoff, sodass sie sich wieder zu Plastikflaschen oder aber zum Beispiel zu Fleece-Pullis verarbeiten lassen. Doch aus anderen Verpackungen wird gewöhnlich keine Verpackung mehr, sondern nur noch eine Parkbank. Und wenn es auf manchen Verpackungen heisst, sie bestünden aus wiederverwertetem Kunststoff, bedeutet das nicht unbedingt, dass das Material aus dem Hausmüll stammt. «Bei diesen Materialien handelt es sich gewöhnlich um Abfälle aus der Industrieproduktion, die schon sortenrein vorliegen», sagt Wurm. Auch wenn echtes Recycling bei Kunststoffen schwierig ist, bleibt die beste Option wohl, Kunststoffe zumindest in die Mülltonne zu werfen, in die sie gehören. «Wir entwickeln daher im PlastX-Projekt ein Konzept, um bei Verbrauchern nicht nur in Deutschland, sondern überall auf der Welt ein Bewusstsein zu fördern, dass

Kunststoffe ein Rohstoff sind», sagt Wurm. So wollen die Wissenschaftler die Menschen dazu bewegen, Verpackungen und andere Produkte aus Kunststoff nicht einfach wegzuschmeissen, sondern ordentlich zu entsorgen. Derzeit werden sie dann zum Teil verbrannt und erzeugen so in ihrem Nachleben wenigstens Strom. Und selbst wenn sie nur auf einer Müllkippe deponiert werden, landen sie zumindest nicht in den Ozeanen.

Kontakt Dr. Frederik Wurm Max-Planck-Institut für Polymerforschung Ackermannweg 10 D-55128 Mainz Telefon +49 (0)6131 379-581 wurm@mpip-mainz.mpg.de www.mpip-mainz.mpg.de

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CHEMIE

Nanomaschine in Aktion

Struktur eines molekularen Motors

Bild: Sérgio Domingos, DESY

Mithilfe von Mikrowellen haben Forscher am Desy die exakte Struktur eines winzigen molekularen Motors entschlüsselt. Die Nanomaschine besteht aus einem einzigen Molekül mit 27 Kohlenstoff- und 20 Wasserstoffatomen. Wie ein makroskopischer Motor besitzt sie einen Rotor und einen Stator, die mit einer Achse verbunden sind. Die Analyse zeigt nun, wie die einzelnen Teile des Minimotors genau aufgebaut und arrangiert sind.

Das untersuchte Motormolekül mit der Formel C 27 H 20 .

Ben Feringa von Universität Groningen hat 2016 zusammen mit Jean-Pierre Sauvage von der Universität Strassburg und Sir Fraser Stoddart von der Northwestern University in den USA den Chemie-Nobelpreis für den Entwurf und die Herstellung von molekularen Maschinen bekommen. Am DESY wurde jetzt eine seiner Nanomaschinen eingehend untersucht. «Die Funktion solcher Nanomaschinen ergibt sich ganz offensichtlich aus ihren einzigartigen strukturellen Eigenschaften», schreiben die Autoren einer kürzlich erschienen Studie. «Um die molekulare Maschinerie besser zu verstehen und zu optimieren, ist es wichtig, ihre genaue Struktur zu kennen und zu verstehen, wie sich diese Struktur während wichtiger mechanischer Schritte verändert. Vorzugswei28

se unter Bedingungen, unter denen das System nicht durch äussere Einflüsse gestört wird.»

«Chemiker sind ganz verrückt nach diesem Molekül» Das jetzt untersuchte Motormolekül ist vielversprechend für eine Reihe von Anwendungen, wie Sérgio Domingos von DESY und vom Hamburger Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) erläutert: «Chemiker sind ganz verrückt nach diesem Molekül und versuchen, es mit einer Reihe anderer Moleküle zu verbinden.» Die Nano-Maschine wird durch Licht aktiviert und durchläuft dann eine Folge fotochemischer und thermischer Schritte, durch die sie eine halbe

Drehung vollführt. Ein erneuter Auslöser lässt den Motor dann eine komplette Rotation vollenden, so dass er in seine Ausgangsposition zurückkehrt. «So eine lichtgesteuerte Aktivierung ist ideal, denn sie erlaubt, den Motor auf nicht-invasive und eng lokalisierte Weise fernzusteuern», sagt Domingos. «So könnte das Molekül etwa mit einer Arznei verbunden werden, so dass sich diese lichtgesteuert präzise am gewünschten Ort im Körper ausschütten und aktivieren liesse – die lichtaktivierten Medikamente der Zukunft. Aber auch Anwendungen wie eine lichtgesteuerte Katalyse oder eine Bewegungsübertragung von der molekularen Ebene auf die makroskopische Welt wären interessante Perspektiven. Für solche Anwendungen ist es wichtig, die genaue Struktur und Arbeitsweise des Motormoleküls zu verstehen.» Der atomare Aufbau des Motormoleküls war bereits mit Röntgenstrahlung untersucht worden. «Im Gegensatz dazu haben wir isolierte Moleküle in einem Gas untersucht», erläutert Melanie Schnell, die Leitende Wissenschaftlerin bei DESY ist und am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) arbeitet, einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. «Auf diese Weise können wir das Molekül so sehen wie es wirklich ist, frei von allen äusseren Einflüssen wie Lösungsmitteln oder chemischen Bindungen.» Um die Struktur der Moleküle zu bestimmen, wurden sie einem resonanten Mikrowellenfeld ausgesetzt. «Wir haben ein elektromagnetisches Feld benutzt, um alle Moleküle kohärent in dieselbe Richtung auszurichten, und haben dann ihre Relaxation beobachtet, sobald das Feld abge7– 8 /2017

CHEMIE

schaltet wurde», berichtet Schnell. «Das liefert uns die Rotationskonstanten des Moleküls, die uns wiederum genaue Informationen über seinen strukturellen Aufbau liefern.»

Aufwendige Mikrowellenspektroskopie Diese Mikrowellenspektroskopie ist nicht simpel: Im Fall des Motormoleküls mussten die Forscher mehr als 200 Linien im Spektrum mit quantenchemischen Modellrechnungen zur Deckung bringen. «Gemessen an der Zahl der Atome ist der molekulare Motor gegenwärtig das grösste Molekül, dessen Struktur bislang mithilfe der Mikrowellenspektroskopie gelöst worden ist», betont Schnell. Um die Moleküle in der Mikrowellenkammer zum Fliegen zu bringen, mussten sie zunächst auf 180 Grad Celsius aufgeheitzt und dann extrem schnell auf minus 271 Grad Celsius abgekühlt werden. «Das Aufheizen hat manche der Motoren an der Achse auseinanderbrechen lassen», berichtet Domingos. «Auf diese Weise konnten wir den Rotor und den Stator unabhängig voneinander untersuchen und dabei ihre jeweilige Struktur bestätigen. Das liefert uns auch Hinweise auf den Mechanismus, über den sie auseinanderbrechen.» Die Analyse lieferte einige kleine Abweichungen von der Strukturbestimmung mit Röntgenstrahlung, bei der die Moleküle im Kristall miteinander wechselwirken. «Das zeigt, dass die Struktur des Motors unzweifelhaft von seiner Umgebung beeinflusst wird», sagt Domingos. Noch bedeutender ist jedoch, dass die Mikrowellentechnik die Untersuchung der Dynamik der Motormoleküle ermöglicht. «Jetzt, da wir das Molekül sehen, wie es wirklich ist, wollen wir es in der Bewegung einfangen», unterstreicht Domingos. Der Rotor geht durch ein Zwischenstadium, das mit drei Minuten lange genug dauert, um sich mit Mikrowellenspektroskopie untersuchen zu lassen. Die Forscher planen bereits derartige Untersuchungen, um im Detail zu verstehen, wie der molekulare Motor funktioniert. Originalpublikation Sérgio R. Domingos, Arjen Cnossen, Wybren J. Buma, Wesley R. Browne, Ben L. Feringa and Melanie Schnell, «Cold snapshot of a molecular rotary motor captured by high-resolution rotational spectroscopy», Angewandte Chemie, 2017; DOI: 10.1002/ anie.201706617

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CHEMIE

Drastische Beschleunigung fotochemischer Reaktionen

Sonnenlicht als einzige Energiequelle Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben einen einfachen Minireaktor aus einem in Maschendraht geflochtenen dünnen Kunststoffschlauch entwickelt, in dem chemische Reaktionen unter dem Einfluss von Sonnenlicht als einziger Energiequelle wesentlich schneller ablaufen als in herkömmlichen Aufbauten.

besonders froh über die überraschend schnellen Umsetzungen waren», merkt Opatz an. Für die Reaktion selbst ist das Lichtspektrum meist ohne Belang, weil aus dem Sonnenlicht die jeweils «passenden» Fotonen für den Fortgang der Reaktion herausgefiltert werden.

Bild: Fotolia

Für Fotochemie nutzen

Das Sonnenlicht initiiert im Sunflow-Reaktor fotochemische Reaktionen, wie sie beispielsweise auch bei der Fotosynthese ablaufen.

Die Arbeitsgruppe von Till Opatz am Institut für Organische Chemie an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) nutzt für ihre jüngste Forschung einen mehrfach gewundenen, 25 Meter langen Schlauch mit einem Innendurchmesser von einem Millimeter. Das Sonnenlicht initiiert in den Minikapillaren fotochemische Reaktionen, wie sie beispielsweise auch bei der Fotosynthese ablaufen. «Wir haben insgesamt 13 Reaktionen getestet und eine drastische Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit gesehen», erklärt Opatz. Der Sunflow-Reaktor ist somit wesentlich effizienter als andere Vorrichtungen mit klassischen Reaktionsgefässen, beleuchtet durch Energiesparlampen oder Leuchtdioden.

Lange Einstrahlungszeit «Grüne Chemie» ist ein Wachstumsfeld, das hohe Erträge mit der Verwendung von erneuerbaren Ausgangsmaterialien und energiesparenden Techniken erreichen möchte, ohne Schwermetalle oder andere toxische Substanzen einzusetzen. Im Fall von fotochemischen Reaktionen liefert Lichtein21 0

strahlung die Energie, um bestimmte chemische Reaktionen in Gang zu setzen. Grosse Fotoreaktoren haben in technischer Hinsicht allerdings verschiedene Nachteile. Vor allem benötigen sie eine relativ lange Einstrahlungszeit, was bei der Nutzung von Sonnenlicht durch den Tag-Nacht-Wechsel oder einen Wetterumschwung problematisch ist.

Passende Fotonen im Sonnenlicht Im Sunflow-Reaktor der Mainzer Arbeitsgruppe wird im Gegensatz dazu mit einem dünnen Schlauch eine sehr grosse Oberfläche geschaffen, die von der Sonne bestrahlt werden kann. Dadurch werden die jeweiligen Reaktionen wesentlich beschleunigt. So konnten die Chemiker der JGU bei gleichem Ertrag die Reaktionszeit für bestimmte Prozesse von 16 Stunden auf 3 Minuten verkürzen. Dabei wurde mit unterschiedlichen Wellenlängen experimentiert, auch mit Reaktionen, die UV-Strahlung benötigen. «Der UV-Anteil im Sonnenlicht ist eher gering, weshalb wir

«Der Sunflow-Reaktor ist einfach zu bauen und absolut erschwinglich für jede Arbeitsgruppe, die an umweltfreundlicher Fotoflusschemie interessiert ist», schreiben die Wissenschaftler in ihrer Veröffentlichung. Vergleichbar effiziente und umweltfreundliche Apparaturen für Anwendungen wie Fotoredox- und Wasserstoffatomtransfer-Chemie sind bislang nicht bekannt. Die Gruppe um Opatz wird die neue Technik künftig in breitem Umfang für ihre eigenen Arbeiten in der Fotochemie nutzen. Originalpublikation Alexander M. Nauth et al., «Sunflow: Sunlight Drives Fast and Green Photochemical Flow Reactions in Simple Microcapillary Reactors – Application to Photoredox and H-Atom-Transfer Chemistry», European Journal of Organic Chemistry, 28. Dezember 2016; DOI: 10.1002/ejoc.201601394

Kontakt Prof. Dr. Till Opatz Johannes Gutenberg-Universität Mainz Institut für Organische Chemie Duesbergweg 10–14 D-55099 Mainz Telefon +49 (0)6131 39 24443 opatz@uni-mainz.de www.chemie.uni-mainz.de

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CHEMIE

Molekül aus der Natur

Hochleistungsfähige Akku-Elektrode Chlorophyll, Blut und Vitamin B12 bauen alle auf dem Molekül Porphyrin auf. Und auch die Ladegeschwindigkeit von Batterien lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. In der Zeitschrift «Angewandte Chemie International Edition» stellten Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) das neue Materialsystem vor, das Basis sein könnte für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren.

Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien verbessern, sind jedoch nicht nachhaltig, weil diese selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären das angestrebte Ideal.

Mehrere Tausend Lade- und Entladezyklen Porphyringerüst.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies macht sie für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras derzeit unersetzlich, auch wenn verbesserte Eigenschaften wie Schnellladefähigkeit wünschenswert sind. Viele Materialien, die im

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm und Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des KIT hat ein neues Speichermaterial vorgestellt, welches die sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithiumionen erlaubt. Dazu wurde das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen versehen, welche beim ersten Beladungsvorgang in der Batteriezelle eine strukturelle und elektrisch leitende Vernetzung des Materials herbeiführen. Dadurch wird die Struktur der Elek-

trode im Labor in hohem Masse stabilisiert und mehrere Tausend Lade- und Entladezyklen wurden möglich. Mit diesem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130 bis 170 MilliAmperestunden pro Gramm (mAh/g) gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 Volt – und Be- und Entladungsdauern von nur einer Minute. Aktuell betriebene Experimente deuten darauf hin, dass sich die Speicherkapazität um weitere 100 mAh/g steigern lässt und der Speicher neben Lithium auch mit dem wesentlich häufigeren Element Natrium betrieben werden kann. «Porphyrine kommen in der Natur sehr häufig vor und bilden das Grundgerüst des Blattgrüns (Chlorophyll), des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren (Hämoglobin), oder von Vitamin B12», erklärt Fichtner. Man setzt technische Varianten solcher Materialien bereits ein etwa in der blauen Farbe von Laserdruckern oder von Autolacken. Durch die Bindung funktioneller Gruppen an das Porphyrin ist es gelungen, seine speziellen Eigenschaften erstmals auch für den Einsatz in elektrochemischen Speichern zu nutzen. «Die Speichereigenschaften sind aussergewöhnlich, weil das Material eine Speicherkapazität wie ein Batteriematerial besitzt – aber so schnell arbeitet wie ein Superkondensator», so Fichtner.

Bild: KIT/HIU

Originalpublikation P. Gao et al., «Porphyrin complex as self-conditioned electrode material for high performance energy storage», Angew. Chemie Int. Ed. (2017); DOI:10.1002/ ange.201702805 Der Porphyrinkomplex – Eingebaut in Elektroden – steigert im Laborexperiment die Ladegeschwindigkeit von Batterien.

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www.kit.edu 1 31

CHEMIE

Dezentrale chemische Prozesse

Biosprit aus Abfällen Sprit aus Abfall? Ist machbar. Doch Biomüll in Treibstoffe umzuwandeln, ist bisher kaum konkurrenzfähig. Zu hohe Temperaturen und zu viel Energie sind nötig. Mit einem neuen Katalysatorkonzept ist es Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) jetzt gelungen, Temperatur und Energiebedarf eines wichtigen Schrittes im chemischen Prozess entscheidend zu senken. Der Trick: Die Reaktion findet auf engstem Raum, im Inneren von Zeolithkristallen statt.

Grafisches Modell des Zeoliths HBEA 150.

Die Natur als Vorbild Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens stand die Natur Pate: In biologischen Systemen sorgen Enzyme, an deren Oberflächen sich kleine Taschen befinden, dafür, dass chemische Prozesse schneller ablaufen. «Wir haben uns überlegt, wie wir diese biologischen Funktionen auf die organische Chemie übertragen können», erläutert Lercher. «Auf der Suche nach geeigneten Katalysatoren, die die Reaktion

Bild: Kur t Hermann

Immer mehr Strom wird dezentral erzeugt – durch Windräder, Wasserkraft und Solaranlagen. «Da liegt es nahe, auch die Chemieproduktion zu dezentralisieren», meint Johannes Lercher, der an der TU München den Lehrstuhl für Technische Chemie II leitet. «Theoretisch könnte jede Gemeinde ihren eigenen Sprit oder ihren eigenen Dünger herstellen.» Bisher ist dies nicht möglich, weil chemische Prozesse viel Energie benötigen – mehr als die regenerativen Energiequellen vor Ort liefern. «Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, durch neue Prozesse die Voraussetzungen für eine dezentrale chemische Produktion zu schaffen, die durch alternative Energiequellen gespeist werden kann», erklärt der Chemiker, der in Personalunion Direktor des amerikanischen Institute for Integrated Catalysis an Pacific Northwest National Laboratory ist. Eine Grundlage für die Wende in der chemischen Produktion hat sein Team jetzt geschaffen: Im Labor konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich mithilfe von Zeolithkristallen in wässriger Lösung die zur Spaltung von Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen notwendige Temperatur drastisch senken lässt. Zeolithkatalysatoren beschleunigen den Prozess darüber hinaus erheblich.

Bild: Lehrstuhl für Technische Chemie II

Andreas Battenberg, TUM

Hydroniumionen, die in den Nanoporen des Zeoliths HBEA eingeschlossen sind, katalysieren die Dehydratisierung von Alkoholen wesentlich stärker als Hydroniumionen in Wasser.

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beschleunigen, sind wir auf die Zeolithe gestossen: Kristalle mit kleinen Hohlräumen, in denen Reaktionen unter ähnlich beengten Verhältnissen ablaufen wie in den Taschen der Enzyme.»

Säure in die Enge getrieben Doch steigert die Enge tatsächlich die Reaktivität? Um diese Frage zu beantworten, verglich Lerchers Team im Labor die Reaktion von Kohlenstoffverbindungen mit Säuren im Becherglas mit der in Zeolithen. Ergebnis: In den engen Hohlräumen der Kristalle, wo reagierende Moleküle, beispielsweise Alkohole, auf Hydroniumionen der Säuren treffen, laufen Reaktionen bis zu hundert Mal schneller und bereits knapp über 100 °C mit hohen Raten ab. «Unsere Experimente zeigen, dass die Zeolithe als Katalysatoren eine Wirkung 7– 8 /2017

CHEMIE

entfalten, die vergleichbar ist mit der von Enzymen: Beide senken das Energieniveau, das für die Reaktionen notwendig ist ganz erheblich», berichtet Lercher. «Die katalytische Wirkung wird dabei stärker, je kleiner die Hohlräume sind, in denen die Reaktionen stattfinden. Die besten Ergebnisse haben wir bei Durchmessern von weit unter einem Nanometer erzielt.»

Gecko, Wachs und Zeolithe Doch warum macht Enge die Moleküle reaktionsfreudiger? «Die Kraft, die den Reaktionspfad verbessert, ist dieselbe, die dafür sorgt, dass Wachs an der Tischplatte klebt und Geckos an der Decke laufen können», antwortet Lercher. «Je mehr Kontaktpunkte es zwischen zwei Oberflächen gibt, desto grösser die Adhäsion. In unserm Experiment werden die organischen Moleküle, die sich in wässriger Lösung befinden, von den Poren der Zeolithe regelrecht angezogen.» Im Inneren der Hohlräume haben die Hydroniumionen daher eine erheblich höhere Wahrscheinlichkeit auf einen Reaktionspartner zu treffen als ausserhalb. Das Ergebnis ist eine sauer katalysierte chemische Reaktion, die schneller und mit weniger Energiezufuhr abläuft.

Aus Müll wird Sprit Durch den Kontakt mit den Hydroniumionen verlieren die organischen Moleküle Sauerstoff. Das Verfahren eignet sich daher gut, um Bio-Öl, das aus organischen Abfällen gewonnen wird, in Treibstoff umzuwandeln. Bis das neue Verfahren in der Praxis eingesetzt werden kann, wird freilich noch einige Zeit vergehen. «Noch arbeiten wir an den Grundlagen», betont Lercher. «Mit denen wollen wir die Voraussetzung schaffen für eine neue, dezentrale Chemie, die keine grosstechnischen Anlagen mehr benötigt.» Originalpublikationen Yuanshuai Liu, Aleksei Vjunov, Hui Shi, Sebastian Eckstein, Donald M. Camaioni, Donghai Mei, Eszter Baráth & Johannes A. Lercher, «Enhancing the catalytic activity of hydronium ions through constrained environments», Nature Communications 8, Article number: 14113 (2017); DOI:10.1038/ncomms14113 Hui Shi, Sebastian Eckstein, Aleksei Vjunov, Donald M. Camaioni & Johannes A. Lercher, «Tailoring nanoscopic confines to maximize catalytic activity of hydronium ions», Nature Communications 8, Article number: 15442 (2017); DOI:10.1038/ncomms15442

Kontakt Prof. Dr. Johannes Lercher Technische Universität München Lehrstuhl für Technische Chemie II Lichtenbergstrasse 4 D-85746 Garching Telefon +49 (0)89 289 13540 johannes.Lercher@ch.tum.de www.tc2.ch.tum.de

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CHEMIE

Einfachere und günstigere Wirkstoffsuche

Minireagenzgläser aus Wassertropfen

Der Chemiker Pavel Levkin vom Institut für Toxikologie und Genetik (ITG), an dem Biologen, Chemiker und Physiker gemeinsam forschen, hat eine Oberfläche entwickelt, auf der sich wässrige Lösungen selbstständig zu tausenden separaten Tröpfchen anordnen. «Auf einem DropletMicroarray (DMA) können biologische Proben wie etwa Gewebe aus einer Biopsie einem Wirkstoff-Screening unterzogen werden», sagt Simon Widmaier vom ITG. Jeder einzelne Tropfen dient dabei als eine Art Reagenzglas für biologische Experimente. Pipettierroboter und Pipettenspritzen, bis dato unverzichtbar, sind überflüssig. «Ein einzelner Labormitarbeiter kann jetzt innerhalb weniger Sekunden tausende Wirkstoff-Screeningexperimente ausführen.» Das Einsparpotential, das die neue Technik bietet, ist laut Widmaier enorm: «Ein Pipettierroboter kostet mehrere 10 000 Euro und muss von einem Experten bedient werden.» Jeder Pipettierschritt koste allein durch den Verbrauch einer einzigen Pipettenspitze fünf bis sieben Cent.

Reagenzienverbrauch tausendmal kleiner Darüber hinaus bietet das Raster des Feldes aus durch einen sehr exakten UVBelichtungsprozess hergestellten extrem wasseranziehenden und extrem wasserabweisenden Bereichen die Möglichkeit, die Grösse der zu untersuchenden Tröpfchen ganz nach Wunsch zwischen 3 und 250 Nanolitern (Milliardstel eines Liters) zu variieren. Während beim Einsatz herkömmlicher Mikrotiterplatten je Einheit mindestens 40 Mikroliter (Millionstel eines Liters) Reagenzien benötigt werden. «Grob geschätzt verbraucht ein DMA also tausend21 4

Bild: KIT

Moderne Labortechnik kann nicht nur helfen, neue Medikamente zu entwickeln, sondern auch Diagnosen schneller und exakter zu stellen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine Laborausstattung entwickelt, welche die Suche nach Wirkstoffen und das Untersuchen von Zellproben viel einfacher und bis zu hundertmal günstiger macht als bisher.

Auf einem Droplet-Microarray ordnen sich Flüssigkeiten selbständig zu kleinsten Tröpfchen.

mal weniger Reagenzien. Da diese oft sehr kostspielig sind – manche sind teurer als Gold – ein grosser Vorteil für die Anwender», so Widmaier.

Experimente mit wenigen lebenden Zellen Des Weiteren hatte es die klassische Pipettiertechnik nicht erlaubt, Flüssigkeiten mit darin fein verteilten Festkörpern wie Zellen in Nanoliter-Mengen zu portionieren. Auf dem neuartigen biologisch verträglichen Polymer hingegen, können Experimente auch mit ganz wenigen lebenden Zellen durchgeführt werden. Die Technologie bietet somit grosse Vorteile beim Screening von Stamm- und Primärzellen, mit denen verlässlich abgeprüft werden kann, wie menschliche Organe auf Wirkstoffe reagieren. So würden ScreeningErgebnisse zuverlässiger und die Entwicklung von Medikamenten preiswerter, erwartet Widmaier. Um ihre Innovation zu vermarkten, haben die Forscher vor die Firma Aquarray zu grün-

den. Sie wollen damit auch biologischen Forschungslabors mit geringer finanzieller Ausstattung ermöglichen, HochdurchsatzScreenings zu machen. Diagnostischen Labors sollen personalisierte Wirkstoffscreenings, wie sie etwa bei der Krebsbehandlung hilfreich sein können, erleichtert und nicht zuletzt auch grossen Pharmaunternehmen Kostenerleichterungen geboten werden. «Die DMA-Technologie löst das zentrale Problem der Miniaturisierung von Zellexperimenten und ermöglicht Screenings an medizinischen Wirkstoffen und minimalen Zellmengen wie zum Beispiel Biopsiegewebe eines Patienten. Unser Ziel ist die Entwicklung, Produktion und Vermarktung von Droplet Microarrays, Produktplattformen und Screening-Kits an Forschungsinstitute, Screening-Center sowie Pharmaunternehmen und der Einsatz der DMA-Technologie für zellbasierte Wirkstoffscreenings im Kontext der personalisierten Medizin», sagt Widmaier. Erste Prototypen werden bereits im Markt getestet. www.kit.edu 7 – 86 / 2 0 1 7

Bild: ETH Zürich

BIOWISSENSCHAFTEN

Das Transportprotein ABCG2 (Mitte) ist in die Zellmembran eingebettet. Es erkennt im Zellinnern (unten) über 200 Stoffe und transportiert diese nach aussen (oben).

Wie Zellen schädliche Stoffe loswerden

Blick auf einen molekularen Gifttransporter Transportproteine in unseren Körperzellen schützen uns vor gewissen Vergiftungen. Forschende der ETH Zürich und der Universität Basel haben nun die hochaufgelöste dreidimensionale Struktur eines bedeutenden menschlichen Transportproteins aufgeklärt. Langfristig könnte dies helfen, neue Medikamente zu entwickeln.

Fast alle Lebewesen haben im Lauf der Evolution Mechanismen entwickelt, um Giftstoffe, die ins Innere ihrer Zellen gelangt sind, wieder loszuwerden: In der Zellmembran sitzen molekulare Pumpen, die schädliche Stoffe im Zellinnern erkennen und nach aussen spedieren. Forschende der ETH Zürich und vom Biozentrum der Universität Basel haben nun die dreidimensionale Struktur eines solchen Transportproteins beim Menschen – des Proteins ABCG2 – auf atomarer Ebene aufgeklärt. Es ist dies die erste solche Struktur für einen menschlichen multispezifischen Arzneistofftransporter (engl. multi-drug transporter), die nun bekannt ist. «Das Protein ABCG2 erkennt und transportiert mindestens 200 bekannte Stoffe», erklärt Kaspar Locher, Professor für Molekulare Membranbiologie an der ETH Zürich und Leiter der Studie. Zu diesen Stoffen gehören Alkaloide – Pflanzeninhaltsstoffe, die wir über die Nahrung aufnehmen –, aber auch körpereigene Stoffe wie Harn7– 8/2017

säure oder der Hämoglobin-Abbaustoff Bilirubin. Aktiv ist das Protein unter anderem in der Darmwand, wo es schädliche Stoffe daran hindert, ins Blut zu gelangen, oder in den Zellen der Blut-Hirn-Schranke, wo es Giftstoffe vom Gehirn fernhält. Bedeutend sind Proteine wie ABCG2 auch in Milchdrüsen und in der Plazenta. Dort sorgen sie dafür, dass Giftstoffe nicht in die Muttermilch gelangen oder in den Blutkreislauf eines ungeborenen Kindes.

die oral verabreicht werden, müssen die Darmwand durchdringen, und solche, die

Zweischneidiges Schwert Allerdings hat die Funktion von multispezifischen Arzneistofftransportern eine Kehrseite: Die Proteine pumpen auch gewisse Medikamente aus den Zellen und verhindern so, dass diese im Zellinnern wirken. «Bei der Entwicklung von Medikamenten muss daher immer untersucht werden, ob sie von Transportproteinen wie ABCG2 erkannt werden», sagt Locher. Medikamente, 1 35

BIOWISSENSCHAFTEN

im Gehirn wirken sollen, müssen die BlutHirn-Schranke passieren. Sie können dies nur, wenn ABCG2 sie nicht erkennt. Von einigen Krebsmedikamenten (Chemotherapeutika) hingegen ist bekannt, dass ABCG2 sie erkennt. Dies ist gravierend, weil gewisse Tumorzellen in der Lage sind, die Zahl der ABCG2-Proteine in ihrer Zellmembran zu erhöhen. Solchen Zellen pumpen Chemotherapeutika effi zient nach aussen – sie sind gegen die Medikamente resistent.

Medikamentenentwicklung mit dem Computer Dank der nun bekannten Struktur von ABCG2 könnten Wissenschaftler künftig am Computer simulieren, ob das Transportprotein neue Arzneimittel erkennen kann. Ebenfalls mithilfe von Computermodellierungen könnten Forschende bessere Antikörper für die Diagnose medikamentenresistenter Krebszellen entwickeln oder Wirkstoffe, welche das Transportprotein

hemmen. Mit solchen Wirkstoffen könnten bestimmte Resistenzen gegenüber Chemotherapeutika überwunden werden. «Die Beiträge unserer Forschung für die Medizin und insbesondere die Krebsmedizin sind jedoch längerfristig zu sehen. Wir liefern in erster Linie die Grundlage», betont Locher. ABCG2 ist ein sehr bewegliches Molekül. Es war deshalb schwierig, das Molekül für die Aufklärung seiner atomaren Struktur festzuhalten. Mithilfe von stabilisierenden Antikörpern ist es den Wissenschaftlern jedoch gelungen, das Protein zu immobilisieren. Die dreidimensionale Struktur bestimmten die ETH-Forschenden in Zusammenarbeit mit Henning Stahlberg, Professor am Biozentrum der Universität Basel, und seiner Gruppe mittels der Kryo-Elektronenmikroskopie. «Wir haben in der letzten Zeit intensiv daran gearbeitet, unsere Elektronenmikroskope in deren Auflösungsvermögen zu optimieren und gleichzeitig weitgehend zu automatisieren. So haben wir eine unglaublich

schnelle Analysepipeline geschaffen», sagt Stahlberg. Die Kryo-Elektronenmikroskopie ist eine verhältnismässig neue Technologie zur Aufklärung atomarer Molekülstrukturen. «Die Technik hat in der Strukturbiologie eine Revolution ausgelöst», sagt Locher. In Anbetracht dieser Bedeutung wird die ETH Zürich weiter in die Methode investieren und am Mikroskopiezentrum ScopeM ein zweites hochauflösendes Kryo-Elektronenmikroskop anschaffen. Es wird allen Wissenschaftlern der Life Sciences zur Verfügung stehen, um Moleküle und Strukturen mit atomarer Auflösung zu untersuchen. Originalpublikation Nicholas M. I. Taylor et al., «Structure of the human multidrug transporter ABCG2», Nature 546, 504–509 (22 June 2017); DOI:10.1038/nature22345

Text: Fabio Bergamin, ETH www.ethz.ch

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Bild: Fotolia/Dederer

BIOWISSENSCHAFTEN

Beim Grillieren im Sommer entsteht bei der Reaktion von Fett mit glühender Kohle Benzo[a]pyren, ein verbreitetes Umweltgift, das beim Menschen Krebs auslösen kann.

Antikörper gegen krebserregenden Stoff entschlüsselt

Benzo[a]pyren schneller nachweisen Sommer ist Grillierzeit. Allerdings entsteht bei der Reaktion von Fett mit glühender Kohle Benzo[a]pyren – ein Umweltgift, das beim Menschen Krebs auslösen kann. Da über viele Jahrzehnte Häuser mit Kohle oder Holz beheizt wurden, ist es über den Schornsteinrauch in Böden und im Grundwasser eingelagert. Ein Team um Arne Skerra von der Technischen Universität München (TUM) hat den Bindungsmechanismus eines Antikörpers an Benzo[a]pyren entschlüsselt. Eine Entdeckung, die den Weg frei machen könnte für den einfacheren Nachweis und damit das Entfernen des Giftstoffs.

PAK beim unvollständigen Verbrennen freigesetzt

Benzo[a]pyren (BaP).

Sabine Letz, TUM Beim unvollständigen Verbrennen von organischen Stoffen entstehen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Bekanntester Vertreter dieser Gruppe ist das 1,2-Benzpyren oder Benzo[a]pyren (BaP) wegen seiner hohen Toxizität und relativ guten Nachweisbarkeit. Daher wird es als Marker für das Vorkommen von PAK allgemein benutzt. Die Stoffklasse der PAK wird in unserem Körper zu Molekülen umgebaut, die Änderungen am Erbgut hervorrufen können, welche sich im schlimmsten Falle zu Tumoren weiterentwickeln. Deshalb gelten die PAK als Schadstoffe oder Umweltgifte. 7– 8/2017

Neben dem Grillieren von Würstchen, Steaks oder Gemüsen bilden sich PAK in erheblicher Menge beim Rauchen von Tabak, weshalb sogar Passivrauchen inzwischen als krebserregend eingestuft ist. Ebenso gelten offene Kamine in Wohnungen und Fahrzeugabgase als Quelle von PAK. Die durch Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Luft emittierten PAK verbleiben dort oder werden an Russpartikel gebunden und können sich so über Niederschläge in Böden, auf Spielplätzen und im Grundwasser ablagern, so dass sie letztlich auch ins Trinkwasser gelangen können. Da Benzo[a]pyren stark karzinogen wirkt, sind in den europäischen Richtlinien Grenzwerte für den maximalen Gehalt dieser Verbindung in Trinkwasser festgelegt worden (10 ng/l für BaP). Um diesen extrem niedrigen Wert bestimmen zu können, sind allerdings hochempfindliche Messmethoden notwendig. Dem Team um Arne Skerra vom Lehrstuhl für Biologische Chemie in Weihenstephan und Dietmar Knopp vom Lehrstuhl für Analytische Chemie in Grosshadern ist es gelungen, einen Anti-

körper zu identifizieren, der Benzo[a]pyren fest bindet. «Wir wissen nun, wie die Bindung des Antikörpers an das Benzo[a]pyren, eine sehr ungewöhnliche organische Verbindung, funktioniert», sagt Skerra, «und können damit möglicherweise Antikörper auch gegen andere PAK entwickeln. So wäre im nächsten Schritt vorstellbar, dass wir mit solchen Antikörpern einmal aromatische Kohlenwasserstoffe beispielsweise aus verseuchtem Trinkwasser herausfiltern.» Originalpublikation Andreas Eichinger et al. «Tight molecular recognition of benzo[a]pyrene by a high affinity antibody», Angewandte Chemie International Edition 6/2017; DOI: 10.1002/ anie.201703893 Kontakt Prof. Dr. Arne Skerra Technische Universität München Lehrstuhl für Biologische Chemie Emil-Erlenmeyer-Forum 5 D-85354 Freising (Weihenstephan) Telefon +49 (0)8161/71-4351 skerra@tum.de

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REPORTAGE

Wädenswiler Day of Life Sciences

Factories of the Future Bereits zum neunten Mal veranstaltete das Institut für Chemie und Biotechnologie ICBT der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW am 22. Juni 2017 «seinen» Day of Life Sciences. Institutsleiter Christian Hinderling gab einen Überblick über die Aktivitäten in Wädenswil. Anhand von Demonstrationen in acht verschiedenen Labors konnten sich die Teilnehmer hautnah über die vielfältigen Forschungs- und Entwicklungsbereiche am ICBT informieren. Martin Wörter von der Konjunkturforschungsstelle KOF der ETH Zürich berichtete zudem über Resultate einer umfangreichen Umfrage über die Digitalisierung in ausgewählten Sektoren der Schweizer Wirtschaft.

Kurt Hermann «Das ICBT, das Institut für Chemie und Biotechnolgie ist einzigartig, in der Schweiz auf jeden Fall, als ein Institut auf der Fachhochschulebene mit der Kombination der beiden Fachbereiche Chemie und Biotechnologie. Dies macht mit Blick auf die Zukunft sehr viel Sinn», erklärte Christian Hinderling in seiner Einleitung zum 9. Wädenswiler Day of Life Sciences mit dem Thema «ICBT – Factories of the Future» am 22. Juni 2017. Hinderling ist Leiter des Instituts für Chemie und Biotechnologie ICBT, das Teil der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW ist, und wiederum zusammen mit der Zürcher Hochschule der Künste ZHdK sowie der Pädagogischen Hochschule Zürich PHZH zur Zürcher Fachhochschule ZFH gehört. Die ZFH ist auf die drei Standorte Winterthur, Zürich und Wädenswil verteilt. In acht Departementen werden fast 3000 Mitarbeiter beschäftigt.

Hinderling informiert über die ICBT Am ICBT betreuen aktuell 38 Professoren und Dozenten sowie 52 wissenschaftliche Mitarbeiter und 60 Assistenten 326 BScund 82 MSc-Studenten. Die Lehre ist denn auch das Wichtigste; sie nimmt rund 50 Prozent der Arbeitszeit ein. Ein weiteres Standbein ist F+E mit knapp 10 Millionen Franken Umsatz im Jahr 2016. Die wichtigsten Arbeitsfelder sind: – pharmazeutische Technologie, Medizinalchemie und Pharmazie 21 8

– chemische und biologische Prozesse und Anlagen – Synthese und neue Materialien – analytische Chemie – Biochemie, Proteintechnologie und Bioanalytik – Mikro-, Molekular- und Zellbiologie, Tissue Engineering. Zwei BSc-Studiengänge werden angeboten: – Biotechnologie mit Vertiefung (Ausbildungsschwerpunkte sind Pharmazeutische Biotechnologie, Biotechnologie,

Biochemie, Proteintechnologie und Bioanalytik) – Chemie mit Vertiefung (Biologische Chemie, Chemie). Hinderling assoziierte die Ausbildung mit einem Schweizer Taschenmesser: «Absolventen unserer Bachelorstudiengänge sind Allrounder, sie lösen fast jede Aufgabe, die mit dem Fach zu tun haben. Sie verfügen über eine universelle Kompetenz, sind aber dabei nicht hoch spezialisiert.»

Stationen des Laborrundgangs Dr. Markus Rimann Tissue Engineering – neueste Technologien von der Zelle bis zum Gewebe Fachstelle Zellbiologie und Tissue Engineering Alexander Hämmerli 3D-Druck-Knochenersatz, Polymere, Wirkstoffe Fachstelle Pharmazeutische Wirkstoffforschung und Arzneimittelentwicklung Prof. Dr. Christian Adlhart Kontaktfreie Endproduktkontrolle am Beispiel verpackter Tabletten Fachstelle Funktionsmaterialien und Nanotechnologie Prof. Dr. Achim Ecker Massiver Sensoreinsatz im F&E-Labor und Prozessverständnis durch PAT Fachstelle Industrielle Chemie und Verfahren Dr. Caspar Demuth Entwicklung von Online-Sensoren für die Bioprozessüberwachung Fachstelle Analytische Chemie Dr. Lukas Neutsch Integrierte Konzepte für Bioprozessüberwachung und Regelung Fachstelle Biokatalyse und Prozesstechnologie Prof. Dr. Regine Eibl-Schindler, Prof. Dr. Dieter Eibl Plattformtechnologien für die Entwicklung von Bio- und Zelltherapeutika (PIV, CFD, Single-Use, Scaleup, Prozessentwicklung, Pflanzenzellen) Fachstelle Bioverfahrens und Zellkulturtechnik

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Bilder: ICBT

REPORTAGE

Christian Hinderling, Vorsteher des ICBT, stellt «sein» Institut vor.

Martin Wörter informiert über Digitalisierung und Industrie 4.0 In der Schweiz.

Bei Achim Ecker (rechts) gehts um den Sensoreinsatz bei der Optimierung von Herstellungsprozessen.

Mit 3D Bioprinting zum schichtweisen Aufbau von lebendem Gewebe beschäftigt sich Markus Rimann (Mitte).

Rund 30 Prozent der BSc-Absolventen schliessen ein MSc-Studium an. Auch hier gibt es zwei Alternativen: Life Sciences mit Vertiefung Pharmaceutical Biotechnology und Life Sciences mit Vertiefung Chemistry for the Life Sciences.

Geringe Auswirkung auf die Beschäftigung Martin Wörter von der Konjunkturforschungsstelle KOF der ETH Zürich referierte über die «Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Schweiz». Befragt wurden 3931 sorgfältig ausgewählte Schweizer Unternehmen mit 20 und mehr Beschäftigten im Industrie-, im Bau- und im Dienstleistungssektor; 1183 Firmen antworteten. Verglichen wurde der Zustand vor 2013 mit der Entwicklung in den Jahren 2013 bis 2015. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehört gemäss Wörter die Tatsache, dass die Digitalisierung nur eine geringe Auswirkung auf die Beschäftigung hatte. Die Verbrei7– 8/2017

tung digitaler Technologien hängt stark vom Technologietyp ab; 35 Prozent der Firmen konnten ihre Wettbewerbsfähigkeit erhöhen. Am stärksten von der Digitalisierung betroffen waren die Bereiche Administration, Beschaffung und Marketing. Am häufigsten wurde die Digitalisierung für die interne Datenverarbeitung und Vernetzung verwendet. Die verfügbare Qualifikation, komplexe Arbeitsabläufe und Finanzmangel sind die meistgenannten Hindernisse für eine stärkere Digitalisierung.

und ganze Gewebe. Weiterhin präsentieren wir neue Sensoren zum Einsatz in der online Prozesskontrolle, Single Use Reaktoren und Plattformtechniken für die Entwicklung von Bio- und Zelltherapeutika. Auch neuste Technologien des Zell Engineerings, die die Grundlagen für Produkte von morgen bilden, werden zu sehen sein.» – Ein reich befrachtetes Programm, durch das die Symposiumsteilnehmer einen guten Eindruck von den breit gefächerten Aktivitäten des ICBT erhielten.

Von Labor zu Labor Die Labors der ZHAW verteilen sich auf die beiden Standorte Reidbach und Grüental. Die einzelnen Stationen des Laborrundgangs sind im Kasten zusammengefasst. Anhand von Demonstrationen wurde ausführlich gezeigt, was in der Einladung zur Veranstaltung wie folgt umschrieben wurde: «Hier sehen Sie Techniken wie Flow Chemistry, Mikroreaktortechnik und 3D-Druck für personalisierte Implantate

Kontakt Prof. Dr. Christian Hinderling ZHAW Life Sciences und Facility Management Einsiedlerstrasse 31 CH-8820 Wädenswil Telefon +41 (0)58 934 55 10 hicr@zhaw.ch www.zhaw.ch

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MEDIZIN

Cannabiswirkstoff weckt Hoffnungen

Umkehr der Alterungsprozesse im Gehirn Mit zunehmendem Alter nimmt die Gedächtnisleistung ab. Cannabis kann diese Alterungsprozesse im Gehirn umkehren. Das zeigen Wissenschaftler der Universität Bonn mit ihren Kollegen der Hebrew University (Israel) an Mäusen. Alte Tiere konnten durch eine längere niedrig dosierte Behandlung mit einem Cannabiswirkstoff in den Zustand von zwei Monate jungen Mäusen zurückversetzt werden. Dies eröffnet zum Beispiel für die Behandlung von Demenzerkrankungen neue Optionen.

Tetrahydrocannabinol (THC).

Wie jedes andere Organ altert auch unser Gehirn. In der Folge nimmt mit zunehmendem Alter auch die kognitive Leistungsfähigkeit ab. Dies bemerkt man beispielsweise dadurch, dass es schwerer wird, Neues zu erlernen oder mehreren Dingen gleichzeitig Aufmerksamkeit zu widmen. Dieser Prozess ist normal, kann aber auch Demenzerkrankungen befördern. Schon lange suchen Forscher nach Möglichkeiten, diesen Prozess zu verlangsamen oder gar umzukehren. Das ist Wissenschaftlern der Universität Bonn und der Hebrew Universität Jerusalem (Israel) bei Mäusen nun gelungen.

Diese Tiere haben in der Natur nur eine relativ kurze Lebenszeit und zeigen bereits im Alter von zwölf Monaten starke kognitive Defi zite. Die Forscher verabreichten Mäusen im Alter von zwei, zwölf oder 18 Monaten über einen Zeitraum von vier Wochen eine geringe Menge an THC, dem aktiven Inhaltsstoff der Hanfpflanze (Cannabis). Danach testeten sie das Lernvermögen und die Gedächtnisleistungen der Tiere – darunter zum Beispiel das Orientierungsvermögen und das Wiedererkennen von Artgenossen. Mäuse, die nur ein Placebo verabreicht bekamen, zeigten natürliche altersabhängige Lern- und Gedächtnisverluste. Die kognitiven Funktionen der mit Cannabis behandelten Tiere waren hingegen genauso gut wie die von zwei Monate alten Kontrolltieren. «Die Behandlung kehrte den Leistungsverlust der alten Tiere wieder komplett um», berichtete Andreas Zimmer vom Institut für Molekulare Psychiatrie der Universität Bonn, Mitglied des Exzellenzclusters ImmunoSensation.

Jahrelange akribische Forschung Dieser Behandlungserfolg ist das Ergebnis jahrelanger akribischer Forschung. Zunächst fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Gehirn viel schneller altert, wenn Mäuse keinen funktionsfähigen Rezeptor für THC besitzen. Bei diesen Cannabinoid1-Rezeptoren (CB1-Rezeptoren) handelt es sich um Proteine, an die Substanzen andocken und dadurch eine Signalkette auslösen. CB1 ist auch der Grund für die berauschende Wirkung von THC in Cannabisprodukten, wie Haschisch oder Marihuana, die sich an den Rezeptor anlagern. THC ahmt die Wirkung von körpereigenen Cannabinoiden nach, die wichtige Funktionen im Gehirn erfüllen. «Mit steigendem Alter verringert sich die Menge der im Gehirn natürlich gebildeten Cannabinoide», sagt Zimmer. «Wenn die Aktivität des Cannabinoidsystems abnimmt, dann finden wir ein rasches Altern des Gehirns.» Um herauszufinden, was die THC-Behandlung alter Mäuse genau bewirkt, unter-

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MEDIZIN

Bild: Volker Lanner t/Uni Bonn

VIELSEITIG, EFFIZIENT & ZUVERLÄSSIG PASTILLIEREN MIT DEM ROTOFORM: FÜR PETRO- UND OLEOCHEMIKALIEN Andreas Zimmer (links) und die nordrhein-westfälische Wissenschaftsministerin Svenja Schulze (Mitte) im Labor des Instituts für Molekulare Psychiatrie der Universität Bonn.

suchten die Forscher das Gehirngewebe und die Genaktivität der behandelten Mäuse. Die Befunde waren überraschend: Die molekulare Signatur entsprach nicht mehr der von alten Tieren, sondern war vielmehr jungen Tieren sehr ähnlich. Auch die Zahl der Verknüpfungen der Nervenzellen im Gehirn nahm wieder zu, was eine wichtige Voraussetzung für das Lernvermögen ist. «Es sah so aus, als hätte die THC-Behandlung die molekulare Uhr wieder zurückgesetzt», sagt Zimmer.

Originalpublikation Andras Bilkei-Gorzo, Onder Albayram, Astrid Draffehn, Kerstin Michel, Anastasia Piyanova, Hannah Oppenheimer, Mona Dvir-Ginzberg, Ildiko Rácz, Thomas Ulas, Sophie Imbeault, Itai Bab, Joachim L Schultze & Andreas Zimmer, «A chronic low dose of Δ9 -tetrahydrocannabinol (THC) restores cognitive function in old mice», Nature Medicine 23, 782–787 (2017); DOI: 10.1038/nm.4311

Klinische Studie am Menschen Die Dosierung des verabreichten THC war so niedrig gewählt, dass eine Rauschwirkung bei den Mäusen ausgeschlossen war. Cannabisprodukte sind bereits als Medikamente zugelassen, zum Beispiel für die Schmerzbekämpfung. Die Forscher wollen im nächsten Schritt in einer klinischen Studie untersuchen, ob THC auch beim Menschen Alterungsprozesse des Gehirns umkehren und die kognitive Leistungsfähigkeit wieder steigern kann.

Kontakt Prof. Dr. rer. nat. Andreas Zimmer Universität Bonn Institut für Molekulare Psychiatrie Sigmund-Freud-Strasse 25 D-53127 Bonn Telefon +49 (0)228 6885 300 a.zimmer@uni-bonn.de www.ukb.uni-bonn.de

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Bilder: ZHAW

ERNÄHRUNG

Schwarztee als Rohstoff: Nebst Koffein sind im Tee viele gesundheitsfördernde Stoffe enthalten.

Verfahren auf rein wässriger Basis

Natürlich entkoffeinierter Schwarztee Forschern vom ZHAW-Institut für Lebensmittel- und Getränkeinnovation in Wädenswil und dem Teehersteller Infré SA in Semsales ist eine Weltneuheit gelungen: Mit der von ihnen entwickelten Prototypanlage kann erstmals qualitativ hochwertiger Tee ohne Chemie entkoffeiniert werden. Bisher wurde dem Tee das Koffein mithilfe chemischer Zusätze wie Lösungsmittel entzogen.

Mit einem an der ZHAW entwickelten Verfahren kann koffeinfreier Tee auf natürliche Weise bei gleichzeitig hoher Qualität produziert werden. Zwar war es schon vorher möglich, dem Tee das Koffein zu entziehen. Jedoch erreichten die bisherigen natürlichen Methoden – mit superkritischem Kohlendioxid oder Ethylacetat – nicht die gewünschte Qualität und Wirtschaftlichkeit. Ziel war es deshalb, ein rein natürliches Entkoffeinierungsverfahren zu entwickeln, bei dem das Endprodukt eine hohe sensorische Qualität aufweist. «Die Herausforderung lag darin, das Koffein so schonend zu entziehen, dass der Tee am Ende noch nach Tee schmeckt», erklärt Projektleiter Norbert Fischer vom ZHAWInstitut für Lebensmittel- und Getränkeinnovation. Gelungen ist dies mit einem mehrstufi gen Verfahren auf rein wässriger Basis 22

sowie einem natürlichen Adsorptionsmittel, das das Koffein vom Tee trennt. Zuerst wurde der Prozess auf Laborstufe simuliert, um die optimalen Bedingungen herauszufinden. Danach wurde ein Prototyp der Entkoffeinierungsanlage entwickelt und in einer gemieteten Lagerhalle direkt neben der Fabrik von Infré SA aufgebaut. Der Bau einer Pilotanlage als Vorstufe für die industrielle Produktion ist bereits geplant und das Patent eingereicht.

Koffein für Produkte wie Energydrinks wiederzuverwerten, sind wir konkurrenzfähig», so Infré-Verwaltungsratspräsident Martin Hodler. In schwarzem und grünem Tee sind etwa zwei bis vier Prozent Koffein enthalten. Zum Vergleich: Beim Kaffee ist es nur etwa ein Prozent; deshalb ist er auch einfacher zu entkoffeinieren.

Stress reduzieren statt Müdigkeit bekämpfen Neben der hohen Qualität des Endprodukts muss aus wirtschaftlichen Gründen auch gewährleistet sein, dass die Produktion mit möglichst wenig Personal möglich ist und das Koffein wiederverwendet werden kann. «Nur wenn es uns gelingt, das

Koffein.

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ERNÄHRUNG

Wichtig ist zudem, dass beim Entkoffeinierungsprozess die gesundheitsfördernden Stoffe – wie die Aminosäure L-Theanin oder Polyphenole – im Tee enthalten bleiben. «In entkoffeiniertem Tee wirkt etwa L-Theanin viel stärker beruhigend, da die anregende Wirkung des Koffeins wegfällt», sagt Fischer. Vermehrt wird deshalb koffeinfreier Tee konsumiert. «Denn viele wollen etwa am Abend nicht auf eine Tasse Tee verzichten – aber dennoch gut schlafen», ergänzt Hodler. Oder sie möchten generell von der positiven Wirkung des Tees profitieren ohne Nebeneffekte des Koffeins wie Nervosität oder Schlaflosigkeit.

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ZHAW-Forscher Norbert Fischer und Carlo Weber mit Martin Hodler von Infré SA (v. l.) vor einem Teil des Prototyps der Entkoffeinierungsanlage.

Wieder die Ersten sein Nach käuflichem Mineralwasser ist Tee das zweithäufigste Getränk weltweit. Der Marktanteil von koffeinfreiem Tee beläuft sich auf knapp ein Prozent, in Grossbritannien allerdings auf gegen sechs Prozent. Die Infré SA ist bei qualitativ hochwertigem koffeinfreiem Tee weltweit führend. Und sie war das erste Unternehmen überhaupt, welches Tee entkoffeinierte. Hodler ist zuversichtlich, dass die natürliche Produktion von koffeinfreiem Tee künftig kommerziell gelingen wird: «Bis heute kann keiner unserer Konkurrenten qualitativ hochstehenden Tee natürlich entkoffeinieren. Erste Proben aus der Prototypanlage zeigen, dass wir auf dem richtigen Weg sind.»

Kontakt Carlo Weber ZHAW Life Sciences und Facility Management Grüental CH-8820 Wädenswil Telefon +41 (0)58 934 75 75 carlo.weber@zhaw.ch www.zhaw.ch

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VER ANSTALTUNGEN

Der Bedarf für Cannabis-Normen Labortests bis hin zu den analytischen Methoden umfasst. Sie lädt daher interessierte Experten verschiedener Fachdisziplinen zu einem Infoevent am 31. August 2017 in Bern ein, mit dem Ziel, ein Komitee zu gründen, welches Normen für CBD-Produkte in der Schweiz entwickelt.

Kontakt Melanie Hasler Schweizerische Normen-Vereinigung (SNV) Bürglistrasse 29 CH-8400 Winterthur Telefon +41 (0)52 224 54 20 melanie.hasler@snv.ch www.snv.ch

Bild: Fotolia

Die aktuell stattfindende Entkriminalisierung von Cannabis stösst im pharmazeutischen Sektor auf ein grosses Echo. Denn Cannabis und seine Derivate (zum Beispiel CBD) sind für die klinische Forschung höchst interessant: Die Forschungsfelder reichen von der Behandlung von Grünem Star, Epilepsie, Chemotherapie über Multiple Sklerose bis hin zu Parkinson. Kein Wunder also, dass sich mittlerweile eine regelrechte Cannabisindustrie gebildet hat. Mit dieser Entwicklung tun sich viele staatliche Aufsichtsbehörden jedoch schwer, da Cannabis vielerorts weiterhin als illegales Produkt gilt. Die SNV (Schweizerische Normen-Vereinigung) möchte hier Hilfestellung leisten. Sie ist überzeugt, dass ein globaler Ansatz für die Standardsetzung notwendig ist, der alle Bereiche vom Anbau, der Abgabe, den

Für die klinische Forschung höchst interessant: Cannabis.

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NEWS

E RZE – IN KÜRZ Ü K N I – E Z R Ü K IN KÜRZE – IN

■ Avantor, ein globaler Anbieter von hochreinen Materialien für die Life Sciences und die fortschrittliche Technologieindustrie, übernimmt VWR, den weltweit tätigen Anbieter von Produkt-, Supply Chain- und Service-Lösungen für Laborund Produktionskunden. Avantor bezahlt je VWR-Stammaktie USD 33,25 in bar, was einen Unternehmenswert von rund USD 6,4 Milliarden widerspiegelt. https://vwr.com ■ Mit Wirkung zum 1. Juli 2017 hat Analytik Jena AG sämtliche ihrer Anteile an der AJ Blomesystem GmbH an die GUS Group veräussert. Der Verkauf des bisherigen 100-prozentigen Tochterunternehmens und Anbieters von laborübergreifenden Software-Management- und Informationssystemen (LIMS) erfolgt im Zuge der strategischen Ausrichtung der Analytik Jena AG, sich künftig auf die Laboranalyse als Kerngeschäft zu fokussieren. www.analytik-jena.de ■ Die 32. Internationale Fachmesse für Fein- und Spezialchemie, Chemspec Europe 2017, ist nach zwei erfolgreichen Messetagen (31. Mai bis 1. Juni) zu Ende gegangen. Getroffen hatten sich in der Messe München internationale Branchenexperten der Feinund Spezialchemie zu ihrem führenden Beschaffungs- und Networking-Event in Europa. Bereits im Vorfeld hatte der Veranstalter Mack Brooks Exhi-

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bitions eine Rekordausstellungsfläche von 6200 m2 und einen Ausstellerzuwachs von rund 2 Prozent verkündet. Die positive Prognose wurde nun mit einem Plus von rund 2 Prozent bei den Besucherzahlen bestätigt. www.chemspeceurope.com ■ Die Universität Bern ist als neustes Mitglied in die Vereinigung The Guild of European Research-Intensive Universities aufgenommen worden. Christian Leumann, Rektor der Universität Bern, begrüsst die Aufnahme und sagt: «Wir freuen uns darauf, unseren Platz in diesem Netzwerk von Universitäten einnehmen zu können. Wir werden unsere institutionellen Stärken einbringen und gewiss auch von den anderen Mitgliedern profitieren können.» www.unibe.che ■ 170 Fachpersonen aus Gewerbe, Industrie, Verbänden und Behörden trafen sich am 13. Juni 2017 in der Umwelt Arena in Spreitenbach zum 14. Schweizer Sonderabfalltag. Die Referate können auf der Homepage von EcoServe International AG als PDF heruntergeladen werden: www.ecoserve.ch ■ Die Rotronic AG mit Hauptsitz in der Schweiz wurde per 6. Juli 2017 von der Process Sensing Technologies (PST), übernommen. Hansruedi Merz und Andreas Gähwiler werden in der Geschäftsleitung der Rotronic AG bleiben. Gähwiler,

der bereits seit 17 Jahren bei Rotronic beschäftigt ist, hat das Amt von Michael Taraba per 1. Juli 2017 übernommen und wird Rotronic als CEO führen. www.rotronic.ch ■ Merck hat ein neues Verpackungsgebäude am Schweizer Biotech-Produktionsstandort in Aubonne eingeweiht. Investiert wurden in der Zeit von 2015 bis 2017 bislang 27 Millionen Schweizer Franken. Die in den vergangenen zehn Jahren in der Schweiz getätigten Investitionen belaufen sich auf mehr als 1 Milliarde Schweizer Franken. Merck beschäftigt aktuell mehr als 2000 Mitarbeitende an 11 Standorten in der ganzen Schweiz, darunter mehr als 700 in Aubonne. www.merck.de ■ Der Hochleistungsrechner Piz Daint am Nationalen Rechenzentrum (CSCS) in Lugano ist der leistungsstärkste Supercomputer Europas. Ende 2016 wurde seine Leistung durch ein umfassendes Hardware-Upgrade nochmals mehr als verdreifacht. Heute ist Piz Daint mit einer theoretischen Spitzenleistung von 25,3 Petaflops der schnellste Rechner ausserhalb Asiens. Dank innovativer Architektur ist Piz Daint zudem auch einer der energieeffizientesten Grossrechner weltweit. www.ethz.ch ■ BASF hat von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) die Empfehlung für Interceptor G2, ein lang wirkendes, Insek-

tizid-behandeltes Moskitonetz auf Chlorfenapyr-Basis, erhalten. Chlorfenapyr ist eine vollkommen neue Klasse von Insektiziden zur Bekämpfung von Moskitos im Bereich Öffentliche Gesundheit. Dies ist seit mehr als 30 Jahren die erste WHO-Empfehlung für ein Produkt, das auf einer neuen Klasse von Insektiziden basiert. www.basf.com ■ Lonza hat die Akquisition der Capsugel S.A. abgeschlossen. Der Übernahmepreis beläuft sich auf USD 5.5 Milliarden in bar, einschliesslich der Refinanzierung bestehender Schulden von Capsugel in der ungefähren Höhe von USD 2 Milliarden. Die Übernahme von Capsugel, einem Weltmarktführer für fortschrittliche orale Verabreichungstechnologien mit einer Führungsposition bei der Herstellung von Hartkapseln, wird sich erwartungsgemäss im ersten vollen Jahr nach ihrem Abschluss positiv auf Lonzas Kerngewinn pro Aktie auswirken. www.lonza.com ■ Die EMS-Gruppe steigerte im ersten Halbjahr 2017 den konsolidierten Nettoumsatz auf CHF 1067 Mio. (1002). Das Betriebsergebnis (EBIT) stieg auf CHF 280 Mio. (265). Der betriebliche Cash Flow (EBITDA) erhöhte sich dabei um 5.6 Prozent auf CHF 307 Mio. (291). Die EBIT-Marge liegt bei 26.2% (26.4%), die EBITDA-Marge bei 28.7% (29.0%). www.ems-group.com

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TERMINE

Kurse, Seminare, Workshops und Messen OKTOBER 2017 04.10.

Kurs: Nanoflow-HPLC-MS: Praktische Grundlagen beim Arbeiten mit kleinen Flussraten Ort: Düsseldorf Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

04.–05.10.

Messe: Ilmac Lausanne Ort: Lausanne Veranstalter: MCH Group AG Messeplatz 1, CH-4058 Basel Telefon +41 (0)58 206 20 20 info@mch-group.com, www.mch-group.com

05.10.

Kurs: Tipps und Tricks für fortgeschrittene GC-MS-Anwender Ort: Dübendorf Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

09.10.

Kurs: Karl-Fischer-Titration Ort: Zofingen Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

10.10.

Kurs: High Performance Thin Layer Chromatography Ort: Muttenz Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

10.10. (Dübendorf) 11.10. (Muttenz) 12.10. (Bern)

1-Tages-Seminar: Von Apfel bis Zement: Moderne Labormethoden der Analytik Orte: siehe linke Spalte Veranstalter: Retsch GmbH, CEM GmbH, Eltra GmbH Anmeldung: www.retsch.de/termine oder Telefax +49 (0)2104/2333-388

17.10.

Workshop: Richtig pH messen Ort: Zofingen Veranstalter: Metrohm Schweiz AG Bleiche West, CH-4800 Zofingen Telefon +41 (0)62 745 28 28 info@metrohm.ch, www.metrohm.com

17.10.

Seminar: Grenzflächenchemie Ort: Basel Veranstalter: Krüss GmbH Borsteler Chausee 85, D-22453 Hamburg Telefon +49 (0)40 514401 seminar@kruss.de, www.kruss.de/seminare

17.–18.10.

Messe und Kongress: Cleanzone 2017 Ort: Frankfurt a. Main Veranstalter: Messe Frankfurt GmbH Ludwig-Erhard-Anlage 1, D-60327 Frankfurt a. M. Telefon +49 (0)69 75 75-0 info@messefrankfurt.com, www.messefrankfurt.com

17.–20.10.

Messe und Kongress: A+A 2017 Ort: Düsseldorf Messe Düsseldorf GmbH Stockumer Kirchstrasse 61, D-40474 Düsseldorf Telefon +49 (0)211 456001 info@messe-duesseldorf.de, www.aplusa.de

19.10.

Kurs: Detektoren in der HPLC Ort: Dübendorf Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

23.10.

Kurs: Grundlagen der Interpretation von NMR Spektren Ort: Olten Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

23.–24.10.

Kurs: Visualisierung von Labordaten mit Excel Ort: Basel Veranstalter: Aicos Technologies AG Efringerstrasse 32, CH-4057 Basel Telefon +41 (0)61 686 98 77 info@aicos.com, www.aicos.com

24.10

Workshop: Ionenchromatographie Ort: Zofingen Veranstalter: Metrohm Schweiz AG Bleiche West, CH-4800 Zofingen Telefon +41 (0)62 745 28 28 info@metrohm.ch, www.metrohm.com

26.10.

Kurs: GC-Troubleshooting Ort: Olten Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

26.10.

Kurs: Training on NMR Interpretation Strategies Ort: Genf Veranstalter: Schweizerische Chemischen Gesellschaft (SCG) Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 infodas@eawag.ch, http://kurse.scg.ch

31.10.

Kurs: Methodenentwicklung (GC) Ort: Schlieren Veranstalter: Brechbühler AG Steinwiesenstrasse 3, CH-8952 Schlieren Telefon +41 (0)44 732 31 31 kurse@brechbuehler.ch, www.brechbuehler.ch

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Bilder: PanGas

FIRMEN BERICHTEN

Bild 1: Das Eisnebelverfahren Veriseq Nucleation kann sowohl unter Laborbedingungen als auch im industriellen Massstab eingesetzt werden, um eine homogene Eiskeimbildung bei niedrigen Unterkühlungsgraden und Vial-to-Vial-Homogenität zu gewährleisten.

Kontrollierte Eiskeimbildung bei der Lyophilisierung

Schneller zu höherer Homogenität Die Gefriertrocknung, auch als Lyophilisierung bezeichnet, spielt bei der Herstellung von Medikamenten eine wichtige Rolle. Ein von Linde Gas und IMA Life entwickeltes Verfahren zur kontrollierten Eiskeimbildung bietet eine kommerziell nutzbare Möglichkeit, um anhand mikroskopisch kleiner Eiskristalle homogene Endprodukte herzustellen. PanGas als Teil der Linde Group ist für den Vertrieb in der Schweiz zuständig.

Johann Kaltenegger 1 Voraussetzung für das Eintreten der Eiskeimbildung sind zwei Prozessbedingungen: Die Produkttemperatur muss unter dem Gefrierpunkt liegen. Zudem müssen Nukleationselemente vorhanden sein, die den Prozess der Eiskeimbildung ermöglichen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Gleichgewichtsgefrierpunkt und der Eiskeimbildung wird als Unterkühlung (Super Cooling) bezeichnet. Eine niedrigere Temperatur bei der Eiskeimbildung oder eine stärkere Unterkühlung führen zu einer grösseren Anzahl von Eiskeimen und daJohann Kaltenegger, VMC Anwendungs technik Chemie, Linde AG

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mit zu kleineren Eiskristallen. Andererseits bewirken eine höhere Nukleationstemperatur oder ein geringerer Unterkühlungsgrad, dass weniger Eiskeime und grössere Eiskristalle und somit grössere Poren und Porennetzwerke gebildet werden. Da grössere Poren höhere Sublimationsgeschwindigkeiten mit sich bringen, verkürzen sich auch die Trocknungszyklen und die Rekonstruktionsdauer. Zudem verbessern sich die Produkteigenschaften. Damit die Produktmorphologie sowie die Struktur und das Aussehen des Produktkuchens gleichmässig und in allen Glasfläschchen (Vials) identisch sind, muss die Eiskeimbildung gleichzeitig stattfi nden. Sind die Bedingungen jedoch unkontrolliert und keine Nukleationselemente

vorhanden, kann die Verteilung der Nukleationstemperatur in den verschiedenen Vials und damit die Gleichmässigkeit des Endprodukts stark variieren. Dies ist vor allem bei der Verwendung von glattwandigen sterilen Glasfl äschchen der Fall. Deshalb stellt das Gefrieren einen der wichtigsten Schritte des Lyophilisierungsprozesses dar. Die grösste Schwierigkeit bei der kontrollierten Eiskeimbildung in flüssigen Präparaten, also bei der Bestimmung von Nukleationstemperatur und Nukleationszeitpunkt, ist ihre Skalierbarkeit. Einige Verfahren funktionieren unter Laborbedingungen sehr gut, lassen sich aber nur schwer auf grössere Produktionsmengen übertragen. 2 37

FIRMEN BERICHTEN

(Ports) benötigt, die je nach Grösse der Lyokammer 2 oder 3 Zoll gross sein sollten. Das Verfahren erfordert keine umfangreichen Modifikationen des Produktionsprozesses. Bei Erreichen der gewünschten Produkttemperatur ist lediglich ein Signalaustausch für Start und Stopp des Eisnebelprozesses notwendig. Der interne Ablauf wird vollständig von der Steuerungslogistik der Nukleationseinheit ausgeführt. Bild 2: Porenstruktur bei unkontrollierter Nukleation (links) im Vergleich zur kontrollierten Eiskeimbildung (rechts).

Nukleationsverfahren Das von Linde Gas zusammen mit IMA Life entwickelte Eisnebelverfahren Veriseq Nucleation bietet eine kommerziell nutzbare Möglichkeit, eine einheitliche Dispersion von mikroskopisch kleinen Eiskristallen herzustellen. Hierbei wird Eisnebel in eine Mischvorrichtung ausserhalb der Gefriertrocknungskammer durch die Verbindung von kaltem Stickstoff und heissem Wasserdampf erzeugt. Wenn die Eiskristalle anschliessend in vorgekühlte Vials mit dem Pharmaprodukt, das gefriergetrocknet werden soll, eingeleitet werden, dienen sie als Nukleationspunkte. Dadurch kann bei einer gezielt gewählten Unterkühlungstemperatur eine schnelle und einheitliche Eiskeimbildung sowohl innerhalb einzelner Vials als auch der gesamten Charge bewirkt werden. Die Zugabe des Eisnebels erfolgt in zwei Schritten: Die Vials mit den Produkten werden zunächst auf eine bestimmte Temperatur ober- oder unterhalb ihres Gefrierpunktes heruntergekühlt. Anschliessend wird der Eisnebel eingeleitet, um die Eiskeimbildung auszulösen. Damit das Verfahren im industriellen Massstab anwendbar ist, muss zunächst genügend Eisnebel erzeugt werden, um die Kammer mit den Vials voll auszufüllen und die Nukleation eines jeden Vials zu ermöglichen. Eine weitere Herausforderung liegt darin, in die Vials mit unterschiedlichen Volumina und Verschlusskappengeometrien einzudringen. Dies wurde durch die Entwicklung einer speziellen Mischvorrichtung erreicht, in der es möglich ist, Eisnebel effizient und schnell zu erzeugen und innerhalb der gesamten Gefrierkammer zirkulieren zu lassen. Das System hat weder 42 8

bewegliche Teile noch komplexe Komponenten, die das Dampfreinigen oder andere Sterilisationsverfahren erschweren würden. Zudem erfordert es keinen Druck in der Kammer. Fast alle Gefriertrockner, sterilisierbare wie nicht sterilisierbare, können mit dieser Technologie nachgerüstet werden. Dabei muss der Gefriertrockner keine aufwendigen Anforderungen erfüllen. Für die Injektion des Eisnebels und dessen Rückführung werden lediglich zwei gegenüberliegende Anschlussöffnungen

Anwendungsbeispiel Monoklonale Antikörper (Monoclonal antibodies, mAbs) gehören zu einer Reihe neuer Therapieformen in der Onkologie, die unter anderem zur Behandlung von Infektionskrankheiten oder der Organtransplantation eingesetzt werden. Da die Haltbarkeit – wie bei zahlreichen anderen Proteinen auch – im flüssigen Zustand begrenzt ist, greift man zur Haltbarkeitsverlängerung der meisten mAbs auf die Gefriertrocknung zurück. Doch der Gefriertrocknungsprozess ist sehr langwierig, teu-

Bild 3: Schwankungen der Eiskeimbildung im Vergleich

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FIRMEN BERICHTEN

er und auch riskant, da ein Gerätefehler zum Verlust ganzer Chargen führen kann. Die relativ hohen erforderlichen Konzentrationen (meist zwischen 90 und 125 mg/ml) ziehen den Prozess noch weiter in die Länge. Massnahmen zur Optimierung eines Gefriertrocknungszyklus können jedoch aufgrund einer unterschiedlichen Trocknung dazu führen, dass die Produktchargen weniger homogen sind. Eine von Linde und IMA Life durchgeführte Studie untersucht die Möglichkeiten, die eine kontrollierte Eiskeimbildung für eine sichere Optimierung des Gefriertrocknens von mAb-Formulierungen bietet, sowie die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Endprodukte. Basierend auf den niedrigen Temperaturen, die die Thermoelemente während der kontrollierten Eiskeimbildung massen, wur-

de versucht, den Prozess durch eine Erhöhung der Stellflächentemperatur von –20 auf –8 °C und eine kürzere primäre Trocknungsphase zu optimieren. Die Trocknungsphase war nach 22 h und 40 min abgeschlossen. Die Trocknungsdauer konnte so um weitere 14 h und 50 min verringert werden. Abbildung 2 zeigt die Porenstruktur einer Ausgangsprobe im Vergleich zur kontrollierten Eiskeimbildung. Der Vergrösserungsfaktor beider Aufnahmen ist identisch. Deutlich ist zu erkennen, dass sich in den Vials, die einer kontrollierten Eiskeimbildung unterzogen wurden, grössere Eiskristalle bilden. Die Versuchsreihe legt nahe, dass die kontrollierte Eiskeimbildung die Trocknungsphasen verkürzt und eine höhere Homogenität innerhalb der individuellen Vials

erreicht wird, wodurch sich verbesserte Produkteigenschaften ergeben. Aufgrund der höheren Homogenität innerhalb der Vials und der schnelleren Sublimierung können aggressivere Prozessbedingungen angelegt werden.

Kontakt PanGas AG (The Linde Group) Benjamin Schaller Technischer Kundenservice Pharma, Chemie und Biotechnologie Industriepark 10 CH-6252 Dagmersellen Telefon +41 (0)844 800 300 contact@pangas.ch www.pangas.ch

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WIRTSCHAFT

7 Milliarden für Forschung und Entwicklung

Pharmabranche investiert in der Schweiz Die 24 Interpharma-Firmen investierten 2016 weltweit über 98 Milliarden Franken in Forschung und Entwicklung (F&E), davon rund 7 Milliarden in der Schweiz. Damit gaben sie in der Schweiz rund doppelt so viel für F&E aus, wie sie hier Umsatz erzielten. Diese und weitere Informationen finden sich in der 24. Auflage des statistischen Standardwerks «Pharma-Markt Schweiz».

Standorts und zeugen vom treibenden Innovationsgedanken innerhalb der Firmen. Insbesondere die Firmen mit Hauptsitz in

Bilder: Interpharma

Die hohen finanziellen Investitionen in den Forschungsplatz Schweiz von über 7 Milliarden Franken belegen die Bedeutung des

Umsatz, Forschung und Export der Interpharma-Firmen in der Schweiz. (Quellen: Aussenhandelsstatistik, Eidgenössische Zollverwaltung, 2016).

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der Schweiz (Actelion, Novartis, Roche) tragen viel zu den F&E-Investitionen in der Schweiz bei. Zusätzlich zu den F&E-Ausgaben investierten verschiedene Interpharma-Firmen in der Schweiz rund eine halbe Milliarde Franken in Anlagen wie technische Geräte, Maschinen, Gebäude- und Betriebsausstattung. Beides schlägt sich in einem Personalbestand auf hohem Niveau nieder. Damit ist die Pharmaindustrie ein tragender Pfeiler der schweizerischen Volkswirtschaft. Die grossen F&E-Investitionen sind nur dank dem hohen Exportvolumen der Pharmaindustrie möglich. 2016 wurden Pharmaprodukte im Wert von über 80 Milliarden Franken exportiert, dies bedeutet eine Zunahme von 14 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Damit war die Pharmaindustrie mit einem Ausfuhrvolumen von über einem Drittel der Gesamtexporte eine wichtige Stütze für den Schweizer Aussenhandel. Mit

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WIRTSCHAFT

wichtigste Exportdestination für pharmazeutische Produkte aus der Schweiz.

Spitzenplatz bei Patenten und Innovationen

Die PDF-Version der Publikation kann auf der Homepage der Interpharma (www.interpharma.ch) heruntergeladen werden.

einem Anteil von 53 Prozent aller Pharmaexporte ist Europa nach wie vor die

Die Schweiz ist gemäss dem europäischen und dem globalen Innovationsindex Europa- respektive Weltmeisterin der Innovation. Ihre besonderen Stärken liegen unter anderem bei der Anzahl wissenschaftlicher Publikationen in internationalen Zeitschriften und deren Zitierhäufigkeit. Auch hohe Beschäftigungsquoten in wissensintensiven Aktivitäten oder der hohe Anteil von Neugraduierten zeichnen die Schweiz aus. Von besonderer Bedeutung sind zudem die hohe Anzahl der Patentanmeldungen sowie die Einnahmen aufgrund von Lizenzen und Patenten im Ausland. Durch Patente werden die für Forschung und Entwicklung getätigten Investitionen geschützt und Anreize für weitere Innovationen geschaffen, denn die Entwicklung neuer Medikamente ist zeitaufwendig und teuer

und die Pharmafirmen tragen das Forschungsrisiko allein. Der Medikamentenmarkt Schweiz nahm 2016 im Vergleich zum Vorjahr um 4,6 Prozent auf rund 5,6 Milliarden Franken zu. Das ist ein leicht schwächeres Wachstum als im Vorjahr. Der Zuwachs ist insbesondere auf die Einführung neuer, innovativer Medikamente speziell gegen Krebs zurückzuführen, aber auch Präparate gegen Autoimmunerkrankungen wie multiple Sklerose trugen zum Wachstum bei. Zusammen mit antiviralen Mitteln machte das Wachstum dieser Arzneimittelgruppe rund die Hälfte des gesamten Marktwachstums aus. Die Zahl der verkauften Packungen nahm um 0,3 Prozent auf 188 Millionen Einheiten zu. Weitere Informationen und die grafischen Darstellungen aus der Publikation «Pharma-Markt Schweiz 2017» sind auf der Interpharma-Website unter «Fakten und Statistiken» zu finden.

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Bild: Joerg M. Harms, MPSD

FORSCHUNGSWELT

Gitterstruktur von Anatas TiO 2 mit einer graphischen Darstellung des 2D-Exzitons, das durch die Absorption von Licht erzeugt wird. Dieses 2D-Exciton ist die niedrigste Energieanregung des Materials.

Material für die Lichtkonversionstechnologie

Lichtabsorption von Titandioxid Anatas, eine häufig vorkommende Kristallform von Titandioxid stellt heute eines der vielversprechendsten Materialien für fotovoltaische und fotokatalytische Anwendungen dar. Trotz der vielen Jahre, in denen der Umwandlungsprozess von absorbiertem Licht in elektrische Ladungen im Falle von Anatas schon untersucht worden ist, ist die Natur seiner grundlegenden optischen und elektronischen Eigenschaften bisher unklar geblieben.

Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg, zusammen mit ihren internationalen Partnern bei der EPFL Lausanne, gelang es mit einer Kombination aus modernstem Steady-State und ultraschnellen spektroskopischen Techniken sowie theoretischen Simulationswerkzeugen die Grundeigenschaften von Anatas TiO2 aufzuklären. Anatas TiO2 hat vielfältige Einsatzgebiete: von Fotovoltaik und Fotokatalyse bis hin zu selbstreinigenden Gläsern sowie Wasser- und Luftreinigung. Alle diese Anwendungen basieren auf der Absorption von Licht und deren anschliessender Um23 2

wandlung in elektrische Ladungen. Angesichts seiner weit verbreiteten Verwendung, war TiO 2 eines der am meisten untersuchten Materialien im zwanzigsten Jahrhundert, sowohl experimentell als auch theoretisch. Paradoxerweise blieb die tatsächliche Natur des Lichtabsorptionsprozesses bisher noch ungeklärt.

«Next-Generation»-Elektronik Wenn Licht auf einem Halbleitermaterial trifft werden entweder freie negative Ladungen (Elektronen), positive Ladungen (Löcher) oder gebundene Elektron-LochPaare (Exzitonen) erzeugt. Exzitonen kön-

nen sowohl Energie als auch Ladung transportieren und sind die Basis eines ganzen Forschungsfelds, welches sich um neuartige «Next-Generation»-Elektronik bemüht. In Anlehnung an Elektronik wird das Feld «Exzitonik» genannt. Bisher waren Wissenschaftler nicht in der Lage mit Sicherheit zu identifizieren, welches physikalische Objekt für die Lichtabsorption und entsprechend für die charakteristischen Eigenschaften von TiO 2 verantwortlich ist. Die Gruppe von Angel Rubio an der Theorieabteilung der MPSD zusammen mit ihren internationalen Kooperationspartnern hat dieses Problem mit einer Kombination 7– 8 /2017

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aus hochmodernen ab-initio-Simulationen zusammen mit modernsten experimentellen Methoden gelöst. Relevant sind hierbei die winkelaufgelöste Fotoelektronenspektroskopie (eng. ARPES), welche die Energetik der Elektronen (Bandstruktur) entlang der verschiedenen Achsen im Festkörper abbildet, und die spektroskopische Ellipsometrie, welche die makroskopischen optischen Parameter (Dielektrizitätskonstante etc.) des Festkörpers mit Präzision und ultraschneller zweidimensionaler Tief-Ultraviolett-Spektroskopie bestimmt und erstmals bei der Untersuchung von Materialien eingesetzt wurde. Sie fanden heraus, dass die Schwelle des Absorptionsspektrums auf ein stark gebundenes Exziton zurückzuführen ist, das zwei bemerkenswerte neuartige Eigenschaften aufweist: – Es ist auf eine zweidimensionalen Ebene des dreidimensionalen Gitters des Materials beschränkt. Dies wäre der erste bekannte Fall einer solchen Eigenschaft. – Dieses 2D-Exciton ist bei Raumtemperatur stabil und robust gegen Defekte, die in jeder Art von TiO 2 (Einkristallen, Dünnfilmen und sogar Nanopartikeln) vorhanden sind.

Vielfältige Reize Diese «Immunität» des Exzitons zu weitreichenden strukturellen Störungen und Defekten impliziert, dass es die ankommende Energie in Form von Licht speichern und auf der Nanoskala selektiv führen kann. Dies verspricht eine enorme Verbesserung gegenüber der gegenwärtigen Technologie, bei der die herkömmlichen Anregungsvorgänge üblicherweise extrem ineffizient sind, da die absorbierte Lichtenergie nicht gespeichert, sondern als Wärme auf das Kristallgitter abgetragen wird. «Der Einsatz modernster experimenteller Techniken und Theorie ermöglicht uns nicht nur bekannte Materialien besser zu verstehen, sondern auch neue, noch effi zientere Materialien für Energieanwendungen zu entwerfen», sagt Adriel Domínguez. Darüber hinaus können die Exzitonparameter durch eine Vielzahl von externen und internen Reizen (Temperatur, Druck, überschüssige Elektronendichte) abgestimmt werden, was ein leistungsfähiges, 7– 8/2017

genaues und billiges Erkennungsschema für Sensoren mit optischer Auslesung verspricht. «Angesichts der preiswerten und leicht herzustellenden Anatas-TiO 2 -Materialien sind diese Erkenntnisse für solche Anwendungen und darüber hinaus von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie elektrische Ladungen entstehen, nachdem das Licht absorbiert worden ist», sagt Majed Chergui von der EPFL. «Diese sind die Hauptakteure in der Solarenergieumwandlung und Fotokatalyse.»

Aus dem Gleichgewicht Rubio betont, dass diese Art von Studien, die sich aus der engen Zusammenarbeit zwischen theoretischen und experimentellen Gruppen ergeben, wesentlich sind, um den mikroskopischen Ursprung der Lichtenergieumwandlung und der Energieübertragungsprozesse für fotovoltaische und fotokatalytische Anwendungen relevanten Materialien zu enthüllen. Und so neue künstliche fotosynthetische anorganische Materialien zu gestalten. «Wir werden weiterhin mit unseren internationalen Partnern in der EPFL in Lausanne zusammenarbeiten, um zu verstehen, wie sich diese Art von Grundmaterialien sowie viele andere niederdimensionale Oxidnanostrukturen verhalten, wenn sie durch äussere Reize wie das Licht aus dem Gleichgewicht getrieben werden.» Originalpublikation E. Baldin et al., «Strongly bound excitons in anatase TiO2 single crystals and nanoparticles»; Nature Communications 8, Article number: 13 (2017); DOI:10.1038/s41467017-00016-6

Kontakt Angel Rubio Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie Luruper Chaussee 149, Geb. 99 (CFEL) D-22761 Hamburg Telefon +49 (0)40 8998-6550 angel.rubio@mpsd.mpg.de www.mpsd.mpg.de

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FORSCHUNGSWELT

Amorphes Eis existiert in zwei Varianten

Unterschiedliche Wasserarten nachgewiesen

Die Forscher um Anders Nilsson, Professor für Chemische Physik an der Universität Stockholm haben amorphes Eis untersucht. Diese glasähnliche Form von Wassereis ist bereits seit Jahrzehnten bekannt. Sie ist auf der Erde selten und kommt im Alltag nicht vor, das meiste Wassereis im Sonnensystem existiert jedoch in dieser amorphen Form. Statt in einem festen Kristall – wie etwa bei einem Eiswürfel aus dem Tiefkühlfach – liegt das Eis dabei in Form ungeordneter Molekülketten vor, was mehr der inneren Struktur eines Glases entspricht. Amorphes Eis lässt sich beispielsweise herstellen, indem flüssiges Wasser so schnell abgekühlt wird, dass die Moleküle keine Zeit haben, eine geordnete Kristallstruktur auszubilden. «Amorphes Eis existiert in zwei Varianten, einer mit hoher und einer mit geringerer Dichte», erläutert DESY-Physiker Felix Lehmkühler. Die beiden Varianten werden als High Density Amorphous Ice (HDA)

und Low Density Amorphous Ice (LDA) bezeichnet. «HDA-Eis hat eine rund 25 Prozent höhere Dichte als LDA-Eis», sagt Lehmkühler. «Schon länger fragen sich Wissenschaftler, ob diese beiden Eissorten nicht entsprechende Varianten in flüssigem Wasser haben. Das ist jedoch sehr schwer zu messen. Selbst wenn es in flüssigem Wasser beide Varianten geben sollte, durchmischen sie sich ständig, wandeln sich ineinander um, und es existiert keine Möglichkeit, die beiden zu trennen.»

Besonders reines HDA-Eis Diese Hürde haben die Forscher nun bei tiefen Temperaturen genommen. Im Stockholmer Labor präparierte Katrin Amann-Winkel besonders reine Proben aus HDA-Eis. Am Argonne National Laboratory in den USA beobachteten die Wissenschaftler, dass sich die innere Struktur dieses Eises bei Erwärmung zwischen minus 150 und minus 140 Grad Celsius ver-

Foto: Universität Stockholm

Flüssiges Wasser existiert in zwei unterschiedlichen Varianten – zumindest bei sehr tiefen Temperaturen. Das zeigen Röntgenuntersuchungen bei DESY und am Argonne National Laboratory in den USA. Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Anders Nilsson (Universität Stockholm) stellte seine Entdeckung in den Proceedings der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS) vor.

Forschungsleiter Anders Nilsson von der Universität Stockholm.

ändert – es wandelt sich dabei in eine Form niedrigerer Dichte um. An der Messstation P10 der Röntgenlichtquelle Petra III von DESY konnten die Forscher die Dynamik dieser Phasenumwandlung verfolgen. Dabei zeigte sich, dass die Umwandlung über eine Flüssigkeit erfolgt: Zunächst geht das HDA-Eis in eine flüssige Form hoher Dichte über, dann wandelt sich dieses High Density Liquid (HDL) in eine Form niedrigerer Dichte (Low Density Liquid, LDL) um. Das belegt die Existenz der beiden vermuteten Varianten von flüssigem Wasser – zumindest bei sehr tiefen Temperaturen. Das extrem tiefgekühlte Wasser ist dabei so viskos, dass sich die beiden flüssigen Phasen nur sehr langsam ineinander umwandeln und vermischen und dadurch messbar werden.

Bild: Gesine Born, DESY

Wasser ist anders als andere Flüssigkeiten

Flüssiges Wasser existiert in zwei Varianten: High Density Liquid (HDL) und Low Density Liquid (LDL), die jetzt bei sehr tiefen Temperaturen nachgewiesen wurden – sich allerdings nicht in Flaschen abfüllen lassen.

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«Die neue bemerkenswerte Eigenschaft, die wir beobachtet haben, ist, dass Wasser als zwei verschiedene Flüssigkeiten existieren kann, bei tiefen Temperaturen, bei denen die Eiskristallisation langsam ist», erläutert Nilsson. «Es ist sehr spannend, 7– 8 /2017

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Bilder: Katrin Amann-Winkel/Filippo Cavalca, Universität Stockholm

zu verschiedenen Zeiten zu bestimmen», ergänzt Fivos Perakis von der Universität Stockholm. «Wir konnten insbesondere die Transformation der Probe zwischen den beiden Phasen bei tiefen Temperaturen verfolgen und zeigen, dass eine Diffusion einsetzt wie es typisch ist für Flüssigkeiten.» Für den Alltag ändert die Entdeckung der beiden Varianten von flüssigem Wasser nichts. Für die Wissenschaft ist es jedoch ein wichtiger Schritt zum Verständnis dieser aussergewöhnlichen Flüssigkeit. «So einfach Wasser erscheint, so merkwürdig verhält es sich im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten», erläutert Lehmkühler aus der DESY-Forschungsgruppe Kohärente Röntgenstreuung von Gerhard Grübel, der als Leitender Wissenschaftler bei DESY arbeitet. «Wasser zeigt so viele Anomalien – Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit sind nur drei von mehreren Dutzend Eigenschaften, die bei Wasser anders sind als bei den meisten anderen Flüssigkeiten», sagt Lehmkühler. «Viele dieser Eigenschaften sind Grundlage für die Existenz von Leben, denn ohne Wasser und seine besonderen Eigenschaften ist Leben, wie wir es kennen, nicht möglich.» Bei der Umwandlung von HDA-Eis in LDA-Eis nimmt das Eisvolumen spontan um rund ein Viertel zu. Das liess sich bereits vor der aktuellen Untersuchung beobachten.

dass wir mit Röntgenstrahlung in der Lage sind, die relativen Positionen der Moleküle

Eine komplexe Beziehung Die Erforschung von Wasser hat nicht nur daher grosse Bedeutung und ist ein Bereich, in dem sich auch DESY verstärkt engagiert. Neue Röntgenlichtquellen wie

der gerade in Betrieb gehende europäische Röntgenlaser European XFEL, dessen Hauptgesellschafter DESY ist, oder der Ausbau der Synchrotronquelle Petra III von DESY zur nächsten Generation, Petra IV, werden Forschern dabei erlauben, noch weiter in unkartiertes Terrain des Wasser-Phasendiagramms vorzudringen. Mit künftigen Untersuchungen hoffen die Wissenschaftler unter anderem die Frage zu beantworten, ob die beiden Arten flüssiges Wasser auch bei Zimmertemperatur existieren. Dabei gibt es keinen prinzipiellen Grund dafür, dass es sie nur bei Tieftemperaturen geben sollte. «Die neuen Ergebnisse stützen stark das Bild, in dem sich Wasser bei Raumtemperatur nicht entscheiden kann, welche der beiden Formen es annehmen soll, hohe oder niedrigere Dichte, was zu lokalen Fluktuationen zwischen beiden führt», betont Lars Pettersson, Professor für Theoretische Chemische Physik an der Universität Stockholm. «Kurz und bündig heisst das: Wasser ist keine komplizierte Flüssigkeit, sondern zwei einfache Flüssigkeiten in einer komplizierten Beziehung.» Originalpublikation Fivos Perakis et al., «Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice», Proc. Natl. Acad. Sci. 2017; DOI: 10.1073/pnas.1705303114 www.desy.de

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Fädige Crenothrix-Bakterien

Neue Methanabbauer in Seen entdeckt

Andri Briner, Eawag Sinkt totes organisches Material in einem See oder im Meer auf den Grund, entsteht beim Abbau der Biomasse Methan. Ein Teil davon gelangt über die Wasseroberfläche in die Atmosphäre, wo es als Klimagas wirkt. Ein anderer Teil wird im freien Wasser von Bakterien abgebaut. Nun hat eine internationale Forschergruppe herausgefunden, dass nicht nur die «klassischen Methanfresser» an diesem Prozess beteiligt sind, sondern auch bisher in der Umwelt kaum untersuchte, fadenförmige Bakterien der Gattung Crenothrix. Auf die Crenothrix-Bakterien sind die Wissenschaftler durch Zufall gestossen: Im Luzerner Rotsee und im Zugersee haben

sie mit dem Labeling-Verfahren versucht, den Methanabbau noch besser quantifizieren zu können. Dabei werden Methanmoleküle mit «schweren» 13C-Atomen markiert. Wird das gekennzeichnete Methan dann von Bakterien aufgenommen, können diese dank eines Massenspektrometers unter dem Mikroskop gezielt sichtbar gemacht werden. «Typischerweise sind das kleine runde Zellen», sagt Jana Milucka vom Max Planck Institut in Bremen. Doch diesmal, so Milucka, waren nicht nur diese Bakterien voll mit dem 13C, sondern auch lange, fadenförmige Vertreter daneben (siehe Bild 2). «Das war sehr überraschend für uns, denn bis dahin hatten wir nicht einmal gewusst, dass diese fadenförmige Bakterien in der Natur so häufig vorkommen. Erst da begannen wir ihre Bedeutung für die natürliche Elimination von Methan zu untersuchen», sagt die Forscherin.

Bild: Eawag

Bisher nur als Brunnenfäden bekannt

Bild 1: Probenahme am Rotsee.

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Geologe Carsten Schubert von der Eawag gilt als Spezialist für den bakteriellen Methanabbau im Wasser. Auch für ihn kam der Befund aus den beiden Innerschweizer Seen überraschend. Die sehr grossen fädigen Crenothrix-Bakterien seien zwar schon lange bekannt, doch eigentlich nur aus Trinkwassersystemen. Dort sind sie lästig, weil sie sich so stark vermehren können, dass Rohre, Sandfilter und Siebe verstopfen. Crenothrix-Bakterien wurden darum auch als «Brunnenfäden» bezeichnet. Im Seewasser wurden sie bisher nicht nachgewiesen, weil nicht spezifisch danach gesucht wurde und weil sie mit molekulargenetischen Methoden schwierig zu entdecken seien. «Wir haben wohl ihre Rolle im biogeochemi-

Bild: zVg

Bakterien bauen in Süsswasserseen einen grossen Teil des klimaschädlichen Methans ab, bevor es in die Atmosphäre gelangen kann. Jetzt zeigt eine Studie im Rotsee und im Zugersee, dass dabei nicht die bekannten Methanfresser die Hauptarbeit leisten, sondern eine bisher nur von Trinkwasseruntersuchungen bekannte fädige Bakterienart.

Bild 2: Links: Die bekannten Bakterien für die Methanaufnahme sind klein und rund. Rechts: Das Labeln mit 13C-Atomen macht dank der Massenspektrometrie sichtbar, dass das Methan auch von den fadenförmigen, viel grösseren Crenothrix (oben) gefressen wird. Die kleinen blauen Punkte (links) bzw. weiss umrandeten (rechts) sind nicht-methanotrophe Bakterien.

schen Kreislauf völlig unterschätzt», räumt Schubert jetzt ein. Denn inzwischen haben die Forscher nicht nur nachgewiesen, dass die Brunnenfäden fester Bestandteil im Plankton von Süsswasserseen sind, sondern dass sie dort sogar die Hauptmethanoxidierer sein können. Originalartikel Kirsten Oswald, Jon S. Graf et al., «Crenothrix are major methane consumers in stratified lakes»; ISME Journal (2017) 00, 1–17; http://dx.doi.org/10.1038/ismej. 2017.77

Kontakt Dr. Carsten Schubert Eawag Seestrasse 79 CH-6047 Kastanienbaum Telefon +41 (0)58 765 2195 carsten.schubert@eawag.ch www.eawag.ch

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Einfaches Verfahren zur Reinigung von Wasser

Mit der Filtermembran auf den Weltmarkt ETH-Professor Raffaele Mezzenga und sein Oberassistent Sreenath Bolisetty haben eine Filtermembran entwickelt, die effizient Schwermetalle und andere Schadstoffe aus dem Wasser entfernt. Die weltweite Nachfrage ist so gross, dass sie den ETH-Spin-off BluAct Technologies gegründet haben.

Mit Anfragen eingedeckt Medien weltweit griffen die Geschichte auf – und die Forscher wurden in der Folge mit Anfragen eingedeckt. Von der um die Gesundheit ihrer Familie besorgten Hausfrau aus Hongkong bis zu Bergbaufirmen, die eine Lösung für mit Schwermetall verseuchte Minenabwässer suchen – die Menge und Vielfalt der Anfragen hält die beiden Forscher bis heute in Atem. Im Mai 2016 gründeten Mezzenga und Bolisetty deshalb mithilfe des Investors Keith Boonstra den ETH-Spin-off BluAct Technologies GmbH. Bolisetty ist dessen CEO und Chefentwickler in Personalunion. Mezzenga ist Aktionär, Helfer im Hintergrund und wissenschaftlicher Berater. BluAct hat soeben eine erste Lieferung von Prototypmembranen in industriellem Massstab hergestellt. Der Spin-off nutzte das Startkapital dafür, die Membran in 90 Ländern national patentrechtlich schützen zu lassen. «Das war sehr kompliziert und 7– 8/2017

Sreenath Bolisetty und Raffaele Mezzenga (l.) begutachten eine Probe ihrer Filtermembran.

teuer, da es auf Stufe Nationen nicht möglich ist, einen in allen Ländern gültigen patentrechtlichen Schutz zu erwirken», sagt Mezzenga. Weil aber die Technologie relativ einfach sei, müssten sie sich vor Nachahmern schützen.

Diese Flaschen sollen dann durch Nichtregierungsorganisationen und Behörden in Asien, Afrika und Lateinamerika an Menschen verteilt werden, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben. «Das ist ein rein humanitäres Projekt, das uns sehr07:47 Seite TOSOH_Ins_58x90_4c_Layout 1 20.12.12

Herstellung an externe Partnerfirmen ausgelagert Zurzeit ist die Herstellung der Membran an externe Partnerfirmen ausgelagert. BluAct stellt dabei sicher, dass die Qualität des Produkts den Vorgaben entspricht. Bolisetty wird die Produzenten überwachen und begutachten. «Ich werde wohl in Zukunft viel reisen», schmunzelt er. BluAct kann alle nötigen Bestandteile liefern, um die Technologie in die Praxis zu bringen. Geplant ist, dass die Membran in bestehende Druckfiltersysteme eingebaut wird und dort bisherige Filter ersetzt. Einen ersten grossen Erfolg haben die ETH-Unternehmer verbuchen können: Die Jungunternehmer haben mit der ISL Group einen Vertrag abgeschlossen. Dieser sichert den Vertrieb von Trinkwasser-Filterflaschen mit der BluAct-Technologie.

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Die Publikation schlug ein: Im Januar 2016 publizierten die ETH-Wissenschaftler Raffaele Mezzenga und Sreenath Bolisetty in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» eine Studie über eine in ihrem Labor entwickelte Filtermembran. Sie zeigten darin auf, dass diese Membran wirksam Wasser von Schwermetallen, radioaktiven Abfallstoffen oder giftigen Substanzen sowie von Bakterien reinigt. Sie bindet aber auch Ionen von Gold, Platin und Palladium. Dank der Membran können diese Edelmetalle rückgewonnen werden. Dabei ist sie höchst einfach gestrickt: Sie besteht aus einer Mischung von denaturierten Molkeproteinen und Kohle, aufgetragen auf ein Filterpapier.

Bild: Mezzenga Lab/ETH Zürich

Peter Rüegg, ETH

Geissbrunnenweg 14 · CH-4452 Itingen BL Tel. 061 971 83 44 · Fax 061 971 83 45 E-Mail: info@sebio.ch · www.sebio.ch

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Bild: zVg BluAct

Neue Studie: Membran entfernt auch Arsen In einer neuen Studie weisen Bolisetty und Mezzenga nach, dass die von ihnen entwickelte Filtermembran auch Arsen (in Form von Arsenat und Arsenid) effizient bindet und nahezu restlos aus dem Wasser entfernt. Die Membran lässt überdies mehrere Filtrationszyklen zu, ohne dass die Reinigungskraft nachlässt. Monica Orozco von der Universidad del Valle Die ETH-Forscher konnten die Wirkde Guatemala nimmt Wasserproben aus dem samkeit ihrer Methode anhand von real Atitlán-See, um mit der neuen Filtermembran verseuchtem Trinkwasser nachweisen. Arsen herauszufiltern. Dieses stammt aus der Region des Atitlán-Sees in Guatemala. Die Gegend dort ist vulkanisch geprägt, und das Wasser enthält von Natur aus viel Arsen und Quecksilber. Untersuchtes Trinkwasser von dort kann bis zu 80 Mikrogramm Arsen pro Liter enthalten. Das ist das Achtfache des von der WHO empfohlenen Grenzwerts von 10 Mikrogramm Arsen pro Liter. Dieser gilt auch für die Schweiz. Für Mezzenga ist diese Studie ein Durchbruch: «Viele bei uns eingegangene Anfragen betrafen Arsen. Dieses Element hatten wir in unseren Laborversuchen bis dahin nicht berücksichtigt. Umso glücklicher sind wir, dass die Membran auch diesen Giftstoff unter Feldbedingungen eliminiert.» Als Nächstes wird die Filtermembran auf regionale Filter angepasst und relativ kostengünstig für die Menschen in der Region Atitlán bereitgestellt. Dazu wird das Labor von Mezzenga mit der der Universidad del Valle de Guatemala unter der Leitung von Monica Orozco zusammenarbeiten. Die Forscher hoffen, so die Risiken, die von der schleichenden Arsenvergiftung ausgehen, erheblich reduzieren zu können.

am Herzen liegt», betont Mezzenga. Damit die Filtermembran auch die Ärmsten erreicht, arbeitet BluAct mit den Behörden zusammen. Im indischen Bundesstaat Andrah Pradesh wurde Land erschlossen, um eine Produktionsstätte zu bauen. Geld verdienen werden die beiden Jungunternehmer mit grossen Interessenten, Minengesellschaften etwa oder der Industrie. Denn der Wasseraufbereitung mit dieser Filtermembran sind kaum Grenzen gesetzt. Die drei Millimeter dünne Membran kann im Prinzip beliebig gross fabriziert werden, von der Grösse eines FünfFranken-Stücks für den Hausfilter bis hin zu einem Quadratmeter grossen Stück für industrielle Anwendungen. Um grosse Mengen an Wasser zu reinigen, können zudem mehrere Membranen in Serie aneinandergereiht werden. So dürfte es

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möglich sein, eine Anlage zu bauen, die pro Stunde 100 000 Liter Wasser filtriert.

Breites Anwendungsfeld Die BluAct-Gründer stehen derzeit in Kontakt mit einer Minengesellschaft, die ihr Interesse an der Wunderwaffe gegen Schwermetalle angemeldet hat. Bereits in der Testphase befindet sich die Filtermembran zurzeit bei einer Firma, welche Atomkraftwerke in Europa dekontaminiert. Denn die Membran bindet nicht nur Schwermetalle, sondern auch radioaktives Uran. Sie könnte also auch dazu genutzt werden, radioaktiv verseuchtes Wasser zu dekontaminieren. Weitere Geschäftsfelder, die BluAct anpeilt, sind die Schwer- und Elektronikindustrie (zur Rückgewinnung wertvoller

Metalle), die Landwirtschaft und nicht zuletzt die Trinkwasseraufbereitung für den Hausgebrauch. Denn mit einer neuen Studie haben Bolisetty und Mezzenga aufgezeigt, dass die Membran auch Arsen hocheffizient aus dem Wasser entfernt (siehe Kasten). Sie ist damit in Gebieten, wo dieser Giftstoff die Gesundheit der Menschen bedroht, eine für viele Betroffene kostengünstige Lösung.

Weitere Investoren gesucht Um ihr Unternehmen voranzubringen und auszubauen, brauchen Bolisetty und Mezzenga weitere Geldgeber. Eine nächste Chance bietet ihnen ein renommierter Wettbewerb für neue Technologien in Manchester (GB). Bolisetty wird dort BluAct vorstellen. Das ETH-Spin-off ist im Bereich «Energie und Umwelt» unter die besten zehn Jungfirmen vorgestossen. Dadurch hofft der Oberassistent auf Investoren zu treffen, die er für seine Idee begeistern kann. Wie hoch das Potenzial für BluAct generell ist, darauf wollen sich weder Bolisetty noch Mezzenga festlegen. «Sauberes Wasser ist weltweit von grosser Bedeutung. Wie gross aber unsere Firma wird, können wir derzeit nicht abschätzen», sagt Bolisetty. «Zurzeit konzentriere ich mich voll und ganz auf BluAct. Wir arbeiten sehr hart daran, damit wir mit unserer Technologie möglichst viele Bereiche der Wasseraufbereitung abdecken können.» Originalpublikationen Sreenath Bolisetty et al., «Efficient purification of arsenic-contaminated water using amyloid–carbon hybrid membranes», Chem. Commun., 2017, 53, 5714–5717; DOI: 10.1039/C7CC00406K Sreenath Bolisetty & Raffaele Mezzenga, «Amyloid–carbon hybrid membranes for universal water purification», Nature Nanotechnology, 11, 365–371 (2016); DOI: 10.1038/nnano.2015.310

www.ethz.ch

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Alarmierende NOx -Emissionen

Diesel-PW auf frischer Fahrt ertappt Ab Oktober müssen neu auf den Markt kommende Dieselautos strengeren Abgasnormen entsprechen als bislang. Das neue Zulassungsverfahren verlangt Messfahrten im echten Strassenverkehr. Die Empa hat einige aktuelle Modelle schon jetzt mit der neuen Methode gemessen – die Ergebnisse sind beunruhigend.

Ein Opel Astra 1.6 CDTI auf dem Rollenprüfstand der Empa. Die Schläuche verbinden den Auspufftrakt mit einem mobilen PEMS-Messgerät im Inneren des Autos. In der gleichen Konfiguration geht es dann auf die Strecke rund um den Greifensee.

Rainer Klose, Empa Mittlerweile ist klar: Die Zulassungsvorschriften für Personenwagen (PW) in der Europäischen Union und in der Schweiz haben mit den realen Abgasemissionen der Autos im Strassenverkehr wenig zu tun. Die «echten» Abgasemissionen werden daher in gesonderten Studien ermittelt.

Messungen an zufällig ausgewählten Fahrzeugen Die Empa misst im Auftrag des Bundes etwa ein Dutzend Fahrzeuge jährlich detailliert aus, sie werden von zufällig ausgewählten Privatpersonen gegen ein kleines Entgelt zur Verfügung gestellt. Die Daten landen in der europäischen Datenbank HBEFA (Handbook Emission Factors for Road Transport) und werden unter anderem von internationalen Forschungsinstitu7– 8/2017

ten und vom Bundesamt für Umwelt (Bafu) als Grundlage für Expertisen genutzt. Was bei den Messungen passieren kann, zeigte sich im Januar dieses Jahres: Der Testkandidat, ein Renault Mégane Diesel des Modelljahrs 2016, zeigte bereits auf dem Empa-Prüfstand hohe Stickoxidemissionen. Dies deshalb, weil die EmpaForscher den Wagen nicht nach dem bisherigen Typengenehmigungsverfahren, sondern nach dem neuen WLTP (Worldwide Light-Duty Vehicles Test Procedure) testeten, welches ab Oktober für alle neuen Modelle gilt. So war das Fahrzeug beispielsweise fast 300 kg schwerer, als es die Typenprüfvorschriften vorsehen – nicht aus bösem Willen, sondern weil der Renault Mégane tatsächlich so viel wiegt. Später, beim RDE-Test (Real-DrivingEmissions) auf der Strasse, wurden bis 1300 mg Stickoxide pro Kilometer am Auspuff gemessen. Das heisst, dieses aktuelle Euro-6-Fahrzeug emittiert etwa gleich viel wie ein 10 bis 15 Jahre altes Dieselfahrzeug. Neue Fahrzeugmodelle dürfen ab Oktober 2017 dagegen nur noch 170 mg/km ausstossen.

Von Autojournalisten preisgekrönt Noch ein Jahr zuvor war der Renault Mégane von europäischen Autojournalisten zum «Car of the Year» gekrönt worden. Wie ist es möglich, dass ein modernes Fahrzeug auf der Strasse so hohe Emissionen aufweist? Ein Problem sind die bisherigen Abgasvorschriften. Unrealistische Bestimmungen der Leergewichte und Fahrwiderstände sowie vorgegebene, hochtourige Schaltpunkte, die nichts mit der Realität zu tun haben, prägen diese Vorschriften. Diese Erkenntnis ist nicht

neu; bereits 2010 wurde beschlossen, ein realistischeres Abgasmessverfahren zu entwickeln. Warum das so lange dauert? Das Thema ist komplex und wird durch eine internationale Arbeitsgruppe bearbeitet, die vielen, teilweise divergierenden Ansprüchen genügen musste.

Fahrzeuge schonen? Beim Renault Mégane schaltete sich bei der Messfahrt im letzten Januar offenbar die Abgasrückführung ab, vielleicht, weil die Aussentemperatur unterhalb der Minimaltemperatur für den Labortest lag. Auch andere Hersteller müssen die Motoren ihrer Fahrzeuge «schonen» und schalten daher die Abgasreinigung ab, wenn der Motor ausserhalb des Prüfstandzyklus genutzt wird. Dies ist nach EU-Emissionsverordnung 715/2007/EG legal. Die Abschaltung geschieht zum Beispiel bei Audi und Fiat nach 22 Minuten, wie das «Handelsblatt» berichtete (der Prüfstandzyklus dauert 20 Minuten), bei Daimler unter 10 Grad Celsius, bei Opel sogar schon unter 17 Grad, wie ebenfalls das «Handelsblatt» berichtete (der Prüfstandzyklus verlangt Temperaturen über 20 Grad). Opel fährt zudem bei einem Luftdruck unter 915 Millibar die Abgasreinigung zurück, wie das Nachrichtenmagazin «Der Spiegel» berichtete. Die Abschaltung geschieht also oberhalb von 850 Metern über Meer (das höchste Prüflabor Europas liegt bei Madrid auf 700 Meter). Im Februar 2017 haben sich Opel, Daimler und VW zu einem freiwilligen Rückruf von europaweit rund 500 000 Fahrzeugen bereit erklärt, um deren AbgasreinigungsSoftware nachzubessern, obwohl sie legal war. Damit Abgasreinigungssysteme auch bei niedrigen Temperaturen und sonstigen 3 39

Bilder: Empa

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Die Abgasreinigung bei Dieseln und Benzinern kommt im realen Fahrverhalten an ihre Grenzen – doch genau hier hat der Gesetzgeber bislang weggeschaut. Was aber kommt wirklich aus dem Auspuff? Und wie viel davon genau? Die Empa hat nachgemessen.

widrigen Umständen dauernd im Einsatz sein können, müssen sie technisch im Detail verstanden, richtig ausgelegt und darüber hinaus optimal betrieben werden. Der aktuelle Skandal zeigt es deutlich: Hier gibt es grossen Nachholbedarf. Die Empa leistet mit einem Hochtemperatur-Strömungslabor einige wertvolle Beiträge, indem beispielsweise das Einspritzverhalten von AdBlue, einer wässrigen Harnstofflösung, die bei neuen Dieselfahrzeugen ins Abgas eingespritzt wird, im Detail untersucht wird. Dabei wird der Spraykegel mit Lasermessgeräten bis auf Einzeltröpfchen hin vermessen, die Bildung und Verdampfung flüssiger AdBlue-Wandfilme im Abgasrohr untersucht und die Zersetzung von verdampftem AdBlue gemessen. Diese Forschungsergebnisse sind öffentlich – sämtliche Hersteller dürfen sie nutzen. Zurück auf die Strasse. Bei den Abgasuntersuchungen der Empa fahren die Spezialisten der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme eine definierte Strecke von Düben 40

dorf aus um den Greifensee herum und zurück auf der Autobahn von Uster über das Brüttiseller Kreuz. Dabei werden die NO x -Emissionen im Fahrzeug von einem PEMS (Portables Emissionsmess-System) aufgezeichnet.

Der Mégane ist nicht allein Drei neue Dieselfahrzeuge der unteren Mittelklasse mit aktuellem Abgasstandard Euro 6b hat die Empa bereits nach dem neuen RDE-Verfahren untersucht: einen Opel Astra 1.6 CDTI, einen Ford S-MAX 2.0 TDCi und den Renault Mégane Grandtour 1.5 dCi. Bei allen lag der NO x -Ausstoss in jeder Phase der Fahrt zwischen 600 und 1400 mg/km; Abgasuntersuchungen anderer Labors zeigen ein ähnliches Bild. Der Renault Mégane ist also nicht allein. All diese Fahrzeuge nach aktuellem Standard Euro 6b dürfen bis Herbst 2019 unverändert weiter als Neuwagen verkauft werden. Erst die nächste Modellreihe muss

Euro 6 c entsprechen und die schärferen WLTP- und RDE-Tests bestehen. Wer heute schon sauberer fahren möchte, als es das Gesetz verlangt, kann das tun: Entweder bereits jetzt beim Kauf eines Neuwagens fragen, ob er Euro 6 c entspricht. Oder ein Erdgasfahrzeug kaufen. Das ebenfalls vermessene Gasfahrzeug war mit Stickoxid-Emissionen von durchwegs unter 10 mg/km 60- bis 140-mal sauberer unterwegs als die gemessenen Dieselfahrzeuge.

Kontakt Christian Bach Automotive Powertrain Technologies Überlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 4137 christian.bach@empa.ch www.empa.ch

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A N A LY TIK

Gasanalysen vor Ort

Massenspektrometer im Rollkoffer Gasanalysen, die bislang monatelange Laborarbeiten erforderten, lassen sich heute in kurzer Zeit direkt auf dem Feld erledigen. Eine Gruppe Eawag-Forschender hat ein mobiles Massenspektrometer entwickelt, das vor Ort Gase misst. Aus der Erfindung ist nun eine neue Firma, das Spin-off Gasometrix, entstanden.

Martina Peyer 1 Welche Auswirkungen haben vulkanische Gase im Kivusee in Zentralafrika? Wie funktioniert das Grundwassersystem des Rheins bei Pratteln? Auf welche Weise erzeugt eine Abfalldeponie in der Nordostschweiz möglichst wenig Treibhausgas? Das neue Eawag-Gerät, das mobile Massenspektrometer «Mini-Ruedi», erlaubt Wasser- und Gasanalysen vor Ort, um solche Fragen in kurzer Zeit zu beantworten. Beispielsweise konnten die Forscher in einer eintägigen Messkampagne in einer Deponie das Vorkommen verschiedener Gase untersuchen. Damit können Belüftungsmassnahmen des Deponiekörpers optimiert werden, um die Entstehung von Methan, einem starken Treibhausgas, zu vermindern.

Plötzlich wird vieles machbar «Unser 13 Kilogramm schweres Gerät, das in einem Rollkoffer verstaut ist, können wir über Stock und Stein überall hin mitnehmen. Am Einsatzort installiert, misst Mini-Ruedi sofort und effi zient Gase aufgrund minimer Proben; so beeinflusst er das Probeumfeld nicht», erklärt Matthias Brennwald, Umweltphysiker bei der Eawag und Entwickler des mobilen Massenspektrometers. Das Gerät misst selbständig und kontinuierlich. Alle paar Minuten liefert es neue Messwerte verschiedener Gase. So kann sofort bestimmt werden, welche Standorte und Zeitpunkte für Probeentnahmen geeignet sind. Auch umfassende Aufnahmen sind möglich. «Analysen, die früher wegen der aufwendigen, monatelangen Laborarbeiten und daher auch aus finanziellen Gründen nicht vor1

Martina Peyer, Eawag

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stellbar gewesen wären, sind nun plötzlich möglich», so Brennwald.

Zwei Wochen statt sechs Jahre Beispielsweise benötigte das Eawag-Team für die vollständige Analyse von Grundwasser in Australien mithilfe des Mini-Ruedi bloss zwei Wochen. Mit herkömmlichen Vorgehensweisen und Instrumenten hätte das Team rund sechs Jahre im Labor verbracht, schätzt Brennwald. Dennoch ist die Messgenauigkeit des neuen Geräts für ihn verblüffend: Maximal ein bis drei Prozent betragen die Abweichungen; beim ungleich teureren, stationären Spektrometer im Labor rechnet man mit ein bis eineinhalb Prozent. Zudem würden lediglich 50 Watt Strom benötigt, also nicht mehr als

für eine alte Glühbirne, und das Gerät brauche kaum Wartung, zählt Brennwald weitere Vorteile auf. Dazu gehört auch die Bedienerfreundlichkeit: «Ist man gewohnt, mit Messgeräten umzugehen, reicht ein Tag, um das Handling mit dem mobilen Gerät zu erlernen», betont der Erfinder.

Komplex und doch simpel Das mobile Massenspektrometer erscheint auf den ersten Blick komplex. Doch es ist aus lediglich vier Grundelementen zusammengesetzt: Über eine rund zehn Meter lange Kapillare wird das Gas langsam eingesaugt. Die Eawag-Mitarbeitenden sprechen vom «Rüssel» – die Assoziation bei einer Tankstelle verhalf dem mobilen Massenspektrometer zu seinem Namen MiniRuedi. Zwei Pumpen erzeugen in der

Mini-Ruedi im Einsatz rund um den Globus Der Mini-Ruedi kann Gase in der Umgebung quantifizieren, aktuell Helium, Argon, Krypton, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Methan – weitere kommen laufend dazu. Aufgrund des Vorkommens eines spezifischen Gases können die Forscher Rückschlüsse ziehen, welche Prozesse zur Gasbildung geführt haben. Da das mobile Gerät in weniger als einer Minute verschiedene Gase analysiert und aufgrund seiner Handlichkeit (60 × 40 × 14 cm; 13 kg) an entlegene Orte gebracht werden kann, ist es ein gefragtes Instrument: Die Eawag Forschenden reisen damit an Forschungsprojekte um die ganze Welt (https://gasometrix.com/map/). Sie nehmen Wasseranalysen vor, zum Beispiel zur Beurteilung von Grundwassersystemen oder von Einflüssen der ZiviMini-Ruedi im Einsatz in Oman. lisation auf Gewässer. Oder sie nehmen Bodenproben, zum Beispiel jüngst in Tschechien, wo die Eawag die Freisetzung von Erdgasen aus natürlichen Quellen untersucht hat. Geplant sind auch Analysen in Norwegen bei einer Erdgas- und Erdölfirma. Hier soll Mini-Ruedi die Gasflüsse überwachen. So können die Forschenden herausfinden, ob irgendwo Methan oder Kohlenstoffdioxid aus dem System lecken.

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A N A LY TIK

Spin-off Gasometrix gegründet

Das mobile Massenspektrometer im Rollkoffer. In der Mitte oben der aufgerollte «Rüssel», durch den das Gas gezogen wird.

Messkammer das nötige Vakuum. Dort werden die Zusammensetzung eines Gases sowie die Häufigkeit der verschiedenen Gasmoleküle gemessen. Das Hirn des Massenspektrometers besteht aus der Elektronik, die mit der Brennwaldschen Software gesteuert wird. Von hier gelan-

gen die Resultate zu einem Computer. Für Untersuchungen von Gasen in Gewässern – beispielsweise einem Teich – wird das Gas vor der Analyse mit einer Membran vom Wasser getrennt. Auf diese Weise kommen die heiklen Komponenten im Mini-Ruedi nicht mit Feuchtigkeit in Kontakt.

Seit dem ersten Projekt mit dem Mini-Ruedi vor gut zwei Jahren sind nun weitere Geräte im Einsatz – fünf bei der Eawag, vier an den Universitäten Genf und Tübingen sowie im Mont-Terri-Felslabor. Da unabhängig von Eawag-Projekten regelmässig Anfragen für den Kauf eines Geräts eingehen, hat sich Matthias Brennwald in Absprache mit der Eawag entschieden, einen Spin-off zu gründen. Seit April entwickelt er unter dem Firmennamen Gasometrix die mobilen Massenspektrometer. Dies sei jedoch lediglich eine Nebenbeschäftigung, um der Eawag treu zu bleiben, erzählt er. Als ersten Kunden der eigenen Firma konnte er die Universität Oxford gewinnen. Originalpublikation Matthias S. Brennwald et al., «A Portable and Autonomous Mass Spectrometric System for On-Site Environmental Gas Analysis, Environ. Sci. Technol., 2016, 50 (24), 13455–13463; DOI: 10.1021/acs.est. 6b03669

Bilder: Eawag

Kontakt Dr. Matthias Brennwald Eawag Überlandstrasse 133 CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 5305 Telefax +41 (0)58 765 5802 matthias.brennwald@eawag.ch www.eawag.ch Das Prinzip der Gasprobenahme aus Wasser über eine vorgeschaltete Membran.

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A N A LY TIK

Online-Durchflusszytometrie

Sensor für Bakterienkonzentrationen Die Durchflusszytometrie hat die Überwachung der bakteriologischen Wasserqualität revolutioniert. Mit ihrer Automatisierung geht diese Revolution weiter. Nach erfolgreicher Grundlagenarbeit wird nun der Eawag-Forscher Michael Besmer als CEO des Spin-offs onCyt Microbiology AG zum Unternehmer in diesem Bereich.

Andres Jordi, Eawag Noch immer wird die bakteriologische Qualität des Wassers in der Regel aufwendig mit einer über 100-jährigen Methode bestimmt: der Kultivierung der Bakterien auf Nährstoffplatten. In den letzten zehn Jahren hat sich die Durchflusszytometrie (DZ) als moderne mikrobiologische Messmethode etabliert – insbesondere dank der Forschung an der Eawag. Statt 24 Stunden oder länger auf das Aufwachsen der Bakterien zu warten, können diese dank Fluoreszenzmarkierung per Laser innert Minuten präzise gezählt werden.

Automatisiert vom Anfärben bis zur Reinigung Will man die mikrobiologische Dynamik einer Quelle über Stunden oder Tage erfassen, ist der Aufwand jedoch auch mit der DZ noch beträchtlich. Jede Probe muss an der Quelle genommen und dann im Labor vorbereitet und gemessen wer-

den. Daher hat die Forschungsgruppe Trinkwassermikrobiologie ein automatisiertes System für zeitlich hoch aufgelöste DZ-Messungen entwickelt. Statt von Hand jede einzelne Probe ins DZ-Messgerät einzuspeisen, erledigt nun eine daran gekoppelte Einheit alles autonom, von der Probenahme über die Probenvorbereitung mit dem Anfärben der DNA/RNA bis zur Reinigung des Geräts. Das vollautomatische Messsystem kann direkt vor Ort, zum Beispiel an einer Quelle oder einer Wasseraufbereitungsanlage, installiert werden und dort über Monate zeitlich hochaufgelöste Messreihen der Bakterienkonzentration liefern. Damit stehen zum ersten Mal zehntausende Messdaten zur mikrobiologischen Wasserqualität zur Verfügung – ein bisher unmöglicher Reichtum an Information. Anwendungen der automatisierten DZ wurden in natürlichen und technischen Systemen ausführlich getestet. Den grössten Teil der Tests hat Michael Besmer im Rahmen seiner Dissertation an der Eawag

im Projekt «Regionale Wasserversorgung Baselland 21» durchgeführt. Viele Wasserversorgungen im Jurabogen nutzen Wasser aus Karstquellen. Da Regen- und Oberflächenwasser – und damit auch Verschmutzungen – sehr rasch durch die für den Karst typischen Spalten und Höhlen ins Grundwasser fliessen kann, ist in solchen Gebieten die Wasserqualität eine besondere Herausforderung.

Risikoperioden erkennen Bisher hat man versucht, Qualitätseinbussen mit Messungen von Hilfsgrössen (beispielsweise Leitfähigkeit, Trübung, pH) zu erfassen, um dann die Quellfassungen rechtzeitig vom Netz zu nehmen. Im Projekt wurden solche Karstquellen während Wochen alle 15 Minuten vollautomatisch gemessen. Bei trockenem Wetter waren die Bakterienkonzentrationen sehr tief und stabil. Nach Regenfällen resultierten innert weniger Stunden deutliche Belastungsspitzen. Das Abklingen danach dauerte mehrere Tage. Solche Erkenntnisse helfen dem betroffenen Wasserversorger, Perioden mit erhöhtem Risiko besser zu erkennen und massgeschneiderte Massnahmen zur Qualitätssicherung zu ergreifen. «Wir wissen nun, wo, wann und wie man genauer hinschauen muss», fasst Besmer zusammen. Dadurch lassen sich Prozesse in natürlichen Ökosystemen aber auch in technischen Prozessen wie der Wasseraufbereitung besser verstehen und gezielter optimieren.

Bild: Jürg Sigrist

Von der Forschung in die Industrie

Vollautomatisiertes Online-Durchflusszytometrie-System bestehend aus einem herkömmlichen Durchflusszytometer (rot-weiss) und dem von der Eawag entwickelten Automationsmodul (blau).

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Bereits während der Dissertation hat Michael Besmer gemerkt, dass das Interesse an der Technologie in Forschung und Praxis gross ist. Das hat ihn dazu bewogen, 43

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Bild: zVg

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mit Mitstreitern einen Eawag-Spin-off zu gründen. Dieser basiert auf den entwickelten Geräten mit zwei Patentanmeldungen und auf dem erarbeiteten Wissen zu mikrobiologischen Dynamiken. Da der Markt noch jung ist, schätzen viele Kunden besonders das Fachwissen und die Beratung, welche über den Verkauf der Geräte hinaus gehen. Dank der erfolgreichen Zusammenarbeit mit der Praxis in der Schweiz aber auch mit internationalen Forschungsgruppen und Industrie-Partnern kann Besmer da aus dem Vollen schöpfen. Technologisch setzen die Eawag und der Spin-off auf die erwähnte Automatisierungseinheit, welche grundsätzlich mit jedem handelsüblichen Durchflusszytometer verbunden werden kann. Die Stärken liegen in der hohen Flexibilität, weil sich damit vielfältige Kundenwünsche abdecken lassen. Nicht zu unterschätzen, so Besmer, sei auch die hohe Glaubwürdigkeit, ausgehend von wissenschaftlichen Artikeln in Peer-Reviewed Journals.

Bald Bakteriensensor in Echtzeit? Gruppenleiter Frederik Hammes, der Besmers Dissertation betreut hat, ist überzeugt vom Potenzial der Online-DZ. Besonders

freut er sich über die rasche Überführung der Neuentwicklung in die Praxis im Baselland-Projekt. Das von der Eawag-Direktion zusätzlich bewilligte Geld für neue Geräte habe sich damit mehr als gelohnt. Während Besmer sich in seiner neuen Firma onCyt Microbiology AG mit Weiterentwicklungen des Geräts befasst, schmiedet Hammes Pläne für weitere Einsätze der Technologie in der Grundlagen- und angewandten Forschung. Bereits aktuell ist eine Version mit noch höherer zeitlicher Auflösung, womit das Online-Durchflusszytometer gleichsam zum Bakteriensensor wird. Montiert auf einem Schiff, könnte man damit etwa einer Küste entlang fahren und permanent erfassen, wo sich – zum Beispiel verursacht durch Schmutzwasser – die bakterielle Konzentration im Wasser verändert.

Kontakt Dr. Michael Besmer onCyt Microbiology AG Hauriweg 9 CH-8038 Zürich Telefon +41 (0)44 552 38 80 info@oncyt.com www.oncyt.com

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Bild: Climeworks/Julia Dunlop

VERFAHRENSTECHNIK

Christoph Gebald und Jan Wurzbacher vor den Kollektoren der DACAnlage in Hinwil.

CO2 als wertvoller Rohstoff

Dünger aus der Umgebungsluft CO2 ist in der Landwirtschaft ein wertvoller Dünger: In der richtigen Dosis eingesetzt, sorgt das Gas dafür, dass Tomaten, Gurken oder Salat bis zu 20 Prozent schneller wachsen. «Die Pflanzen werden kräftiger und grösser», sagt Fritz Meier, der bei der Gebrüder Meier AG in Hinwil für die Gewächshausproduktion zuständig ist. Seit Juni erhält der landwirtschaftliche Betrieb das CO2 nicht mehr aus industriellen Quellen per LKW angeliefert, sondern weltweit einmalig von einer Anlage, die den wertvollen Rohstoff direkt aus der Umgebungsluft filtert.

fen. «Wir stellten unser Konzept vor und schlossen eine Absichtserklärung über den möglichen Kauf, wenn es uns gelingt, eine entsprechende Anlage zu bauen», erinnert sich Gebald. Anschliessend entstand im Rahmen des Venture Challenge

Bild: Climeworks/Julia Dunlop

Bereits im Jahr 2008 besuchten Christoph Gebald und sein Kommilitone Jan Wurzbacher den Familienbetrieb der Gebrüder Meier. Die beiden ETH-Studenten hatten die Idee, CO 2 direkt aus der Umgebungsluft zu filtern und als Rohstoff zu verkau-

Die DACAnlage auf dem Dach der Kehrichtverbrennungsanlage in Hinwil liefert die für die Freisetzung des CO 2 aus den 3 × 6 Filtern notwendige Wärmeenergie. Im Hintergrund die Gewächshäuser der Gebrüder Meier.

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Kurses an der ETH Zürich ein erster Businessplan. Neun Jahre später thront die weltweit erste kommerzielle Anlage ihrer Art auf dem Dach der nur 400 Meter entfernt liegenden Müllverwertungsanlage des Zweckverbands Kehrichtverwertung Zürcher Oberland Kezo. «Seit unserem ersten Besuch hier haben wir den Sprung von einigen Millilitern pro Tag im Labor auf 900 Tonnen pro Jahr im industriellen Massstab geschafft», sagt Climeworks-Geschäftsführer Gebald stolz. Das hochreine CO2 wird der Leitung zugeführt, die die Gewächshäuser der Gebrüder Meier mit dem Gas versorgt. Pro Jahr kauft der landwirtschaftliche Betrieb Climeworks 900 Tonnen des Gases zu marktüblichen Preisen ab. «Die Nutzung von CO 2 aus der lokalen Umgebungsluft passt zu unseren nachhaltigen Produktionsgrundsätzen und unterstützt die Vermarktung unserer Produkte», 4 35

Bild: Climeworks

VERFAHRENSTECHNIK

Wie aus Umgebungsluft reines CO 2 wird.

sagt Meier. Das Wachstum von Gurken oder Tomaten, die das Unternehmen für den schweizerischen Grosshandel anbaut, wird deutlich gesteigert. Bislang muss dafür eigens ein LKW aus grösserer Entfernung den CO2 -Tank auffüllen.»

18 Kollektoren filtern 900 Tonnen CO2

Direct Air Capture (DAC) heisst das Verfahren, das Gebald und Wurzbacher mit einem Team von über 40 Experten zur kommerziellen Verfügbarkeit weiterentwickelt haben. Für die Umsetzung der Anlage in Hinwil wird Climeworks vom Bundesamt für Energie BFE mit einem Beitrag an die nicht amortisierbaren Kosten unterstützt. Die 18 CO2 -Kollektoren sind in drei Schiffscontainern übereinander auf dem Dach der Müllverwertungsanlage und in Sichtweite zu den Gewächshäusern installiert. «Die

Ventilatoren aussen dienen dazu, die Umgebungsluft anzusaugen», erklärt Gebald. Im Inneren jedes Kollektors findet dann der eigentliche Adsorptions-Desorptions-Prozess statt. Das Filtermaterial besteht aus porösen Granulaten, die mit Aminen modifiziert wurden. «Unsere Filter werden innerhalb weniger Stunden mit CO2 gesättigt», sagt Gebald. Die CO2 -reduzierte Luft wird wieder herausgeblasen. Um den Desorptions-Prozess zu starten, wird das gesättigte Filtermaterial bei vermindertem Druck auf 100 Grad Celsius

erhitzt. «Hierzu nutzen wir die Abwärme der Kezo und sind damit besonders ressourcenschonend», erklärt Gebald. Laut Climeworks kostet das so isolierte hochreine CO2 rund 600 Franken pro Tonne; Wurzbacher sagte anlässlich der Pressekonferenz in Hinwil, dass in den nächsten drei Jahren eine Produktionskostenreduktion um den Faktor drei bis vier angestrebt werde. (In der Schweiz wird gegenwärtig rund 300 Franken pro Tonne CO2 bezahlt.) Die Einsatzmöglichkeiten des nach dem DAC-Verfahren produzierten CO 2 beschränken sich selbstverständlich nicht auf die Wachstumförderung von Gemüse. Es kann beispielsweise auch zur Herstellung von synthetischen klimaneutralen Treibstoffen oder in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt werden. Um die Ziele das Klimagipfels 2016 in Paris zu erreichen, ist jedes Mittel recht. Die Gründer vom Climeworks wollen auch ihren Teil dazu beitragen: Ihr ehrgeiziges mittelfristiges Ziel ist es, in Jahr 2025 ein Prozent der globalen CO2 -Emissionen aus der Luft zu filtern.

Text: Climeworks/Kurt Hermann

Die Direct Air Capture Anlage in Hinwil Art der Anlage Climeworks DAC-18 18 Zahl der CO2 -Kollektoren 2460 Kilogramm (abhängig u. a. von Wetterfaktoren) CO2 -Kapazität pro Tag CO2 -Anreicherung eines Gewächshauses CO2 -Nutzung Grösse der CO2 -Filteranlage ca. 90 m2 Grösse des Gewächshauses 37 632 m2 Effekt im Gewächshaus Steigerung des Ernteertrags um bis zu 20 Prozent

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VERFAHRENSTECHNIK

Kupfer-Zeolit ermöglicht selektive Reaktion

Umwandlung von Methan in Methanol Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben einen neuen chemischen Prozess entwickelt, mit dem sich die Umwandlung von Umwandlung von Methan in Methanol effizient und mit geringem Aufwand umsetzen lässt. Dieser könnte langfristig in kompakten technischen Anlagen zum Einsatz kommen, die auch auf Ölfeldern errichtet werden könnten.

Bei der Förderung von Erdöl wird auch gasförmiges Methan frei, das heutzutage meist einfach verbrannt wird. Ein Weg, das Methan nutzbar zu machen, besteht darin, es in Methanol umzuwandeln. Methanol lässt sich als Flüssigkeit einfacher transportieren als Methan und kann sowohl als Treibstoff als auch als Grundstoff für die chemische Industrie verwendet werden. Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben erstmals gezeigt, dass sich Methanol aus einer Kombination von Methan mit Wasser herstellen lässt. «Das ist zunächst eine wichtige wissenschaftliche Entdeckung», betont Marco Ranocchiari, Forschungsgruppenleiter im Labor für Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI. «Es war bisher nicht klar, dass Wasser genutzt werden könnte, um Methan zu Methanol zu oxidieren.» Gleichzeitig hätte dieser Prozess auch in der industriellen Praxis wesentliche Vorteile. Heutzutage geschieht die Umwandlung von Methan zu Methanol in zwei Verfahrensschritten unter hohem Druck und bei hoher Temperatur in industriellen Chemieanlagen, die viel zu gross und aufwendig sind, als dass man sie auf einzelnen Ölfeldern aufbauen könnte. Die Reaktion ist nicht die erste, bei der Methan in Methanol in einem Schritt umgewandelt wird – vielfach waren Forscher des PSI und der ETHZ auch an der Entwicklung der anderen Reaktionen beteiligt. «Die neue Reaktion ist aber deutlich selektiver als die anderen», erklärt Dennis Palagin, Forscher am PSI, «das heisst, es entsteht hier neben dem Methanol nur noch Wasserstoff, der zum Beispiel für Brennstoffzellen verwendet werden kann. Bei den bisherigen Reaktionen, in denen man 7– 8/2017

für die Oxidation zum Beispiel Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid verwendet, entstehen als unerwünschte Nebenprodukte schädliche Substanzen wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Formaldehyd.»

Die Reaktion verstehen Bei der neuen Reaktion ist neben dem Methan und dem Wasser noch ein aktives Material beteiligt. An der Oberfläche dieses Materials werden die Moleküle des Methans in die Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespalten, die sich dann mit dem Wasser zu Methanol und Wasserstoff verbinden können. Das aktive Material hat die Struktur eines Zeoliths, in den Kupferatome eingebaut sind, die eine entscheidende Rolle bei der Reaktion spielen. «Dank einer Kombination unterschiedlicher Untersuchungsmethoden konnten wir den Mechanismus hinter der Reaktion aufklären», erklärt Vitaly Sushkevich, der die Experimente entworfen hat. «So haben

wir den Reaktionsmechanismus mit Infrarotspektroskopie und die Veränderungen des Kupfers mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI untersucht. Um nachzuweisen, dass das Methan tatsächlich vom Sauerstoff aus dem Wasser oxidiert wurde, haben wir dort gezielt einen Teil des Sauerstoffs durch ein anderes Isotop ersetzt und konnten so dessen Weg verfolgen. Die Experimente wurden durch theoretische Berechnungen am Swiss National Supercomputing Centre in Manno im Tessin ergänzt.»

Originalpublikation V.L. Sushkevich, D. Palagin, M. Ranocchiari, J.A. van Bokhoven, «Selective anaerobic oxidation of methane enables direct synthesis of methanol», Science 05 May 2017, Vol. 356, Issue 6337, pp. 523–527; DOI: 10.1126/science.aam9035 www.chab.ethz.ch

Bild: PSI

Paul Piwnicki, PSI

Die schrittweise Umwandlung von Methan zu Methanol.

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WERKSTOFFE

Von der Natur abgeschaut

Technologien für personalisierte Implantate Individuell angepasste Implantate, die vollständig in den Körper integriert und langfristig durch eigene Knochensubstanz ersetzt werden – dieser Gedanke kann bald Wirklichkeit werden. Möglich wird dies durch eine am Fraunhofer IKTS in Dresden entwickelte keramische Material- und Verfahrenskombination.

Bilder: Fraunhofer IKTS

Vom keramischen Schaum zum Knochenimplantat

Poröse, gefriergeschäumte Knochenstruktur aus Hydroxylapatit.

Ein menschlicher Knochen besteht aus einer dichten und festen äusseren Hülle (substantia corticalis) und einer inneren porösen Füllung (substantia spongiosa). Um solche in ihrer Struktur unterschiedlichen Knochen künftig als Implantat nachbilden zu können, wurden am Fraunhofer IKTS spezielle keramische Materialien entwickelt und zwei Technologien intelligent miteinander verknüpft: Die patientenspezifische, feste äussere Hülle des Knochens kommt dabei aus dem 3D-Drucker. Die schwammartige innere Knochenstruktur wird durch einen keramischen Schaum nachgebildet.

Aussen gedruckt, innen geschäumt – keramischer Knochenersatz.

24 8

In einem ersten Schritt entwickelten die IKTS-Forscher um Matthias Ahlhelm aus keramischen Materialien wie Hydroxylapatit, Zirkonoxid oder auch Mischungen aus beiden über die Gefrierschäumung poröse, knochenähnliche Strukturen. Bei diesem Verfahren wird der Umgebungsdruck um eine wässrige, keramische Suspension in einem Gefriertrockner abgesenkt, wodurch die Suspension erst aufschäumt und dann schlagartig gefriert. Das enthaltene Wasser sublimiert. Durch die anschliessende Wärmebehandlung entsteht ein fester keramischer Schaum.

Biokompatibilität in Studien bestätigt Die Biokompatibilität und Bioverträglichkeit dieser keramischen Schäume wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in vitro getestet. Dabei brachten die Wissenschaftler zunächst Fibroblastzellen von Mäusen auf die keramische Oberfläche auf und belegten, dass die Zellen prinzipiell auf dem Keramikschaum überleben und darüber hinaus sogar Stoffwechsel betreiben. Um die nachgewiesene Biokompatibilität auch auf menschliche Zellen übertragen zu können, wurden anschliessend humane mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark, sogenannte Vorläuferzellen des Bindegewebes, verwendet. Mithilfe eines Markers konnte das Stoffwechselprodukt Kollagen auf der Keramikoberfläche sichtbar gemacht werden, was auf eine aktive Stoffwechselreaktion der Stammzellen schliessen lässt. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Stammzellen den

Replika eines Oberschenkelknochens aus Keramik.

Keramikschaum besiedeln und befähigt sind, in unterschiedliche Zell- bzw. Gewebetypen, zum Beispiel in Knochen- oder Muskelzellen, zu differenzieren. Dies ist ein wichtiges Indiz für die Biokompatibilität und -verträglichkeit dieser keramischen Materialien.

Eine gedruckte Hülle für den Knochen Im nächsten Schritt suchten die Forscher ein Verfahren, um die porösen knochenähnlichen Strukturen mechanisch stabiler zu machen und zudem die patientenspezifische Knochenform zu realisieren. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS nutzten dabei ihre langjährigen Erfahrungen im Bereich der additiven Fertigung. Mit dem ausgewählten 3D-Druckverfahren der Lithographie-basierten keramischen Fertigung (LCM) gelang es, einzelne Röhren, Halbschalen oder komplexe knochenähnliche Hüllen zu drucken – und das aus den gleichen Materialien wie die poröse Schaumkeramik. Entsprechend der 3D-Daten wird ein blaues Lichtprofil auf eine mit fotosensitiven Monomeren gemischte 7 – 85 / 2 0 1 7

WERKSTOFFE

keramische Suspension projiziert und diese genau an den belichteten Stellen ausgehärtet. Schicht für Schicht entsteht so eine komplexe dreidimensionale Struktur. Im letzten Schritt wurden die beiden Verfahren miteinander kombiniert: In die gedruckten knochenähnlichen Hüllen wurde die keramische Suspension gefüllt und mittels Gefrierschäumung aufgeschäumt. Eine Herausforderung stellt derzeit noch die gemeinsame Wärmebehandlung der beiden strukturell unterschiedlichen Komponenten dar. Hier gilt es, das unterschiedliche Schwindungsverhalten der Materialien so aufeinander abzustimmen, dass es weder zu Rissen noch zu Verformungen in der Komponente kommt.

Bald erste In-vivo-Versuche «Im Ergebnis entsteht eine komplexe Struktur, die aufgrund der Verbindung von dichter äusserer Hülle und porösem Inneren den Weg zu personalisierbaren knochenähnlichen Implantaten ebnet, die bioaktiv und robust sind», erklärt Ahlhelm, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS. «In naher Zukunft stehen erste In-vivo-Versuche an, in denen eventuelle Entzündungsreaktionen auf die keramischen Knochen sowie das Einwachsverhalten untersucht werden», führt Ahlhelm fort. Hier arbeitet das Fraunhofer IKTS eng mit dem Fraunhofer IZI zusammen. Die am Fraunhofer IKTS entwickelten keramischen Implantate könnten so künftig

eine vielversprechende Lösung für die wiederherstellende Chirurgie sein, zum Beispiel bei Knochenkrebspatienten oder im Bereich Mund, Kiefer und Gesicht.

Kontakt Dr. Matthias Ahlhelm Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Winterbergstrasse 28 D-01277 Dresden Telefon +49 (0)351 2553-7572 www.ikts.fraunhofer.de

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ZENTRALVORSTAND Führungskräfte braucht das Land Fachkräftemangel hier, Fachkräftemangel da. Weiterbildungen sollen Abhilfe schaffen. Auf diesen Zug stieg der SCV, in Zusammenarbeit mit aprentas, bereits vor 14 Jahren auf. Seit elf Jahren schliessen Jahr für Jahr hoch motivierte Chemieund Pharmatechnologen EFZ die dreijährige Weiterbildung als Chemietechnologe HFP ab. Längst sind die erfolgreichen Absolventen äusserst gefragte Fachkräfte, welche Fach- oder Führungspositionen innehalten. Dies insbesondere in der chemischen, pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie, aber auch in Branchen mit ähnlichen Anforderungen oder Prozessen wie z. B. in der Lebensmittelindustrie oder in Kernkraftwerken. Eine Weiterbildung ist nur so lange gut, wie sie die Anforderungen des Arbeitsmarktes er-

füllt. Diese können sich im Laufe der Zeit verändern. Aus diesem Grund hat sich der SCV entschlossen, die Bildungsverordnung für die Weiterbildung Chemietechnologe HFP zu überprüfen und, falls nötig, zu überarbeiten. In den vergangenen Wochen fanden diesbezüglich erste Gespräche unter Einbezug der folgenden Organisationen statt: – FLB – Fachverband Laborberufe – aprentas als wichtigster Anbieter des Lehrgangs – scienceindustries als Vertreter der Arbeitgeberseite – SBFI – Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation Ziel ist es, über die Verbandsgrenzen hinaus zu blicken und zu denken, um eine für die künftigen Teilnehmer des Lehrgangs zielgerichtete und eine

den Anforderungen der Praxis angemessene Weiterbildung anzubieten. Im Laufe des Projekts zur Überarbeitung des Lehrgangs werden aus diesem Grund auch Fach- und Führungskräfte in für den Lehrgang relevanten Positionen konsultiert, um die Anforderungen aus deren Tagesgeschäft im Detail zu ermitteln. Diese Anforderungen wiederum werden dann als Grundlage für die Zusammenstellung des neuen Bildungsplans dienen. Oberstes Ziel ist es dabei, die Umfrage breit abgestützt durchzuführen. Dies bedeutet den Einbezug von Unternehmen und Fachund Führungskräften aus – allen Landesteilen der Schweiz – KMU ebenso wie aus Weltkonzernen – Unternehmen unterschiedlicher Ausrichtung und mit un-

terschiedlichen Produktepaletten innerhalb der Branche (z. B. Pharma, Biotechnologie, klassische Chemie, Kosmetik) Vonseiten des SCV werden Daniel Müller (Deutschschweiz) und Frédéric Falcotet (lateinische Schweiz) den Löwenanteil des Projekts stemmen. Für die Projektleitung greift der SCV auf die Expertise von aprentas und Guido Hess als Projektleiter und Daniel Schröder zurück. Der Projektabschluss soll Ende 2019 mit dem Ziel erfolgen, der Branche auch in Zukunft die am besten geeigneten Fachkräfte zur Verfügung zu stellen.

Patrick Merkofer Präsident SCV

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VERBANDSSEITE

SEKTION NORDWESTSCHWEIZ Orte der Erinnerung: Eine Reise durch das Basel von 1933 bis 1945

Start der Führung beim ZschokkeBrunnen.

Im April 2017 trafen wir uns beim Zschokke-Brunnen in Basel zu einer Führung durch das Basel der 1930er und 1940er Jahre. Die Hakenkreuzflagge flattert im Wind am Turm des Badischen Bahnhofs, als das schrille Pfeifen eines einfahrenden deutschen Zuges die Morgendämmerung durchdringt. Ein Teil der vierzehn Menschen, die dem Zug entsteigen, tragen den gelben Judenstern. Sie werden von den deutschen Beamten zur Grenze geführt und gelangen so – endlich – in den sicheren Hafen Basels. Diese Männer und Frauen sind nun in Sicherheit. Sie haben eine un-

glaubliche Geschichte hinter sich: Getarnt als Spione der deutschen Abwehr auf geheimer Mission haben sie mit Hilfe von Widerstandskämpfern aus dem Kreise des Hitlerattentäters Klaus Schenk Graf von Stauffenberg, selbst den Reichsführer SS Heinrich Himmler und seine Schergen getäuscht. Wie der Badische Bahnhof wurden viele Orte Basels zum Schauplatz, sie wurden Teil der Geschichte, mal an positive Erinnerungen geknüpft, mal an rabenschwarze. Die Führung, an der wir im April dieses Jahres teilnahmen, beschäftigte sich mit dem Basler Kunstmuseum, das in den

1930er-Jahren erbaut wurde, wie auch mit der damaligen politischen Lage in der Stadt. Ebenfalls wurde das Zusammenspiel der verschiedenen Chemie-Firmen wie IG Farben, Ciba und Geigy beleuchtet. An dieser Stelle bedanke ich mich im Namen des SCV Nordwestschweiz bei den Teilnehmerinnen und Teilnehmern und freue mich, bei einem nächsten Anlass euch zu begrüssen zu dürfen.

Im gesamte Erdgeschoss werden die vorher geplanten Apparate angefertigt. Es ist unterteilt in Schlosserei mit Apparate bau, Schleiferei und Montage. Hier wird unter anderem geschweisst, gefräst und geschliffen. Wenn alle Einzelteile den Anforderungen entsprechen, werden sie zusammengebaut und mit der zugehörigen Elektronik zum fertigen Produkt ausgestattet.

Eine solche Maschine, eine Big Bag Entleerungsstation stand in diesem Stadium zur Vorführung bereit. Wenn es keine Mängel gibt oder diese behoben wurden, wird die Anlage an den endgültigen Bestimmungsort versendet, wo die dortigen Mitarbeiter von den Spezialisten der Rubitec AG instruiert werden. Um diesen lehrreichen Ausflug abzurunden, gab es im Anschluss ein gemütliches Beisammensein bei Burgern und Getränken. Ebenfalls stellte Annika Schelp die Firma Nemensis AG, Reinach, kurz vor. An dieser Stelle bedanken wir uns nochmals bei der Rubitec AG, welche uns diesen Anlass ermöglicht hat.

Für den SCV Sektion Nordwestschweiz Andreas Schläpfer

Führung Rubitec AG in Bennwil

Am 24. März dieses Jahres traf sich ein bunt zusammen gewürfeltes Grüppchen des SCV, darunter zwölf Lernende der Fachrichtung Chemie- und Pharmatechnologie, vor der Rubitec AG in Bennwil. Die Rubitec AG ist ein Familienbetrieb, welcher anspruchsvolle Produkte für die Chemie- und Pharmaindustrie weltweit konstruiert, entwickelt und produziert. Wir wurden von Jonas 7– 8/2017

Bilder: zVg

Die Rubitec AG stellt Apparate für die Chemie- und die Pharmaindustrie her.

Rubitschung in Empfang genommen. Nach einer kurzen Begrüssung ging es in zwei Gruppen weiter. Im oberen Stockwerk des Gebäudes befinden sich die Büros für die Planung und Verwaltung. Es war sehr interessant, hier einen Einblick zu gewinnen. Das Erklären des Programmes Solidworks 3D zum Entwickeln und Konstruieren der Produkte war ein Highlight.

Big Bag Entleerungsstation.

Bericht: Novartis-Lernende der CPT-Klasse 16A 51

VERBANDSSEITE

SEKTION OBERWALLIS Wohin mit den Batterien? Wohin mit dem Wasser des Lötschberg-Basistunnels?

Handsortierung der Batterien.

An der diesjährigen Exkursion der Sektion Oberwallis gingen wir den oben genannten Fragen nach. Diese führten uns zur Batrec nach Wimmis und zum Tropenhaus nach Frutigen. Frühmorgens am 19. Mai 2017 fanden 14 unserer Mitglieder den Weg zur Lonzagarage. Bei schönsten Regenwetter starteten wir gemeinsam in Richtung Goppenstein. Einem nicht ganz freiwilligen Abstecher Richtung Thunersee zum Trotz fanden wir pünktlich unseren Weg nach Wimmis zur Firma Batrec, wo wir von Peter Segura in Empfang genommen wurden. Mit Helm, Sicherheitsweste sowie Schutzbrille ausgerüstet begaben wir uns in Richtung Lagerhalle. Die Halle an sich ist schon eindrücklich, da sie wegen der Dachkonstruktion unter Denkmalschutz steht, wurde sie aufwendig aufgerüstet, damit die gesetzlichen Richtlinien eingehalten werden können. Jährlich werden hier etwa 2500 Tonnen Batterien (etwa 120 Millionen an der Zahl) entgegengenommen, gelagert und 52

vorsortiert nach Grösse oder Inhaltsstoffen. Dies sind alle Batterien, welche in der Schweiz in die Inobat-Sammelstellen gegeben werden. Gemäss Statistik sind dies ungefähr 75 Prozent aller Batterien, welche im Jahr in den Umlauf geraten. Damit liegt die Schweiz im internationalen Vergleich überlegen an der Spitze der Recyclingstatistik. Jeder sollte sich allerdings in Zukunft

zweimal überlegen, wo er die gebrauchten Batterien entsorgt, wenn er bedenkt, was mit den restlichen 25 Prozent geschieht. Neben Batterien werden hier auch Abfälle aus der Medizin und anderen Bereichen aufgearbeitet. In einer weiteren Halle werden die kleineren Batterien von Hand sortiert. Wir staunten nicht schlecht, wie schnell die Mitarbeiter die vorbeitransportierten Batterien trennten. In der Ofenhalle werden dann die Batterien in vorgegebenen Mischverhältnissen unter sehr hohen Temperaturen geschmolzen. Am Ende gewinnt man verschiedene Metalle und die Schlacke, für welche man in Holland einen Abnehmer gefunden hat. Das von der Batrec entwickelte Verfahren zur Quecksilberdestillation ist weltweit einmalig und wegweisend. Es gelangt auch in den Recyclinganlagen für Spent Catalysts und belastete Aktiv-

kohle zum Einsatz. In mehreren Schritten wird der Stoff isoliert und destilliert. Am Schluss des Verarbeitungsprozesses bleibt das flüssige Metall in einem Reinheitsgehalt von über 99,9999 % zurück. Das wieder gewonnene Quecksilber kann erneut in den Produktkreislauf geführt werden, ohne die Umwelt zu belasten. Inzwischen liefern mehrere Länder aus Europa und dem Nahen Osten ihre ausgedienten quecksilberhaltigen Batterien zum Recycling in die Schweiz. Im Anschluss von dem Rundgang erhielten wir Informationen über Inobat sowie einen Vortrag von Philipp Zanettin, Leiter der Aktivkohlereaktivierung und des Quecksilber-Recyclings. Nach einem leckeren Mittagessen im Hotel Simplon in Frutigen ging es weiter in Richtung Tropenhaus, wo wir uns mit der Störfischzucht, der Wasseraufbereitung und der Wärmepumpentechnologie befassten.

Gruppenfoto im Tropenhaus.

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VERBANDSSEITE

Bei nach wie vor strömendem Regen wurden wir als Erstes auf das Dach des Tropenhauses geführt, wo man einen guten Überblick von den Wasserund Fischbecken hat. Das Wasser, welches vom Lötschberg-Basistunnel her in die Bergbäche floss und so diese erwärmte, musste vorher abgekühlt werden, bloss wie? Die Lösung: Die Energie des Wassers wird vor allem für die Fischzucht und ein Tropenhaus genutzt. Hier wird es so weit abgekühlt und aufgearbeitet, dass es problemlos der Natur zurückgegeben werden kann. Die Wassertemperatur ist ent-

scheidend für das Wachstum und die Fischlaibe des Störs. Wir waren beeindruckt von der möglichen Grösse eines Störs und über die Artenvielfalt dieses Fisches. Im Tropenhaus wird sehr viel Wert darauf gelegt, alles ökologisch sinnvoll einzusetzen. So wird zum Beispiel der Trinkwasserüberschuss mittels Turbine in elektrische Energie umgewandelt. Nicht schlecht staunten wir über die Anzahl Fische: Je nach Art werden hier pro Jahr um eine Tonne Fisch produziert. Über die Kaviar-Gewinnung und -Herstellung bekamen wir genauso interessante Einblicke

und Informationen wie über die Fischzucht selbst. Am Ende des Rundgangs wurden wir im Tropengarten verabschiedet, wo wir uns selbstständig über diverse Pflanzen, Früchte, Kräuter und Gewürze informieren konnten. Dass im Berner Oberland pro Jahr 800 kg Bananen geerntet werden, überraschte mich dann doch ein wenig. Die eine oder andere Banane nahm sogleich den Weg ins Wallis auf. Ein Dank gilt neben unserem Fahrer den Referenten von Batrec und vom Tropenhaus, welche uns einen interessanten Einblick in ihre Betriebe geben

konnten. Ebenfalls bedanken wir uns bei unserem Organisator Orlando Juon. Mein persönliches Fazit unserer Exkursion ist, dass sowohl bei der Batrec als auch beim Tropenhaus alles Mögliche unternommen wird, um aus den Ressourcen der Natur so viel wie möglich zu gewinnen und im besten Fall die Abfälle so zu bearbeiten, dass diese wieder als Rohstoffe eingesetzt werden können. Wir haben gelernt, dass es auch im Einvernehmen mit der Natur möglich ist, wirtschaftlich aktiv zu sein. Rinaldo Gsponer

LEHRLINGSBERICHT Vom Erdöl zur Tablette

Die Gewinnung des Erdöls wurde erklärt und nachgebildet.

Seit letztem Sommer sind wir in der Ausbildung zum Chemie- und Pharmatechnologen (EFZ). In unserem ersten Semester beschäftigten wir uns während dreier Wochen mit 7– 8/2017

dem Projekt «Vom Erdöl zur Tablette», um die verschiedene Aspekte unseres zukünftigen Berufes besser kennenzulernen. In vier Gruppen haben wir uns auf einzelne Teile des The-

mas spezialisiert. Welche lauten: «Vom Erdöl zum Wirkstoff», «Vom Wirkstoff zur Tablette» und «Der Weg des Erdöls». Die vierte Gruppe übernahm die Koordination unter den Gruppen und die Visualisierung des Projektes. Start für das Projekt war letzten September anlässlich des Seminares in Lenk. Die erste Gruppe beschäftigte sich mit dem Erdöl unter den Gesichtspunkten seiner Entstehung, Gewinnung, Destillation und Weiterverabeitung in verschiedenen chemischen Teilprozessen bis hin zum Wirkstoff. Zur Veranschaulichung wurde unter anderem ein Modell einer Rektifikationsanlage entworfen und gebaut. Das Rohöl legt bis zu seiner Endform, der Tablette, einen weiten Weg rund um die Welt

Die Herstellung der Darreichungsform «Tablette» wurde anhand diverser Medien wie Tischpräsentation, Film, Plakat und Modell erklärt.

VERBANDSSEITE

Die produktivsten Erdölfelder, Erdölraffinerien und Pipelines auf einer Karte.

zurück. In der zweiten Gruppe wurden sowohl die ergiebigsten als auch die produktivsten Erdölfelder, Erdölraffinerien und Pipelines recherchiert und auf einer Weltkarte eingetragen. Anschliessend konnten die einzelnen Produktionsstätten, welche es benötigt um ein Medikament herzustellen, darauf markiert werden.

Der fertige Wirkstoff muss nun in eine geeignete Darreichungsform, in unserem Projekt eine Tablette, gebracht werden. Diese Weiterverarbeitung erfolgt in der pharmazeutischen Industrie. Um den genauen Ablauf des Pressvorgangs zu veranschaulichen, fertigte die dritte Gruppe ein Modell einer Rundläufertablettenpresse an, wel-

Die Gesamtausstellung «Vom Erdöl zur Tablette».

che eine der gängigsten technischen Anwendungen ist. Die Ergebnisse wurden in Form einer Ausstellung und einer Präsentation unseren Eltern, Lehrmeistern und den anderen Lernenden in unserem Schul-

haus im Werk Schweizerhalle vorgestellt.

Ein Projekt der Klasse CP16A im Ausbildungszentrum Schweizerhalle.

Interview mit Herrn Dürr, dipl. Ausbilder FA Sie haben den Impuls für das Thema gegeben; was hat sie zu diesem Thema animiert? «Was mich dazu bewogen hat, ist den Lernenden einen Einblick in Ihren Beruf zu geben. Ich wollte Ihnen aufzeigen, wo die einzelnen Teilbereich der Chemie-, Pharma- und Biotechnologie zusammenfinden und wo ein Chemie- und Pharmatechnologe später im Berufsleben anknüpfen kann.» Wie würden Sie die Durchführung des Projektes beschreiben, wie war der Zusammenhalt in der Gruppe? «Die Durchführung des Projekts habe ich als sehr sozial und konstruktiv empfunden. Die Zusammenarbeit mit den jeweiligen Projektleitern war sehr kommunikativ und auch so haben sich die einzelnen Gruppen sehr engagiert und hilfsbereit gezeigt. Ich habe im Schnitt eine wirklich positive Entwicklung beobachtet,

auch wenn es natürlich Hoch- und Tiefphasen während des Projektes gab. Im Endeffekt kam ein sehr gelungenes Produkt als Ergebnis raus und das finde ich sehr toll.» Sie haben gerade das Ergebnis des Projektes erwähnt; entspricht das Ihren Vorstellungen oder hatten Sie sich etwas anderes darunter vorgestellt? «Ich bin mit dem Resultat sehr zufrieden, um ehrlich zu sein, ist es sogar besser als ich es mir vorgestellt hatte. Vor allem wurde visuell sehr tolle Arbeit geleistet. Man konnte im Verlauf des Projektes beobachten, wie die Einzelteile entstanden sind und wie sich jetzt ein harmonierendes Gesamtwerk ergibt.» An dieser Stelle ein herzliches Dankeschön an die Klasse 16A für die angenehme Durchführung des Projektes und die Berichterstattung. Alles Gute für die Zukunft!

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PRODUKTE Plateforme pour la chimie, la pharmacie et la biotechnologie

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Sekrete oder Gewebestücken mit Volumina bis rund 3 ml (inkl. Puffer) in einem Schritt, das heisst ohne vorherige Aufteilung, in Singleuse-Gefässen. Der Adapter nimmt fünf Eppendorf-Tubes auf; es können zwei Adapter in die Mühle eingesetzt werden, um 10 × 3 ml Probe zeitgleich aufzubereiten. Die Schwingmühle MM 400 wird auch zur Homogenisierung von pflanzlichen Materialien, weichen Zellgeweben, aber auch härteren Proben eingesetzt. Vorteile auf einen Blick: – reproduzierbare, effiziente Zerkleinerung, Mischung und Homogenisierung in Sekundenschnelle – Trocken-, Nass- oder Kryogenvermahlung möglich – verschraubbare Mahlbecher garantieren verlustfreie Homogenisierung – neun Standard Operating Procedures (SOP) speicherbar.

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PRODUKTE

Neue Applikationsflyer für die Materialprüfung

Der weltweite Standard für Textur Analyser, Stable Micro Systems, hat seine Applikationsflyer erweitert und neu aufgelegt. Jedes Jahr kommen neue Anwendungen in der mechanischen Prüfung dazu. Die entsprechenden Messeinrichtungen werden meist in enger Zusammenarbeit mit Anwendern aus Forschung, Qualitätssicherung und Produktion direkt aus der Praxis entwickelt oder neuen Anforderungen angepasst. Spritzen- und Schärfetest von Injektionsnadeln in der Medizin, Bruchfestigkeit von Lippenstift oder Haftung von Nagellack in der Kosmetik, Mucoadhäsion und Caking-Verhalten von Pulvern in der Pharmazie, Verpa-

ckungsprüfung: All dies und unzählige weitere Applikationen werden mit einer gut abgestuften Gerätepalette abgedeckt. Neu dazu gekommen ist das kompakte Tischgerät TA.XTplus100. Kraftmesszellen von der hochauflösenden 500-g- bis zur 100-kg-Version können nach Testanordnung ausgewechselt werden und garantieren damit ein optimales Verhältnis von Empfindlichkeit zu Maximalkraft. Tracomme AG Dorfstrasse 8 CH-8906 Bonstetten Telefon +41 (0)44 709 07 07 tracomme@tracomme.ch www.tracomme.ch

Dem interdisziplinären Austausch den Boden bereiten

Die Anforderungen an Laborböden sind extrem hoch: Sicherheit für hochentwickelte technische Geräte, äusserste Verschleissfestigkeit, Beständigkeit gegen Chemikalien, optimales Reinigungsverhalten, Ergonomie für die Mitarbeiter und vieles mehr. All diese Vorgaben erfüllen die Kautschuk-Bodenbeläge von nora flooring. Ausserdem sind die nora Böden durch die extrem dichte, geschlossene Oberfläche äusserst widerstandsfähig gegen

Labormedien und leicht zu reinigen. Dass die Kautschuk-Beläge nicht beschichtet werden müssen, gewährleistet nachhaltig die stabile und resistente Oberflächenbeschaffenheit. nora flooring systems ag Gewerbestrasse 16 CH-8800 Thalwil Telefon +41 (0)44 835 22 88 info-ch@nora.com www.nora.com/ch

Kompakte, effiziente und intelligente Pumpen Im Lastenheft der CME-Pumpen stand die kompakte Bauweise ganz oben auf der Prioritätenliste. Verglichen mit anderen Pumpen dieser Leistungsklasse besitzt diese mehrstufige Kreiselpumpe etwa 30 Prozent kleinere Abmessungen. Dieses «Downsizing» ist das Ergebnis fortschrittlicher Hydraulik-Technologien und Produktionstechniken. Sechs Baugrössen und drei Materialausführungen machen die CME-Baureihe zur Universallösung für viele Anwendungen: die robuste Grauguss-Ausführung für den Einsatz mit Wasch- und Reinigungsprozessen, Druckerhöhungsanlagen und Kühleranlagen; Edelstahl des Typs 1.4301/AISI 304 für nicht-korrosive Flüssigkeiten in Wasseraufbereitungsanlagen, Temperaturregelungen sowie Waschund Reinigungsanlagen; Edelstahl

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des Typs 1.4401/AISI 316 für aggressive Medien in chemischen und pharmazeutischen Anlagen sowie der Food-Industrie. Das «Downsizing» gilt nicht allein für die Dimensionen – bemerkenswert

klein ist auch der Energieverbrauch: Zum Einsatz kommt der MGE-Motor mit integriertem Frequenzumrichter, ein vom Unternehmen entwickelter und gefertigter Motor. Mittlerweile gibt es diesen Antrieb als Perma-

nentmagnet-Motor in der weltweit höchsten Effizienzklassifizierung IE5. Dieser Motor reduziert im Vergleich zu einer Lösung mit IE3-Motor den Energieverbrauch um 10 Prozent und verkürzt die Amortisationszeit um 25 Prozent. Durch verschiedene Funktionsmodule (Basis-, Standard- und erweiterte Module) kann der Betreiber passend zur jeweiligen Anwendung eine Vielzahl integrierter Pumpenfunktionen nutzen.

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PRODUKTE

DIMATEC Ihr TOC/TNb-Spezialist Filtereinheiten und Bottle-Top-Filter mit höchsten Durchflussraten

Von aussen betrachtet gleichen sich alle Filtereinheiten und BottleTop-Filter. Wenn ein Blick unter die Membran selbst geworfen wird, werden die Unterschiede offenkundig. Unterschiede, die die Leistung der Filtereinheiten sowie die damit verbundene Arbeit stark beeinflussen. Die bei Semadeni erhältlichen Nalgene Rapid-Flow-Filtereinheiten und Bottle-Top-Filter zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften in Bezug auf die Durchflussrate und der Sicherheit gegenüber Kontaminationen aus. Durch ein neuartiges Membranen-Stützsystem, welches einen einheitlichen, gleichbleibenden Abstand zu den Kontaktstellen der Membran garantiert, werden Turbulenzen beim Abfluss verringert. Dies führt zu optimalen Durchflussraten, was eine deutliche

Steigerung der Effizienz gegenüber anderen vergleichbaren Systemen zur Folge hat. Durch die umfassende Auswahl an Membran-Typen, -Durchmessern (50–90 mm) und -Grössen (50– 1000 ml), lässt sich für praktisch jede wässrige Lösung eine passende Filtereinheit bzw. Bottle-Top-Filter finden. Als Ergänzung ist unter www.semadeni.com/rapid-flow-vorteil ein interessantes Video zu finden. Ein weiterer Vorteil dieser Filtrationsgeräte ist die praktische Form. Dazu gehören der Schraubverschluss mit 1½-Umdrehungen, konische Seiten und Griffmulden für leichtere Handhabung der Filtereinheiten und Filtratflaschen. Der breite Boden für verbesserte Standfestigkeit auf der Arbeitsfläche rundet das ergonomische Design ab. Das umfangreiches Standardsortiment ist im kostenlosen Katalog oder online unter www.semadeni. com/webshop zu finden

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PRODUKTE

Spritzenpumpe

Die Spetec GmbH bietet Ihnen mit der Symax-Spritzenpumpe eine Pumpe zur Dosierung von Flüssigkeiten im Micro- bzw. Nanoliterbereich. Kernelemente der Pumpe sind der Schrittmotorantrieb, Präzisionsschlitten sowie die austauschbare Spritze. Der Schrittmotor ist direkt – ohne Übersetzung – starr mit der Antriebsspindel verbunden, wodurch das mechanische Spiel zwischen Antrieb und Spritze auf ein Minimum reduziert wird. Dadurch besteht eine direkte Relation zwischen Impulsgebung und Förderung der Flüssigkeit. Durch die hohe Auflösung von 25 600 Schritten pro Umdrehung sind Einzelschritte im Bewegungsablauf praktisch nicht mehr wahrnehmbar.

Raumdrucküberwachung Als Spritze können einfache Spritzen sowie metallfreie Präzisionsspritzen verwendet werden. Ein Förderbereich ist je nach Grösse und Durchmesser der verwendeten Spritze von 0,5 nl bis 44 ml pro Minute möglich. Die Pumpe kann sowohl autark mit Fussschalter sowie systemeingebunden betrieben werden. Zur Ausstattung: – frei wählbare Spritzen durch Universalhalter – erweiterbar bis zu 6 Kanäle – getriebeloser Schrittmotorantrieb – gesteuert über PC-Software – automatischer Füllzyklus (Umschalten über gesteuertes 3-Wege-Ventil) – mehrere Pumpen einzeln adressierbar.

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Das SRIM1 ist Setras neuer Standard für die Raumdrucküberwachung. Das Gerät misst den Diffferenzdruck in kritischen Anwendungen. Es ist eine ideale Lösung für alle, die eine kostengünstige lokale Überwachung und Alarmierung des Raumdrucks benötigen. Die Messbereiche reichen von 12 bis 2500 Pa. Das Gerät verfügt über ein zweizeiliges LCDDisplay mit einfacher Menüführung und konfigurierbarem visuell/akustischem Alarm. Weiter verfügt es über eine feldwählbare Signalausgabe von 4–20 mA, 0–5 V oder 0–10 V und verwendet ein abnehmbares Faceplate-Design, das es dem Benutzer ermöglicht, das Gerät vollständig zu kalibrieren, ohne den Druckanschluss oder die Verdrahtung zu entfernen.

Die Variante SRIMV ist ein Multifunktionsgerät, welches die Strömungsgeschwindigkeit überwacht und gleichzeitig dem Anwender die Möglichkeit bietet, den Durchfluss, den Differenzdruck, die Temperatur und die Feuchtigkeit zu messen und anzuzeigen. Das Gerät bietet drei Geschwindigkeitsbereiche sowie drei Druckbereiche. Es verfügt über eine dreifarbige hintergrundbeleuchtete Anzeige mit einfacher Menüführung und akustisch/visueller Alarmfunktion für Geschwindigkeit, Durchfluss, Temperatur, Feuchtigkeit und einen Kontakt für die Türüberwachung. Die Geschwindigkeits- und Durchflussmessungen basieren auf dem Differenzdruck und erfordern die Verwendung eines Einpunkt-Pitotrohrs oder einer Flow-Mittelungssonde.

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3C-Management – Integrierte Qualifizierung bei Pharmaprojekten Der GMP-Dienstleister gempex hat gemeinsam mit Drees & Sommer ein integriertes Management in Bezug auf Construction (Bau), Commissioning (Inbetriebnahme) und Compliance (Regelkonformität) entwickelt – kurz 3C-Management. Die Experten von gempex und Drees & Sommer sichern mit ihrem Know-how die ganzheitliche Abwicklung von Neu- und Umbauprojekten in der Life Sciences-Industrie in allen Planungs- und Realisierungsabschnitten. Bereits in der sehr frühen Planungsphase werden neben ingenieurtechnischen Aktivitäten auch die GMP-relevanten Aufgaben berücksichtigt. Technische Standardprüfungen können dann in die Qualifizierungen integriert werden – das spart Zeit und Geld. Durch das gute Zusammen-

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spiel von Technik und GMP lassen sich Produkte zügig und GMP-konform am Markt platzieren. Weitere Vorteile für die Kunden: – Projektsteuerung, die die Sprache der Branche spricht – umfassende Zeit-, Kostenund Qualitätskontrolle – Entlastung von Bauherr und Qualitätseinheit – richtige und rechtzeitige Einbindung der Gewerke – auch mit Blick auf die Qualifizierung – sichergestellte regulatorische (GMP)-Compliance. gempex GmbH Unterdorfstrasse 1 CH-4334 Sisseln Telefon +41 (0)62 869 90 20 info@gempex.ch www.gempex.ch

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