ChemieXtra 10/2020 by SIGWERB GmbH

10 / 2020

Oktober 2020

Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

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Die zwei Gesichter von Kohlendioxid Das System Erde ist permanent dabei, im Gleichgewicht zu bleiben. Durch viele Einflüsse wird dies immer wieder gestört und die Natur versucht ständig auszugleichen.

30% geschenkt. Und ...

Oft kommt es zu grossen Störungen, bei denen viel Zeit vergeht, bis alles wieder im Lot ist. Einer der Stoffe, der in der Erdgeschichte für Probleme sorgt, ist Kohlendioxid. Das rührt daher, dass das terrestrische Leben auf dem Atom Kohlenstoff beruht und dessen Oxidationsprodukt eben das Gift CO2 ist. Die Menschheit produziert immense Tonnagen dieses Stoffes. Ob daraus nun ein Klimawandel resultiert, ist hier nicht von Relevanz: Unbestritten dagegen ist, dass auch hier wieder Gleichgewicht herrschen muss. Auch die chemische Industrie ist drauf und dran, das Problem anzugehen: Wie schafft man es, diesen unumgehbaren Stoff zum Verschwinden zu bringen oder gar zu nutzen? Unser Autor Kurt Hermann hat eine kleine Geschichte des CO2 zusammengestellt, deren dritter und letzter Teil nochmals Licht ins Dunkel bringen soll. Neben den Auswirkungen aufs Klima tritt die Massentierhaltung mit der industriellen Fleischproduktion in den Fokus der Kritik. Da die Menschheit nicht einfach auf Fleischkonsum verzichtet, müssen andere Lösungen gesucht werden. Eine der Methoden ist die Zucht von reinem Fleisch, ohne Tiere töten zu müssen – quasi Fleisch aus der Retorte. Ein Forscherteam aus Reutlingen (D) versucht, aus gezüchteten Tierzellen mittels eins 3-D-Druckers Kunstfleisch zu schaffen. Ebenfalls im Zentrum der Menschheit ist deren Energieverbrauch. Die Kontinente verbrauchen unterschiedliche Mengen und dabei spielt wiederum das CO2 eine zentrale Rolle. Transport und Lagerung von Energie ist dabei massgebend. Im Bereich der Energielagerung geht die Forschung um die gute alte Batterie in die nächste Runde: Gesucht werden Alternativen zu dieser Speicherform. Auch dem Boden geht es nicht gut. Bei der Erosion wird er durch Wind und vor allem durch Wasser abgetragen. Eine intensive Bewirtschaftung von Agrarflächen und erosionsfördernde Methoden in der Landwirtschaft beschleunigen den Verlust des Bodens ebenso wie Abholzung und Überweidung. Hinzu kommt, dass wegen

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EDITORIAL

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des Klimawandels in Teilen der Welt mit zunehmenden Niederschlägen zu rechnen ist, die den Boden verstärkt wegspülen. Die Forschung versucht mit viel Energie, dem entgegenzuwirken. Auch mit dieser Nummer der ChemieXtra wünschen wir Ihnen alles Gute und ein bisschen mehr Zuversicht in Zeiten von Covid-19. Viel Vergnügen beim Lesen.

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Alexander Jegge a.jegge@sigwerb.com 10/2020

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

FOKUS

Synthetische Treibstoffe aus Kohlendioxid

In zahlreichen Projekten wird nach Wegen gesucht, wie die Umwandlung von Kohlendioxid in verschiedene Treibstoffe gelingen kann. Einige interessante Beispiele geben einen kleinen Einblick in diese Bemühungen.

Wenn lange Verkanntes nützlich wird

MEDIZIN Prophylaxe von Migräneanfällen

CHEMIE Struktur eines rätselhaften Katalysators

In einer Studie untersuchten Forschende die Wirksamkeit von Ingwerextrakt als vorbeugende Massnahme gegen Mi gräneanfällen.

25 14

LABOR

ERNÄHRUNG Fleisch aus dem 3-D-Drucker

BIOWISSENSCHAFTEN Mechanismus ist aufgeklärt

Forschenden des Paul-Scherrer-Instituts PSI ist es erstmals gelungen, eine lichtgetriebene Natriumpumpe von Bakterien zellen in Aktion aufzunehmen. Die Erkenntnisse versprechen Fortschritte bei der Entwicklung neuer Methoden in der Neurobiologie.

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

Erscheinungsweise 10 × jährlich

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NEWS

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Copyright Zur Veröffentlichung angenommene Originalartikel gehen in das ausschliessliche Verlagsrecht der SIGWERB GmbH über. Nachdruck, fotomechanische Vervielfältigung, Einspeicherung in Datenverarbeitungsanlagen und Wiedergabe durch elektronische Medien, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Verlags. Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung übernommen.

Geschäftsleiter Andreas A. Keller

Redaktionelle Mitarbeit Dr. Kurt Hermann

Jahrgang 10. Jahrgang (2020) Druckauflage 10 900 Exemplare WEMF / SW-Beglaubigung 2019 10 005 Exemplare Total verbreitete Auflage 2 280 Exemplare davon verkauft

10/2020

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

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VERANSTALTUNGEN

UMWELT Forschende errechnen düstere Szenarien

TERMINE 41

FIRMEN BERICHTEN

VERFAHRENSTECHNIK Brot aus Mehlwürmern

Kleines Paket mit grosser Wirkung

Das Unternehmen Shimadzu hat ein neues System für die Ionenchromatographie entwickelt.

WERKSTOFFE Membran separiert organische Moleküle

PUBLIREPORTAGE Chancen in der Logistik

Eine neuartige Membran trennt kleinste Farbstoffpartikel oder Arzneistoffe nicht nur nach Grösse, sondern auch nach ihrer elektrischen Ladung.

VERBANDSSEITEN SCV-Informationen

FORSCHUNGSWELT Gleiche Daten – variable Ergebnisse

PRODUKTE

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10/2020

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Oktober 2020

Von einfach bis komplex

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ZUM TITELBILD

09.09.20 10:25

Bild: Uniper Energy Storage GmbH

FOKUS

Bild 1: Das Herzstück der Demonstrationsanlage zur Produktion von Methan aus Kohlendioxid in Falkenhagen ist der Wabenreaktor.

Vom Klimaschadstoff zum wertvollen Rohstoff (Teil 3)

Synthetische Treibstoffe aus Kohlendioxid Aus Kohlendioxid lassen sich die unterschiedlichsten Treibstoffe herstellen: Methan, Methanol, Benzin, Diesel, Kerosin, um nur die wichtigsten zu nennen. In zahlreichen Projekten wird nach Wegen gesucht, wie die Umwandlung von Kohlendioxid in diese Produkte sowohl nach ökologischen als auch nach ökonomischen Kriterien erfolgreich realisiert werden kann. Einige interessante Beispiele geben einen kleinen Einblick in diese Bemühungen.

Kurt Hermann Eines der bedeutendsten Probleme im Kampf gegen den Klimawandel ist die sinnvolle Verwendung des nachhaltig produzierten elektrischen Stroms: Im Gegensatz zu thermischen, Atom- oder Wasserkraftwerken ist die Energieerzeugung mittels Wind- und Solarenergie nicht kontinuierlich. Dies bedingt, dass ohne geeignete Vorkehren bei der Elektrizitätsproduktion sowohl unerwünschte Überschüsse als auch Defizite auftreten werden. Vielversprechende Verfahren zur Verwendung der Überschüsse bestehen darin, diese in Wasserstoff bzw. durch Reaktion dieses Wasserstoffs mit Kohlendioxid in Methan umzuwandeln. Beide Energieträger lassen sich gut speichern, sie können aber auch in bestehende Verteilnetze eingespeist werden. Und bei Bedarf kann mit ihnen wieder Strom produziert werden. 4

Von Nachteil ist, dass alle diese Verfahren mit relativ hohen Energieverlusten verbunden sind: 60 bis 75 Prozent bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff, 75 bis 83 Prozent bei der Produktion von Methan mittels Wasserstoff. Auch preislich können diese Alternativen mit der direkten Speicherung von Strom – beispielweise in Batterien – (noch) nicht konkurrieren. Laufende Verbesserungen der Verfahren, verbunden mit erhöhten Wirkungsgraden werden die durch Power-to-Gas (PtG) produzierten Gase zu wertvollen Bestandteilen der Energiewende machen. M. Thema et al. haben eine Übersicht über die weltweit 153 in 22 Ländern ab 1988 bis Anfang 2019 beendeten, aktuell betriebenen oder geplanten Projekte veröffentlicht. Schwerpunkt in 57 Prozent der Projekte war die Produktion, Lagerung und Verwendung von Wasserstoff. Die restlichen Projekte betrafen je zur Hälfte mikro-

biologische und chemische Methanisierungen. (Auf die Bildung von Biomethan durch Vergärung von Biomasse [Gülle, Festmist, Lebensmittelabfälle, Energiepflanzen] in Biogasanlagen wird im Folgenden nicht eingegangen.)

Sabatier-Prozess In der Sitzung vom 3. März 1902 der Academie des Sciences in Paris berichteten Paul Sabatier und J.-B. Senderens über «Nouvelles synthèses du méthane». Die beiden französischen Chemiker synthetisierten Methan sowohl aus Kohlenmonoxid als auch aus Kohlendioxid, indem sie die Gase bei 250 bzw. 300 °C zusammen mit Wasserstoff über einen Nickekatalysator leiteten. Wenn Kohlendioxid und Wasserstoff im Molverhältnis 1 zu 4 eingesetzt wurden, entstand neben Methan nur Wasser. Die dabei beschriebenen Reaktionen 10/2020

Bild: Climeworks

Bild: Regio Energie Solothurn

FOKUS

wurden als Sabatier-Reaktion bzw. Sabatier-Prozess bekannt.

CO2 + 4 H2

Kat.

CH4 + 2 H2O

In kommerziellen Anwendungen werden meist Nickel-basierte Katalysatoren bei CO2 + H2 CO + H2O Temperaturen oberhalb 200 °C und Drücken zwischen 5 und 100 bar eingesetzt. Die Reaktion ist stark exotherm. Dadurch n CO + (2n + 1) H2 kann sich die Prozessführung schwierig geC H + n H2O ann 2n+2 stalten. Positiv ist, dass die Abwärme dernorts n COeingesetzt + (2n) H2 werden kann und so die Energiebilanz desCnGesamtprozesses H2n + n H2O verbessert wird.

Store&Go– drei Orte, drei verschiedene Verfahren Im Projekt Store&Go untersuchten zwischen März 2016 und Februar 2020 insgesamt 27 europäische Partner aus sechs Ländern drei Verfahren zur Produktion von Methan (Synthetic Natural Gas, SNG). Dabei wurde Kohlendioxid aus unterschiedlichen Quellen verwendet. Wichtige Angaben zu den Anlagen in den drei Standorten Solothurn, Falkenhagen und Troia sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zu berücksichtigen ist, dass die Anlagen in bestehende Strukturen integriert wurden und damit bezüglich Effizienz noch Optimierungsmöglichkeiten vorhanden sind. Die Demonstrationsanlage in Solothurn wurde beim seit 2015 bestehenden Hybridwerk installiert (Bild 2). Dort wird mit überschüssigem nachhaltig produziertem Strom Fernwärme und Wasserstoff produziert. Ein Teil dieses Wasserstoffs wurde beim Store&Go-Projekt zusammen mit Kohlendioxid aus einer Kläranlage in Me10/2020

Bild 3: Anlage zur Produktion von LNG in Troia (Apulien).

than umgewandelt, das ins Gasnetz eingeleitet wurde. Zentral war dabei die biologische Methanisierung durch Archaeen. Archaeen sind 3,5 Milliarden alte Einzeller, die auch unter härtesten Bedingungen wie beispielsweise in den Schloten von hydrothermalen Quellen am Grund der Tiefsee (Black Smoker) überleben können. In den Anlagen der Regio Energie Solothurn wurden von der Münchner Firma Electrochaea selektiv gezüchtete hoch effiziente Archaeen in salz- und mineralienhaltigem Wasser eingesetzt. Sie wandelten Kohlendioxid (Bild 1) bei lediglich 50 bis 60 °C in beinahe 100 Prozent reines Methan um. Die Demonstrationsanlage in Falkenhagen liegt in der ländlichen Gegend von Prignitz

in Brandenburg. In der Region wird in Windfarmen und photovoltaischen Systemen viel Strom produziert, der über weite Distanzen zu den Verbrauchern transportiert werden muss. Das international tätige Energieunternehmen Uniper Energy Storage GmbH mit Sitz in Düsseldorf betreibt in Falkenhagen eine Wasserstofferzeugungsanlage, die für Store&Go um eine Methanisierungsstufe erweitert wurde, dem Prototyp eines katalytischen Wabenreaktors. Das erzeugte SNG wurde in ein bestehendes Erdgastransportnetz eingespeist. Es bestand zu 99 Volumenprozent aus Methan. Die Methanisierungseinheit hatte eine Effizienz von 85 Prozent. Die Demonstrationsanlage in Troia befindet sich in Apulien in einer Gegend mit

Solothurn

Falkenhagen

Troia

biokatalytisch Rührkesselreaktor

chemisch Wabenreaktor

chemisch Mikrostrukturreaktor

Eingangsstrom H2

120 m3/h

210 m3/h

40 m3/h

H2-Verbrauch

5982 kg

11'027 kg

1382 kg

Kläranlage

Bioethanolproduktion

Umgebungsluft

30 m3/h

52,5 m3/h

10 m3/h

32'364 kg

51'034 kg

7280 kg

Reaktorbetriebsdruck

10 bar

14 bar

3 bar

Reaktorbetriebstemperatur

62 °C

210 °C

290–310 °C

Betriebsstunden

1230

1186

761

Energiegehalt des Methans

173’000 kWh

192’000 kWh

33’000 kWh

Einspeisung/Verflüssigung

Einspeisung in städtisches Verteilnetz (4 bar)

Einspeisung in Transportleitung (> 45 bar)

Verflüssigung

Methanisierungstechnologie

CO2-Quelle Eingangsstrom CO2 CO2-Verbrauch

Wärmenutzung

Fernwärme

Furnierwerk

CO2-Bereitstellung

> 99,0 Vol.-%

96 Vol.-%

Gemessene PtG-Effizienz

76 %

53 %

29 %

Optimierte PtG-Effizienz

89 %

69 %

46 %

Reinheit des Methans

Quelle: Store &Go, bearbeitet von Kur t Hermann

Bild 2: Store&Go-Anlage auf dem Areal der Regio Energie Solothurn.

Tabelle 1: Wichtige Angaben zu den drei Store&Go-Anlagen sowie Betriebsdaten.

Tabelle 1: Wichtige Angaben zu den drei STORE&GO-Anlagen sowie Betriebsdaten [5] – [8].

FOKUS

Bild: Patrick Langer, KIT

grossen Windenergie- und PhotovoltaikProduktionskapazitäten. Sie besteht aus einer Kohlendioxid-Abscheidungsanlage des Zürcher Start-ups Climeworks, einer Anlage zur Produktion von «grünem» Wasserstoff, einem neuartigen Mikroreaktor zur Methanisierung sowie einer innovativen Verflüssigungsanlage (Bild 3). Bemerkenswert ist, dass mit 99,9 Prozent des eingesetzten Wasserstoffs 99,5 Prozent des abgeschiedenen Kohlendioxids in Methan umgewandelt wurde.

Ohne Fischer-Tropsch geht fast nichts Wenn aus Kohlendioxid flüssige synthetische Treibstoffe entstehen sollen, dann werden Fischer-Tropsch-Synthesen (FTSynthesen) sowie das anschliessende Hydrocracken und Aufarbeiten der Produkte meist wichtige Bestandteile der Prozesse sein. Dazu muss allerdings zuerst Kohlendioxid mittels Wasserstoff in einer RetroWassergas-Shift-Reaktion in Kohlenmonoxid umgewandelt werden:

CO2 + H 2

CO + H2O

Die Abläufe der FT-Synthesen sind derart komplex, dass hier nur sehr vereinfacht darauf eingegangen werden kann: Zusammen mit Wasserstoff bildet Kohlenmonoxid das Synthesegas, aus den je nach Reaktionsbedingung und Katalysator – am CO2 + 4 H2 Kat. CH + 2 H O häufigsten eisen-, cobalt-, 4 nickel-2 oder rutheniumbasiert – unterschiedliche Gemische von Alkanen und Alkenen mit unterschiedlichen CO2 + H2 Kettenlängen CO +sowie H2Oweitere Produkte gebildet werden.

Bild 4: Alle vier Stufen vom Abscheiden des Kohlendioxids bis zum fertigen Treibstoff sind in der Containeranlage beim KIT integriert.

bifunktionellen heterogenen Katalysatoren zu Alkanen reduziert, die wiederum zusammen mit den bereits vorhandenen langkettigen Alkanen in möglichst grosser Ausbeute zu den gewünschten Alkanfraktionen aufgespaltet werden.

Treibstoffe aus Strom, Kohlendioxid und Wasser Synthetische flüssige Treibstoffe werden wohl fast ausschliesslich in Transportbe-

reichen eine Rolle spielen, wo Elektrooder Brennstoffzellenantriebe aus Platzgründen nicht sinnvoll sind, also im Flug-, Schwerlast- und Schiffsverkehr. Dennoch wurden und werden in vielen Projekten Wege zu ökologisch produzierten synthetischen Treibstoffen wie Benzin, Diesel und Kerosin gesucht, die auch aus ökonomischer Sicht vertretbar sind. (Synthetisches Kerosin wird konventionellem Kerosin bereits seit längerer Zeit beigemischt. Vorausgesetzt wird, dass es die

n CO + (2n) H2

CnH2n + n H2O

Hochtemperatur-FT-Synthesen werden bei 300 bis 350 °C durchgeführt. Alkene (C 2 bis C 30) sind die Hauptprodukte. Bei Niedertemperatur-F T-Synthesen (200 bis 250 °C, Eisen- und Cobaltkatalysatoren) entstehen bevorzugt Alkane (C1 bis C120). Durch Hydrocracken werden langkettige Alkene in einer Wasserstoffatmosphäre an 6

Bild: J.-F. Drillet, Dechema-Forschungsinstitut

n CO + (2n + 1) H2 CnH2n+2 + n H2O

Bild 5: Funktionsprinzip einer Hochtemperatur-co-Elektrolyse von Wasser und Kohlenstoff zu Synthesegas (H 2 /CO).

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Mit der Kraft der Solarstrahlung Sonnenenergie steht im Zentrum einer Technologie von Synhelion, einem 2016 aus der ETH hervorgegangenem Start-up. In Móstoles, einer Vorstadt von Madrid, leiten 169 kleinen Heliostaten (1,9 m × 10/2020

Bild 6: Ein Teil von Sun-to-Liquid: solarthermochemische Anlage bei Imdea Energy Institute Móstoles, Madrid.

Bild: Synhelion

Anforderungen von ASTM D7566 erfüllt.) Ein Beispiel ist das Kopernikus-Projekt Power-to-X (PtX) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wo seit August letzten Jahres täglich rund zehn Liter Treibstoff produziert wird. In einer kompakten Containeranlage (Bild 4) werden erstmals die vier chemischen Prozessschritte vom Kohlendioxid zum Treibstoff mit aneinandergekoppelten Anlagen von vier Partnern vereint: 1) In der Anlage des Zürcher Start-ups Climeworks wird reines Kohlendioxid aus der Umgebungsluft gewonnen. 2) In einer Hochtemperatur-Co-Elektro lyseanlage von Sunfire wird in einem einzigen Prozess Synthesegas, also Wasserstoff aus Wasser sowie Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid, gewonnen. Jean-François Drillet vom Dechema-Forschungsinstitut hat das Funktionsprinzip der Co-Elek trolyse schematisch in Bild 5 dargestellt. 3) Die anschliessende Fischer-Tropsch-Synthese erfolgt in einem mikrostrukturierten Reaktor von Ineratec, einem Spin-off des KIT. Dieser hat eine grosse Oberfläche, von der die Prozesswärme abgeleitet und in anderen Bereichen der Alkansynthesen eingesetzt werden kann. 4) In der vom KIT entwickelten Hydro crack anlage werden aus den FischerTropsch-Produkten schliesslich unter Verwendung eines Platin-Zeolith-Katalysators die Alkanfraktionen produziert, die in Benzin, Diesel und Kerosin enthalten sind, so die Antwort auf eine Anfrage. In Planung ist eine Anlage mit einer Tagesproduktion von 200 Litern nach dem oben beschriebenen Verfahren, in der dann je nach Wunsch Benzin, Diesel oder Kerosin produziert wird. Vorläufiges Endziel ist eine vorindustrielle Demonstrationsanlage mit einer Tagesproduktionskapazität von 1500 bis 2000 Litern Treibstoff, in dem 60 Prozent des eingesetzten Ökostroms als chemische Energie gespeichert ist. Das Karlsruhe-Projekt wird in einem sehenswerten YouTube-Film anschaulich erklärt.

Bild: Christophe Ramage, Ar ttic 2019

FOKUS

Bild 7: Chemische Verfahrensschritte im Reaktor von Synhelion.

1,6 m) die Solarstrahlung zu einem Solarreaktor auf einem Turm (Bild 6), in dem Kohlendioxid und Wasser in hochwertiges Synthesegas produziert wird. Dieses wird mittels der vorstehend beschriebenen Methoden (FT-Synthese/Hydrocracken) in Kerosin umgewandelt. Die Anlage ist Teil des 2016 gestarteten und 2019 beendeten Projekts Sun-to-Liquid, das mit Mitteln aus der EU und der Schweiz finanziert wurde. Die im Reaktor bei Temperaturen bis 1500 °C stattfindenden Redoxreaktionen sind in Bild 7 zusammengefasst: Der Ka talysator – er besteht aus einer Schaumkeramik von Cerdioxid – wird der kon zentrierten Solarstrahlung in einem

Hohlraumempfänger direkt ausgesetzt und teilweise reduziert (Bildung von Sauerstoff). Durch Reaktion mit Wasser (Bildung von Wasserstoff) sowie Kohlendioxid (Bildung von Kohlenmonoxid) werden die Fehlstellen im Cerdioxid wieder mit Sauerstoff besetzt. Dank eines Speichers für überschüssige Energie konnte die Anlage kontinuierlich über 24 Stunden pro Tag betrieben werden.

Literatur Quellen sowie weiterführende Literatur zum Thema können bei der Redaktion unter redaktion@sigwerb.com angefordert werden. 7

FOKUS

Ohne Kohlenstoffträger

Berner Brennstoffzellen leben länger

Mit dem Verfahren kann die Wasserstoff-Brennstoffzelle weiter für den Einsatz im Strassenverkehr optimiert werden.

menarbeit des DCB unter anderen mit der Universität Kopenhagen und dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, bei der auch die Infrastruktur der Swiss Light Source (SLS) am Paul-Scherrer-Institut zum Einsatz kam.

Bild: Gustav Sievers

Brennstoffzellen gewinnen als Alternative zur batteriebetriebenen Elektromobilität im Schwerverkehr an Bedeutung, insbesondere da Wasserstoff ein CO2 -neutraler Energieträger ist, wenn er aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird. Für eine effiziente Arbeitsweise benötigen Brennstoffzellen einen Elektrokatalysator, der die elektrochemische Reaktion, bei der der Strom erzeugt wird, verbessert. Die heute standardmässig dafür eingesetzten Katalysatoren aus Platin-Kobalt-Nanopartikeln besitzen gute katalytische Eigenschaften und benötigen nur so wenig wie nötig an seltenem und teurem Platin. Damit der Katalysator in der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, muss er über eine Oberfläche mit sehr kleinen Platin-Kobalt-Partikeln im Nanometer-Bereich verfügen, die auf ein leitfähiges Trägermaterial aus Kohlenstoff aufgetragen wird. Da die kleinen Partikel und auch der Kohlenstoff in der Brennstoffzelle Korrosion ausgesetzt sind, verliert die Zelle mit der Zeit an Effizienz und Stabilität. Einem internationalen Team unter Leitung von Professor Matthias Arenz vom Departement für Chemie und Biochemie (DCB) der Universität Bern ist es nun gelungen, mittels eines speziellen Verfahrens einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der im Gegensatz zu bestehenden Katalysatoren aus einem dünnen Metallnetzwerk besteht und dadurch langlebiger ist. «Der von uns entwickelte Katalysator erreicht eine grosse Leistungsfähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Stromdichte», sagt Matthias Arenz. Die Resultate wurden im Fachjournal «Nature Materials» publiziert. Die Studie ist eine internationale Zusam-

Bild: Adobe Stock

Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Bern ist es gelungen, einen Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen zu entwickeln, der im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren ohne Kohlenstoffträger auskommt und dadurch deutlich stabiler ist. Das neue Verfahren ist industriell anwendbar und kann zur weiteren Optimierung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen ohne CO2 -Ausstoss genutzt werden.

Direkte Stromgewinnung ohne Verbrennung In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle werden Wasserstoff-Atome aufgespalten, um daraus direkt elektrischen Strom zu erzeugen. Dafür wird Wasserstoff einer Elektrode zugeführt, wo er in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen aufgespalten wird. Die Elektronen fliessen über die Elektrode ab und erzeugen aus serhalb der Zelle elektrischen Strom, der beispielsweise einen Fahrzeugmotor an-

Der neue Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen besteht aus einem dünnen Platin-Kobaltlegierungsnetzwerk und kommt im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren ohne Kohlenstoffträger aus.

treibt. Die Protonen durchqueren eine Membran, die nur für Protonen durchlässig ist, und reagieren auf der anderen Seite an einer zweiten, mit einem Katalysator (hier 10/2020

FOKUS

Bild: zvg/mit freundlicher Genehmigung von M. Arenz

aus einem Platin-Kobaltlegierungsnetzwerk) beschichteten, Elektrode mit Sauerstoff aus der Luft, wodurch Wasserdampf erzeugt wird. Dieser wird über den «Auspuff» abgeführt.

Die wichtige Rolle des Elektrokatalysators

Technologie ist industriell einsetzbar Die Idee konnten die Forschenden dank eines speziellen Verfahrens, der Kathodenzerstäubung («Sputtern») in die Tat umsetzen. Bei dieser Methode werden einzelne Atome eines Materials (hier Platin bzw. Kobalt) durch Beschuss mit Ionen herausgelöst (zerstäubt). Die herausgelösten gasförmigen Atome kondensieren anschlies send als haftende Schicht. «Mit dem speziellen Sputterverfahren und anschlies sender Behandlung kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine grosse Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist. Ein Kohlenstoffträger ist somit überflüssig», so Dr. 10/2020

Prof. Dr. Matthias Arenz vom Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern.

Gustav Sievers, Studien-Erstautor vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie. «Diese Technologie ist industriell skalierbar und kann somit auch für grössere Produktionsvolumen beispielweise in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden», sagt Matthias Arenz. Mit dem Verfahren kann die Wasserstoff-Brennstoffzelle weiter für den Einsatz im Strassenverkehr optimiert werden. «Unsere Erkenntnisse sind somit von Bedeutung für die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitätssektor für den Schwerverkehr», sagt Arenz. Die Studie wurde unter anderem finanziert durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF), das Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Danish National Research Foundation Center für High-Entropy Alloy Catalysis. Originalpublikation Gustav W. Sievers et al., «Self-supported Pt-CoO networks combining high specific activity with high surface area for oxygen reduction», Nature Materials (2020), https://doi.org/10.1038/s41563-020-0775-8 Kontakt Prof. Dr. Matthias Arenz Universität Bern Hochschulstrasse 6 CH-3012 Bern +41 31 631 53 84 matthias.arenz@dcb.unibe.ch www.unibe.ch

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Damit die Brennstoffzelle Strom produziert, müssen beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein. Ohne Katalysator würden die chemischen Reaktionen nur sehr langsam ablaufen. Dies gilt insbesondere für die zweite, die Sauerstoffelektrode. Doch die Platin-Kobalt-Nanopartikel des Katalysators können beim Betrieb in einem Fahrzeug «zusammenschmelzen». Dies verringert die Oberfläche des Katalysators und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle. Zudem kann der Kohlenstoff, der üblicherweise verwendet wird, um den Katalysator zu befestigen, beim Einsatz im Strassenverkehr korrodieren. Dies beeinträchtigt die Lebensdauer der Brennstoffzelle und somit des Fahrzeugs. «Unsere Motivation war es daher, einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der dennoch leistungsfähig ist», erklärt Matthias Arenz. Vorherige, ähnliche Katalysatoren ohne Trägermaterial verfügten bisher immer nur über eine reduzierte Oberfläche. Weil die Grösse der Oberfläche entscheidend ist für die Aktivität des Katalysators und somit seine Leistungsfähigkeit, waren diese für den industriellen Einsatz weniger geeignet.

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FOKUS

Natrium, Aluminium oder doch eher Magnesium?

Die Suche nach der alternativen Batterie Der Bedarf an Batteriespeichern für erneuerbare Energien wird in Zukunft massiv steigen. Könnten wir neben den bekannten Lithium-Ionen-Batterien auch umweltfreundlichere Modelle bauen, um wertvolle Ressourcen zu sparen?

Die Weltwirtschaft verlangt nach immer mehr Lithium-Ionen-Batterien. Elektroautos sind darauf angewiesen, ebenso Laptops, Smartphones und elektrische Werkzeuge für den Baubereich und den Heimwerkersektor. Bald wird ein weiterer Bereich hinzukommen, der im grossen Stil auﬂadbare Batterien benötigt: die Speicherung von erneuerbaren Energien, die nicht direkt genutzt werden können. Die wachsenden Mengen an temporär verfügbarem Ökostrom können nicht mehr allein in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert werden – das lässt schon das überlastete Stromnetz kaum noch zu. In vielen Weltregionen sind Pumpspeicherkraftwerke aus Mangel an Wasser und geeigneten Gebirgsformationen ohnehin nicht machbar. Der Bedarf an preisgünstigen, ortsfesten Speicherbatterien wird also kräftig steigen. Sie sollten zudem möglichst aus umweltfreundlichen Materialien gebaut sein, um die Weltvorräte an Lithium, Kobalt und anderen teuren Metallen nicht noch weiter zu belasten. Die Empa- und ETH Zürich-Forscher Kostiantyn Kravchyk und Maksym Kovalenko haben sich mögliche Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku genauer angeschaut. Sie haben Dutzende Veröffentlichungen von Forschungsgruppen aus aller Welt studiert und systematisch eigene Versuche angestellt. Ihre Einschätzungen wurden Anfang des Jahres u.a. im Fachblatt «New Journal of Chemistry» veröffentlicht. Eine der einfachsten Ideen wäre es, Lithium durch Natrium zu ersetzen. Es ist alles andere als rar: Natriumchlorid ﬁndet sich im Meerwasser und ist überall auf der

¹ Empa, Dübendorf

Grafik: Empa

Rainer Klose ¹

Links: das Schaukelstuhlprinzip eines Lithium-Ionen-Akkus. Rechts: das Prinzip einer Aluminium- Graphit-Batterie.

Welt zugänglich. Doch damit hören die Vorteile schnell einmal auf. Weil ein Natrium-Ion rund 50 Prozent grösser ist als ein Lithium-Ion sind die Materialien an der Kathode elektrochemisch weniger stabil. So hält etwa Natrium-Kobaltoxid (das dem Lithium-Kobaltoxid in einem handelsüblichen Lithium-Ionen-Akku entspricht) sehr viel weniger Ladezyklen aus. Damit wäre der Kostenvorteil dahin. Auch auf der Gegenseite der Batterie, beim Anodenmaterial gibt es Probleme. Graphit (wie beim Lithium-Ionen-Akku) ist für Natrium-Batterien unbrauchbar, denn es speichert zu wenige Natrium-Ionen. Versuche mit preisgünstigem Zinn, Antimon oder Phosphor ergaben zwar gute Ergebnisse beim Speichern von elektrischen Ladungen, doch beim Auﬂaden bläht sich die Anode auf das Dreifache ihres ursprünglichen Volumens auf. Das beeinträchtigt die mechanische Stabilität: Bei Erschütterungen kann das geblähte Material leicht zerfallen, die Batterie wäre kaputt. Bei Phosphor-Ano-

den gibt es ein noch gravierenderes Problem: Beim Auﬂaden entsteht in der Anode Natriumphosphid (Na3P7), das zusammen mit Wasser Monophosphan ergibt, ein hochgiftiges Gas, das zu Atemstillstand führt. Auf die gleiche Weise wirken auch Metallphosphide, die als Rattengift eingesetzt werden. Kaum jemand dürfte eine solche Batterie, vollgeladen mit Solarstrom, in seinem Keller haben wollen.

Wie wärs mit Magnesium? Auf Natrium folgt im chemischen Periodensystem Magnesium. Es ist ein kleines, leichtes Atom und kann zwei Elektronen auf einmal übertragen. Magnesium ist günstig und ungiftig. Könnte man daraus Batterien bauen? Auf der Anoden-Seite der Batterie bringt Magnesium in der Tat Vorteile: Man braucht kein Graphit (wie bei Lithium-Ionen-Batterien), sondern kann metallisches Magnesium direkt als Anode einsetzen. Doch das kleine, zwei10/2020

Bild: Empa

FOKUS

Kostiantyn Kravchyk erklärt die Chemie einer Aluminium-Graphit-Batterie: Bei gut geeignetem Graphit sehen die Kanten aus wie der Rand eines Papierstapels. Die Aluminiumchlorid-Ionen können dort gut eindringen. Bei schlecht geeignetem Graphit sind die Kanten zerknüllt.

fach geladene Magnesium-Ion bringt Nachteile auf der Kathoden-Seite mit sich. Die hohe elektrische Ladung auf kleinem Durchmesser führt zu hohen elektrischen Anziehungskräften. So schlüpft das Ion nur mit hohem Kraftaufwand in ein Gitter aus Kobaltoxid, und wenn es dort steckt, ist es nur noch schwer wieder herauszuholen. Wer es mit Gewalt versucht – also mit höheren Spannungen – läuft Gefahr, Oxidations- und Reduktionsprozesse in den chemischen Bestandteilen der Batterie auszulösen und sie damit zu zerstören. Solche Batterien sind also nicht schnell ladefähig und nur in einem kleinen Spannungsbereich nutzbar, wenn sie lange halten sollen. Sie sind auch sehr ineffizient, denn durch ihre widerspenstige Chemie brauchen sie besonders hohe Ladeströme.

Aluminium-Graphit-Batterien Geht man im Periodensystem vom Ma gnesium noch einen Schritt weiter nach rechts, landet man bei Aluminium. Auch dieses Metall ist in grossen Mengen verfügbar und deshalb günstig. Es kann drei Elektronen übertragen. Ähnlich wie bei der Magnesium-Batterie ist die Anode leicht zu bauen; ein Aluminium-Blech genügt. Doch der Rest einer Aluminium-Batterie funktioniert grundlegend anders als eine Lithium-Ionen-Batterie: Bei Lithium-Ionen-Akkus spricht man vom Schaukelstuhl-Prinzip (engl. «rocking chair princi ple»). Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode, 10/2020

beim Laden wandern sie zurück. Bei einer Aluminium-Graphit-Batterie hingegen wandern die Aluminium-Ionen nicht auf direktem Weg zwischen Anode und Kathode hin und her. Vielmehr werden beim Laden Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit von beiden Elektroden «verbraucht» (siehe Grafik): Der Elektrolyt liefert auf der einen Seite Aluminium, das in Form von Metall an der Anode abgeschieden wird. Auf der anderen Seite der Batterie werden der Elektrolytflüssigkeit AlCl4 -Ionen entzogen und in die Graphit-Anode eingelagert. Die verfügbare Menge an Elektrolyt ist also entscheidend für die Kapazität der Batterie. Auf Grund dieses chemischen Funk tionsprinzips wird eine Aluminium-GraphitBatterie immer etwa fünfmal schwerer sein als eine vergleichbare Lithium-IonenBatterie. Zusätzlich ergibt sich ein weiteres Problem: Die Graphit-Kathode bläht sich bei jedem Ladevorgang um mehr als das Doppelte ihres ursprünglichen Volumens auf und schrumpft beim Entladen wieder. Das bedeutet: Auf jeden Fall brauchen solche Batterien flexible Aussenhüllen und Schutzgehäuse mit ausreichend Raum zum «Atmen». Das Aufblähen und Schrumpfen wirkt sich nachteilig auf die Erschütterungsfestigkeit und die Langzeitstabilität aus. Hier sind neue konstruktive Lösungen erforderlich.

Neues Batteriemanagement Eine zusätzliche Herausforderung ist der Lade-Algorithmus für solche Nicht-Lithium-Ionen-Batterien. Die Forschungsgruppe um Kravchyk und Kovalenko fand heraus, dass sich die Leistung einer Aluminium-Graphit-Elektrode durch geschicktes, stufenweises Auﬂaden um bis zu 25 Prozent steigern liess. Eine internationale Forschergruppe aus Taiwan, China, den USA und Deutschland entdeckte, dass solche Elektroden deutlich leistungsfähiger sind, wenn sie auf –10 Grad Celsius abgekühlt werden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass für die chemisch völlig andersartigen Batterien ein völlig neues Batteriemanagement, also neue Sensoren, Ladegeräte und Algorithmen entwickelt werden muss. Noch ist unklar, welche der hier beschriebenen Batterie-Technologien sich durchsetzen wird und in einigen Bereichen die Lithium-Ionen-Akkus ersetzen kann. Die

Forscher betonen in ihrer Analyse auch, dass keine der vorgestellten Technologien bezüglich Energiedichte mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten kann. Sehr wahrscheinlich wird das auch in Zukunft so bleiben. Diese Alternativ-Batterien sind deshalb nur für Anwendungen denkbar, bei denen Elektrizität möglichst preisgünstig gespeichert werden soll und der Fokus auf der umweltfreundlichen Herstellung der Batterien liegt.

Mehr anwendungsnahe Forschung nötig Bis zum Durchbruch alternativer Batterien gibt es für die Forschungsgruppen weltweit also noch viel zu tun. Kostiantyn Krav chyk und Maksym Kovalenko wünschen sich einen ganzheitlicheren Ansatz. «Oft wird in der Forschungswelt mit einem Experiment nur die Machbarkeit einer Idee bewiesen – die Kosten für alle nötigen Bauteile und das voraussichtliche Gesamtgewicht des kompletten Batteriesystems werden dagegen oft vernachlässigt», sagt Kravchyk. Genau diese Parameter seien aber entscheidend für eine mögliche Kommerzialisierung. «Sie sollten daher bei Forschungsarbeiten stärker berücksichtigt werden als bisher.» Trotz ihrer einigermassen ernüchternden Studie wird Kostiantyn Kravchyk auch in Zukunft weiter an alternativen Speicherbatterien forschen. «Systeme mit Graphit als Kathode bleiben weiterhin sehr interessant. Wir konnten bereits zeigen, dass auch das Schwellen und Schrumpfen des Kathodenmaterials ein durchaus überwindbares Problem ist», so Kravchyk weiter. Mit seinen Kolleginnen und Kollegen erforscht er nun «halbfeste» Graphit-Elektroden, die lange halten und zugleich Strom gut übertragen können.

Kontakt Dr. Kostiantyn Kravchyk Empa Ueberlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf +41 58 765 65 44 kostiantyn.kravchyk@empa.ch www.empa.ch

CHEMIE

Methanolsynthese

Struktur eines rätselhaften Katalysators

Methanol ist eine der wichtigsten Basis chemikalien, etwa um Kunststoffe oder Baumaterialien herzustellen. Um den Pro duktionsprozess noch effizienter gestalten zu können, wäre es hilfreich, mehr über den Kupfer-Zinkoxid-Aluminiumoxid-Kata lysator (Cu/ZnO/Al2O3) zu wissen, der bei der Methanolherstellung im Einsatz ist. Bislang war es jedoch nicht möglich, seine Oberfläche unter Reaktionsbedingungen mit strukturaufklärenden Methoden zu un tersuchen. Einem Team der Ruhr-Universi tät Bochum (RUB) und des Max-Planck-In stituts für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) ist es dennoch gelungen, Ein blicke in den Aufbau seines aktiven Zent rums zu gewinnen. Das Team zeigte erstmals, dass die Zink-Komponente des aktiven Zentrums positiv geladen ist und dass der Katalysa tor sogar zwei kupferbasierte aktive Zen tren besitzt. «Über den Zustand der Zink-Komponente am aktiven Zentrum wurde seit Einführung des Katalysators in den 1960er-Jahren kontrovers diskutiert. Aus unseren Erkenntnissen können wir nun zahlreiche Ideen ableiten, wie wir den Katalysator in Zukunft optimieren können», resümiert Prof. Dr. Martin Muhler, Leiter des Lehrstuhls für Technische Chemie an der RUB und Max Planck Fellow am MPI CEC. Er kooperierte für die Arbeiten mit dem Bochumer Forscher Dr. Daniel Lau denschleger und dem Mülheimer Forscher Dr. Holger Ruland.

Methanol nachhaltig herstellen Die Arbeiten waren in das Projekt «Carbon2-Chem» eingebettet, das zum Ziel hat, Hüttengase, die bei der Stahlproduktion anfallen, für die Herstellung von Chemika 12

Bilder: RUB; Marquard

Dank einem optimierten Katalysator konnten sich so manche Reaktionen in der Produktion etablieren. So ist es naheliegend, dass gerade das Verständnis über die Struktur dieser chemischen Verbindung essenziell ist. Mehr Licht ins Dunkel brachten Chemiker im Falle eines Katalysators, der bei der Methanolsynthese seit jeher verwendet wird. Ihre Erkenntnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift «Nature Communications».

Abgase aus der Industrie sinnvoll nutzen ist das Ziel des Projekts «Carbon-2-Chem». Holger Ruland (links), Daniel Laudenschleger (Mitte) und Martin Muhler kooperierten für die Studie.

lien zu nutzen und so den CO2 -Ausstoss zu verringern. Auch für eine nachhaltige Me thanolsynthese könnten Hüttengase als Ausgangsstoff dienen, zusammen mit elek trolytisch hergestelltem Wasserstoff. Im Rahmen von Carbon-2-Chem untersuchte das Forschungsteam zuletzt, wie sich Ver unreinigungen in Hüttengasen, die zum Beispiel in der Kokerei oder dem Hochofen entstehen, auf den Katalysator auswirken. Diese Arbeiten ermöglichten schliesslich auch die Erkenntnisse über den Aufbau des aktiven Zentrums.

Aktives Zentrum für Analyse deaktiviert Die Forscher hatten stickstoffhaltige Sub stanzen – Ammoniak und Amine – als Ver unreinigungen identifiziert, die als Katalysa torgift wirken. Sie deaktivieren den Katalysator, allerdings nicht dauerhaft: Ver schwinden die Verunreinigungen, erholt sich der Katalysator von selbst. Mithilfe ei ner einzigartigen selbst gebauten For schungsapparatur – einer Flussapparatur mit integrierter Hochdruck-Pulseinheit – leiteten die Forscher Ammoniak und Ami

ne über die Katalysatoroberfläche, wo durch sie das aktive Zentrum mit Zink-Komponente zeitweilig deaktivierten. Trotz dieser Deaktivierung der Zink-Kompo nente konnte weiterhin eine andere Reak tion am Katalysator stattfinden: nämlich die Umsetzung von Ethen zu Ethan. Auf diese Weise wiesen die Forscher ein paral lel arbeitendes zweites aktives Zentrum nach, das metallisches Kupfer beinhaltet, aber keine Zink-Komponente besitzt. Da Ammoniak und die Amine an positiv geladene Metallionen auf der Oberfläche gebunden werden, war damit auch klar, dass Zink als Teil des aktiven Zentrums eine positive Ladung trägt. Originalpublikation Daniel Laudenschleger, Holger Ruland, Martin Muhler, «Identifying the nature of the active sites in methanol synthesis over Cu/ ZnO/Al2O3 catalysts», Nature Communica tions (2020); DOI: 10.1038/s41467-02017631-5 Medienmitteilung Ruhr-Universität Bochum www.rub.de 10/2020

CHEMIE

Elektrochemie

Enzyme erobern die klassische Chemie

Biobrennstoffzelle mit Enzym realisiert In Kooperation mit dem Team um Prof. Dr. Wolfgang Lubitz vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion zeigte die Bochumer Gruppe, unter welchen Umständen das dennoch möglich ist. Sie nutzten eine [FeFe]-Hydrogenase aus dem Bakterium Desulfovibrio desulfuricans. Diese ist zwar ein sehr effizienter Katalysator, muss aber in der Brennstoffzelle vor dem Sauerstoff geschützt werden, der an der zweiten Elektrode zum Betrieb benötigt wird. In der vorliegenden Arbeit integrierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die [FeFe]-Hydrogenase erstmals in eine mit Gasdiffusionselektroden betriebene Biobrennstoffzelle. In dieser werden der Wasserstoff und der Sauerstoff durch eine Membran zu den Enzymen geleitet. Das Team bettete das Enzym in eine Matrix aus einem Redoxpolymer ein, welches das Enzym auf der gasdurchlässigen Elektro10/2020

denoberfläche fixiert; gleichzeitig schützt es vor den schädlichen Einflüssen von Sauerstoff und stellt zudem elektrischen Kontakt zwischen Enzym und Elektrode her. Mit diesem Aufbau erreichte die Brennstoffzelle bisher nicht erreichte hohe Stromdichten von 14 Milliampere pro Quadratzentimeter und hohe Leistungsdichten von 5,4 Milliwatt pro Quadratzentimeter.

Biobasiertes Verfahren für die Ammoniakproduktion In der zweiten Arbeit suchten die Bochumer Wissenschaftler gemeinsam mit einer US-amerikanischen Gruppe nach einer bioelektrosynthetischen Alternative für die Ammoniaksynthese. In der chemischen Industrie wird Ammoniak mit dem HaberBosch-Verfahren bei hoher Temperatur und hohem Druck und mit einer erheblichen CO2 -Freisetzung hergestellt. Manche Bakterien besitzen Nitrogenasen, mit denen sie molekularen Stickstoff (N2) fixieren und bei Raumtemperatur und ohne erhöhten Druck verstoffwechseln können. In lebenden Organismen verbraucht das jedoch viel Energie in Form der Energiespeichermoleküle Adenosintriphosphat (ATP). Das Team zeigte, dass es möglich ist, die Nitrogenase aus dem Bakterium Azotobacter vinelandii mit einer Elektrode zu koppeln, über die die erforderlichen Elektronen für die Reaktion zugeliefert werden können, so dass kein ATP benötigt wird. Schlüssel zum Erfolg war einmal mehr ein Redoxpolymer, mit dessen Hilfe ein stabiler und effizienter elektrischer Kontakt zwischen der Elektrode und dem NitrogenaseRedoxpolymer-Verbund herstellt werden konnte. «Unseres Wissens sind die

Auch das Team vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie arbeitet an der Entwicklung neuer Katalysatoren.

Fixierung und Kontaktierung von Nitrogenasen in Redoxpolymeren der erste Schritt, um Nitrogenasen für die Bioelektrosynthese anwendbar zu machen», schreiben die Autorinnen und Autoren der Studie.

Medienmitteilung Ruhr-Universität Bochum www.ruhr-uni-bochum.de TOSOH_Ins_58x90_4c_Layout 1 20.12.12 07:47 Seite

DISCOVER NEW SOLUTIONS FOR LIQUID CHROMATOGRAPHY

Viele natürliche Enzyme sind leistungsfähige Katalysatoren, etwa die [FeFe]-Hydrogenasen, mit deren Hilfe Bakterien Wasserstoff produzieren, oder Nitrogenasen, denen es gelingt, die stärkste Bindung in der Natur im Stickstoff zu aktivieren. Beide Enzyme sind hochempfindlich gegenüber Sauerstoff, nutzen aber gut verfügbare Nichtedelmetalle in ihren aktiven Zentren. So könnten sie eines Tages teure Edelmetallkatalysatoren ersetzen. «Solche hochempfindlichen Katalysatoren für Biobrennstoffzellen zu nutzen ist nach wie vor eine der grössten Herausforderungen bei der nachhaltigen Energieumwandlung», sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Leiter des RUB-Zentrums für Elektrochemie.

Bild: RUB, Marquard

Neue Techniken, mit denen sich bakterielle Enzyme effizient an Elektroden koppeln lassen, haben Chemiker der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entwickelt. Zusammen mit einem Team von der University of Utah realisierten sie basierend auf einem Nitrogenase-Enzym ein System für die Ammoniaksynthese. Ausserdem konzipierten sie aufbauend auf einem Hydrogenase-Enzym, gemeinsam mit einem Team des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion, eine Wasserstoff-Sauerstoff-Biobrennstoffzelle.

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BIOWISSENSCHAFTEN

Lichtgetriebene Natriumpumpe

Mechanismus ist aufgeklärt Forschenden des Paul-Scherrer-Instituts PSI ist es erstmals gelungen, eine lichtgetriebene Natriumpumpe von Bakterienzellen in Aktion aufzunehmen. Die Erkenntnisse versprechen Fortschritte bei der Entwicklung neuer Methoden in der Neurobiologie. Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden den neuen Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachmagazin «Nature».

Natrium, das auch in handelsüblichem Kochsalz enthalten ist, spielt eine wesent liche Rolle für Lebensvorgänge der meis ten Zellen. So bauen viele Zellen ein Kon zentrationsgefälle zwischen ihrem Inneren und der äusseren Umgebung auf. Dazu transportieren spezielle Pumpen in der Zellmembran Natrium aus der Zelle he raus. Mithilfe eines solchen Konzentrati onsgefälles nehmen beispielsweise Zellen des Dünndarms oder der Niere bestimmte Zucker auf. Auch in den Membranen von Bakterien finden sich solche Natriumpumpen. Sie zählen zur Familie der sogenannten Rho dopsine. Das sind spezielle Proteine, die durch Licht aktiviert werden. Diese trans portieren beispielsweise bei im Meer le benden Bakterien wie Krokinobacter eikastus Natrium aus der Zelle heraus. Die entscheidende Komponente des Rhodop sins ist das sogenannte Retinal, eine Form von Vitamin A. Es ist von zentraler Bedeu tung für Menschen, Tiere, bestimmte Al gen und viele Bakterien. In der Netzhaut des menschlichen Auges stösst Retinal beispielsweise den Sehvorgang an, wenn es unter Lichteinfluss seine Form verän dert.

Blitzschnelle Aufnahmen Forschenden des Paul-Scherrer-Instituts PSI ist es gelungen, die Natriumpumpe von Krokinobacter eikastus in Aktion auf zunehmen und dabei die molekularen Veränderungen zu dokumentieren, die für den Natriumtransport notwendig sind. Da

Paul-Scherrer-Institut, Villigen

Bild: PSI/Mahir Dzambegovic

Sebastian Jutzi 1

Petr Skopintsev (links), Jörg Standfuss (Mitte) und Christopher Milne (rechts) an der Experimentierstation Alvra am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL

für nutzten sie ein Verfahren, das als serielle Femtosekunden-Kristallografie bezeichnet wird. Dabei wird die zu unter suchende Probe – in diesem Fall eine kristallisierte Natriumpumpe – zeitversetzt erst von einem Laser- und dann von ei nem Röntgenstrahl getroffen. Im Fall des bakteriellen Rhodopsins aktiviert der Laser das Retinal und der anschliessend auftref fende Röntgenstrahl liefert Daten über Strukturveränderungen innerhalb des ge samten Proteinmoleküls. Da der SwissFEL 100 Röntgenpulse pro Sekunde produ ziert, sind zeitlich hochaufgelöste Aufnah men möglich. «Eine zeitliche Auflösung im Femtosekundenbereich erzielen wir am PSI nur mithilfe des SwissFEL», sagt Chris topher Milne, der die Experimentierstation Alvra mitentwickelt hat, an der die Aufnah men gemacht wurden. «Eine der Heraus

forderungen dabei ist, die Kristalle so in die Versuchsapparatur zu injizieren, dass sie punktgenau mit den Pulsen des Lasers und des Röntgenstrahls zusammentref fen.»

Pumpe in Aktion In dem aktuellen Versuch betrugen die Zeitintervalle zwischen Laser- und Rönt genstrahl zwischen 800 Femto- und 20 Millisekunden. Durch jeden Röntgen puls entsteht eine einzelne Aufnahme ei nes Proteinkristalls. Und so wie ein Kino film letztlich aus einer Vielzahl einzelner Fotos besteht, die aneinandergereiht und dann schnell abgespielt werden, so lassen sich auch die einzelnen Bilder, die mithilfe des SwissFEL gewonnen werden, zu einer Art Film zusammensetzen. 10/2020

BIOWISSENSCHAFTEN

«Der Vorgang, den wir mit unserem Experiment beobachten konn ten und der in etwa dem Transport eines Natrium-Ions durch eine Zellmembran entspricht, dauert insgesamt 20 Millisekunden», erklärt Jörg Standfuss, der die Gruppe für zeitaufgelöste Kristallo grafie im Bereich Biologie und Chemie am PSI leitet. «Neben der Aufklärung des Transportvorgangs konnten wir auch zeigen, wie die Natriumpumpe durch kleine Veränderungen in ihrer Struktur ihre Spezifität für Natrium erreicht.» Das stellt sicher, dass nur Natrium-Ionen und keine anderen positiv geladenen Ionen trans portiert werden. Die Forschenden deckten mit ihren Untersuchun gen ausserdem die molekularen Veränderungen auf, mit denen die Pumpe verhindert, dass die einmal aus der Zelle beförderten Natrium-Ionen wieder durch sie in die Zelle zurückströmen.

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Fortschritte in Optogenetik und Neurobiologie Da Konzentrationsunterschiede von Natrium auch bei der Reizlei tung von Nervenzellen eine besondere Rolle spielen, besitzen Neuronen ebenfalls leistungsfähige Natriumpumpen in ihrer Membran. Strömt vermehrt Natrium in das Zellinnere, wird ein Reiz weitergeleitet. Das überschüssige Natrium in der Zelle trans portieren diese Pumpen anschliessend wieder nach aussen. Da die Natriumpumpe von Krokinobacter eikastus durch Licht getrieben wird, können Forschende sie nun für die sogenannte Optogenetik nutzen. Mit dieser Technologie werden Zellen, in diesem Fall Nervenzellen, genetisch so verändert, dass man sie durch Licht steuern kann. Dabei wird die Pumpe mithilfe moleku largenetischer Verfahren in Nervenzellen eingebaut. Wird sie dann durch Licht aktiviert, kann ein Neuron beispielsweise keine Reize mehr weiterleiten, da dafür eine Steigerung der Natriumkonzen tration in der Nervenzelle notwendig wäre. Das verhindert aber das bakterielle Rhodopsin, indem es unablässig Natrium aus der Zelle heraustransportiert. Aktive Natriumpumpen inaktivieren also ein Neuron. «Wenn wir verstehen, was genau in der Natriumpumpe des Bak teriums abläuft, kann das helfen, die Experimente in der Opto gentik zu verbessern», sagt Petr Skopintsev, Doktorand in der Gruppe Zeitaufgelöste Kristallografie. «Beispielsweise lassen sich damit Varianten des bakteriellen Rhodopsins identifizieren, die effektiver arbeiten als die Form, die man üblicherweise in Kroki nobacter findet.» Zusätzlich erhoffen sich die Forscher Erkenntnis se darüber, wie einzelne Mutationen die Ionenpumpen so verän dern können, dass sie anschliessend andere Ionen als Natrium transportieren.

Kontakt Dr. Jörg Standfuss Paul-Scherrer-Institut Forschungsstrasse 111 CH-5232 Villigen PSI +41 56 310 25 86 joerg.standfuss@psi.ch www.psi.ch

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Bild: Adpic

BIOWISSENSCHAFTEN

Die Forschenden beobachteten eine starke genetische Abstufung zwischen Ost- und Westeuropa, der dem Übergang zwischen kontinentalem und ozeanischem Klima entspricht.

Wie die Drosophila Europa im Flug eroberte

Des Biologen liebstes Haustier Ein internationales Forschungsteam unter der Co-Leitung der Universität Freiburg hat die erste europaweite Studie zur Evolution der kleinen Fruchtfliege Drosophila durchgeführt, die stets auf überreifem Obst anzutreffen ist. Die Forschenden stellten zwischen West- und Osteuropa einen starken genetischen Unterschied fest und fanden Anzeichen, die einen Teil der Anpassungsprozesse bei dieser Art offenbaren.

Die Drosophila melanogaster oder Essigfliege ist der Liebling der Genetikerinnen und Genetiker. Sie wird seit langem in der Biologieforschung eingesetzt, insbesondere in der Genetik. Dank ihr wissen wir mehr über die molekulare Funktionsweise von viel komplexeren Organismen wie beispielsweise dem Menschen. Drosophila-Populationen sind weit verbreitet und vermehren sich sehr schnell – ein Weibchen legt innerhalb von zehn Tagen rund 500 Eier. Sie sind deshalb ideal, um in beschleunigter Geschwindigkeit die Evolution in Zeit und Raum zu beobachten.

Die Drosophilae kamen nach der letzten Eiszeit von Afrika nach Europa und lieben genau wie Menschen den Geruch von Alkohol. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sie auf ihrer Wanderschaft in die Fussstapfen des Homo sapiens getreten 16

Bild: Adobe Stock

Ein genetisches «Kontinuum» bei Fruchtfliegen

Die typischen roten Augen der Taufliege können durch eine von Thomas Morgan (siehe Kasten) entdeckte Mutation auf dem X-Chromosom ihre Leuchtkraft verlieren und erscheinen in einem milchigen Weiss.

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BIOWISSENSCHAFTEN

Bild: gemeinfrei

Thomas Hunt Morgan und die weissen Drosophila-Augen Thomas Hunt Morgan (1866–1945) erhielt 1933 den Medizin-Nobelpreis für die Entdeckungen über die Rolle der Chromosomen in der Vererbung. Eine der ersten wichtigsten Erkenntnisse während seiner Arbeit, war die rezessive und geschlechtsabhängige Vererbung der Mutation, die bei Taufliegen zu weissen Augen führt. Er stellte fest, dass die Genmutation auf dem X-Chromosom liegen muss. Wie bei den Menschen hat das Weibchen zwei X-Chromosomen (homogametisch) und das Männchen ein X- und ein Y-Chromosom (heterogametisch). Ist die Mutter Trägerin der Mutation auf beiden X-Chromosomen, wird die Mutation immer bei allen männlichen Nachkommen exprimiert. Ist nur der Vater Träger des Gendefekts, wird dieser bei keinem Nachkommen ersichtlich.

sind. Sie sind überall zu finden: auf überreifen Früchten, auf Weinbergen und sogar in Bars! Das Projekt zur Erstellung einer detaillierten genetischen Karte der Drosophila-Population in Europa begann 2014 auf Anregung von Thomas Flatt, Professor am Departement für Biologie der Universität Freiburg, Dr. Josefa González von der Universität Pompeu Fabra in Barcelona und Dr. Martin Kapun von der Universität Zürich. Die Ergebnisse liessen nicht lange auf sich warten: «Interessante Informationen über die Evolutionsdynamik wurden schnell gewonnen», sagt Flatt. «Genau wie beim Menschen finden wir in den verschiedenen genetischen Varianten kontinuierliche Gradienten und nicht einzelne, isolierte Gruppen.» Die Forschenden beobachteten eine starke genetische Abstufung zwischen Ost- und Westeuropa, der dem Übergang zwischen kontinentalem und ozeanischem Klima entspricht. Bei vergleichbaren Studien am Menschen liessen sich die genetischen Spuren unserer Migrationen durch die Zeitalter verfolgen. Auch diese Studie bietet eine Art molekulare Naturgeschichte und damit geradezu eine beschreibende Grundlage, auf der die Wissenschaftler weitere Forschungen aufbauen wollen. Diese Studie zeigte, dass sich vorteilhafte genetische Variationen rasch über den Kontinent ausbreiten. «Es muss sich um einen Anpassungsprozess ans Klima handeln», sagt Flatt. Bemerkenswerterweise entstand diese Anpassungsvariante nicht als Folge von Neumutationen – einem der 10/2020

Faktoren, der die Evolution der Arten beeinflusst – sondern war bereits bei einer sehr kleinen Anzahl der Fruchtfliegen in der ursprünglichen afrikanischen Popula tion vorhanden. «Sexuelle Fortpflanzung und genetische Vermischung begünstigen daher die Erhaltung von Minderheitsva rianten», folgert Thomas Flatt, «und das kann sich später als nützlich erweisen». Die gleichen Fragen stellen sich im Übrigen auch für den Menschen. So war z. B. die Entstehung der Laktosetoleranz für die Entwicklung der Viehzucht in Europa und Asien entscheidend. Es ist jedoch noch nicht bekannt, ob sie auf eine vorteilhafte Neumutation zurückzuführen ist oder auf bereits vorhandene Variationen, die jedoch bei einer Minderheit der aus Afrika eingetroffenen Bevölkerungen bereits vorhanden war.

tium, DrosEU) hat insgesamt 6 Terabyte an genetischen Informationen gesammelt. Künftig will das Wissenschaftskonsortium nicht nur das Genom mit den physischen Merkmalen der Fruchtfliege in Verbindung bringen, sondern auch die Fluktuation der genetischen Variation von einem Jahr zum nächsten an den gleichen Standorten aufzeichnen. Wird es dadurch eines Tages möglich sein, die «Gesetze» der Evolution herauszuarbeiten? «Gesetze würde ich nicht sagen, denn die Zufälle der Geschichte spielen auch in der Evolution eine sehr wichtige Rolle», korrigiert Thomas Flatt. «Aber es gibt Grundsätze, Pseudogesetze, die wir immer wieder sehen». Und diese kleinen alkoholabhängigen Fliegen erlauben uns einen Zugang dazu. Originalpublikation Kapun et al., «Genomic analysis of European Drosophila melanogaster populations reveals longitudinal structure, continentwide selection, and previously unknown DNA viruses», Molecular Biology and Evolution (2020), https://academic.oup.com/ mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msaa120/5837682 Quelle: Unicom Kommunikation & Medien, eine Dienststelle der Universität Freiburg www.unifr.ch

Dutzende von Forschungsteams in 16 Ländern Eine Studie dieser Grössenordnung wäre ohne breite internationale Zusammenarbeit nicht möglich gewesen. Thomas Flatt und seine Kollegen brachten Dutzende von Fachpersonen aus 16 Ländern zusammen, um in 15 europäische Länder zu reisen und Drosophilae zu sammeln. «Dank dieser gemeinsamen Anstrengung konnten wir das Genom von Drosophila-Populationen sequenzieren und Variationen in ihrem genetischen Code analysieren», sagt Flatt. Am Ende brachte die Veröffentlichung der Ergebnisse 45 Autorinnen und Autoren zusammen. Dieses Konsortium (European Drosophila Population Genomics Consor 17

Bilder: Iakovos Saridakis/Giovanni Di Mauro

LABOR

Die Synthese von diesen dreigliedrigen Ringen (Cyclopropane) ist häufig mit dem Einsatz von gefährlichen oder teuren Reagenzien verknüpft.

Helfer bei Synthesen neuer Verbindungen

Wenn lange Verkanntes nützlich wird Der Nachweis der nicht-klassischen Carbokationen beendete einen jahrzehntelangen Streit in der Chemie über die Existenz dieser ungewöhnlichen chemischen Verbindungen. Durch ihre Kurzlebigkeit war die Erforschung dieser aussergewöhnlichen Moleküle lange Zeit eingeschränkt. Forschende stellten nun einen neuen Syntheseweg vor, wie über die Synthese nichtklassischer Carbokationen dreigliedrige Kohlenstoffringe gewonnen werden können.

Die Faszination für geometrische Formen und Muster stellt ein Bindeglied zwischen den Naturwissenschaften und den bildenden Künsten dar. Schon den aperiodischen Parkettierungen, welche bereits spätmittelalterliche persische Schreine prägten und 500 Jahre später unabhängig von Penrose mathematisch beschrieben wurden, fehlten die konventionellen Eigenschaften. Diese aperiodischen Muster wurden aber auch in Kristallen – daraufhin als «Quasi-Kristalle» bezeichnet – beobachtet, deren Existenz jedoch lange vehement angezweifelt wurde und deren Entdeckung erst 2011 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt wurde.

Kurzlebig und reaktiv Den Entdeckern der «nicht-klassischen Carbokationen» erging es nicht besser: 18

Die Mitte des 20. Jahrhunderts in der organischen Chemie beobachteten Reaktionen liessen sich nicht mit klassischen Strukturformeln vereinbaren. Notgedrungen schlugen die Studienautoren symmetrische Strukturen vor, die mit den klassischen Gesetzen der organischen Chemie unvereinbar sind. Es folgte Spott und Hohn von kritischen Kollegen, doch 60 Jahre später gelang der Nachweis der nicht-klassischen Carbokationen mit der Isolierung des Intermediates (Zwischenproduktes) endgültig. «Diese aussergewöhnlichen Strukturen sind leider auch sehr kurzlebig und reaktiv», sagt Nuno Maulide vom Institut für Organische Chemie. Daher habe die Beweisfindung so lange gedauert. «Diese Eigenschaften machen Reaktionen, in denen nicht-klassische Kationen vorkommen, zudem auch schwer kontrollierbar.»

Nicht-klassische Carbokationen als Zwischenprodukte von mehrstufigen Reaktionen waren bisher kaum brauchbar: «In den meisten Studien, in denen diese unkonventionellen Intermediate beobachtet worden sind, zerfielen die nicht-klassische Strukturen zu einer Vielzahl untrennbarer Produkte – ein Alptraum in der Synthesechemie», so Maulide, Österreichs Wissenschafter des Jahres 2018.

Zwischenprodukt erleichtert Synthese In der aktuellen Studie wurde von den Forschern Bedingungen gefunden, in denen simple chemische Startmaterialien über ein nicht-klassisches Carbokation selektiv (das heisst: als einziger Reaktionsweg) zu dreigliedrigen Ringen umgewandelt werden können. 10/2020

LABOR

hängsel, also Substituenten, angebracht werden», sagt Koautor und Doktorand Giovanni Di Mauro. Die Synthese von diesen dreigliedringen Ringen (Cyclopropane) ist häufig mit dem Einsatz von gefährlichen oder teuren Reagenzien verknüpft. In dieser Studie ersetzen ungiftige und günstige Iod-Oxidantien toxische und umweltschädliche Schwermetalle wie Blei, Silber oder Thallium. «Eine der wichtigsten Bestrebungen der modernen organischen Chemie ist es, ihre Nachhaltigkeit zu verbessern», sagt Gruppenleiter Nuno Maulide. Originalpublikation Adriano Bauer, Giovanni Di Mauro, Jing Li und Nuno Maulide, «An α−cyclopropanation of carbonyl derivatives by oxidative Umpolung», Angewandte Chemie (2020); DOI: 10.1002/anie.202007439R1 Eine Gruppe um Nuno Maulide vom Institut für organische Chemie der Universität Wien stellt einen Weg vor, wie über die Synthese nicht-klassischer Carbokationen dreigliedrige Kohlenstoffringe gewonnen werden können.

«Wir hatten anfangs nur eine vage Vermutung, dass sich nicht-klassische Carbokationen bilden könnten», sagt Erstautor Adriano Bauer: «Als wir dann die dreigliedrigen Ringe isolierten, deuteten die experimentellen Beobachtungen, insbesondere die Isotopenmarkierungen,

klar auf ein nicht-klassisches Carbokation als Zwischenprodukt hin.» Über diesen speziellen Syntheseweg können nun Produkte zu Stoffgruppen modifiziert werden, die zuvor nur schwer oder über Umwege zugänglich waren. «An das Kation kann eine Vielzahl verschiedenster An-

Kontakt Univ.-Prof. Dr. Nuno Maulide Institut für Organische Chemie Universität Wien Währinger Strasse 38 A-1090 Wien +43 1 4277 521 55 nuno.maulide@univie.ac.at www.univie.ac.at

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P L AT E S T O R A G E

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A P P L I C AT I O N

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LABOR

Laser-Absorptionsspektrometer

Bald ein Analysegerät im Miniformat Die Absorptionsspektroskopie ist schon seit Jahrzehnten ein gängiges Verfahren, wenn es um Analysen beispielsweise im Medizinbereich, in der Umwelttechnik oder in der Lebensmittelanalyse geht. Je nach Anwendung sind die gängigen VIS/NIR-Spektrometer jedoch grosse Laborgeräte. Für die Untersuchungen müssen die Proben erst ins Labor gebracht werden. Für Untersuchungen vor Ort gibt es bereits tragbare Geräte, die jedoch nur für spezielle Untersuchungen und eingeschränkte Anwendungen einsetzbar sind.

Bilder: Prof. Karnutsch, Hochschule Karlsruhe

An der Hochschule Karlsruhe wurde nun ein On-Chip-Spektrometer entwickelt, das mit organischen Lasern arbeitet. Die Forscher Prof. Dr. Christian Karnutsch und Dr. Jörg Knyrim entwickelten ein optofluidisches On-Chip-Absorptionsspektrometer, das die spezifischen Eigenschaften von organischen DFB-Lasern nutzt. Dadurch konnte der Aufbau erheblich vereinfacht werden, so dass nun keine kosten- oder raumintensive Bauteile wie Strahlteiler, Lichtleiter oder optische Filterelemente mehr notwendig sind. Der Aufbau wird dadurch nicht nur einfacher, sondern auch erheblich kleiner. Laboraufbau mit einem optofluidischen Chip.

Neue Chancen für die Medizin Durch den veränderten Aufbau werden zudem vielfältige Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Da ein Analysegerät mit einem solchen Aufbau sehr klein sein könnte, bieten solche Systeme vor allem in der Me dizin ideale Voraussetzungen für die Point-of-Care-Diagnostik, wie beispielsweise die Blutanalyse direkt im Krankenwagen. Da unterschiedlichste Parameter gemessen werden können, ist das Anwendungsspektrum sehr breit: Neben Analysen in der Medizintechnik sind auch die Bereiche Umweltanalytik, Produktüberwachung oder Lebensmittelanalytik (Food und Beverage) als Einsatzmöglichkeiten denkbar.

Robuster und günstiger Bei der Verwendung von Spektrometern ist es für die exakte Bestimmung des absorbierten Lichtes essenziell, die Lichtintensität vor und hinter der zu untersuchenden Substanz zu kennen. Dafür werden 20

Erste Messungen mit einem roten Lebensmittelfarbstoff (Konzentrationen 10–50 ppm).

üblicherweise Strahlteiler eingesetzt, die einen Teil des Lichtstrahles für eine Referenzmessung abzweigen. Prof. Karnutsch und sein Team entwickelten eine ganz neue Möglichkeit, indem sie ein Spektrometer mit organischen Lasern in Verbindung mit mikrofluidischen Kanälen direkt On-Chip herstellen, das ohne Strahlteiler und Strahlführung auskommt. Durch die damit erreichte Reduzierung der verwen-

deten Bauteile wird das Spektrometer nicht nur viel kleiner, sondern auch unempfindlicher gegen Störungen. Zudem werden die Herstellungskosten so gering sein, dass auch eine Einmal-Nutzung als «Disposable Product» denkbar sein könnte. Das optofluidische Analysesystem besteht aus den organischen DFB-Lasern, die jeweils in einem spezifischen Wellenlängenbereich Licht emittieren. Eine Flüssigkeit, 10/2020

LABOR

Schematische Darstellung eines optofluidischen Analysesystems.

die durch die darunter liegenden Mikrokanäle fliesst, kann dementsprechend auf ihr Absorptionsverhalten bezüglich jeder der verwendeten Wellenlängen hin untersucht werden. Als Referenzsignal dient die zweite Abstrahlrichtung der Laser. Das Analysesystem kann günstig für jede beliebige Wellenlänge des sichtbaren Lichts sowie im nahen

Infrarot (NIR) realisiert werden. Die Materialien, aus denen die organischen DFB-Laser und sonstige Strukturen bestehen, sind zudem ungiftig und können daher ohne Beschränkungen entsorgt werden. Der nächste Schritt wird nun die konkrete Umsetzung eines Prototyps sein. Die Forscher Prof. Dr. Christian Karnutsch und Dr.

Biochemie & Bioanalytik

Jörg Knyrim werden damit untersuchen, welche konkreten Wellenlängen gebraucht werden und welche Stoffe wie gemessen werden können. Die TLB GmbH unterstützt die Forscher bei der Suche nach einem Kooperations- oder Projektpartner. Ideal wäre ein Projektpartner mit einem konkreten Entwicklungsziel. Die Erfindung wurde zum Patent angemeldet. Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Hochschule Karlsruhe bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist mit der wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Zusammenarbeit und Lizenzierung der Schutzrechte.

Medienmitteilung Technologie- LizenzBüro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH www.tlb.de

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10/2020

Biokatalyse

The Science & Art of Coffee

zhaw.ch/icbt

09.07.20 10:39

MEDIZIN

Placebo wirkt besser als Ingwerextrakt

Prophylaxe von Migräneanfällen

Laut Angaben der Deutschen Migräneund Kopfschmerzgesellschaft e.V. [2] leiden ungefähr zehn bis fünfzehn Prozent der Bevölkerung an Migräne. Im Erwachsenenalter sind Frauen etwa dreimal häufiger betroffen als Männer. Standard der medikamentösen Migräne-Prophylaxe sind Betablocker, Kalziumkanal-Blocker, Antikonvulsiva oder Botulinumtoxin. Wenn all diese Therapieoptionen wirkungslos bleiben (oder Kontraindikationen vorliegen), können gemäss neuer Leitlinienergänzung [3] auch moderne Antikörper zum Einsatz kommen. Letztere gehen mit relativ wenig Nebenwirkungen einher, haben aber das Manko, dass fast ein Drittel der Migränepatienten von vornherein gar nicht auf sie ansprechen. Die herkömmlichen Sub stanzklassen führen zu verschiedenen Nebenwirkungen, die oft die Therapietreue der Patienten beeinträchtigen. Bei etwa 38 Prozent der Betroffenen wäre eine Therapie zur Prophylaxe von Migräneanfallen aus medizinischer Sicht angeraten, aber nur etwa 3–13 % unterziehen sich einer solchen Therapie, so eine Studie aus dem Vorjahr [4].

Sanfte Massnahmen sind beliebt «Patienten fürchten Nebenwirkungen. Sanfte, nicht-medikamentöse Massnahmen als Alternative zur medikamentösen Migräneprophylaxe stehen hoch im Kurs», erklärt Professor Dr. Hans-Christoph Diener, Pressesprecher der Deutschen Gesellschaft für Neurologie (DGN). «Es ergibt daher Sinn, pflanzliche Präparate für die Migräneprophylaxe zu untersuchen.» Seit langem ist bekannt, dass Ingwer einen schmerzstillenden Effekt hat, weshalb eine aktuelle brasilianische Studie [1] in einem 22

Bild: Adobe Stock

In einer Studie untersuchten Forschende die Wirksamkeit von Ingwerextrakt als vorbeugende Massnahme gegen Migräneanfällen. Im Vergleich zur Placebotherapie gab es keinen Vorteil – allerdings sank in beiden Studiengruppen die Häufigkeit schwerer Migräneanfälle. Vermutlich wirkte in beiden Fällen der Placeboeffekt besonders gut. Doch was kann gegen Migräneanfällen prophylaktisch sonst noch getan werden?

Ingwer ist für seine schmerzlindernde Wirkung bekannt. Doch in einer Studie zur Prophylaxe von Migräneattacken konnte der Ingwerextrakt nicht überzeugen.

doppelblinden Placebo-kontrollierten Design ein Ingwerextrakt testete. 107 Patienten mit episodischer Migräne im Alter zwischen 18 und 60 Jahren, die ansonsten keine prophylaktische Therapie erhielten, wurden eingeschlossen und erhielten über drei Monate entweder das Ingwerextrakt (3-mal täglich 200 mg) oder ein Placebo (1:1-Randomisierung). Die Patienten wurden einmal im Monat ärztlich konsultiert und mussten ein Schmerztagebuch führen. Wie sich zeigte, unterschied sich der Anteil der Patienten, die auf die Therapie ansprachen (definiert als eine Halbierung der Migräneanfälle bis zum Studienende), zwischen den Gruppen nicht. Ingwerextrakt war gegenüber Placebo nicht überlegen – insgesamt war in beiden Gruppen aber ein Rückgang der Migränetage mit starken Schmerzen (in der Gruppe mit der echten Behandlung um 42 %, in der Placebogruppe um 39 %) und des Schmerzmittelgebrauchs zur Behandlung der Attacken festgestellt worden. «Die vorliegende Studie gibt leider keinen Hinweis darauf, dass Ing-

wer in der Migräneprophylaxe wirksam ist. Sie zeigte keine Überlegenheit von Ingwer gegenüber Placebo. Zwar kam es in beiden Gruppen zu einem Rückgang der schweren Anfallstage und der Einnahme der Akutmedikation, doch können wir von einem Placeboeffekt ausgehen, der in beiden Armen der verblindeten Studie eintrat.»

Ausdauersport hilft den meisten Wie der Experte ausführt, gäbe es bislang nur zwei Naturheilmittel mit nachgewiesener migräneprophylaktischer Wirkung: Pestwurzextrakt und Mutterkraut. Mutterkraut war in den Studien als CO2 -Extrakt untersucht worden und hatte sich als wirksam erwiesen. Doch in dieser Form wird Mutterkraut nicht vertrieben und der Einsatz anderer Formen wurde nicht geprüft und kann daher nicht empfohlen werden. Zudem darf Mutterkraut weder während der Schwangerschaft noch Stillzeit eingenommen werden. 10/2020

MEDIZIN

«The Head Ache» vom britischen Karikaturisten George Cruikshank (1792–1878).

Erfolgreich im Hinblick auf die Schwere der Migräneattacken (wenn auch nicht auf die Häufigkeit), ist die Kombination von Vitamin B2, Magnesium und Coenzym Q10, das hatte bereits 2015 eine randomisierte Multicenterstudie aus Deutschland gezeigt [5]. Professor Dr. Peter Berlit, Generalsekretär der DGN, fasst abschliessend zusammen: «Viele naturheilkundliche Mittel haben bisher enttäuscht und können eine medika-

mentöse Prophylaxetherapie nicht ersetzen. Es gibt aber eine nichtmedikamentöse Massnahme, die nachweislich Wirkung hat, keine Nebenwirkungen, auch in den Leitlinien verankert ist, aber von Patienten häufig nicht genügend berücksichtigt wird: Regelmässiger Ausdauersport kann die Anfallsfrequenz bei Menschen mit Migräne senken. Wir möchten Patienten ermuntern, das Potenzial dieser nachweislich wirksamen Intervention voll auszuschöpfen.» Medienmitteilung DGN www.dgn.org Literatur [1] Laís Bhering Martins, Ana Maria dos Santos Rodrigues, Nayara Mussi Monteze et al., «Double-blind placebo-controlled randomized clinical trial of ginger (Zingiber officinale Rosc.) in the prophylactic treatment of migraine», Cephalalgia (2019); https:// doi.org/10.1177/0333102419869319

[2] http://www.dmkg.de/patienten/ antworten-auf-die-wichtigsten-fragen-rundum-den-kopfschmerz-onlinebroschuere/ online_broschuere_migraene.html [3] H.-C. Diener, A. May et al., «Prophylaxe der Migräne mit monoklonalen Antikörpern gegen CGRP oder den CGRP- Rezeptor, Ergänzung der S1-Leitlinie Therapie der Migräneattacke und Prophylaxe der Migräne», 2019, in: Deutsche Gesellschaft für Neurologie (Hrsg.), Leitlinien für Diagnostik und Therapie in der Neurologie. Online: www.dgn.org/ leitlinien [4] H. Ha, A. Gonzales, «Migraine headache prophylaxis», Am Fam Physician (2019); 99:17–24 [5] C. Gaul, H.C. Diener et al., «Improvement of migraine symptoms with a proprietary supplement containing riboflavin, magnesium and Q10: a randomized, placebo-controlled, double-blind, multicenter trial», J Headache Pain (2015); 16: 516. DOI: 10.1186/s10194-015-0516-6.

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10/2020

MEDIZIN

Niedrige Konzentrationen nachweisbar

Biomarker im Blut weist auf MS hin

Die Autoimmunerkrankung Multiple Sklerose ist eine der häufigsten Erkrankungen junger Erwachsener in den Industrienationen. Bei dieser greift das eigene Immunsystem das zentrale Nervensystem (ZNS) an: Immunzellen (T-Zellen) wandern über die Blut-Hirn-Schranke – die physiologische Barriere zwischen Blutkreislauf und ZNS – ins Gehirn und schädigen dort die schützende Hülle (Myelinschicht) der Nervenfasern. Dadurch kommt es zu einem Abbau bzw. Funktionsverlust von Nervenzellen und in der Folge zu neurologischen, mit Behinderung einhergehenden Symptomen.

Eiweiss wird direkt in den Nervenzellen gebildet Bisher werden in der Praxis unter anderem das klinische Bild sowie Magnetresonanztomographie-(MRT)-Aufnahmen vom Gehirn und Rückenmark zur Diagnose, Risiko-Stratifizierung und Evaluation des Therapie-Ansprechens genutzt. Viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit erfährt aktuell jedoch ein bestimmtes Eiweiss mit dem Namen «Neurofilament light chain» (NFL), welches in Nervenzellen gebildet wird und bei einer Zellschädigung in die Umgebung freigesetzt wird. «Dank technischer Weiterentwicklung und neuer hochsensitiver Methoden («single molecule array» = Simoa) in spezialisierten Zentren ist es heute möglich, nicht nur die relativ hohe NFL-Konzentration im Nervenwasser, sondern auch die sehr viel geringeren NFL-Level im Blut zu bestimmen. Dies ermöglicht nun die serielle NFL-Bestimmung in individuellen Patienten nach standardmässiger Blutentnahme», so Prof. Dr. Stefan Bittner, Leiter der Sektion Neuroimmunologie an der Universitätsmedizin Mainz und Erstautor der Studie. 24

Den Nutzen von NFL als Biomarker für diagnostische Präzision, Prognose des Krankheitsverlaufs und Therapieentscheidung haben die Wissenschaftler um Prof. Dr. Stefan Bittner, Steffen Falk und Univ.Prof. Dr. Frauke Zipp von der Klinik und Poliklinik für Neurologie der Universitätsmedizin Mainz in Zusammenarbeit mit weiteren grossen deutschen Experten-Zentren vom Kompetenznetz Multiple Sklerose in einer prospektiven Studie mit über 800 Betroffenen untersucht. Besonderheiten dieser Kohorte waren der Einschluss der Probanden direkt nach Diagnosestellung noch vor Initiierung einer spezifischen Therapie sowie die systematische Rekrutierung an verschiedenen Standpunkten in Deutschland mit standardisierten Untersuchungen, Blutabnahmen und MRT-Protokollen. In dieser Kohorte konnten die Mainzer Neurologen nun zeigen, dass Multiple-Sklerose-Patienten mit neuronaler Schädigung tatsächlich durch die neuen Diagnosekriterien früher erfasst werden.

Protein könnte bei der Therapiewahl helfen Darüber hinaus führte die Hinzunahme von NFL zu bereits implementierten diagnostischen Parametern zu einer verbesserten diagnostischen Genauigkeit. Bei der gemeinsamen Therapieentscheidung durch Arzt und Patient waren weder den behandelnden Ärzten noch Patienten der aktuelle NFL-Wert bekannt. Nichtsdestotrotz ergaben die späteren Analysen, dass die Patienten, welche auf stärkere Therapieoptionen eskaliert worden waren, in der Tat besonders hohe NFL-Werte aufwiesen. Patienten, die sich bei der Folgeuntersuchung nach zwei Jahren in der höchsten

Bild: Adpic

Bei Multipler Sklerose (MS) erlauben klinische Kriterien oft keine zuverlässige Einschätzung der Prognose. Neueste technische Entwicklungen ermöglichen die Messung von Neurofilament-Leichtketten-Proteinen (NFL). NFL ist ein Protein des Stützgerüsts von Neuronen, das bei Zellbeschädigung freigesetzt wird und in geringen Konzentrationen im Blut gemessen werden kann. Forschende in Mainz haben das Potenzial dieses neuen Biomarkers erkannt.

Ein Arzt orientiert sich kurz an MRT-Aufnahmen vom Gehirn eines Patienten. Nicht nur Aufnahmen des Gehirns, sondern auch des Rückenmarks werden standardmässig zur Diagnose von MS verwendet.

Therapiestufe befanden, zeigten bereits bei Studieneinschluss die höchsten NFL-Konzentrationen im Blut. Dies unterstreicht das Potenzial von NFL als Entscheidungshilfe bei der Therapiewahl. Zusammenfassend unterstützen diese neuen Erkenntnisse eine mögliche Hinzunahme des Biomarkers NFL zum zukünftigen Untersuchungsstandard bei Diagnosestellung und im weiteren Krankheitsverlauf. Originalpublikation Stefan Bittner, Falk Steffen, Timo Uphaus et al., «Clinical implications of serum neurofilament in newly diagnosed MS patients: A longitudinal multicentre cohort study», EBioMedicine (2020); https://doi. org/10.1016/j.ebiom.2020.102807 Kontakt Prof. Dr. Stefan Bittner Universitätsmedizin Mainz Langenbeckstrasse 1 D-55131 Mainz +49 6131 17 2805 stefan.bittner@unimedizin-mainz.de www.unimedizin-mainz.de

10/2020

ERNÄHRUNG

Ohne Massentierhaltung

Fleisch aus dem 3-D-Drucker

Fleisch essen, ohne Tiere zu töten? Das ist möglich. Prof. Dr. Petra Kluger will im Labor künstliches Fleisch aus isolierten tierischen Zellen züchten. Das Fleisch aus dem 3-D-Drucker hat aus ihrer Sicht viel Potenzial: «Fleisch aus dem Labor benötigt im Vergleich zur konventionellen Fleischgewinnung viel weniger Ressourcen – wie etwa Wasser oder Landflächen – und produziert weniger Treibhausgase. Deshalb stellt es eine nachhaltige Alternative zur Fleischversorgung dar. Dieses ‹saubere Fleisch› kommt zudem dem Tierwohl zugute und birgt weniger gesundheitliche Risiken, die bei der konventionellen Fleischherstellung vor allem durch den Einsatz von Antibiotika in der Massentierhaltung entstehen», so Kluger. Den Anfang nahm Klugers Forschung zum Fleisch aus dem Labor in ihren Vorlesungen aus dem Bereich Tissue Engineering, in denen sie das Thema abhandelte. Das grosse Interesse der Studierenden und ihr Eröffnungsvortrag bei der internationalen Fachkonferenz zu In-vitro-Fleisch 2018 in Maastricht motivierten sie, selbst die Forschung zum Laborfleisch aufzunehmen. Zu der Zeit arbeitete sie an der Hochschule Reutlingen an der Züchtung von menschlichem Gewebe für biomedizinische Fragstellungen. 2019 fiel die Entscheidung, mit der Züchtung von Kunstfleisch zu starten. Inzwischen laufen mehrere Forschungsprojekte, in denen Klugers Arbeitsgruppe aus Doktoranden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und Studierenden an dem Laborfleisch forschen. Aktuell beschäftigt sie die Herausforderung, das künstliche Fleisch zur Marktreife zu bringen: Wie kann die Massenproduktion von Fleisch aus dem Labor zu vertretbaren Kosten gelingen? Zwar verfolgen 10/2020

Bild: Hochschule Reutlingen

Der jüngste Skandal um die Bedingungen in der Fleischindustrie und der Massentierhaltung sowie die Diskussionen rund um das Thema Fleisch und den Klimawandel zeigen, dass nachhaltige und zukunftsfähige Alternativen zum Fleischkonsum erstrebenswert sind. Prof. Dr. Petra Kluger, Vizepräsidentin Forschung an der Hochschule Reutlingen, arbeitet in ihrem Forschungsgebiet daran, Fleisch aus dem Labor zu züchten.

Das Fleisch aus dem Labor wird wohl nicht wie ein klassisches Steak aussehen. Aber es könnte durchaus Fleisch aus dem Schlachthof ersetzen. Die Zukunft wird es zeigen.

weltweit einige Start-ups das Ziel, das «saubere Fleisch» oder «Clean Meat» (wie es im Fachjargon heisst) auf den Markt zu bringen, aber nur sehr wenige Forschungsgruppen arbeiten daran. Im Mai startete ein Gemeinschaftsprojekt der Hochschule Reutlingen mit der Universität Hohenheim, gefördert von der Avina-Stiftung, das Lösungen dafür entwickeln will, um die Überführung in industrielle Massstäbe zu ermöglichen. «Wir untersuchen Wege, um die Produktion in industriellen Massstäben voranzubringen. Dafür optimieren wir die Herstellungsprozesse, um ausreichend Zellen für eine grosse Produktionsmenge zur Verfügung zu haben», erläutert Kluger. Ein weiterer Ansatz ist die Frage, wie gesundes Laborfleisch hergestellt werden kann. Dabei geht es darum, das künstliche Fleisch mit Nährstoffen zu ergänzen – beispielsweise mit Folsäure oder mit Nährstoffen für den Muskelaufbau. «Wir arbeiten an der Kombination von Laborfleisch mit Nahrungsergänzungsmitteln, um eine gesunde Fleischalternative anbieten zu

können und damit den Verbrauchern die Skepsis zu nehmen», so Kluger. Denn die Akzeptanz in der Bevölkerung für «designtes Fleisch» ist noch gering. In naher Zukunft wird das Laborfleisch wahrscheinlich nicht das Fleisch von Tieren exakt nachbilden können. Das ist aus Klugers Sicht aber auch nicht unbedingt notwendig. «Wir sollten weg von der Erwartung, ein ‹klassisches Steak› aus Laborfleisch herstellen zu können, und vielmehr ein ganz neues Produkt erschaffen – eine echte Alternative zu herkömmlichem Fleisch.» So könnten neue Lebensmittel aus dem 3-D-Drucker entstehen, die mit Laborfleisch kombiniert werden. Denn der gesellschaftliche Wandel hin zu Fleischalternativen sei nicht aufzuhalten, um das Klima, die Gesundheit und die Tiere besser zu schützen und die Ernährung der Weltbevölkerung langfristig sicherzustellen, resümiert Kluger. Medienmitteilung Hochschule Reutlingen www.reutlingen-university.de 25

NEWS

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

Zahlen Novartis Der Konzern kündet den Aufbau neuer Produktionsanlagen zur Herstellung von diversen komplexen Wirkstoffen an. Die Herstellung des Wirkstoffes erfolgt künftig in verschiedenen Prozessschritten, die einen kontinuierlichen Schichtbetrieb und zusätzliche, gut ausgebildete Mitarbeitende erfordern. «Der Aufbau dieser zusätzlichen Produktionsanlage am Standort Schweizerhalle ist ein weiteres Beispiel dafür, wie Novartis in der Schweiz in innovative Technologien investiert», sagt Steffen Lang, Leiter von Novartis Technical Operations und Mitglied der Novartis Konzernleitung. «Mit dieser Investition stärken wir diesen wichtigen Standort in unserem globalen Produktionsverbund.»

Personalien Bayer Der Aufsichtsrat der Bayer AG hat den zur Hauptversammlung 2021 auslaufenden Vertrag mit dem Vorsitzenden des Vorstands, Werner Baumann (57), einstimmig bis zum 30. April 2024 verlängert. Baumann arbeitet seit 1988 für Bayer, wurde 2010 in den Vorstand berufen und ist seit Mai 2016 Vorsitzender des Vorstands. «Bayer ist als fokussiertes Life-Science-Unternehmen mit führenden Geschäften in den attraktiven Wachstumsmärkten Gesundheit und Ernährung strategisch sehr gut aufgestellt. Das zeigt sich gerade auch im Hinblick auf die

aktuellen Herausforderungen der Covid-19-Krise. Sowohl die strategische Stärke als auch die robuste operative Performance sind ein grosses Verdienst von Werner Baumann und dem gesamten Führungsteam von Bayer», sagte Prof. Dr. Norbert Winkeljohann, Aufsichtsratsvorsitzender der Bayer AG.

Produktion Clariant Der Muttenzer Spezialitätenchemie-Hersteller hat den Bau eines neuen hochmodernen Produktionsstandorts für Katalysatoren in China angekündigt. Das Projekt stellt eine wichtige Investition dar, welche Clariants Marktposition in China stärkt und es ihr ermöglicht, die Kunden innerhalb Chinas stark wachsender Petrochemieindustrie noch besser zu bedienen. Die neue Anlage wird in erster Linie den Catofin-Katalysator zur Propandehydrierung herstellen, der bei der Produktion von Olefinen wie Propylen benötigt wird. Dank seiner hohen Zuverlässigkeit und Produktivität liefert Catofin im Vergleich zu anderen Technologien sehr hohe jährliche Produktionsmengen und verhilft Propylenherstellern somit zu höherer Profitabilität. Evonik und Siemens Energy Die Firmen haben eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Versuchsanlage in Betrieb genommen, die Kohlendioxid und Wasser zur Herstellung von

Chemikalien nutzt. Die notwendige Energie liefert Strom aus erneuerbaren Quellen. Die Versuchsanlage steht in Marl im nördlichen Ruhrgebiet und soll mit ihrer innovativen Technologie der künstlichen Photosynthese zum Gelingen der Energiewende beitragen. Sie ist wesentlicher Teil der Forschungsprojekte Rheticus I und II, die vom Bundesministerium mit insgesamt 6,3 Millionen Euro gefördert werden. BASF BASF SE wird 16 Millionen Euro in die Pyrum Innovations AG investieren, ein auf die Pyrolyse von Altreifen spezialisiertes Technologieunternehmen mit Sitz in Dillingen/ Saar, Deutschland. Mit der Investition wird BASF den Ausbau der Pyrolyse-Anlage von Pyrum in Dillingen und die weitere Markteinführung der Technologie unterstützen. Pyrum betreibt derzeit eine Pyrolyseanlage für Altreifen, die bis zu 10 000 Tonnen Reifen pro Jahr verarbeiten kann. Bis Ende 2022 wird die bestehende Anlage um zwei zusätzliche Produktionslinien erweitert. BASF wird den grössten Teil des darin hergestellten Pyrolyseöls abnehmen und im Rahmen des ChemCyclingTMProjekts und unter Anwendung eines Massenbilanzansatzes zu neuen chemischen Produkten weiterverarbeiten.

Forschung Roche Das Universitätsspital Basel und Roche (Roche Pharma (Schweiz) AG & Roche Dia-

gnostics (Schweiz) AG) haben heute eine Partnerschaft im Bereich Value Based Healthcare (VBHC) für Lungenkrebspatienten bekannt gegeben. Die Partnerschaft ist auf vorerst zwei Jahre ausgelegt und soll dank der Erhebung von «patient-reported outcome measures» (Proms) Daten zur Verbesserung der individuellen Behandlungsqualität bei Patientinnen und Patienten mit Lungenkrebs liefern. Kerngedanke des Value-Based-Healthcare-Ansatzes ist es, den Wert einer Behandlung aus Patientensicht zu messen. Behandlungsergebnisse werden dabei mit dem Kostenaufwand über den Behandlungszyklus hinweg in Relation gesetzt. Austrian Centre of Industrial Biotechnologen des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) haben einen umweltfreundlichen Recyclingprozess für handelsübliche Windeln entwickelt. Bisher wurden Windeln verbrannt oder deponiert, da eine Rezyklierung der Verbundstoffe als zu teuer und für die Industrie im Sinne einer Kreislaufwirtschaft in unzureichender Qualität umzusetzen war. Wertvolle, wiederverwendbare Ressourcen gingen damit verloren. Der enzymatische Recyclingprozess des acib könnte diesen Kreis schliessen. Aus dem Windelmüll könnten wichtige Grundbausteine für die Chemieindustrie, Bioethanol oder neue Polymere gewonnen werden. Das Projekt wurde kürzlich mit «riz up Genius»-Ideen und -Gründerpreis 2020 nominiert.

10/2020

NEWS

Grüne Chemie: Nachhaltige para-Xylol-Produktion Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben einen grünen und nachhaltigen Ansatz für die selektive p-XylolSynthese entwickelt. Fruchtsäfte und süsse oder neutrale Mineralwasser kommen oft in PET-Flaschen daher. Diese sind zwar praktisch und zweckmässig, ihre Herstellung ist jedoch komplex und nicht unbedingt nachhaltig. Das Ausgangsmaterial für Terephthalsäure, die zur Herstellung von gesättigten Polyestern wie Polyethylenterephthalat (PET) verwendet wird, ist p-Xylol (pXL). Dessen Herstellung basiert bis heute auf fossilen Rohstoffen. 2015 wur-

den rund 37 Millionen Tonnen pXL verwendet, hauptsächlich für die Herstellung von PET und anderen Polyesterfasern. Das Team «Bioraffinerie und nachhaltige Chemie» hat nun einen grünen und nachhaltigen Ansatz für die selektive pXL-Synthese entwickelt. Dieser Ansatz beinhaltet eine Reaktion in einem Durchlaufsystem: Diels-Alder-Cycloaddition von biologisch abgeleitetem 2,5-Dimethylfuran (DMF) zu Acrylsäure (AA), Dehydratisierung zur Bildung des Phenylrings und abschliessende Decarboxylierung zu pXL. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein sehr wertvolles Produktgemisch. Dieses besteht

zu 83 Prozent aus pXL und zu 17 Prozent aus 2,5-Dimethylbenzoesäure (DMBA), das sich aufgrund der Siedepunkte leicht trennen lässt. Dieser neue Ansatz wird in Zukunft die Synthese grüner, nachhaltiger und biologisch abbaubarer Polymere ermöglichen, z. B. den Ersatz von Verpackungsmaterialien für Kunststoffflaschen, Folien und Textilfasern, die aus fossilen Rohstoffen gewonnen werden.

Medienmitteilung Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung www.mpikg.mpg.de

Erste industrielle Power-to-Gas-Anlage der Schweiz Der Limmattaler Energieversorger Limeco und das Viessmann-Tochterunternehmen Schmack BioEnergie beginnen mit der Realisierung der ersten industriellen Power-toGas-Anlage. Die Projektpartner sind nicht nur vom Potenzial der Technologie als sinnvoller Ergänzung erneuerbarer Stromproduktion überzeugt, sondern auch von der Tauglichkeit des Geschäftsmodells, in dem mehrere Energieversorger die Anlage gemeinsam finanzieren. In Dietikon im Kanton Zürich entsteht die europaweit grösste Power-to-Gas-Anlage mit mikrobiologischer Methanisierung. Sie wird auf Basis einer Elektrolyse-Leistung von 2,5 Megawatt (MW) ab Ende 2021

synthetisches Methan in das Netz einspeisen. Die Standortvoraussetzungen sind ideal, da auf dem Areal des Limmattaler Regiowerks eine Müllverbrennungsanlage den regenerativen Strom liefert und zusätzlich das im Klärgas vorhandene CO2 aus der benachbarten Abwasserreinigung verwertet werden kann. Aus Abfall und Abwasser werden so erneuerbares Methan produziert und über die Einspeisung ins Gasnetz künftig jährlich 4000 bis 5000 Tonnen CO2 eingespart, was dem Ausstoss von rund 2000 Haushalten entspricht. Die Anlage leistet einen Beitrag zum Umbau des Schweizer Energiesystems im Rahmen der Energiestrategie 2050. Darin ist vorgesehen, den Strom aus der Kern-

kraft durch Solar-, Wasser- und Windkraft zu ersetzen. Um die saisonalen Stromüberschüsse speicherbar zu machen, setzt Limeco auf Power-to-Gas als Schlüsseltechnologie und will seine Erfahrungen und Erkenntnisse aus dem Betrieb der Anlage dem Vorankommen der schweizweiten Energiewende zur Verfügung stellen. So soll die Fachwelt auf dem ersten Schweizer Power-to-Gas-Kongress am 25. November dieses Jahres in Spreitenbach über das Projekt informiert werden.

Medienmitteilung Viessmann Werke GmbH & Co. KG www.viessmann.de

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10/2020

VER ANSTALTUNGEN

Analytica 2020

Weltleitmesse findet virtuell statt

Gemeinsam mit dem Fachbeirat der Analytica wurde im März 2020 beschlossen, die Messe von April 2020 in den Oktober 2020 zu verschieben. Noch im Juli war der Ausstellerzuspruch für eine Präsenzmesse sehr hoch, obwohl die erhofften Lockerungen hinsichtlich Reisebeschränkungen aus nicht-europäischen Ländern nicht eintraten. Die Besucherwerbung wurde daraufhin nochmals auf den europäischen Markt fokussiert. «Leider hat gerade in Europa in den Augustwochen eine Entwicklung eingesetzt, die Aussteller- und Besuchermärkte unmittelbar betrifft», so Dr. Reinhard Pfeiffer, stellvertretender Vorsitzender der Geschäftsführung der Messe München. «Aus wichtigen europäischen AnalyticaKernmärkten kam die Nachricht, dass Messebesuche nicht erfolgen könnten. Eine Präsenzmesse im Oktober hätte daher die Anforderungen der Teilnehmer an die Internationalität der Analytica weit verfehlt, die Erwartungen der Besucher und Aussteller selbst in Corona-Zeiten enttäuscht und den Kern der Veranstaltung beschädigt. Eine digitale Plattform ist jetzt die Alternative, für die sich auch viele Aussteller ausgesprochen haben.»

Reisebeschränkungen für europäische Staaten Zusätzlich zu Reiseverboten, die derzeit Firmen für ihre Mitarbeiter aussprechen und denjenigen Beschränkungen, die Staaten für Reisen nach Deutschland verhängt haben, hat im August auch die Bundesrepublik Deutschland die Einreise aus einigen Staaten erschwert. «Die ursprüngliche Entscheidung zur Verschiebung der Analytica war richtig. Aber weil sich die äusseren Bedingungen zuletzt stark verschlechtert haben, ist eine Neu28

Bild: Messe München GmbH

Die Messe München organisiert die Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik und Biotechnologie in diesem Jahr als virtuelle Veranstaltung. Das neue Format Analytica Virtual (19. bis 23. Oktober) ermöglicht es Ausstellern, digitale Messestände zu buchen. Es bietet zudem allen Kunden weitere Gelegenheiten zum Austausch und Networking. Grosse Teile des Vortrags- und Rahmenprogramms werden ebenfalls digital verfügbar sein.

Die Analytica Virtual wird täglich 24 Stunden zur Verfügung stehen, um Besuchern in allen Zeitzonen die Teilnahme zu ermöglichen.

bewertung der Lage unumgänglich. Die Analytica ist die internationale Leitmesse. Viele Teilnehmer wären wegen neu eingeführter Reisebeschränkungen nicht nach München gekommen. Wir sind froh, dass die Messe München flexibel und rasch reagiert hat und mit der Analytica Virtual das passende Konzept für 2020 anbietet», unterstreicht Siegbert Holtermüller, Vorsitzender des Analytica-Ausstellerbeirates und Head of Sales Life Sciences von Olympus.

Online-Messe mit virtuellen Ständen Das Analytica-Projektteam arbeitet daran, das im August gestartete Format Analytica Virtual zur weltweit sichtbaren digitalen Messe der Laborbranche auszubauen – und dabei möglichst viele Angebote und Formate abzubilden, die die Analytica in München seit Jahrzehnten auszeichnen. Die Analytica Virtual wird in enger Zusammenarbeit mit der Lumitos AG realisiert. Die Analytica Virtual wird täglich 24 Stunden zur Verfügung stehen, um Besuchern in allen Zeitzonen die Teilnahme zu er-

möglichen. Auf virtuellen Messeständen präsentieren Aussteller Produktneuheiten und Produktinnovationen aus allen Bereichen der Labor- und Analysentechnik für die Zielbranchen Chemie, Biotech, Pharma und Lebensmittel. Besucher können Produktpräsentationen erleben, Flyer herunterladen und über eine Text-, Audio- und Video-Chatfunktion direkt mit dem jeweiligen Aussteller in Kontakt treten. Zusätzlich werden Web-Seminare, Fachvorträge und ein grosser Teil des Rahmenprogramms über die Plattform verfügbar sein. Wichtige Programmpunkte werden zu verschiedenen Tageszeiten wiederholt. Zu den Highlights zählt die weltweit einzigartige Sonderschau Digitale Transformation, in der Unternehmen und Wissenschaftler acht Workflows realisiert haben, um den Stand der Laborautomation zu präsentieren. Auch die Analytica Conference findet 2020 rein virtuell statt und kann dadurch ihr hohes fachliches Niveau mit internationalen Top-Speakern halten. Medienmittteilung Messe München www.analytica.de 10/2020

ANALYTICA EXPONATE Modular: Schüttler LS-Z und Kuhner Kelvin +

Der neue Laborschüttler LS-Z von Kuhner ist Teil eines neuen, modularen Systems. Er verbindet hohe Qualität mit maximaler Flexibilität. Der LS-Z kann auf drei Arten genutzt werden: als eigenständiger Schüttler, als Schüttler in einem beliebigen Inkubator oder zusammen mit dem neuen Inkubator Kuhner Kelvin+ mit Temperaturregelung. Sowohl LS-Z als auch Kuhner Kelvin+ haben eine kleine, kompakte Aufstellfläche. So nehmen sie wenig Platz im Labor in Anspruch und passen auf oder unter jede Laborbank. Der würfelförmige Inkubator Kuhner Kelvin + hat ein klares Design: Innenraum aus Edelstahl, platzsparender Türöffnungsmechanismus und eine flache, vollständig durchsichtige Front für einen schnellen und guten Überblick. Für Kulturen, die nicht geschüttelt werden, kann oberhalb des Schütteltablars eine zusätzliche, statische Ablageplatte angebracht werden. In Kombination mit Kuhner AerationCaps, GasDivider und FlowCon bietet der Kuhner Kelvin+ zudem eine Feuchte- und CO2 -kontrollierte Umgebung, ideal für Zellkulturen und gene rell lange Kultivierungszeiten (Reduzierung der Verdunstung).

Adolf Kühner AG Dinkelbergstrasse 1 CH-4127 Birsfelden Telefon +41 319 93 93 office@kuhner.com www.kuhner.com

10/2020

Automatische IQ/OQ mit AIQ-Tool Software

Mit der AIQ-Tool-Software von AnaTox lassen sich problemlos alle chromatographischen Systeme, die entsprechend USP/EP zugelassen sind, einfach und sicher qualifizieren. Die allgemeine Prozedur kann für alle Systeme aller Hersteller angewendet werden. Die Bedienung ist denkbar einfach. Der Anwender wird Schritt für Schritt durch alle Menüs geführt und kann/muss keine Parameter einstellen. Alle Referenzen sind weltweit verfügbar. Die Standards und Messgeräte können frei konfiguriert werden. Alle Daten, Einstellungen und Ergebnisse landen in einer Datenbank. Eine manuelle Nachbearbeitung der Chromatogramme ist nicht erlaubt und sichert die hohe Datenintegrität. Die Chromatogramme lassen sich exportieren, um die Ergebnisse nachprüfbar zu machen. Mit der Datenbank lässt sich die Qualifikationshistorie für jedes In strument einfach und schnell darstellen. Wird für jedes Instrument eine eigene Datenbank angelegt, kann die Vermischung von Qualifikationsdaten vermieden werden und die Auditierung vereinfacht werden. Die Benutzerverwaltung und die Dokumentation erfüllen selbstverständlich alle erforderlichen Anforderungen wie z. B. digitale Signatur und Audit Trail.

AnaTox GmbH & Co. KG Reinheimer Strasse 18b D-15517 Fürstenwalde Telefon +49 3361 36 98 950 info@anatox.de www.anatox.de

Umwelt- und Abwasser analytik in Perfektion

Der neue enviro TOC ist speziell für die flexible und ressourcenschonende TOC- und TNb Bestimmung in Umwelt- und Abwasserproben zugeschnitten. Dabei wurden das Know-how und die herausragenden Funktionen des Vorgängermodells vario TOC select mit innovativen Technologien vereint: Die komfortable Messung von TOC, NPOC, TC, TIC, DOC, POC oder TNb ist dank dem automatisierten 60 Positionen Probengeber und dem schnellen Moduswechsel sowohl in flüssigen als auch festen Proben mit nur einem System möglich. Neue Spülfunktionen sorgen außerdem für verschleppungsfreie Ergebnisse. Die TNb -Bestimmung erfolgt mittels bewährter EC-Zellentechnik oder mit der neuartigen, integrierten Chemilumineszenz-Detektion (CLD). Diese punktet mit linear kalibrierten, äusserst stabilen Messwerten und einfacher Ergebnisauswertung. Die vollständige Wiederfindung und komplette Oxidation auch schwer aufschließßbarer C-Verbindungen wird durch den leistungsstarken Heizer gewährleistet. Zusätzlich zum wartungsarmen Gerätekonzept sorgt die SALTTRAP Matrixabscheidung für einen effektiven Schutz des Verbrennungsrohres und Detektors, wodurch eine lange Lebensdauer und geringe Betriebskosten des enviro TOC garantiert sind.

Elementar Analysensysteme GmbH Elementar-Strasse 1 D-63505 Langenselbold Telefon +49 6184 9393-0 info@elementar.com www.elementar.com

ANALYTICA EXPONATE Polyurethan für anspruchsvolle Formteile

Vorteile von PUR-Formteilen – grosse Freiheiten im Design – gute mechanische Eigenschaften – optimale Steifigkeit – minimales Gewicht – günstige und schnelle Realisierung Neben den Massenanwendungen in der Bau-, Automobil-, Möbel- und Schuhindus trie gibt es aber auch Polyurethansysteme, die für die Herstellung von technischen Formteilen optimiert wurden. Polyurethan wird heute in einem weiten Gebiet von Anwendungen eingesetzt und es gibt für jeden Anwendungszweck die entsprechende Formulierung. Die Emaform AG ist seit über 35 Jahren der führende Hersteller von PUR-Formteilen in der Schweiz. Damit die Vorzüge von Polyurethan optimal genutzt werden können, ist bereits bei der Entwicklung auf eine fertigungsgerechte Gestaltung zu achten. Voraussetzung für ein gelungenes Formteil ist jedoch auch ein erfolgreiches Zusammenspiel zwischen Hersteller und Kunde. Wir freuen uns auf Ihren Besuch.

Emaform AG Zetzwilerstrasse 760 CH-5728 Gontenschwil Telefon +41 (0)62 767 20 00 info@emaform.ch www.emaform.ch

Dynamic Headspace DHS 3.5

Der Einsatz des mit viermal mehr Sorbens ausgestatteten neuen «Dynamic-Headspace- System 3.5» (DHS 3.5) verbessert die Wiederfindung flüchtiger organischer Verbin dungen (VOC) gegenüber Standard-DHS. Einsetzen lassen sich 3,5-Zoll-Sorptionsröhrchen beladen mit beispielsweise bis zu 240 mg Tenax TA. Die bessere Wiederfindung zieht eine höhere Genauigkeit sowie niedrigere Bestimmungsgrenzen beim Nachweis sehr flüchtiger Stoffe (VVOC) nach sich. Die Temperatur des Röhrchens während der Anreicherung lässt sich auf Werte zwischen 10 und 70 °C einstellen. Nach der Anreicherung ist ein Trocknungsschritt möglich, um etwa kondensiertes Wasser oder Alkohol zu entfernen. Die GC/MS-Bestimmung der Analyten erfolgt nach thermischer Desorp tion im ThermalDesorber 3.5+ (GERSTEL-TD 3.5+), vollständig automatisiert mit dem GERSTEL-MultiPurposeSampler (MPS). Der MPS arbeitet bis zu 120 Proben inklusive individueller 3,5-Zoll-Röhrchen effizient in einen Durchlauf ab. Neben 10- und 20-mL- Vials lassen sich DHS-Behälter mit 250, 500 und 1000 mL Volumen verarbeiten (DHS large).

GERSTEL AG Wassergrabe 27 CH-6210 Sursee Telefon +41 41 9 21 97 23 Fax +41 41 9 21 97 25 gerstelag@ch.gerstel.com www.gerstel.de

ThermalDesorber TD 3.5 +

Die Thermodesorptions-Analytik erfolgt ohne Lösemittel und erfüllt damit Kriterien einer grünen Analytik. Das GERSTEL-TD 3.5+ basiert auf 3,5-Zoll-TD-Röhrchen aus Stahl, die häufig in Standardmethoden verlangt werden. Das Pluszeichen impliziert, dass GERSTEL-Plus-Röhrchen mit 20 Prozent mehr Sorbensmaterial eine erhöhte Kapazität bieten, um Nachweisgrenzen zu verbessern und um die Wiederfindung sehr flüchtiger Stoffe (VVOCs) zu steigern. Das TD 3.5+ lässt sich erweitern durch das Dynamic-Headspace-System (DHS 3.5/ DHS Large) für die vollautomatische Bestimmung u. a. von Materialemissionen, Restlösemitteln und -monomeren in festen oder flüssigen Proben, die in individuellen inerten Behältern mit einem Volumen von zwischen 10 mL und 1 L unter definierten Bedingungen gelagert und konditioniert werden. Die Extraktion und Anreicherung der Analyten erfolgt automatisiert. Der komplette Ablauf, inklusive GC/ MS-Analyse ist voll automatisiert unter Einsatz des GERSTEL-MultiPurposeSamplers (MPS) und der MAESTRO-Software. Zu Kalibrier- und Qualifizierungszwecken lassen sich Sorptionsröhrchen automatisiert mit Standards dotieren.

GERSTEL GmbH & Co. KG Eberhard-Gerstel-Platz 1 D-45473 Mülheim an der Ruhr Telefon +49 208 76503-0 gerstel@gerstel.de www.gerstel.de

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ANALYTICA EXPONATE SECcurity² Anlagen für GPC/SEC, IPC und 2D

(Bio)SECcurity², der Nachfolger der PSS SECcurity-Serie, ist die flexible, modulare Lösung für GPC/SEC, IPC und 2D von Polymeren, Biopolymeren und Proteinen. Mit WinGPC UniChrom MCDS als leistungsstarker Softwarezentrale, die über den ChromPilot auch Geräte anderer Anbieter integrieren kann, stehen alle Verfahren der LC von Makromolekülen zur Verfügung. Vorgestellt auf der Analytica werden neue Optionen für SECcurity²-Module, die WinGPC Säulendatenbank für automatisches Tracking, WinGPC Erweiterungen im Compliance Pack, der Importfilter für Chromeleon-Daten, neue hochauflösende GPC/SEC-Säulen für wässrige und organische Applikationen und polymere Referenzstandards. Weiterhin erhalten Sie Informationen zu PSS-Kursen und Webinaren, zu unserem Auftragsanalytiklabor und den Möglichkeiten für GPC/SEC, IPC oder 2D Methodenentwicklung.

Akku-Pipettierhilfe ROTILABO®

Machen Sie sich das Pipettieren einfach. Unsere benutzerfreundliche Pipettierhilfe mit Akku-Betrieb ist ideal für müheloses Liquid Handling. Das ergonomisch geformte Gehäuse und die konkav geformten Fingertasten sorgen für ermüdungsfreies Arbeiten und eine einfache Bedienung. Zwei wählbare Pipettiergeschwindigkeiten (High- oder Low-Speed) bedienen unterschiedliche Anwendungen, während der Gravity-Modus freien Flüssigkeitsablauf ohne Motorbetrieb ermöglicht. Das Gehäusematerial ist UV-beständig, daher kann die Pipettierhilfe während der UV-Sterilisation in der Clean-Bench verbleiben. Der Pipettenhalter ist autoklavierbar, ein austauschbarer PTFE-Membranfilter verhindert Kontaminationen. Das seitliche Beschriftungsfeld sowie fünf farbige Pipettenhalter helfen bei der Unterscheidung verschiedener Geräte. Durch einen zusätzlichen Pipettenadapter kann die Pipettierhilfe auch für kleine Pipettenvolumina genutzt werden. Eine lange Akku-Laufzeit und die Möglichkeit des Weiterarbeitens während des Ladevorgangs sorgen für flexible Einsatzmöglichkeiten. Anhand der Low- Battery- LED-Anzeige lässt sich der Ladestand des Geräts jederzeit erkennen.

Präzise Pipetten & anerkanntes Service-Center

Ob Standard-Reparatur oder Service gemäss GLP-Anforderungen, das Socorex Service Center in Ecublens/VD bietet zuverlässige Wartungen und Kalibrationen für Pipetten und Dispenser aller Marken an. Sieben verschiedenen Service-Levels können kundenspezifisch angepasst und miteinander kombiniert werden. Die Wartungsrespektive Kalibrierungsarbeiten werden in drei bis fünf Werktagen – oder in nur 48 h beim «Express Service» – effizient durchgeführt. Bevollmächtigt vom Schweizer KalibrationsService (SCS) des Bundesamts für Metrologie und Akkreditierung, führt das ServiceCenter Kalibrationen gemäss ISO 17025 durch und stellt international akkreditierte, von allen ILAC-Mitgliedern anerkannte, Zertifikate aus. Socorex kalibriert, revidiert und retourniert schnell und zuverlässig Ihre Instrumente, um dauerhaft bestmögliche Resultate im Labor zu garantieren. Präzise und zuverlässige Pipetten Die Acura® manual Pipetten vereinen Hightech-Materialien mit aussergewöhnlich kundenorientierter Ergonomie. Durch hohe Leistungsanforderungen sorgen die Instrumente selbst bei den anspruchsvollsten Pipettierprozessen für zuverlässige Resultate. Autoklavierbar komplett zusammengesetzt, 3 Jahre Garantie. Socorex nimmt nicht an der virtuellen Messe teil, Sie sind aber herzlich auf einen Besuch unter www.socorex.com eingeladen.

PSS Polymer Standards Service GmbH In der Dalheimer Wiese 5 D-55120 Mainz Telefon +49 6131 96239 0 info@ pss-polymer.com www.pss-polymer.com www.pss-shop.com www.psscolumnselector.com

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Roth AG Fabrikmattenweg 12 CH-4144 Arlesheim Telefon +41 61 712 11 60 Fax +41 61 712 20 21 info@carlroth.ch www.carlroth.ch

Socorex Isba SA Chemin de Champ-Colomb 7a CH-1024 Ecublens Telefon +41 21 651 6000 socorex@socorex.com www.socorex.com

Bild: Messe Frankfur t Exhibition GmbH/Petra Welzel

VER ANSTALTUNGEN

Dieses Jahr werden die Besucher die Messe auf ihren Bildschirmen zu Hause oder im Büro erleben.

Wegen erschwerter Reisebedingungen

Cleanzone 2020 wird digital Die Fachmesse findet am 18. und 19. November 2020 als rein virtuelle Veranstaltung statt. Die Messe Frankfurt hat sich im engen Schulterschluss mit der Strategiekommission der Cleanzone und der Branche zu diesem Schritt entschieden. Steigende Fallzahlen der Covid-19-Pandemie sowie verschärfte Reiserestriktionen machen es Ausstellern und Besuchern, vor allem auch aus dem Ausland, schwer bis unmöglich, physisch an der Cleanzone teilzunehmen.

Kerstin Horaczek, Group Show Director Technology bei der Messe Frankfurt, führt aus: «Aufgrund dieser Umstände kann die Cleanzone am Standort in Frankfurt im November ihrem Anspruch als internationalem Branchentreff nicht gerecht werden. Die Reinraum-Community und ihre Anwenderindustrien jedoch brauchen im Herbst einen internationalen Treffpunkt, um sich über die aktuellen Entwicklungen in der Kontaminationskontrolle auszutauschen. Daher haben wir uns in enger Absprache mit der Branche und der Strategiekommission dazu entschlossen, diesen digital anzubieten.»

KI-gestütztes Matchmaking Die virtuelle Cleanzone bietet Ausstellern viele spannende und neue Businessfunktionen, die Gelegenheit ihre Produkte mul32

timedial zu präsentieren und sich mit ihren Kunden durch KI-gestütztes Matchmaking aktiv zu vernetzen. Die Besucher können sich neben dem Austausch mit Ausstellern und anderen Besuchern Produktvorführungen ansehen und interaktiv an hochaktuellen Fachvorträgen teilnehmen. Darüber hinaus haben sie die Gelegenheit, den diesjährigen Preisträger des Clean zone Awards zu wählen sowie die Preisverleihung live zu verfolgen. Horaczek weiter: «Wir werden die digitale Cleanzone weltweit vermarkten. Unser internationales Vertriebsnetz steht in den Startlöchern. Dabei helfen uns auch die Erfahrungen, die wir bereits durch das Veranstalten von virtuellen Messen gewonnen haben.» Wie wichtig ein internationaler Austausch ist, zeigen auch die aktuellen Entwicklungen. Die industrielle Hightech-Produktion

benötigt mehr denn je Innovationen, um Kontaminationsgefahren zu beherrschen. Auch im Kampf gegen Covid-19 ist das Wissen der Reinraumtechniker gefragt, die Lösungen für das medizinische Umfeld und sogar den Alltag entwickelt haben. Weitere Schwerpunktthemen der virtuellen Cleanzone sind unter anderem modulare Reinraumsysteme sowie die Bedeutung der Reinraumtechnik in der Batterieproduktion. Als internationale Fachmesse ist die Cleanzone damit unverzichtbarer Treffpunkt, um über diese hochaktuellen Themen zu diskutieren.

Medienmitteilung Messe Frankfurt www.cleanzone.messefrankfurt.com 10/2020

TERMINE

Kurse, Seminare, Workshops und Messen NOVEMBER 2020 04.11.

05.11.

07. – 08.11.

Pinch-Analyse: Online-Weiterbildungskurs – Integration von thermischen Energiespeichern Ort: Online (13–17 Uhr) Veranstalter: Hochschule Luzern – Technik & Architektur Technikumstrasse 21, CH-6048 Horw + 41 41 349 33 11 technik-architektur@hslu.ch, www.pinch-analyse.ch/de Sichere Maschinen – Kompaktseminar zur Umsetzung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG – 20.23.10d Ort: Wallisellen, Swiss Safety Center Akademie Veranstalter: Swiss Safety Center Swiss Safety Center Akademie, Richtistrasse 17 CH-8304 Wallisellen +41 44 877 62 45 ausbildung@safetycenter.ch https://akademie.safetycenter.ch/ FT-IR-Spektroskopie Messung und Interpretation von IR-Spektren Ort: CH-4105 Biel-Benken Veranstalter: Portmann Instruments AG Gewerbestrasse 18, CH-4105 Biel-Benken +41 61 726 65 55 info@portmann-instruments.ch www.portmann-instruments.ch

11. – 12.11

Chemspec Europe Köln www.chemspeceurope.com Verschoben auf 19.–20. Mai 2021

12.11.

Einführung in die Ionenchromatographie Ort: CH-Zofingen Veranstalter: Metrohm Schweiz AG Industriestrasse 13, CH-4800 Zofingen +41 62 745 28 28 info@metrohm.ch, www.metrohm.ch

13.11.

Interpretationstraining für IR-Spektren Ort: CH-Biel-Benken Veranstalter: Portmann Instruments AG Gewerbestrasse 18, CH-4105 Biel-Benken +41 61 726 65 55 info@portmann-instruments.ch www.portmann-instruments.ch

17.11.

Die Qualitätssysteme GMP und GLP im Überblick – Ein Leitfaden der Guten Praxis Ort: D-Frankfurt a. M. Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstr. 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung

18. – 19.11.

Cleanzone Frankfurt www.cleanzone.messefrankfurt.com Messe findet rein virtuell statt

10/2020

24. – 26.11.

Chemical Development and Scale-Up in the Fine Chemical and Pharmaceutical Industries Ort: D-Frankfurt a. M. Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstr. 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung

Online-Kurse und Termine Aufgrund der besonderen Lage haben Veranstalter von Messen und Kursanbieter Massnahmen ergriffen. Bei Kursen und Seminaren können die Massnahmen je nach Situation wieder ändern. Informieren Sie sich zur Sicherheit direkt bei den Kursanbietern. Es kann sein, dass Kurse verschoben, gestrichen oder online angeboten werden. Stand: 25.09.2020

DEZEMBER 2020 01.12.

Verhalten im Reinraum Ort: D-Marburg Veranstalter: ReinraumAkademie der profi-con GmbH Rosa-Luxemburg-Str. 12–14, D-04103 Leipzig +49 341 98989-303 info@reinraum-akademie.de https://www.reinraum-akademie.de/veranstaltungen/

02.12.

Professionelle Reinraumreinigung Ort: D-Marburg Veranstalter: ReinraumAkademie der profi-con GmbH Rosa-Luxemburg-Str. 12–14, D-04103 Leipzig +49 341 98989-303 info@reinraum-akademie.de https://www.reinraum-akademie.de/veranstaltungen/

02. – 03.12.

Mikrowellen-Aufschlusstechnik Ort: D-47475 Kamp-Lintfort Veranstalter: CEM GmbH Carl-Friedrich-Gauss-Str. 9 47475 Kamp-Lintfort +49 28 42 96 44 0 info@cem.de, www.cem.de

07. – 08.12.

GMP-Intensivtraining: Hintergründe und Essentials der GMP auf deutscher, europäischer und amerikanischer Ebene – mit Praxisteil Ort: D-Frankfurt a. M. Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstr. 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung

17. – 18.12

Datenintegrität und Computervalidierung im analytischen Labor Ort: D-Frankfurt a. M. Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstr. 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung Weitere Termine finden Sie unter www.chemiextra.com bei Agenda/Veranstaltungen

FIRMEN BERICHTEN

Anionenaustausch-Chromatographie

Kleines Paket mit grosser Wirkung Das Unternehmen Shimadzu hat ein neues System für die Ionenchromatographie entwickelt. Es dient der nachweisstarken Analyse von Anionen in wässrigen Proben, etwa in der Batterieforschung oder der Halbleiterindustrie. Der patentierte Anionen-Suppressor sorgt für hochempfindliche Analysen mit verbesserter Peak-Schärfe, um zum Beispiel anorganische Anionen in Trinkwasserproben nach EPA Methode 300 zu bestimmen.

Ionenchromatographie (IC) ist eine Methode für die Trennung von ionischen Analyten in der flüssigen Phase. Hierbei wird zwischen Anionen- und KationenaustauschChromatographie unterschieden, wo entweder negative oder positive Ionen getrennt werden. Typische Anwendungsgebiete sind die Analyse von Wasserproben (z. B. Abwasser, Trinkwasser, Grundwasser) oder der Einsatz in der Halbleiter- und Batterieindustrie. In Verbindung mit dem neuen Anionen-Suppressor ICDS-40A bietet das neue Nexera HIC-ESP System eine nachweisstarke Lösung für diese Art der Flüssigchromatographie.

Meilenstein in der Anionenaustausch-Chromatographie Mit dem neuen elektrodialytischen Suppressor für Anionen, setzt das Unternehmen Shimadzu einen Meilenstein für die

Das passende Zubehör Das Portfolio für die Nexera HIC-ESP wird durch die Shimpack IC-Trennsäulen abgerundet. Durch unterschiedliches Säulenmaterial sind diese für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten ausgelegt und bieten somit flexible Wahlmöglichkeiten: – Für die allgemeine Anionenanalyse, die für die nachweisstarke Analyse in Kombination mit dem ICDS-40A Suppressor verwendet werden kann – Speziell für die Analyse von Trinkund Mineralwasser, mit der sich Proben nach der EPA-Methode 300 untersuchen lassen – Für die Kationenanalyse, die für eine Vielzahl von Probenarten einsetzbar ist.

Bild 1: Ein kompaktes und robustes System für die nachweisstarke Ionenchromatographie: die neue Nexera HIC-ESP mit patentierter Technologie.

empfindliche Analyse von Ionen. Der Suppressor entfernt unerwünschte Ionen mit hoher Leitfähigkeit, wie beispielsweise Natrium-Ionen, vor der Detektion aus der Flusslinie und gewährleistet so eine nachweisstarke Detektion der Analyt-Ionen. Für diesen Prozess durchfliesst der im Eluent gelöste Analyt die speziell gefaltete Membran des Suppressors, wobei Ionen mit hoher Leitfähigkeit durch Protonen ersetzt werden. Das Innenvolumen des Suppressors wurde durch einen neuartigen Aufbau verkleinert, um Diffusion und Dispersion der analytischen Peaks innerhalb des Suppressors zu minimieren und scharfe Peaks zu erhalten. Dies führt zu einer deutlich höheren Empfindlichkeit des Systems für die Anionenanalyse. Die Regeneration des Suppressors erfolgt parallel zur Analyse. Er kann mit dem Abfallfluss aus dem Detektor kostensparend regeneriert werden und benötigt hierfür keine zusätzlichen speziellen Reagenzien.

Bild 2: Der ICDS-40A ist der neue elektrodialytische Anionensuppressor. Durch das patentierte Membrandesign im Inneren des Suppressors besitzt der ICDS-40A ein minimales Volumen und sorgt für sehr schmale Peaks.

Bei der Entwicklung der neuen Nexera HIC-ESP wurden hohe Anwenderfreundlichkeit und eine kompakte Bauweise kombiniert. Mit dem schmalen Säulenofen weist dieses IC-System eine Breite von nur 42 cm auf und braucht nur halb so viel Stellfläche, wie vergleichbare IC-Systeme. Speziell für die Analyse von Anionen in Wasserproben ist die EPA-Methode 300 der globale Standard. Mit der neuen Nexera HIC-ESP ist es möglich, bis zu 10 anorganische Anionen in einer Probe zu bestimmen.

Kontakt Shimadzu Schweiz GmbH Römerstrasse 3 CH-4153 Reinach BL +41 61 717 93 33 info@shimadzu.ch www.shimadzu.ch

10/2020

PUBLIREPORTAGE

Motivierte Mitarbeitende beim Premium-Logistikdienstleister Dachser

Chancen in der Logistik Selina Hipp bewarb sich 2016 auf eine Anzeige bei Dachser Schweiz. Als Assistentin des Landesleiters sammelte sie in der Niederlassung Regensdorf (ZH) erste Erfahrungen in der Logistik. Jetzt startet sie als Business Development Manager Dachser Chem-Logistics durch.

Selina Hipp engagiert sich und überzeugt. Drei Jahre lang war sie die rechte Hand des Landesleiters von Dachser Schweiz. Mit einem weinenden und einem lachenden Auge lässt Urs Häner, Managing Director European Logistics Switzerland, sie ziehen. «Ich werde ihre Unterstützung vermissen. Aber wir hatten Frau Hipp von Anfang an mögliche Karriereperspektiven aufgezeigt, um sie für Dachser zu gewinnen. Jetzt packt sie diese beim Schopf und übernimmt als Business Development Manager den Ausbau der Branchenlösung Dachser Chem-Logistics in der Schweiz», erläutert Urs Häner. «Ihr Weg war zu keiner Zeit in Stein gemeisselt. Jetzt muss sie sich im neuen Job bewähren. Wenn sie will, stehen ihr dann alle Türen für eine grosse Karriere bei Dachser offen.» Während des Bachelorstudiums in Betriebswirtschaft sammelte Selina Hipp erste Berufserfahrungen in einer Eventagentur, wechselte zu einer Unternehmensberatung und liess sich dann von einem technologischen Start-up locken. Sie absolvierte in dieser Zeit ausserdem

einen Master of S cience in Business Administration. «Diese Jobs und das weiterführende Masterstudium waren für mein weiteres Fortkommen durchaus hilfreich. Ich habe durch diese unterschiedlichen Stationen gelernt, wie man Vertrauen gewinnt, Informationen zielgruppengerecht aufbereitet und präsentiert, kosteneffizient plant und organisiert. Nie den Blick fürs grosse Ganze verliert. Aber mit Spedition hatte dies alles nicht viel zu tun», sagt sie. Dabei ist die Logistik inzwischen ihr zweites Zuhause. «Als ich die Anzeige von Dachser sah, dachte ich: Das klingt spannend. Das Unternehmen war mir ein Begriff, da mein Onkel in der Transport- und Logistikbranche tätig war. Heute bin ich immer noch begeistert, dass ich mich für Dachser entschieden habe und Dachser sich für mich. Bisher habe ich viele, tolle Freundschaften mit anderen Mitarbeitenden im In- und Ausland geschlossen und stets viel Unterstützung erfahren.» Als Assistentin des Landesleiters war Selina Hipp Ansprechpartnerin für Niederlas-

Dachser Chem-Logistics: Ein Partner für sichere Chemietransporte.

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Selina Hipp: Business Development Manager Dachser Chem-Logistics.

sungs-, Verkaufs- und Abteilungsleiter und Schnittstelle zu anderen Auslandsgesellschaften sowie zur Konzernzentrale in Kempten, Deutschland. «Das war eine sehr facettenreiche Aufgabe. Sie erfordert viel Geduld, Empathie und Durchsetzungsvermögen. Gleichzeitig wurde ich mit mehreren Projekten betraut, zum Beispiel im Bereich Innovationen. So habe ich dazu beigetragen, das strategische Innovationsprogramm ‹Idea2net› von Dachser in der Schweiz umzusetzen. Ausserdem habe ich den Empfang geführt und zwölf Auszubildende betreut.» «Das Erlernte kann ich jetzt vollumfänglich in die Praxis umsetzen. Seit dem 1. Januar 2020 bin ich als Business Development Manager Dachser Chem-Logistics nun Brückenbauerin zwischen Verkauf und Produktion, für die Vernetzung in Europa sowie den Ausbau der Branchenlösung in der Schweiz zuständig», sagt Selina Hipp. Kontakt verkauf.regensdorf@dachser.com www.dachser.ch

Bilder: Schwer Fittings

PUBLIREPORTAGE

Für bessere Korrosionsbeständigkeit

Klemm-Keilring-Verschraubung aus Edelstahl Schwer Fittings hat sich vor über fünfzehn Jahren zur Aufgabe gemacht, eine europäisch produzierte Klemm-Keilring-Verschraubung auf den Markt zu bringen. Nach einer intensiven Entwicklungsphase mit unzähligen Tests und bestandenen Prüfungen werden diese in eigenen Fertigungsbetrieben hergestellt. Grossen Wert wird vor allem auf die Verwendung von hochwertigen, verfestigten Edelstahl-Qualitäten mit erhöhtem Chrom- und Nickelanteil gelegt. Für eine bessere Korrosionsbeständigkeit liegen dabei die Anteile im oberen Bereich der Toleranzangaben.

Grundsätzlich besteht die u2-Lok-Verschraubung aus vier Komponenten bzw. Einzelteilen: Dem medienführenden Grundkörper (gerader Stutzen, Winkel, T-Stück oder Kreuzstück), der Überwurfmutter und den zwei Ringen, bekannt auch als Klemm- und Keilring. Die Verschraubungen finden überall dort ihre Anwendung, wo Gase und flüssige Medien strömen bzw. fliessen und wo ein hoher Sicherheitsstandard gefordert wird. Zusätzliche Merkmale wie eine leichte Montage, grosse Variantenvielfalt im me trischen sowie zölligen Bereich und qualitative hochwertige Rautiefen dank modernster Fertigungstechnik sichern den Klemm-Keilring-Verschraubungen ein breites Anwendungsgebiet. Mit dem Einsatz von hochwertigem Edelstahl ist eine lange «Lebensdauer» auch in 36

aggressiver Umgebung gewährleistet. Primär werden als Standardwerkstoffe 1.4404 (AISI 316L) oder 1.4401 (AISI 316) angeboten, die vor allem in der Pharmaund Biotechnologie eingesetzt werden. In der Schweiz kommt bevorzugt der Werkstoff 1.4435 nach Basler Norm zum Tragen. Auf Sonderwunsch fertigt Schwer Fittings auch den Werkstoff 1.4571 sowie 1.4439 und 1.4462, auch als Duplex bekannt, oder 1.4410 als Superduplex. Hastelloy, Monel und Inconel werden oft von der Chemie gefordert. Funktionell abgestimmte Toleranzen und gleichbleibende Oberflächengüten bei Klemm-Keilring-Verschraubungen sichern leckagefreie Rohrverbindungen sowohl im Hochdruck- als auch im Vakuumbereich. Vibrationen sowie Druckstösse werden

Die u2-Lok-Verschraubungen kommen vor allem zum Einsatz: – in der chemischen Prozesstechnik – in der Pharma- und Biotechnologie – in der Mineralölverarbeitung – im Offshore und Schiffsbau – in der Nuklearforschung – in Laboratorien und Instituten – in der Vakuumtechnik

durch die konstruktive Gestaltung weitestgehend absorbiert, ohne dass Undichtigkeiten zu befürchten sind. Selbst bei vibrationsstarkem Betrieb der Anlage gewährleistet die Verschraubung ausreichend Sicherheit bei hohen Drücken oder Vakuum. 10/2020

PUBLIREPORTAGE

Dies wird ermöglicht durch vier effiziente Konstruktionsdetails: – Der Keilring bewirkt durch seine federartige Verformung eine Dämpfung der Schwingungen aus dem Rohrnetz. Weiterhin verhindert er eine Übertragung des Anzugsdrehmoments von der Mutter auf den Klemmring. – Der Klemmring dichtet ringförmig auf den Anpressflächen zwischen Verschraubung und Rohr ab. Durch den Konus in der Bohrung wird der Klemmring auf das Rohr gepresst, so dass eine Einschnürung entsteht, wodurch das Rohr druckdicht festgeklemmt wird. – Das oberflächenversilberte Feingewinde der Überwurfmutter verhindert ein Festfressen der Edelstahlschraubverbindung. Dies gestattet problemlos die mehrfache Verwendung der gleichen Verschraubung. – Eine tiefe Bohrung für das Rohr mit einem Konus am Ende garantiert akkuraten Sitz und Zentrierung des Rohres.

Die Verschraubungen werden einsatzbereit geliefert. Die Mutter und die KlemmKeilringe der Verschraubung müssen für die Montage nicht demontiert werden. Die Überwurfmuttern sind mit den Klemm- und Keilringen auf dem Verschraubungskörper fingerfest angezogen und somit für die Montage sofort einsetzbar. Für eine fachgerechte Montage sind unbedingt die Montageanleitungen zu beachten. Wiederholmontagen sind mehrfach möglich.

Hauptmerkmale der Verschraubung u2-Lok.

Die Verschraubungen von Schwer Fittings sind durch die Zertifizierungsstelle DNV·GL (Det Norske Veritas Germanischer Lloyd) zertifiziert. Die sehr umfangreiche Baumusterprüfung umfasste folgende Prüfungen: Kombinierte Druckimpuls und Vibrationsprüfung, Wiederholmontageprüfung, Dichtigkeitsprüfung, Vakuumprüfung, Auszugsprüfung und eine Berstdruckprüfung. Der hintere Keilring besitzt eine sehr hohe Oberflächenhärte bis zu HV 1.000. Der Innenkonus im Stutzen ist glatt rolliert und die Oberfläche ist verdichtet, Ra 0,4 max. Die Aussengewinde sind gerollt/gestrehlt. Die versilberten Innengewinde der Überwurfmutter verhindern das Kaltverschweis sen und sind dadurch leicht lösbar. Die u2-Lok-Verschraubungen werden in eigenen Fertigungsstätten in Europa hergestellt. Die Halbzeuge stammen grösstenteils aus EU-Ländern. Sowohl die Qualitätssicherung als auch die laufenden Druckprüfungen erfolgen ausschliesslich im Firmenhauptsitz von Schwer Fittings.

Drucktest-Anforderungen gemäss Vorgabe vom Kunden werden im Hause Schwer durchgeführt und dokumentiert. Auf den medienführenden Teilen wird generell eine Prüfnummer eingelasert. Diese Nummer verbirgt zahlreiche Informationen. So kann auch nach Jahren die Zuordnung zum Ausgangswerkstoff mit sämtlichen mechanischen Prüfungen und die Belegung mit 3.1 Zeugnis garantiert werden. Weiterhin ist rückverfolgbar, wann, in welchem Fertigungswerk, auf welcher Maschine und von welchem Mitarbeiter die Teile gefertigt wurden.

Kontakt Schwer Fittings AG Römerstrasse 201 CH-8404 Winterthur +41 43 834 57 01 info.ch@schwer.com www.schwer.com

Polyurethan, der Konstruktionswerkstoff für anspruchsvolle Formteile - Grosse Freiheiten bei der Formgebung - Integrieren von Funktionen - Kleine bis mittlere Stückzahlen - Hochwertige Oberflächen

Die Emaform AG unterstützt sie zielorientiert, kompetent und zuverlässig von der Entwicklung über den Prototypenbau bis zum lackierten Formteil oder der montierten Baugruppe. 10/2020

Zetzwilerstr. 760 CH-5728 Gontenschwil Tel: +41 62 767 20 00 Mail: info@emaform.ch Web: www.emaform.ch

FORSCHUNGSWELT

Wissenschaftskritische Metastudie

Gleiche Daten – variable Ergebnisse In der Studie zur Analyse, Replikation und Vorhersage von Neuroimaging Daten (Narps) sammelten Forscher zunächst einen Hirnbild-Datensatz von 108 Teilnehmern, mit dem die Gehirnaktivität während einer Entscheidungsaufgabe mittels funktioneller Magnetresonanztomographie registriert wurde. Dieser Datensatz wurde an 70 Analyseteams aus der ganzen Welt verteilt.

Jedes Team analysierte unabhängig voneinander die gleichen Daten, wobei sie ihre jeweiligen Standard-Methoden zur Prüfung von neun vordefinierten Hypothesen einsetzen. Bei jeder dieser Hypothesen wurde gefragt, ob sich die Aktivität in einem bestimmten Teil des Gehirns in Bezug auf einen bestimmten Aspekt der Entscheidungen verändern würde.

Eine Gruppe international führender Ökonomen und Behavioral-Finance-Experten lieferte den ersten Anstoss für das Projekt und leitete den Prognosemarkt-Teil. Prognosemärkte sind ein innovatives Instrument, mit dem überprüft werden soll, ob Experten in der Lage sind, die Ergebnisse eines Forschungsprojektes vorherzusagen – in diesem Fall, welche der neun getesteten wissenschaftlichen Hypothesen bestätigt werden. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen hatten bis zu drei Monate Zeit, um die Daten zu untersuchen, danach lieferten sie ihre Endergebnisse für die neun Hypothesen mit detaillierten Informationen über die Art und Weise, wie sie die Daten analysiert hatten. Wichtigste Erkenntnis des Narps-Projektes: Die beträchtliche Varianz, was die Beantwortung der Hypothesen als zutreffend oder nicht betrifft, wenn derselbe komplexe Bildgebungs-Datensatz mit verschiedenen Analyse-Ansätzen analysiert wurde. Bei gleich fünf der Hypothesen gab es erhebliche Unterschiede in der Beantwortung. Dieser Unterschied lässt sich durch die unterschiedlichen Ansätze in der Beantwortung der Hypothesen erklären. Bei einer binären Entscheidung mit Ja oder Nein geht viel Information verloren, während 38

Bild: derknopfdruecker.com

Prognosemarkt-Analysen

Wichtigste Erkenntnis des Narps-Projektes: Die beträchtliche Varianz, was die Beantwortung der Hypothesen als zutreffend oder nicht betrifft, wenn derselbe komplexe Bildgebungs-Datensatz mit verschiedenen Analyse-Ansätzen analysiert wurde.

bei der Meta-Analyse durch die Aggregierung von Daten mehr Information vorliegt.

Ergebnisse kritisch hinterfragen Die Meta-Analyse der individuellen Ergebnisse bestätigte jedoch eine hohe Konvergenz zwischen den Ergebnissen der 70 Teams. Zudem waren die Gehirnaktivierungskarten (also die eigentlichen Ergebnisse, die der binären Entscheidung, ob eine Hypothese bestätigt wird, zugrunde liegen) relativ konsistent über die 70 Analysen hinweg. Was die Vorhersehbarkeit der zu erwartenden Ergebnisse angeht, zeigte sich, dass die Forscher die Wahrscheinlichkeit signifikanter Ergebnisse zu optimistisch einschätzten – und zwar selbst dann, wenn diese direkt an der Analyse beteiligt waren.

Originalpublikation Tom Schonberg et al., (2020) «Variability in the analysis of a single neuroimaging dataset by many teams»; DOI: 10.1038/ s41586-020-2314-9

Kontakt Univ.-Prof. Mag. Dr. Claus Lamm Universität Wien Institut für Psychologische Grundlagenforschung und Forschungsmethoden Liebiggasse 5 A-1010 Wien +43 14277 471 30 claus.lamm@univie.ac.at www.univie.ac.at

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FORSCHUNGSWELT

Molekulare Kräfte

Das verblüffende Dehnverhalten der DNA

Experimente mit DNA-Molekülen zeigen, dass sie völlig andere mechanische Eigenschaften haben als makroskopische Objekte – und das hat wichtige Konsequenzen für die Biologie und die Medizin. An der TU Wien gelang es nun, diese Eigenschaften genau zu erklären, durch eine Kombination von Ideen aus dem Bauingenieurwesen und der Physik.

Unerwartetes Verhalten auf Molekül-Ebene Auf den ersten Blick könnte man die DNA-Doppelhelix für eine winzig kleine Feder halten, die man einfach dehnen und stauchen kann, wie man das auch von gewöhnlichen Sprungfedern kennt. Doch ganz so einfach ist die Sache nicht: «Wenn man ein DNA-Stück langzieht, würde man eigentlich erwarten, dass dabei die Zahl der Windungen abnimmt. Doch in bestimmten Fällen ist das Gegenteil der Fall: Wenn die Helix länger wird, dreht sie sich manchmal noch mehr ein», sagt der Bauingenieur Johannes Kalliauer vom Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der TU Wien. «Ausserdem sind DNA-Moleküle viel dehnbarer als die Materialien, mit denen wir im Bauingenieurwesen sonst zu tun haben: Sie können unter Zugspannung um 70 % länger werden.» Für Biologie und Medizin sind diese seltsamen mechanischen Eigenschaften der DNA von grosser Bedeutung: «Wenn die Erbinformation vom DNA-Molekül abgelesen wird, kann es von den Details der Geometrie abhängen, ob es zu einem Lesefehler kommt, der im schlimmsten Fall sogar Krebs auslösen kann», sagt Johannes Kalliauer. «Bisher musste man sich in der Molekularbiologie mit empirischen Methoden zufriedengeben, um den Zusammen10/2020

hang zwischen Kräften und Geometrie der DNA zu erklären.» In seiner Dissertation ging Johannes Kalliauer dieser Sache auf den Grund – und zwar in Form einer eher ungewöhnlichen Fächerkombination: Seine Arbeit wurde einerseits vom Bauingenieur Prof. Christian Hellmich betreut, andererseits auch von Prof. Gerhard Kahl vom Institut für Theoretische Physik. «Wir verwendeten Methoden der Molekulardynamik, um das DNA-Molekül am Computer auf atomarer Skala nachzubilden», erklärt Kalliauer. «Man legt fest, wie die DNA-Helices gestaucht, gedehnt oder verdreht werden – und dann ermittelt man, welche Kräfte auftreten, und in welche Endposition die Atome schliesslich gelangen.» Solche Rechnungen sind sehr aufwendig und nur mithilfe grosser Supercomputer möglich – Johannes Kalliauer verwendete dafür den Vienna Scientific Cluster (VSC). So konnte man die merkwürdigen experimentellen Befunde erklären – etwa das kontraintuitive Ergebnis, dass sich die DNA in bestimmten Fällen bei Dehnung noch mehr eindreht. «Auf grosser Skala kann man sich das schwer vorstellen, aber auf Ebene der Atome ergibt das plötzlich Sinn», sagt Johannes Kalliauer.

Seltsame Zwischenwelt Im Rahmen der atomaren Modelle der theoretischen Physik kann man interatomare Kräfte und Abstände ermitteln. Mit bestimmten Regeln, die das Team basierend auf Prinzipien aus dem Bauingenieurwesen entwickelte, kann man daraus dann die relevanten Kraftgrössen ermitteln, die man benötigt, um den DNA-Strang als Ganzes zu beschreiben – ähnlich wie man die Statik eines Balkens im Bauingenieur-

Bild: TU Wien

Wenn grosse Kräfte auf einen Balken einwirken, etwa im Brückenbau, dann wird sich der Balken ein bisschen verformen. Die Zusammenhänge zwischen Kräften, inneren Spannungen und Verformungen zu berechnen, gehört zu den Standardaufgaben im Bauingenieurwesen. Aber was passiert, wenn man diese Überlegungen auf winzige Objekte anwendet – etwa auf eine einzelne DNA-Doppelhelix?

Johannes Kalliauer: eine interdisziplinäre Doktorarbeit über das mechanische Verhalten des Erbguts. Im Hintergrund sind unterschiedlich stark gestauchte DNA-Moleküle.

wesen mithilfe einiger wichtiger Querschnittseigenschaften beschreiben kann. «Wir bewegen uns hier in einer interessanten Zwischenwelt, zwischen dem Mikro skopischen und dem Makroskopischen», sagt Johannes Kalliauer. «Das Besondere an diesem Forschungsprojekt ist, dass man wirklich beide Sichtweisen benötigt und sie miteinander verbinden muss.» Diese Kombination deutlich unterschiedlicher Grössenskalen spielt am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen immer wieder eine zentrale Rolle. Schliesslich werden die Materialeigenschaften, die wir täglich im grossen Massstab spüren, immer vom Verhalten auf der Mikroebene bestimmt. Die aktuelle Arbeit, die nun im «Journal of the Mechanics and Physics of Solids» publiziert wurde, soll einerseits zeigen, wie man das Grosse und das Kleine auf wissenschaftlich exakte Weise mitei nander verbinden kann, und andererseits helfen, das Verhalten der DNA besser zu verstehen – bis hin zur Erklärung von Erbkrankheiten. Medienmitteilung Technische Universität Wien www.tuwien.at 39

UMWELT

Die Bedeutung von Erosion wird zunehmen

Forschende errechnen düstere Szenarien Die Erosion von Böden hat weitreichende Folgen: Sie führt zum Verlust von fruchtbarer Erde, verringert die landwirtschaftliche Produktivität und gefährdet die Ernährung eines grossen Teils der Weltbevölkerung. Die in der Fachzeitschrift «Pnas» veröffentlichte Studie prognostiziert anhand eines globalen Modells, wie sich die Bodenverluste durch Wasser bis ins Jahr 2070 voraussichtlich verändern werden. Forschende der Universität Basel haben sich massgeblich an diesen Erkenntnissen beteiligt.

Bild: Adpic

Bei der Erosion wird der Boden durch Wind und vor allem durch Wasser abgetragen. Eine intensive Bewirtschaftung von Agrarflächen und erosionsfördernde Methoden in der Landwirtschaft beschleunigen den Verlust des Bodens ebenso wie Abholzung und Überweidung. Hinzu kommt, dass wegen des Klimawandels in Teilen der Welt mit zunehmenden Niederschlägen zu rechnen ist, die den Boden verstärkt wegspülen.

Drei mögliche Folgen bis 2070

Die Bewässerung mit Sprinklern führt auf diesem Gemüsefeld zu Abfluss und Erosion des Bodens. Regenfälle verstärken den Effekt.

Für ihre Vorhersagen stützten sich die Forscher auf drei Szenarien, wie sie auch der Weltklimarat IPCC verwendet. Diese skizzieren mögliche Entwicklungen im 21. Jahrhundert anhand von unterschiedlichen sozioökonomischen Annahmen. In sämtlichen Szenarien ist von einer anhaltenden Wassererosion auszugehen, und zwar ungeachtet der klimatischen Bedingungen und in fast allen der rund 200 Länder, die in der Studie berücksichtigt wurden. Allerdings deuten die Ergebnisse gleichzeitig darauf hin, dass der Klimawandel die Hauptursache für die Zunahme der Bodenerosion ist.

Verglichen mit dem Jahr 2015, sagen die Simulationen bis 2070 je nach Szenario eine erhebliche Zunahme der Bodenerosion um 30 % bis 66 % voraus. Wenn sich die landwirtschaftlichen Praktiken nicht ändern und Massnahmen gegen die globale Erwärmung ausbleiben, rechnen die Forschenden mit einem zusätzlichen jährlichen Bodenverlust von über 28 Milliarden Tonnen. Das wären rund zwei Drittel mehr als die 43 Milliarden Tonnen, die für 2015 angenommen werden. Am anfälligsten für eine starke Zunahme der Erosion sind dabei tropische und subtropische Länder. Deshalb sei es gerade für die Länder im globalen Süden von entscheidender Bedeutung, die Verbreitung von nachhaltigen landwirtschaftlichen Praktiken zu fördern, so die Autoren. «Die Erosion von Böden kann durch eine nachhaltige Bewirtschaftung und geeignete politische Massnahmen beeinflusst werden», so der Umweltwissenschaftler Dr. Pasquale Borrelli von der Universität Basel. «Wir hoffen, dass unsere Prognosen dazu beitragen, das drohende Ausmass der Erosion zu erkennen und sie es den politi-

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Eine elektrische, benutzerfreundliche Möglichkeit, 96 Tubes in weniger als 8 Sekunden zu decappen www.nbsscientific.com

schen Entscheidungsträgern ermöglichen, effektive Massnahmen zu entwickeln, welche die Auswirkungen eingrenzen.» Beteiligt an der Studie waren Forschende der Universität Basel, der Kangwon National University, des UK Centre for Ecology and Hydrology, des Joint Research Centre der EU-Kommission sowie der ETH Zürich. Originalpublikation Pasquale Borrelli, David A. Robinson, Panos Panagos, Emanuele Lugato, Jae E. Yang, Christine Alewell, David Wuepper, Luca Montanarella, Cristiano Ballabio, «Land use and climate change impacts on global soil erosion by water (2015–2070)», Pnas (2020); DOI: 10.1073/pnas.2001403117 Kontakt Prof. Dr. Christine Alewell Universität Basel Petersplatz 1 CH-4001 Basel +41 61 207 04 77 christine.alewell@unibas.ch www.unibas.ch

10/2020

Bild: Markus Breig, KIT

LEBENSMIT TELTECHNIK

Mehlwürmer (Tenebrio molitor) belasten die Umwelt nur gering und besitzen einen hohen Proteingehalt.

Tierische Proteine

Brot aus Mehlwürmern Mit dem Bevölkerungswachstum wird sich der weltweite Bedarf an tierischen Proteinen nach Einschätzung der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) bis zum Jahr 2050 verdoppeln. Selbst wenn noch freie landwirtschaftliche Flächen erschlossen würden, liesse sich dieser Bedarf nicht allein durch Fleisch aus der Viehzucht decken. Deshalb untersuchen Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) die Herstellung neuer alternativer Proteinquellen.

Insekten sind in vielen Kulturen, etwa in Asien oder Südafrika, fester Bestandteil der Ernährung. In Europa sind sie als Nahrungsmittel bisher eher ein Nischenprodukt. Dabei liegt der Fokus der industriellen Produktion derzeit auf Mehlwürmern (Tenebrio molitor), deren Larven viele Proteine aufweisen. «Mehlwürmer haben gegenüber Rindfleisch den Vorteil, dass sie etwa halb so viel CO2 produzieren und damit die Umwelt weniger belasten», erklärt Dr. Azad Emin vom KIT. Der Verfahrenstechniker leitet die Nachwuchsgruppe «Extrusion von Biopolymeren» im Teilinstitut Lebensmittelverfahrenstechnik (LVT) des Instituts für Bio- und Lebensmitteltechnik des KIT. Als unverarbeitetes Lebensmittel – beispielsweise als Snack – lehnen viele Verbraucherinnen und Verbraucher Insekten noch ab. Erste Studien zeigen jedoch, dass bei Produkten, bei denen die Insekten nicht mehr erkennbar sind, die Akzeptanz steigt. Zu Pulver verarbeitet sei eine Einführung in den deutschen Markt über traditionelle Lebensmittel wie Brot denkbar, das nach wie vor zu den Hauptenergiequellen gehört, erläutert Emin. «Weizenmehl mit Insektenanteilen kann das Grundnahrungsmittel mit Proteinen anreichern und so auch eventuelle Defizite aus anderen Proteinquellen ausgleichen.» 10/2020

Für die Verarbeitung der Insekten nutzen Lebensmitteltechnikerinnen und -techniker die Extrusion – ein Verfahren, das schon seit langem genutzt wird, um zum Beispiel Pasta oder Zerealien herzustellen. Durch Zufuhr von Wasser entsteht eine teigartige Masse, die zunächst über Schneckenwellen geführt, erhitzt und schliesslich durch eine Düse gepresst wird. Anschliessend wird die trockene Masse gemahlen. Um eine hohe Verbraucherakzeptanz zu erreichen, sollen sich die neuen Mehle in Geschmack, Backeigenschaft und Textur kaum von herkömmlichen Backmehlen unterscheiden. Da der höhere Proteinund Fettgehalt in Insektenmehlen allerdings zu Veränderungen im Teig führt, untersuchen die Forscherinnen und Forscher am LVT diese auf ihre physikalischen und funktionellen Eigenschaften wie Löslichkeit, Wasserhaltevermögen oder Elastizität. Ziel ist, diese durch das Extrusionsverfahren gezielt so zu verbessern, dass sie die gewünschten Eigenschaften von Backmehlen erhalten. «Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Deaktivierung von Enzymen sowie die Reduktion mikrobieller Kontaminanten. Zusätzlich könnte eine verbesserte Verdaubarkeit erreicht werden», so Emin. Da bisher wenig über die Auswirkungen der

Extrusionsbedingungen auf die Verdaubarkeit und Bioverfügbarkeit der in Insekten enthaltenen Nährstoffe bekannt sei, untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese nun detailliert in Zusammenarbeit mit dem Max-Rubner-Institut. Die Extrusion in Verbindung mit dem Erschliessen neuer Rohstoffe könne auch dem traditionellen Bäckerhandwerk, insbesondere kleinen Betrieben, neue Perspektiven eröffnen, auch mit Blick auf Lebensmitteltrends. Die Zusammenarbeit mit ortsansässigen Betrieben mache ausserdem eine regionale Herstellung und Weiterverarbeitung möglich. Pressemeldung Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Kontakt Monika Landgraf Leiterin Gesamtkommunikation Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Kaiserstrasse 12 D-76131 Karlsruhe aileen seebauer@kit edu www.kit.edu

VERFAHRENSTECHNIK

Wärmemanagement für den Einsatz von Salzschmelzen

Wärmespeicherung in Solarkraftwerken Der Bedarf nach umweltschonenden und CO2 -armen Formen der Energiegewinnung steigt. Neben anderen Methoden steht dabei die Solarenergie im Fokus. Besonders solarthermische Kraftwerke mit Strahlungsbündelung («concentrated solar power», kurz CSP) bieten hier oftmals einen höheren Wirkungsgrad als Photovoltaikanlagen. Um die schwankende Produktion von Strom aufgrund der wechselnden Sonneneinstrahlung auszugleichen, werden in solchen Anlagen häufig Salzschmelzen als Wärmespeicher eingesetzt.

Tim Bruewer 1 Gesellschaftliche und politische Bewegungen haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass in den Ländern der Europäischen Union verstärkt auf Erneuerbare Energien gesetzt wird. Laut Daten des Energy Industries Council (EIC) werden im EURaum aktuell so viele Projekte zu erneuerbaren Energien geplant und durchgeführt wie in keiner anderen Region weltweit. Ähnliches gilt speziell für die solarthermische Erzeugung mit Strahlungsbündelung (CSP), welche sich im Gegensatz zur mittlerweile umstrittenen Windenergie durch besonders geringe Auswirkungen auf die Umwelt auszeichnet. Die European Solar Thermal Electricity Association (Estela) beziffert dabei die Zahl der laufenden Anlagen in Europa auf 2385 mit weiteren 588 Anlagen in Planung. Spanien, als europäischer Pionier der Solarthermie, arbeitet beispielsweise an einer neuen Gesetzgebung mit dem Ziel, bis 2024 neue Projekte auf den Weg zu bringen. Um diese Form der Energieerzeugung nachhaltig und gleichzeitig wirtschaftlich zu gestalten, bedarf es jedoch einer Optimierung der Effizienz einerseits sowie einer Minimierung von Störfaktoren im Betrieb andererseits.

Salzschmelzen als Standard-Energiespeicher Ein wesentlicher Ansatzpunkt für eine effiziente und kostensparende Nutzung von CSP-Systemen ist dabei der im System zirkulierende Wärmeträger. Bei dem hier verwendeten Beispiel einer CSP-Anlage Watlow Electric Manufacturing Company, St. Luis (USA)

Ein wesentlicher Ansatzpunkt für eine effiziente und kostensparende Nutzung von CSP-Systemen ist der im System zirkulierende Wärmeträger. Hier werden häufig Salzschmelzen als Medium eingesetzt, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften gegenüber Thermalöl behaupten.

wird das Sonnenlicht von Spiegeln auf einen zentralen Turm hin gebündelt, der das Licht absorbiert und damit die Wärme an einen flüssigen Energieträger im Inneren des Turms weitergibt. Hier werden häufig Salzschmelzen als Medium eingesetzt, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften gegenüber Thermalöl behaupten: Während das Öl nur bis ungefähr 400 °C verwendet werden kann, sind Salzschmelzen bis etwa 565 °C stabil. Auf diese Weise kann Dampf mit höherer Temperatur generiert werden, der sich positiv auf den Wirkungsgrad der Dampfturbine und damit auf die erzeugte Energie im Stromgenerator auswirkt. Daher haben sich seit geraumer Zeit chemische Verbindungen

aus beispielsweise NaNO3 und KNO3 bewährt, die erst auf eine Temperatur von etwa 265 °C vorgeheizt werden müssen, um zirkulieren zu können. Nachdem die Schmelze durch die Sonnenwärme im zentralen Absorber auf ungefähr 565 °C weiter erhitzt worden ist, fliesst das Salz zunächst in einen Speichertank, wo es auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Dort kann es je nach Anlage mehrere Stunden verbleiben, um auch nachts oder bei Bewölkung Wärme bzw. Energie bereitstellen zu können. Anschliessend pumpt die Anlage das Salz zu einem Dampfgenerator weiter, in dem aufgrund der Wärme des Salzes aus Wasser Dampf entsteht. Bei diesem Vorgang kühlt das 10/2020

VERFAHRENSTECHNIK

Laut Daten des Energy Industries Council (EIC) werden im EU-Raum aktuell so viele Projekte zu erneuerbaren Energien geplant und durchgeführt wie in keiner anderen Region weltweit.

Salz ab und wird danach in den Kreislauf zurückgespeist. Der entstandene Wasserdampf wiederum betreibt eine Dampfturbine und einen Stromgenerator, der schliesslich Energie erzeugt.

Die Hauptrisiken bei Salzschmelzen Bei diesem komplexen und von sehr grossen Temperaturunterschieden geprägten Prozess entstehen jedoch Schwierigkeiten, die sich einerseits auf die Effizienz und andererseits auf den Zustand der Anlage auswirken können. Auf dem Weg der Schmelze vom Dampfgenerator zurück in den zentralen Turm besteht die Gefahr, dass die Temperatur des Salzes unter einen spezifischen Grenzwert von etwa 228 °C fällt und das Salz erstarrt («Freezing»). Dies bedeutet ein grosses Risiko für die Anlage, da das Salz Rohre verstopfen kann und damit den Gesamtprozess stilllegt. Gleichzeitig bedarf es eines signifikanten Einsatzes von Energie, um das festgewordene Salz wieder zu verflüssigen. Dies resultiert in einer schlechteren Energiebilanz und gefährdet die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Ein weiteres Risiko besteht darin, dass an den eingesetzten Ventilen 10/2020

in den Leitungen Leckagen auftreten können. Dadurch verringert sich wiederum die Temperatur der Schmelze und die Wahrscheinlichkeit des Einfrierens steigt. Der Salzverlust wirkt sich ausserdem negativ auf die Effizienz der Anlage aus und es entstehen gleichzeitig Stillstandszeiten, weil die Ventile gegebenenfalls repariert werden müssen. Ebenfalls kritisch ist eine zu starke Erhitzung des Salzes: Wird eine je nach Salzschmelze variierende Grenz temperatur von ungefähr 585 °C überschritten, löst sich das Salz auf und ist nicht mehr nutzbar.

Temperaturmanagement für eine stabile Zirkulation Um diesen Problemen zu begegnen, wird durch ein Beheizungssystem die Temperatur ständig überwacht und reguliert. Dafür sind empfindliche Temperatursensoren nötig, die sowohl in den Speichertanks als auch in den Ein- und Auslass-Tanks des zentralen Turms eingesetzt werden. Für eine konstante Temperatur der Schmelze in den Speichertanks werden ausserdem leistungsfähige Heizelemente benötigt: Diese Aufgabe übernehmen in der Regel zwischen sechs und acht Eintauchheizele-

mente, die in einem zusätzlichen Hüllrohr montiert sind und eine Länge von jeweils etwa 5 Metern haben. Bei den verwendeten Materialien in den Tanks muss zudem auf Korrosionsbeständigkeit und die Eignung für hohe Temperaturen geachtet werden. Für die Hüllen der Heizelemente bietet sich hier beispielsweise die austenitische Eisen-Nickel-Chrom-Legierung Alloy 800 oder der Spezialstahl SS347H an. Damit stellen Temperaturen bis 600 °C keine Schwierigkeit dar, das Material ist korrosionsbeständig und auch bei tiefen Temperaturen stabil. Alternativ können medienbehaftete Teile auch mit dem ChromNickel-Edelstahl Aisi 347 H ausgeführt werden, der ebenfalls hohe Temperaturen toleriert und gegenüber interkristalliner Korrosion beständig ist. Doch nicht nur in den Speichertanks ist ein umfassendes Temperaturmanagement erforderlich: Auch im Absorber-Turm müssen zahlreiche Temperatursensoren und Regler verbaut sein, um einen gleichmässigen Fluss der Schmelze zu sichern. Damit die Temperatur auch dort konstant bleibt, werden sämtliche medienführenden Leitungen mit Hochtemperatur-Rohrheizkörpern versehen, die sich durch eine besonders kurze Erhitzungszeit auszeichnen und dank der Verwendung von Alloy 800 oder den Spezialstahl SS347H selbst hitzebeständig bis 982 °C sind. Gleichzeitig kann mithilfe der Regelungstechnik die Temperatur der Schmelze so gesteuert werden, dass keine lokal begrenzten Kaltzonen auftreten. Wahlweise bieten sich auch mineralisolierte Kabel an, um die Leitungen zu beheizen. Insgesamt gewährleistet das Wärmemanagement dadurch eine lückenlose Überwachung der Temperatur und somit einen reibungslosen Einsatz der Salzschmelze ohne kostspielige Stillstandszeiten und Einbussen bei der Effizienz.

Kontakt Watlow Plasmatech GmbH Brennhoflehen-Kellau 156 A-5431 Kuchl +43 6244 20129 0 austria@watlow.com www.watlow.com

WERKSTOFFE

Die Ladung macht den Unterschied

Membran separiert organische Moleküle

«Classic Blue» ist die Trendfarbe des Jahres. Längst hat die Textilindustrie ihre Färbestrecken darauf eingestellt. Um zu verhindern, dass Farbstoffrückstände im Abwasser landen, bietet die Membrantechnologie eine umweltfreundliche Möglichkeit, Schadstoffe sicher zu entfernen. Zhenzhen Zhang, Doktorandin am HZG-Institut für Polymerforschung, hat eine neue Polymermembran entwickelt, die vielversprechend für die Abwasserreinigung sein könnte: Eine sogenannte Triblock-Terpolymer-Membran, die organische Moleküle nach ihrer elektrischen Ladung aus wässrigen Lösungen trennt. «In meinen Versuchen konnte ich mit unterschiedlich geladenen, aber vergleichbar grossen Molekülen zeigen, dass die Membran sehr spezifisch Farbmoleküle oder andere organische Moleküle, wie zum Beispiel Arzneistoffe, zuverlässig voneinander trennt», erklärt Doktorandin Zhenzhen Zhang. Die hohe Selektivität selbst bei so winzigen Molekülen macht ihre neue Membran auch für die Pharmaindustrie interessant: Die Gewinnung und Reinigung organischer Moleküle ist aufgrund ihrer geringen Grös se sehr anspruchsvoll. Durch die neue Membran könnten hier Kosten eingespart werden.

Spezielles Verfahren zur Membranherstellung Die Herstellung der neuen Membran erfolgt mithilfe einer speziellen Kombination. Die Eigenschaft von Polymeren, sich selbst neu zu ordnen (self-assembly), wurde mit einem speziellen Verfahren verknüpft. Das Verfahren ist eine nichtlösungsmittel-induzierte Phasenseparation 44

Bild : Zhenzhen Zhang

Eine neue im Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) entwickelte Membran trennt kleinste Farbstoffpartikel oder Arzneistoffe nicht nur nach Grösse, sondern auch nach ihrer elektrischen Ladung. Durch diese zusätzliche Funktion können organische Moleküle, die nicht grösser als ein bis zwei Nanometer sind, erstmals selektiv separiert werden. Die Polymerforscherin Zhenzhen Zhang stellte ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift «Advanced Materials» vor.

Bild 1: Synthese massgeschneiderter Triblock-Terpolymere.

(Snips), das am HZG entwickelt worden ist. Hierzu wird zunächst ein Triblock-Terpolymer synthetisiert. Eine solche Polymerkette besteht aus drei Blöcken, wobei Zhang den beiden Endblöcken unterschiedliche funktionelle Gruppen (siehe Bild 1 Nr. 1, beige (OH), violett (C 5H4N)) zugefügt hat. Die Nanokanäle in der Membran entstehen danach durch Selbstorganisation (self-assembly) der Polymere während des Snips-Verfahrens: Die Triblock-Terpo-

lymer-Lösung wird auf ein Vlies gegossen, nach kurzer Pause ist das Lösungsmittel verdampft und das Vlies wird in ein Wasserbad getaucht. Es entstehen kleine Röhren mit identischem Durchmesser, die von der Oberfläche aus senkrecht nach unten «wachsen» (siehe Bild 1 Nr. 2). Die zuvor zugefügten funktionellen Gruppen ordnen sich selbstständig im Inneren der Röhren (siehe Bild 1 Nr. 2) an und können anschliessend mit positiver oder negativer Ladung versehen werden (siehe 10/2020

WERKSTOFFE

Bild: HZG/Stef fen Niemann

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Bild 2: Doktorandin Zhenzhen Zhang.

Bild 1 Nr. 3). Dabei verleiht Methyljodid (CH3I, blau) den Poren eine positive Ladung und 1,3-Propansulton ((CH2)3SO3, grün)) belädt sie negativ. Für die Ausbildung der geordneten Trennschicht musste eine Vielzahl an Parametern optimiert werden. Erst nach unzähligen Versuchen, in denen sie immer wieder die Verdunstungszeit und die Lösemittel änderte, gelang Zhenzhen Zhang der Durchbruch und ihre neue gleichmässig poröse Membran verfügte über die gewünschten Eigenschaften. In ihrer Studie zeigt die Nachwuchswissenschaftlerin mit unterschiedlich geladenen aber ungefähr gleichgrossen Farbstoff-Molekülen die Funktionsweise ihrer Membranen: Zum Beispiel werden einfach positiv geladene Methylenblau-Moleküle von der positiv geladenen Membran zurückgehalten, während neutrale Riboflavin-Moleküle passieren können. Im Fall einer negativ geladenen Membran geht einfach negativ geladenes «Orange II» durch, während dreifach negativ geladene «Naphthol-GrünMoleküle» zurückgehalten werden. Professor Volker Abetz, Leiter des HZG-Instituts für Polymerforschung, erklärt: «Zhenzhen Zhang hat Grundlagenforschung betrieben, auf die wir aufbauen werden. Durch die Idee, die Poren mit positiver oder negativer Ladung zu versehen, eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten in der Nanofiltration, zum Beispiel für die chemische Industrie.»

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Originalpublikation Zhenzhen Zhang et al., «Chemically-Tailored Multifunctional Asymmetric Isoporous Triblock Terpolymer Membranes for Selective Transport », Advanced Materials (2020); https://doi.org/10.1002/ adma.201907014

Medienmitteilung Helmholtz-Zentrum Geesthacht www.hzg.de 10/2020

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VERBANDSSEITE

■ Infostelle SCV Schweizerischer Chemieund Pharmaberufe Verband Postfach 509 CH-4005 Basel info@cp-technologe.ch www.cp-technologe.ch

■ Präsident ■ Höhere Fachprüfung ■ Termine Kurt Bächtold Chemietechnologe Alle Termine online Siegfried AG, Daniel Müller anschauen: Bodenackerstrasse 15F Untere Brühlstrasse 4 www.cp-technologe.ch CH-4334 Sisseln CH-4800 Zofingen praesident@cp-technologe.ch weiterbildung@cp-technologe.ch

SEKTION NORDWESTSCHWEIZ Gratulation an unsere Lehrlinge zur bestandenen Prüfung Die SCV Sektion Nordwest schweiz gratuliert ganz herzlich folgenden Absolventen zur er folgreich bestandenen Grund ausbildung zum Chemie- und

Pharmatechnologen EFZ: Frau Blackall Naomi*, Frau Dinh Thuy Vy*, Herr Doung Vi Luc*, Herr Khaled Haseb, Herr Mol nar Andreas, Herr Weber Nico,

Frau Weinbender Elisabeth (*im Rang). Für die berufliche Zukunft wün schen wir viel Freude und Er folg.

Im Namen des Vorstandes SCV Sektion Nordwestschweiz.

matechnologen Vereinigung Sek tion Oberwallis, gratulieren allen Lehrabgängern und der Lehrab

gängerin und wünschen für ihre Zukunft alles Gute. Fredy Salzmann

Martin Nagel

SEKTION OBERWALLIS Lehrabgänger 2020 Lonza AG Visp In diesem Jahr konnten acht Er wachsene sowie neun Jugendli che ihre Ausbildung bei der Lonza

AG in Visp erfolgreich abschlies sen. Die Mitglieder, sowie der Vorstand der Chemie- und Phar

Erwachsene

Amstutz Jean-Pierre (DSM)

Brigger Samuel

Eggel Leonardo

Hellmuth Tommy

Margraf Stefan

Schwitalla Jan

Wyssen Yanick

Jäger Lucien

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VERBANDSSEITE

Jugendliche

Bellezza Vincenzo

Carlen Dominique

Vasileva Stefani (DSM)

Karlen Joshua

Walker Steve

Squaratti Sven

Zuber Michael

Studer Silvan

Zurbriggen Kevin

Neue CPT Lernende bei Lonza AG Visp Am 3. August 2020 konnten sechs Jugendliche und sechs Erwachsene der Lonza AG in Visp und der DSM aus Lalden

die Ausbildung zum Chemieund Pharmatechnologen bei der Lonza AG in Visp beginnen. Die SCV Sektion Oberwallis

Erwachsene

wünscht allen Auszubildenden eine interessante und erfolgrei che Ausbildungszeit, viel Mut, Zuversicht und vor allem die nö

tige Ausdauer auf diesem neuen Lebensabschnitt. Fredy Salzmann

Jugendliche

Blatter Manuel

Cacic Dario (DSM)

Jost Steven (DSM)

Abgottspon Alessio

Burgener Nadio

Schmid Kyaro

Kadar Tamas

Minnig Sabrina

Nellen Alexander

Wyssen Giacomo

Zenklusen Savio

Zenzünen Mischa

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VERBANDSSEITE

SEKTION FRICKTAL

Bilder: ZVG

In Memoriam Ueli Zaugg

2006 zusammen mit Vereinskollegen bei einer Weindegustation (hinten links).

2005 mit seiner Frau, beim Familienausflug der Sektion Fricktal im Steinwasenpark (ganz rechts).

Mit grosser Trauer haben wir erfahren, dass unser langjähri ger Vereinskollege und Freund, Ueli Zaugg, nach langer Krank heit viel zu früh aus dem Leben scheiden musste. Wir verlieren mit Ueli einen regelmässigen Teilnehmer an unseren Ver

kompetenten Berufskollegen. Seine professionelle, ruhige und immer gut gelaunte Art wird uns genauso fehlen wie seinen Kolleginnen und Kolle gen im Geschäft. Unsere Gedanken sind bei Ue lis Familie und Angehörigen,

bandsaktivitäten und ein stets gern gesehenes Vereinsmit glied. Zwischenzeitlich vertrat Ueli erfolgreich unsere Sektion Fricktal als Delegierter gegen über unserem Dachverband. Mit Ueli Zaugg verlieren wir zu dem einen erfahrenen und

denen wir unser aufrichtiges Beileid entbieten.

Der Vorstand des SCV Sektion Fricktal

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PRODUKTE

Neues und schnellstes Raman-Imaging-Mikroskop

Das neu entwickelte multi-modale Raman-Mikroskop LabRAM Soleil aus Horibas bekannter LabRAM-Familie überzeugt mit benutzerfreundlicher Automation, über

ragend schneller Bildgebung, intuitiver Software sowie einem kompakten, robusten und vor allem modularen Design. Bei der Entwicklung wurde auf benutzerfreundliche Automatisierung besonderen Wert gelegt. Dies vereinfacht nicht nur das Arbeiten am Gerät, sondern erlaubt weitläufigen Selbstbetrieb oder einfache Fernwartung des Gerätes und spart somit wertvolle Zeit des Anwenders: – Bis zu sechs Laser (vier eingebaute und zwei externe) sind per Mausklick verfügbar – Auto-Alignment für die Justage des Laserstrahls in Sekunden – Automatische Software-seitige Objektiv-Erkennung mittels NFC-Tag

Mehr Sicherheit für Sicherheitsschränke Sicherheitsschränke technisch zu entlüften, entspricht dem Stand der Technik. Zwar erlaubt der Gesetzgeber den Betrieb von Sicherheitsschränken ohne technische Entlüftung, allerdings müssen dann Ersatzmassnahmen getroffen werden, die einen vergleichbaren Explosionsschutz gewährleisten. An dieser Stelle setzt der bewährte Umluftfilteraufsatz von Asecos an: Er besteht aus einem steckerfertigen Aufsatz mit integriertem Aktivkohlefilter und erfasst nicht nur sicher und zuverlässig gesundheitsgefährdende Lösemitteldämpfe, sondern hält diese auch zurück. Somit ist der Personenschutz in jedem Fall gewährleistet und das Entstehen von explosionsfähiger Atmosphäre im Schrank wird verhindert. Da keine Rohrleitungen mehr an den Schrank angeschlossen werden müssen, lässt sich der Sicherheitsschrank völlig frei und flexibel platzieren. Der Umluftfilteraufsatz wird einfach auf den Gefahrstoffschrank aufgestellt. Nach wenigen Handgriffen kann die Entlüftung des Schrankes beginnen. Der Aufsatz sorgt für einen mindestens 10-fachen Luftwechsel im Schrank. Dies gewährleistet eine technisch sichere und den aktuellen Vor-

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schriften genügende Entlüftung von Sicherheitsschränken. Der integrierte Aktivkohlefilter reinigt die Abluft zu 99,999 Prozent von Kohlenwasserstoffen. Neben der leistungsstarken Aktivkohlefiltereinheit runden sensible, perfekt kalibrierte Sensoren sowie eine aufwendige Überwachungselektronik das intelligente System des Umluftfilteraufsatzes ab.

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– Bis zu vier verschiedene optische Gitter auf einem motorisierten Turret mit verbesserter Antriebsübersetzung für ein schnelles und präziseres Verfahren und Gitterwechsel Das neuartige Design der optischen Bauteile und der Einsatz dielektrischer Spiegel erreichen einen nie dagewesenen Lichtdurchsatz im gesamten Spektralbereich von UV bis NIR. Hinzu kommt die neue von Horiba patentierte SmartSampling-Technologie, die mithilfe eines intelligenten Bild-Algorithmus hyperspektrales Mapping zusätzlich um bis zu 100-mal schneller als herkömmliches Imaging ermöglicht. Das Scannen des Anregungslasers über den gesam-

ten Bildausschnitt, ohne die Probe zu verfahren, stellt kein Problem mehr dar: Dank des patentierten QScan-Moduls bleibt der Lasermesspunkt auch beim Scannen im konfokalen Fokus. Dies erlaubt beispielsweise eine schnelle Bildgebung von dünnen Mehrschicht-Proben oder verhilft zu mehr Freiheit mit direkter Messpunktauswahl über das Videobild bei nicht-bewegbaren Proben, wie z. B. in Temperatur- oder Reaktionskammern. Horiba Jobin Yvon GmbH Neuhofstrasse 9 D-646254 Bensheim +49 6251 8475 0 info.sci.de@horiba.com www.horiba.com

Ein Vollautomat für die Proteomik Die Identifikation von Proteinen über Massenspektrometrie (MS) erfordert die Zerlegung in definierte Peptidfragmente durch enzymatischen oder chemischen Verdau. Die manuelle Durchführung solcher Experimente limitiert den Probendurchsatz und birgt das Risiko von Kontaminationen. Mit dem DigestPro führt das Unternehmen CEM die von der Firma Intavis vertriebene DigestPro-Produktlinie fort, welche sich seit mehr als 20 Jahren für die Automatisierung von Proteinverdau-Methoden und nachfolgende Techniken zur Probenvorbereitung für die Massenspektrometrie bewährt hat. Eine Automatisierung dieser komplexen Protokolle mithilfe des kompakten DigestPro-Vollautomaten erhöht nicht nur den Probendurchsatz, die geschlossene Bauweise und ein speziell entwickeltes Verfahren zum Reagenzien-Austausch garantieren auch ein kontaminationsfreies Arbeiten. Im DigestPro können sowohl für In-Gel- als auch In-Lösung-Protokolle bis zu 96 Proben simultan gewaschen, reduziert, alkyliert und verdaut werden. Im Anschluss an den Verdau können die Peptide optional unter Verwendung von Reverse-Phase-Pipettenspitzen vollautomatisch entsalzen

und aufkonzentriert werden. Weitere Optionen sind das Überführen in Autosampler-Vials oder das Spotten auf Maldi-Targets. Durch die Verwendung laboreigener Puffer und Lösungen entstehen keine zusätzlichen laufenden Kosten. Das Gerät wird durch eine intuitiv bedienbare Software gesteuert, die eine individuelle Anpassung eigener Protokolle erlaubt. Einen komfortablen Einstieg in die Automatisierung ermöglicht unsere Sammlung dokumentierter Standardprotokolle.

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PRODUKTE

Robustes Tablet für die Ex-Zone Die Marke Ecom Instruments von Pepperl+Fuch erweitert mit dem Tab-Ex Pro die bestehende Tab-ExSerie und damit das Angebot an mobilen Endgeräten für den Ex-Bereich. Mit seinem 10-Zoll-Bildschirm ist das Tab-Ex Pro für optisch anspruchsvolle Anwendungen und das Anzeigen webbasierter Inhalte besonders gut geeignet. Zudem gelingt Anwendern damit ein leichter

Übergang vom Industrieeinsatz ins Büro und zurück. Das robuste Industriegerät ist sowohl für Zone 2/22 und Div. 2 für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen als auch als Nicht-Ex-Variante für raue Umgebungen erhältlich. Das Tab-Ex Pro ist damit das weltweit erste 10-Zoll-Android-Tablet für den Ex-Bereich und ergänzt optimal das bereits bestehende Produkt-

Sicherheit geht vor: Neue Batterie-Testschränke

Ob Smartphone, Laptop oder Hybrid- und Elektrofahrzeuge – es werden immer leistungsfähigere Energiespeicher als «Motor» benötigt. Und diese müssen, bevor sie zum Einsatz kommen, genau geprüft werden. Diese Tests sind nicht immer ungefährlich, doch genau dafür gibt es die Batterietestschränke von Binder mit Paket S, die bis einschliesslich einer Gefahrenstufe 6 (Eucar-Level 6) Sicherheit bieten. Zeit und Energie hat die Forschungsabteilung wahrlich in die Entwicklung der smarten Features der neuen Batterietestschränke mit Paket S gesteckt. Für Sicherheit sorgt im ersten Schritt ein unabhängiger Temperaturbegrenzer, der verhindert, dass sich im Innenraum zu hohe Temperaturen bilden. Zudem verfügt das Produkt über eine Überdruckklappe aus Edelstahl, die im Gefahrenfall Überdruck abgeben kann. Darüber hinaus besitzt das Paket S zwei Türspanner, so dass es bei einem schweren Fehlerfall der Batterie keinesfalls zu einer Türöff-

nung kommt, die Mensch oder Umfeld gefährden würde. Des Weiteren ermöglicht der Schrank auch eine Inertisierung, die der Kunde nutzen kann, um den Sauerstoffgehalt im Inneren des Schrankes niedrig zu halten. Besondere Sicherheit bietet zudem die Gasdetektion, die mit vier verschiedenen Sensoren ausgestattet ist und die im Gefahrenfall reagiert und die CO2 -Druckgasflasche aktiviert. Zusätzlich werden akustische und optische Signale über die Signal lampe ausgesendet, um den Nutzer über den jeweiligen Zustand des Gerätes zu informieren. Wem das noch nicht genug ist, kann auch noch manuell die CO2 -Feuerunterdrückungseinrichtung aktivieren.

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Die Schaumbildung unter Kontrolle Schaum ist ein willkommener Begleiter mancher Produkte, aber in vielen Fällen vor allem ein Ärgernis, das vermieden werden muss. Dann aber sollte die Bestimmung des Schaumverhaltens beteiligter Flüssigkeiten sowie schaumhemmender Mittel Bestandteil des Qualitätsprozesses sein. Der einfach zu bedienende Foam Tester nimmt sich dieser Aufgabe an und liefert signifikante, reproduzierbare Ergebnisse für das Schaumbildungsvermögen von Flüssigkeiten und die Zerfallsgeschwindigkeit des Schaums. Krüss bringt mit dem Foam Tester ein neues Instrument zur Prüfung von Flüssigkeiten hinsichtlich ihres Schaumbildungsund Stabilitätsverhaltens auf den Markt. Der Schwerpunkt des Messgerätes liegt im Bereich der Qualitätskontrolle zur Schaumverhütung und -hemmung. Der Foam Tester sorgt mithilfe elektronischer Gasflusssteuerung für eine standardisierte Schaumbildung und gewährleistet dank präziser elektronischer Höhendetek tion objektive Ergebnisse. Die gesamte Messung läuft automatisch und nutzerunabhängig ab, basierend auf einfach adaptierbaren Automationsprogrammen. Durch die Detektion der Gesamthöhe des Schaums in der Messsäule und der Flüssigkeitshöhe unterhalb des Schaums geben die Daten die absolute Schaumhöhe wieder und vermitteln ausserdem relevante Informationen zur Abfliessgeschwindigkeit (Drainage). Damit liegen die relevantesten Schlüsselresultate zur Qualitätsbewertung der schaumbildenden Flüssigkeit vor.

Die Vorbereitung der Messung verläuft beim Foam Tester in wenigen, einfachen Schritten. Die Messsäule wird dabei mit einem Handgriff per Steckeinschub in das Instrument eingesetzt. Das flexible System nutzt die Poren einfacher Papierfilter zum Aufschäumen und ermöglicht die schnelle Reinigung der Komponenten. Ausserdem kann zur Zeitersparnis eine Probe vorbereitet werden, während eine andere Messung noch läuft. Die übersichtliche Datenverwaltung mit der Software Advance des Instruments sorgt für eine lückenlose Dokumentation der Rohdaten und Endergebnisse.

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PRODUKTE

Der Webshop für den Chemiker nen zu zahlreichen Chemieprodukten abrufbar: Strukturformeln, Monoisotopische Masse, Molekulargewicht und ein Direktlink zur Seite der United States Environmental Protection Agency (EPA) mit Angaben zur Toxiziät und weiteren chemischen Merkmalen. Neben dem Standard-Webshop bietet das Unternehmen OCI-Punchout-Kataloge, Schnittstellen zu den gängigen ERP-Programmen, Datenbanken und die Möglichkeit, Bestellungen via Excel-Formular in den Shop zu laden. Chemie Brunschwig AG aus Basel ist bekannt für ihren modernen Webshop. Über 2 Millionen Produkte aus den Bereichen Chemie, Life Science und Labware von namhaften Marken sind verfügbar. Seit Mitte September 2020 sind nun erweiterte Produktinformatio-

Chemie Brunschwig AG Auf dem Wolf 10 CH-4052 Basel +41 61 308 91 11 info@brunschwig-ch.com www.chemie-brunschwig.ch

Neue kristallblaue Repetierpipette

Der neue, kristallblaue Stepper 416 ist eine kompakte und zuverlässige Repetierpipette für die Dosierung im Volumenbereich von 10 bis 5000 µl. Der einzigartige 4-Finger-Aktivierungsmodus verhindert die Ermüdung des Daumens, was eine bessere Kontrolle jedes Pipettierschrittes – unabhängig der Geschwindigkeit – ermöglicht. Die Repetierpipette kann flexibel bei wiederholten Dispensierungen wie Screening-Verfahren, Probenaufteilungen in Kleinstportionen oder Dosierungen von Reagenzien in Fläschchen angewendet werden. Drei Ecostep-Verdrängungsspritzen-Modelle ermöglichen Dosierungen in 53 verschiedenen Volumina und bis zu 73 Aliquoten pro Füllung. Die Spritzen sind normal,

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non-steril oder steril, als bioproof gekennzeichnet, einzeln verpackt, erhältlich. Sie werden aus PP- und PE-Materialien hergestellt und gewährleisten eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit. Die Spritzen sind effizient bei der Verteilung von schäumenden Flüssigkeiten sowie viskosen und hochdichten Reagenzien und ihre feinen Enden erleichtern die Dosierung in enge Röhrchen. Passende farbkodierte Einstellknöpfe verfügen über klar ablesbare Volumenangaben und der korrespondierenden Anzahl Aliquoten. Durch die Farbkodierung von Spritzen und Knöpfen wird das Risiko einer falschen Anwendung ausgeschlossen. Der eingebaute Stopp-Mechanismus des Stepper 416 blockiert automatisch die Dosierung, sobald die verbleibende Flüssigkeitsmenge kleiner ist als das gewünschte Aliquot. Die Repetierpipette funktioniert ohne Batterie oder elektronische Bauteile und zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer aus. Socorex Isba SA Chemin de Champ-Colomb 7a CH-1024 Ecublens +41 21 651 60 00 socorex@socorex.com www.socorex.com

Barcodes auch von gefrorenen Proben lesen Der High-End Micronic Rack Reader DR700 liest ganze Racks von 2-D-Data-Matrix-codierten Tubes. Der Leser verfügt über einen CCD-Bildsensor, der die höchste Genauigkeit beim Lesen von 2-D-Codes gewährleistet, und ein Anti-Frost-System, das Tubecodes aus gefrorenen Proben liest. Optional ist auch ein 1-D-Barcodeleser erhältlich. Der Codeleser RD235 Cryo wird mit der Micronic-Code-Reader-Software geliefert, die einfach zu installieren ist, zuverlässige Codelesungen garantiert und sich problemlos in jede Laborproben-Datenbank integrieren lässt. – Kompatibilität: Der Rack Reader DR700 ist mit den meisten Marken von 2-D-Data-Matrix- Tubes kompatibel. – Schnelle Scanzeiten: Der Rack Reader DR700 kann ein ganzes Rack von Tubes in 7 Sekunden

und ein einzelnes Tube in 2 Sekunden scannen. – Integrierte Software: Der Rack Reader DR700 enthält die neueste Version der zuverlässigen Micronic-Code-Reader-Software. – Technologie: Der Rack Reader DR700 verfügt über einen CCD-Bildsensor für eine hochauflösende Bildqualität. NBS Scientific 6 avenue du Château de Gerland F-69007 Lyon +33 4 78 96 47 00 info@nbsscientific.fr www.nbsscientific.com

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