ChemieXtra 3/2021

3 / 2021

März 2021

Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes

skan.ch/puresolutions

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EDITORIAL

Steht die Chemie bald auf dem Abstellgleis?

Keine andere Branche ist so konjunkturresistent wie die Chemie- und Pharmaindustrie. In der Schweiz war sie massgeblich für die stabilen Zahlen vom letzten Jahr verantwortlich. Und trotzdem: Die Chemie als eigenständige Branche spielt hierbei nur eine Nebenrolle. Denn ein genauer Blick auf die Exportzahlen 2020 zeigt ein klares Bild. Die pharmazeutische Industrie gibt eindeutig den Ton an, nicht die chemische.

Zwar scheffeln noch die traditionellen Pharmazeutika auf Basis von chemischen Erzeugnissen die Kohle – aber nicht mehr lange. Es sind die Biopharmazeutika, also die gentechnisch hergestellten Medikamente, die zu den Innovativen gehören. 2019 sorgten sie für einen Umsatz von sage und schreibe 1,6 Milliarden Franken, was einen Marktanteil von bereits 24 Prozent ausmacht – Tendenz steigend.

Nicht nur die Pharmaindustrie liebäugelt mit der Biotechnologie. Sogar die Königliche Schwedische Akademie hat eine Schwäche für diese Disziplin.

Sie ehrt mit dem Chemie-Nobelpreis 2020 die Entwicklung der biotechnologischen «Genschere» Crispr/­Cas9. Zwar ist auch hierfür die Chemie wichtig, aber sie spielt eben nur die zweite Geige.

Wird die Chemie bald als verstaubtes Fach gebrandmarkt und verkümmert zu einer Art Hilfswissenschaft? Nein, das wäre zu kurzfristig gedacht. Die moderne Chemie sprüht nur so vor Ideen und bleibt kreativ. Sie ist mehr denn je darum bestrebt, echte Lösungen zu finden. Sie will Antworten auf die Probleme, die sie teils selbst zu verschulden hat: Der Klimawandel, die Pestizide, die unsere Umwelt verseuchen und unpräzise Wirkstoffe, die zu Nebenwirkungen führen, sind reale Problemfelder unserer unmittelbaren Gegenwart.

Dank ihrem interdisziplinären und kritischen Geist wird die Chemie in Zukunft mehr für das Wohl der Menschen und Umwelt tun, als sie es in der Vergangenheit je geschafft hat.

In diesem Sinne wünschen wir Ihnen eine interessante Lektüre!

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

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CHEMIE

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Starker Wandel in der Nanochemie

Eisenoxid kennen wir als Rost, den wir zu vermeiden versuchen. Doch Nano-Eisenoxid ist ein potentes Kontrastmittel für medizinische Bildgebungsverfahren. Auch nanopartikelbasierte Impfstoffe könnten das neuartige Sars-CoV-2-Virus unschädlich machen.

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BIOWISSENSCHAFTEN Ein möglicher Impfstoff für Katzen

Die Methode der Genschere Crispr-Cas9 ermöglicht die Entwicklung eines experimentellen Lebendimpfstoffs gegen den weit verbreiteten Parasiten Toxoplasma gondii, der vor allem direkt Tiere befällt.

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LABOR

MEDIZIN Die Evolution der Antibiotikaresistenzen

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ERNÄHRUNG Für den perfekten Milchschaum

Ein cremiger und feinporiger Milchschaum ist bei ihnen ein absolutes Muss: Latte Macchiato oder Cappuccino erfreuen sich einer ständig steigenden Beliebtheit. Doch immer wieder lassen sich einzelne Produktionschargen von ansonsten einwandfreier UHT-Milch nicht zufriedenstellend aufschäumen.

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IN KÜRZE

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NEWS

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FIRMEN BERICHTEN

Die Internationale Temperaturskala

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

Erscheinungsweise 10 × jährlich

Herausgeber/Verlag SIGWERB GmbH Unter Altstadt 10, Postfach CH-6302 Zug +41 41 711 61 11 info@sigwerb.com www.sigwerb.com

Vorstufe Triner Media + Print Schmiedgasse 7 CH-6431 Schwyz +41 41 819 08 10 beratung@triner.ch www.triner.ch

Anzeigenverkaufsleitung Thomas Füglistaler

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Druck Procom SA Via Industria Casella postale 104 CH-6934 Bioggio +41 91 605 19 82 www.procom-sa.ch

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Jahresabonnement Schweiz: CHF 38.00 (inkl. Porto/MwSt.) Jahresabonnement Ausland: CHF 58.00 (inkl. Porto)

ISSN-Nummer 1664-6770

Redaktion Roger Bieri Unter Altstadt 10, Postfach CH-6302 Zug +41 41 711 61 11 redaktion@sigwerb.com

Internet www.chemiextra.com

Alexander Jegge a.jegge@sigwerb.com

Copyright Zur Veröffentlichung angenommene Originalartikel gehen in das ausschliessliche Verlagsrecht der SIGWERB GmbH über.

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Geschäftsleiter Andreas A. Keller

Redaktionelle Mitarbeit Dr. Kurt Hermann

Jahrgang 11. Jahrgang (2021) Druckauflage 9 099 Exemplare WEMF / SW-Beglaubigung 2020 9 219 Exemplare Total verbreitete Auflage 2 221 Exemplare davon verkauft

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Copyright 2021 by SIGWERB GmbH, CH-6302 Zug

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

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FORSCHUNGSWELT

Brexit: Die Krux mit dem Ursprung

Wie Pflanzen Angriffe abwehren

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MANAGEMENT

Lieferverzögerungen im Verkehr zwischen der EU und dem Vereinigten Königreich haben bereits Schlagzeilen gemacht.

Was müssen Schweizer Exporteure neu beachten, damit ihre Ware reibungslos durch den Zoll kommt?

UMWELT Pflanzenschutz ohne Pestizide?

Eine der grössten Herausforderungen für die Landwirtschaft ist der enorme Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden. Da immer mehr Produkte als gefährlich für die Gesundheit gelten, sind Ersatzlösungen gefragt.

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WERKSTOFFE

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VERBANDSSEITEN SCV-Informationen

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VERFAHRENSTECHNIK Mit Abwärmenutzung CO2-Ausstoss halbieren

In Produktionsumgebungen mit einem heissen Dampfnetz kann die Abwärme aus Kälteanlagen oft nicht genutzt werden, und sie wird ungenutzt über das Dach abgeführt. Erste technische Lösungen zu diesem Problem werden bereits in der Industrie angewendet.

ZUM TITELBILD 3 / 2021

Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes

PRODUKTE

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LIEFERANTEN­ VERZEICHNIS

den Auftakt für das neue Erscheinungsbild. Dieses findet seinen krönenden Abschluss in SKANs neuem Hauptsitz, der Mitte des Jahres bezugsfertig sein wird.

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SKAN mit neuem, selbstbewusstem Branding

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DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

SKAN hat sich in den letzten 52 Jahren vom reinen Handelsunternehmen zum Marktführer in den Bereichen Reinraumausrüstungen und Bau von Isolatoren für die pharmazeutische Industrie entwickelt.

Die neue Wortmarke löst das bisherige Logo ab und bildet seit Anfang Januar 3/2021

skan.ch/puresolutions

SKANs neues Erscheinungsbild wird ab sofort sukzessive eingeführt und soll die Expertise, Vielfalt sowie die Unternehmenskultur reflektieren.

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CHEMIE

Nano contra Corona?

Starker Wandel in der Nanochemie

Lebendimpfstoffe weisen ein Sicherheitsrisiko auf, denn sie können in ihren virulenten Zustand zurückkehren. Totimpfstoffe wirken vergleichsweise schwächer und erweisen sich als aufwendiger in der Herstellung. Gleich für beide Schwachpunkte konventioneller Impfstoffe bietet die Nanobiotechnologie Lösungskonzepte.

In Form und Grösse ähneln die dabei eingesetzten Nanopartikel einem Virus und werden daher besonders gut von antigenpräsentierenden Zellen umschlossen. Diese aktivieren ihrerseits letztlich die erwünschte spezifische Immunabwehr. Eine Eigenart vieler Nanopartikel-Impfstoffe: Die Epitope, d. h. die Immunantwort-auslösenden Molekülabschnitte eines Antigens, wiederholen sich (repetitive Epitope) – gut für ihre Erkennbarkeit.

Gänzlich neu sind nanopartikelbasierte Impfstoffe nicht. Schon 1986 hat man einen für Hepatitis B zugelassen. Heute gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum Beispiel können Partikel im Bereich von 1 bis 1000 Nanometern als Carrier-Materialien dienen, wie beim Hepatitis-B-Impfstoff.

Eines der vielversprechendsten Konzepte jedoch realisiert das Riehener Unternehmen Alpha-O Peptides in seinen selbstaggregierenden Protein-Nanopartikeln.

Dabei schliessen sich die eingesetzten Proteine infolge hydrophober und ionischer Wechselwirkungen zu Protein-Nanopartikeln zusammen. Es entstehen primär α Helixstrukturen, die durch starke Verknäuelung «superspiralisierte» Strukturen ausbilden. Es ist gelungen, auf dieser Basis eine Nanopartikel-Plattform für Impfstoffe aufzubauen, sozusagen eine Grundstruktur von einer bestimmten Symmetrie und Grösse (genauer: dodekaedrisch-ikosaedrische Symmetrie, Par4

Bilder: Nikon

Eisenoxid kennen wir als Rost, den wir zu vermeiden versuchen. Doch Nano-Eisenoxid ist ein potentes Kontrastmittel für medizinische Bildgebungsverfahren. Nano-Graphen bietet unter anderem die Grundlage für neue Ferninfrarot-Detektoren – und zu guter Letzt: nanopartikelbasierte Impfstoffe könnten das neuartige Sars-CoV2-Virus unschädlich machen.

Bild 1–4: Sind nanometergrosse Strukturen zu klein, um sie sehen zu können? – Mit speziellen Mikroskopen ist es heute möglich: Mikroskopie-System auf der Basis der strukturierten Beleuchtung (N-SIM, Nikon), Auflösung bis in den unteren Nanometerbereich dank stochastischer optischer Rekonstruktion (N-Storm, Nikon), besonders ergonomisch designtes Forschungsmikroskop, inverses Forschungsmikroskop als Basis für Super-resolution-Verfahren (N-Dtorm N-SIM).

tikelgrösse: 16–25 nm, wie ein Virus-Capsid). Diese Grundstruktur kann für die Bekämpfung unterschiedlicher Viren angepasst werden (z. B. durch die Wahl der Epitope).

Alpha-O Peptides hat bereits einen Impfstoff gegen Malaria im Rennen (Status: klinische Prüfung am Menschen, Phase I/ IIa in den USA) und hat nun einen weiteren gegen das Sars-CoV-2-Virus entwickelt.

Er wird zurzeit im Tierexperiment darauf getestet, ob er den Körper tatsächlich zur Produktion von Antikörpern anregt und ob diese letztlich das Virus unschädlich machen können.

Zwei-Komponenten-NanoImpfstoff Ein anderer neuartiger Impfstoff, der schon im Tierexperiment an Makaken ausprobiert worden ist, setzt auf sogenannte Replicon-RNA (repRNA). Vorteil: Sie kurbelt die Antikörper-Herstellung besonders stark an, ohne dass sie bis in den Zellkern vordringen müsste. Nachteil: Ausserhalb der Zellen wird repRNA schnell von Enzymen abgebaut.

Diesen Nachteil kann man aber jetzt kompensieren, indem man den Wirkstoff zum Transport zu den Zellen hin in spezielle, 3/2021

CHEMIE

schützende Nanopartikel, sogenannte «Lipid InOrganic Nanoparticles» (Lions) verpackt. Sollte sich das sogenannte HDT-301 in klinischen Studien als erfolgreich erweisen, so würde man über einen Impfstoff aus zwei Komponenten verfügen; diese liessen sich komfortabel getrennt herstellen und am Krankenbett vereinen – bereit zur Injektion.

Eisenoxid-Nanopartikel für Kombi-MRT/CT-Bildgebung Eine weitere medizinische Anwendung der Nanotechnologie betrifft die MRT-Bildgebung (kernmagnetische Resonanztomographie). Dabei nutzt man aus, dass sich die Relaxationszeiten von angeregten Wasserstoffkernen je nach Gewebe unterscheiden und dadurch eine «Kontrastierung» entsteht. Durch die selektive Anreicherung von Eisenoxid-Nanopartikeln lässt sich dieser Effekt im Sinne einer deutlicheren Bildgebung feinsteuern.

Denn diese Nanopartikel verändern die Relaxation der in ihrem Umfeld angeregten Wasserstoffkerne.

Eine Reihe von Ideen führt weit darüber hinaus. Zum Beispiel lassen sich Eisenoxid-Nanopartikel in Polymer-Nanopartikel einbetten. In Form solcher grosstechnisch herstellbaren Core/Shell-«Fe3O4 @MAOETIB»-Nanopartikel lassen sie sich sowohl

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für die MRT als auch für die Computertomographie (CT) einsetzen. Als duale Kontrastmittel für kombinierte CT/MRT-Untersuchungen weisen sie ein grosses Potenzial dafür auf, die bildliche Darstellung von Tumoren zu vereinfachen.

Im Bereich der Infrarot-Analytik bieten feine Graphen-Strukturen einen neuen Ansatzpunkt für verbesserte Detektoren. Es handelt sich um Ferninfrarot-Fotodetektoren mit Graphen-Nanobändern als fotosensitivem Element, dazu schwarzer Phosphor und Arsen. Forschende des Labors für 2-D-Materialien und Nanogeräte, Moskau, sehen die Chance, mit solchen Detektoren alle Ferninfrarot- und TerahertzStrahlungsdetektoren zu ersetzen – ein spannender Wettbewerb. Anwendungen finden Infrarotsensoren in so unterschiedlichen Bereichen wie Nachtsichtgeräten, Fernbedienungen, Zielflugkörpern und Herzschlagsensoren, aber beispielsweise auch – hier als Alternative zum Röntgen – in Gepäckscannern.

Massenhafte Synthese komplexer Nanostäbchen Um optische, katalytische oder magnetische Eigenschaften selbst kompliziert aufgebauter Nanopartikel vorherzusagen, setzt man heute gern Künstliche Intelligenz ein. Das funktioniert so erfolgreich,

dass oft nicht mehr das Design neuer Materialien der Flaschenhals ist, sondern die massenhafte Synthese einer Vielzahl von guten Kandidaten, erdacht vom Computer.

Mit Standard-Labor-Glasgeräten lassen sich aber jetzt sehr einfach und schnell bis zu 65 000 Nanostäbchen mit unterschiedlichen Kombinationen von Metallsulfidmaterialien herstellen; vor wenigen Jahren hätte man für eines Monate oder Jahre gebraucht.

So wird an der diesjährigen Ilmac in Basel eine enorm vielfältige Nanochemie greifbar, die sich deutlich dynamischer entwickeln dürfte, als man sich das vor kurzem noch hätte vorstellen können.

Ilmac Basel 2021 Dauer: Dienstag, 19. Oktober, 9.00 bis 17.00 Uhr Mittwoch, 20. Oktober, 9.00 bis 18.30 Uhr Donnerstag, 21. Oktober, 9.00 bis 17.00 Uhr Ort: Messe Basel, Halle 1.0 Veranstalter: MCH Messe Schweiz (Basel) AG info@ilmac.ch www.ilmac.ch

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CHEMIE

Neue Reaktion zu Aminoalkoholen

Zuerst der Alkohol, dann die Aminogruppe Vicinale Aminoalkohole sind hochwertige organische Verbindungen, die in vielen alltäglichen Produkten vorkommen. Ihre Herstellung ist jedoch schwierig. Chemiker um Prof. Dr. Frank Glorius von der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben in ihrer Studie eine Lösung für die Herstellung einer speziellen Variante der Aminoalkohole gefunden. Die Ergebnisse veröffentlichten sie im Wissenschaftsmagazin «Nature Catalysis».

Unzählige Reaktionen in der Chemie werden mit Licht erst möglich. So ist dies auch bei der neu entwickelten Reaktion der Fall.

Das Licht aktiviert den Katalysator, der dann die Reaktion zur Bildung von vicinalen Aminoalkoholen initiiert.

Ob in Betablockern zur Behandlung von Bluthochdruck oder in Naturprodukten: Vicinale Aminoalkohole (1,2-Aminoalkohole) sind hochwertige organische Verbindungen, die in vielen alltäglichen Produkten vorkommen. Ihre Herstellung ist jedoch schwierig. Seit langem versuchen Chemiker, effiziente Methoden für ihre Synthese zu entwickeln.

Chemiker um Prof. Dr. Frank Glorius von der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben eine Lösung für die Herstellung einer speziellen Variante der Aminoalkohole gefunden. «Diese neue Methode hilft, die Eigenschaften des Stoffes zu untersuchen und in naher Zukunft Anwendungen für diese neuen Verbindungen zu finden», betont Frank Glorius vom Organisch-Chemischen Institut der WWU.

Zwei Fliegen mit einer Klappe Vicinale Aminoalkohole können in unterschiedlichen Varianten vorkommen. Neben jeweils zwei Enantiomeren sind auch zwei Regioisomere möglich, bei denen die funktionellen Amino- und Alkoholgruppen ihre Positionen tauschen. Sie sind sich damit zwar sehr ähnlich, haben allerdings häufig unterschiedliche biochemische Eigenschaften. Die beiden Amino- und Alkoholgruppen in einem Schritt 6

Bilder: W WU – Arbeitsgruppe Glorius

Omnipräsente Moleküle

Photosensible Synthese von Aminoalkoholen.

einzubauen, stellt eine grosse Herausforderung dar.

Chemie-Nobelpreis 2001 Die Entdeckung der Asymmetrischen Aminohydroxylierungsreaktion, mit der selektiv eines der beiden Enantiomere hergestellt werden kann, gelang dem Chemiker Barry Sharpless und seinem Team schon vor Jahren. Für diese Arten von Reaktionen erhielt er 2001 sogar den Chemie-Nobelpreis. Bei der Sharpless-Aminohydroxylierungsreaktion war aber die Herstellung vor allem eines Regioisomers mühelos und effizient möglich. Das andere Isomer konnte nicht so elegant und erfolgreich synthetisiert werden. Es blieb eine langjährige Knacknuss – bis jetzt. Dank der neuen durch Licht initiierten Reaktionsmethode ist nun auch die Synthese des anderen Isomers effizient möglich geworden.

Der neue Reaktionsmechanismus führt

also zu einer komplementären Regioselektivität im Vergleich zur Sharpless-Amino­ hydroxylierungsreaktion.

Hintergrund und Methode Nicht-aktivierte Alkene sind aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit als Ausgangschemikalien für Reaktionsprozesse bekannt. Im Allgemeinen wird der Einbau sowohl von Amino- als auch von Alkoholgruppen in einem Schritt an die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung von nicht aktiviertem Alken immer durch die Aminogruppe initiiert, gefolgt von der Addition der Alkoholgruppe. Als Ergebnis wird immer ein ­bestimmtes Isomer des vicinalen Aminoalkohols gebildet. Die Chemiker haben nun eine bestimmte Klasse von Amin-ähnlichen Verbindungen identifiziert, die reaktiv und dennoch stabil genug sind, um zunächst die Addition der Alkoholgruppe an die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbin3/2021

CHEMIE

gang, bei dem die Moleküle gegenseitig Elektronen übertragen, werde als Energietransfer bezeichnet, erläutert der Wissenschaftler.

Zwei Schutzgruppen

Mowpriya Das (links) und Dr. Tuhin Patra.

dung und anschliessend die Addition der Aminogruppe zu ermöglichen, um das bisher unzugängliche Isomer der vicinalen Aminoalkohole zu erzeugen.

«So wie Pflanzen Chlorophyll verwenden, um Licht in Energie umzuwandeln, verwenden wir einen Photokatalysator», erklärt Dr. Tuhin Patra, Erstautor der Studie.

«Dieser Katalysator kann das Licht von blauen LEDs absorbieren und seine Energie auf ein unmittelbar an der Reaktion beteiligtes Molekül übertragen. Dabei werden gleichzeitig die reaktiven Amino- und CE: BxH/mm 184 x 131 mm + BZ 3 mm Alkoholgruppen freigesetzt.» Dieser Vor-

Attraktiv ist, dass die neue Methode das am wenigsten zugängliche Isomer der vicinalen Aminoalkohole so erzeugt, dass sowohl die Alkohol- als auch die Aminogruppe vor weiteren Reaktionen geschützt sind. Je nach Bedarf des Anwenders kann danach eine der beiden Alkohol- oder Aminogruppen reaktiviert werden, ohne die andere zu beeinträchtigen. Es können aber auch beide Gruppen gleichzeitig zu weiteren Reaktionen befähigt werden, falls das für die Synthese weiterer Stoffe nötig ist. «Bei den bisherigen Designs wird in der Regel immer nur eine Gruppe in einem komplexen mehrstufigen Gesamtprozess installiert. Unser Design erlaubt nicht nur den Einbau von zwei verschiedenen Gruppen in einem Schritt mit gewünschtem

Schutz, sondern erzeugt auch zuverlässig das am wenigsten zugängliche Isomer und bietet damit die Chance, künftige Anwendungsmöglichkeiten dieser Verbindung zu untersuchen», schlussfolgert Frank Glorius.

Originalpublikation T. Patra, M. Das, C. Daniliuc, F. Glorius, «Metal-free, photosensitized oxyimination of unactivated alkenes with bifunctional ox­ ime carbonates», Nature Catalysis (2021); DOI: 10.1038/s41929-020-00553-2.

Kontakt Prof. Dr. Frank Glorius Organisch-Chemisches Institut Westfälische Wilhelms-Universität Münster Corrensstrasse 40 D-48149 Münster +49 251 83 35345 glorius@uni-muenster.de https://www.uni-muenster.de/­ Chemie.oc/glorius/index.html

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CHEMIE

Für einen sicheren Prozess und sanierte Böden

Giftiges Chlor und Brom ersetzen Forschende der ETH Zürich und der Universität Mainz entwickelten eine neue Methode, um molekulares Chlor und Brom bei der chemischen Synthese durch weniger giftige Moleküle zu ersetzen. Die Methode wurde Anfang dieses Jahres in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift «Science» veröffentlicht. Die Technologie soll helfen, chemische Prozesse sicherer und nachhaltiger zu gestalten sowie verunreinigte Böden zu sanieren.

Chlor und Brom in ihrer molekularen Form (also als Cl2 - und Br2 -Moleküle) sind giftig und ätzend. Auf tragische Weise veranschaulicht wurde das beispielsweise bei der Verwendung von Chlor als chemische Waffe, vom Ersten Weltkrieg bis hin zu jüngsten Einsätzen im Irak und in Syrien.

Auch sind instabile chlor- und bromhaltige Chemikalien in Tausenden von gemeldeten Chemieunfällen verwickelt gewesen.

Und trotzdem gehören sie immer noch zu den am häufigsten verwendeten Industriechemikalien, aus denen wertvolle Flammschutzmittel, Schädlingsbekämpfungsmittel, Polymere und Pharmazeutika her­gestellt werden.

Forschende der ETH Zürich und der Universität Mainz haben nun eine Methode entwickelt, um bei der Herstellung dieser Produkte auf molekulares Chlor und Brom verzichten zu können. Stattdessen nutzen sie alternative chemischen Verbindungen, die zwar ebenfalls die Elemente Chlor und Brom enthalten, jedoch weniger giftig und weniger reaktiv sind. Diese Verbindungen – dazu gehören Dichlorethan und Dibromethan – können darum einfacher gehandhabt und transportiert werden. Die Sicherheit der industriellen Prozesse könnte damit erhöht werden.

Shuttlesystem mit Elektrizität Um diese alternativen Verbindungen in der chemischen Synthese zu nutzen, entwickelten die Wissenschaftler ein «Shuttlesystem», das mit Elektrizität funktioniert: Ähnlich wie ein Shuttlebus Personen von

¹ ETH Zürich

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Bild: Adpic

Fabio Bergamin ¹

Chlorgas wird auch auf der Schiene transportiert – ein Gefahrenguttransport. (Symbolbild)

A nach B transportiert, hilft Elektrizität in dieser Reaktion, Chlor und Brom von den Ausgangsstoffen Dichlorethan und Dibromethan auf andere chemische Verbindungen zu übertragen.

Die Methode hat noch einen weiteren Vorteil: Während herkömmliche Reaktionen mit molekularem Chlor und Brom nur in eine Richtung ablaufen, funktioniert die neue Shuttle-Reaktion in beide Richtungen. «Wir können die Reaktion daher auch nutzen, um bestimmte giftige chlor- und bromhaltige Verbindungen in weniger schädliche Verbindungen umzuwandeln», sagt Bill Morandi, Professor für Synthetische Organische Chemie an der ETH.

Lösung von Umweltproblemen Ein Beispiel für eine solche giftige Verbindung ist das chlorhaltige Lindan, das während Jahrzehnten im Ackerbau als Insektizid verwendet wurde. 2009 wurde es wegen seiner hohen Toxizität und Umweltpersistenz verboten. Doch in vielen euro-

päischen Ländern, auch in der Schweiz, sind noch grosse Deponien vorhanden, in denen Lindan gelagert ist. Diese Deponien gelten als Umweltrisiko, weshalb Behörden und Wissenschaftler nach Lösungen suchen, das Lindan aus den Deponien zu entfernen. «Unsere Methode eignet sich, um mit Lindan kontaminierte Böden zu sanieren», sagt Morandi.

Der Chemiker sieht die neue Methode nicht nur als ein gutes Beispiel dafür, wie chemische Prozesse nachhaltiger gestaltet werden können, sondern auch als Beitrag an eine künftige Kreislaufwirtschaft. «Die Rohstoffvorkommen auf der Erde sind begrenzt. Mit unserer Methode können wir Abfallstoffe nach dem ‹waste to value›-Konzept so umwandeln, dass wir sie erneut als Rohstoffe nutzen können», sagt Morandi.

Literaturhinweis X. Dong et al., «Merging shuttle reactions and paired electrolysis for reversible vicinal dihalogenations» Science (2021); DOI: 10.1126/science.abf2974 www.ethz.ch/news 3/2021

CHEMIE

Kaskaden mit Kohlenstoffdioxid

Stoffliche Nutzung von CO2 Kohlenstoffdioxid ist nicht nur ein unerwünschtes Treibhausgas, sondern auch eine interessante Rohstoffquelle, deren Recycling wertvoll und nachhaltig sein könnte. Ein spanisches Forschungsteam stellt in der Zeitschrift «Angewandte Chemie» einen neuartigen katalytischen Ansatz zur Umwandlung von CO2 in wertvolle chemische Zwischenprodukte in Form zyklischer Carbonate vor.

CO2 zur Reaktion zu bringen ist leider alles andere als einfach. Momentan steht international vor allem die Umsetzung von CO2 in Methanol im Fokus, welches als alternativer Treibstoff, aber auch als Rohstoff für die chemische Industrie dienen kann.

Mittels innovativer katalytischer Verfahren könnte CO2 auch ohne den Umweg über Methanol in hochwertige chemische Verbindungen überführt werden, etwa zur Produktion von bioabbaubaren Kunststoffen oder pharmazeutischen Zwischenprodukten.

Der andere Ansatz Ein vielversprechender Ansatzpunkt ist die Umsetzung von CO2 zu organischen Carbonaten. Die Forscher des Barcelona In­ stitute of Science and Technology, des Institute of Chemical Research of Catalonia (Tarragona) sowie des Catalan Institute of Research and Advanced Studies (Barcelona) um Arjan W. Kleij haben einen konzeptionell neuen Ansatz entwickelt, um Carbonate in Form sechsgliedriger Ringe ausgehend von CO2 und einfachen, leicht zugänglichen Bausteinen zu synthetisieren. Solche zyklischen Carbonate haben grosses Potenzial für die Herstellung neuer CO2 -basierter Polycarbonate.

Epoxid reagiert mit CO2 Ausgangspunkt sind Verbindungen mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung und einer Alkoholgruppe (–OH) am übernächsten Kohlenstoffatom (homoalInstitute of Chemical Research of Catalonia, Tarragona (Spanien)

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Bild: Wiley-VCH

Arjan Willem Kleij 1

Bild 1: Ausgehend von einem Epoxid wird schliesslich ein zyklisches Carbonat in Form eines Sechsringes synthetisiert.

lylische Alkohole). Im ersten Reaktionsschritt wird die Doppelbindung in ein Epoxid (Bild 1, Ausgangspunkt) überführt.

Das Epoxid ist in der Lage mittels eines spezifischen Katalysators mit CO 2 (in Rot hervorgehoben) zu reagieren. Ergebnis ist ein zyklisches Carbonat in Form eines Fünfrings aus drei Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatomen (Bild 1, Zwischenprodukt). Der Kohlenstoff an der «Spitze» des Fünfrings trägt ein zusätzliches Sauerstoffatom. Im nächsten Schritt aktiviert ein organischer Katalysator (N-heterozyklische Base) die OH-Gruppe und sorgt so dafür, dass sich der Fünf- zu einem Sechsring umlagert. Das Sauerstoffatom der OH-Gruppe wird dabei in den neuen Ring integriert, während der ursprüngliche Fünfring-Sauerstoffatom eine neue OHGruppe bildet. Aber auch die Rückreaktion zum Zwischenprodukt findet statt. Da der Fünfring energetisch wesentlich günstiger ist, liegt im Gleichgewicht nur eine verschwindend kleine Menge der Sechsring-Form vor. Der Trick: Der Sechsring wird abgefangen, indem die neue OHGruppe an ein Reagenz bindet (Acylierung), die dank ihrer anderen Position deutlich reaktiver als die ursprüngliche OH-Gruppe ist (Bild 1, Produkt).

Das neu entwickelte Protokoll eröffnet eine breite Palette neuartiger Carbonat-

Sechsringe mit ausgezeichneten Ausbeuten und in hoher Selektivität unter besonders milden Reaktionsbedingungen und erweitert so das Repertoire CO2 -basierter Heterozyklen und Polymere, die auf herkömmlichen Wegen nur schwer herzustellen sind.

Originalpublikation Chang Qiao et al., «Organocatalytic Trapping of Elusive Carbon Dioxide Based Het­ erocycles by a Kinetically Controlled Cascade Process», Angewandte Chemie (2020); https://doi.org/10.1002/ange.202007350 Medienmitteilung Angewandte Chemie www.angewandte.de

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BIOWISSENSCHAFTEN

Gentechnik bei Parasiten-Bekämpfung

Ein möglicher Impfstoff für Katzen Durch eine Abwandlung der Genschere Crispr-Cas9 können Forschende der Universität Zürich Änderungen im Erbgut von Einzellern vornehmen, die sich nicht von natürlichen Mutationen unterscheiden. Diese Methode ermöglicht die Entwicklung eines experimentellen Lebendimpfstoffs gegen den weit verbreiteten Parasiten Toxoplasma gondii, der vor allem direkt Tiere befällt. Die Einschleusung in Nutztiere und dadurch in den Menschen erfolgt hauptsächlich über Katzen.

Rund ein Drittel der Weltbevölkerung trägt den Parasiten Toxoplasma gondii in sich, der Menschen mit einem geschwächten Immunsystem gefährdet und Fehlbildungen im Mutterleib auslösen kann. Der einzellige Krankheitserreger sorgt auch für wirtschaftliche Verluste in der Landwirtschaft: Eine Toxoplasmose erhöht beispielsweise bei Schafen das Risiko für eine Fehlgeburt.

Der Parasit hat einen komplexen Lebenszyklus und befällt fast alle warmblütigen Lebewesen wie etwa wildlebende Nager und Vögel. Die Einschleusung in Nutztiere und dadurch in den Menschen erfolgt hauptsächlich über Katzen. Nur in diesem Hauptwirt bilden sich Eizellen, die schliesslich über den Kot in einer verkapselten Form (Oozysten) in die Umwelt und von dort aus in die Nahrungskette gelangen.

«Wenn es uns gelingt, die Produktion dieser Oozysten zu verhindern, könnten wir das Auftreten von Toxoplasmose in Mensch und Tier reduzieren», sagt Adrian Hehl, Professor für Parasitologie und Prodekan Forschung und Nachwuchsförderung der Vetsuisse-Fakultät der Universität Zürich. Mit seiner Arbeitsgruppe hat er nun eine Methode entwickelt, die einen solchen Eingriff möglich macht.

Gene werden ausgeschaltet In früheren Arbeiten konnte das Team bereits mehrere Gene identifizieren, die für die Bildung der Oozysten verantwortlich sind. Dies ermöglicht die Entwicklung eines Lebendimpfstoffs gegen Toxoplasmo10

Bild: Adpic

Von der Umwelt in die Nahrungskette

Katzen sind Hauptwirte des Parasiten Toxoplasma gondii.

se: Mithilfe der Genschere Crispr-Cas9 können die Forschenden diese essenziellen Gene ausschalten und mit diesen so veränderten Parasiten Katzen infizieren bzw. impfen. Diese Erreger produzieren keine infektiösen Oozysten, schützen aber die Katze vor natürlicher Ansteckung mit Toxoplasmose aus der Wildbahn.

Die Genschere Crispr-Cas9 Für die Herstellung der unfruchtbaren Parasiten wurde die Genschere Crispr-Cas9 verwendet. Damit lässt sich zwar das Erbgut präzise modifizieren, doch je nach Protokoll kann die üblicherweise verwendete Methode auch Nachteile haben: Es können sich Fehler und unbeabsichtigte genetische Veränderungen einschleichen.

Die Arbeitsgruppe um Hehl berichtet nun, dass sich in Toxoplasma solche unerwünschten Nebeneffekte durch den Ein-

satz einer abgewandelten Technik vermeiden lassen.

Für die Genom-Editierung mit Crispr-Cas9 schleusen Wissenschaftler für gewöhnlich ein ringförmiges Stück DNA – ein Plasmid – in die Zelle ein. Dieses enthält alle Informationen für die Herstellung der Genschere sowie der Elemente, die die gewünschte Stelle im Erbgut erkennen. Somit produziert die Zelle sämtliche Komponenten der Genschere selbst. Allerdings verbleibt das Plasmid danach in der Zelle und kann weitere ungeplante genetische Veränderungen auslösen.

Genschere verschwindet spurlos Die von den Zürchern verwendete Methode funktioniert anders: Sie bauen die vorprogrammierte Genschere ausserhalb der Zelle zusammen und schleusen sie dann 3/2021

BIOWISSENSCHAFTEN Wer schnell zu innovativen Produkten gelangen will, braucht optimale betriebliche Prozesse.

Gentechnologie und der Nobelpreis für Chemie Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna erhielten den Nobelpreis für Chemie 2020 für die Entdeckung eines der präzisesten Werkzeuge der Gentechnologie: die Gen-Schere CrisprCas9. Forschende können diese verwenden, um die DNA von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen mit sehr hoher Präzision zu verändern. Diese Technologie hat die molekularen Biowissenschaften revolutioniert: Sie hat neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung eröffnet, zu innovativen Krebstherapien beigetragen und weckt Hoffnungen für die Heilung von Erbkrankheiten. Die Technologie ist allerdings nicht unumstritten.

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Quelle: Nobel Media

direkt in den Parasiten ein. Nach der Bearbeitung des Erbguts werden die Komponenten sehr rasch vollständig abgebaut – zurück bleibt nur der gewünschte Schnitt.

«Unser Ansatz ist nicht nur effizienter, schneller und kostengünstiger als herkömmliche Methoden, sondern führt auch zu einer Veränderung der genomischen Sequenz des Parasiten, ohne Spuren in den Zellen zu hinterlassen», so Hehl. «So kann man heute experimentelle Lebendvakzine ohne Plasmide oder den Einbau von Resistenzgenen herstellen.»

Hinkt Gentechnikgesetz hinterher?

Hehl hinterfragt das Vorhaben des Bundes, die Genom-Editierung mit Crispr-Cas9 unter das bestehende Gentechnikgesetz (und das bis 2025 verlängerte Moratorium) zu stellen: «Unsere Methode ist ein Beispiel dafür, wie sich diese neue Technologie von den konventionellen Ansätzen der Gentechnik unterscheidet.» Die Inaktivierung eines Gens lasse sich nun bewerkstelligen, ohne Spuren im Erbgut zu hinterlassen und unterscheide sich so nicht von natürlich auftretenden Mutationen, meint Hehl.

Im Gegensatz zu vielen anderen umstrittenen Anwendungen von Gentechnik betreffe dieses Verfahren auch nicht die Herstellung von Lebensmitteln und stelle somit keinen direkten Eingriff in die Nahrungskette dar, argumentiert der Wissenschaftler.

Originalpublikation Rahel R. Winiger und Adrian B. Hehl, «A streamlined CRISPR/ Cas9 approach for fast genome editing in Toxoplasmagondii and Besnoitia besnoiti», Journal of Biological Methods (2020); DOI: 10.14440/jbm.2020.343 Kontakt Prof. Dr. Adrian Hehl Universität Zürich Rämistrasse 71 CH-8006 Zürich +41 44 635 85 26 adrian.hehl@uzh.ch www.uzh.ch

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Bild: Shutterstock

BIOWISSENSCHAFTEN

Bild 1: Die rot leuchtenden Blüten der Ginseng-Pflanze.

Naturstoff löst Aggregate auf

Ein Wurzelbakterium gegen Alzheimer Ein Bakterium aus dem Erdbereich könnte einen neuen Ansatz für eine Alzheimer-Therapie liefern. Genauer gesagt, hilft ein Molekül aus dem Stoffwechsel des Kleinstlebewesens: Rhizolutin, eine neuartige Verbindungsklasse mit trizyklischem Gerüst, löst mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung stehende Protein-Aggregate sowohl im Reagenzglas als auch in lebenden Organismen signifikant auf, wie Wissenschaftler in der Zeitschrift «Angewandte Chemie» berichten.

YoungSoo Kim ¹ Der Bereich um die Wurzeln von Pflanzen ist ein komplexes Ökosystem mit vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und diversen Mikroorganismen. Auf der Suche nach neuen Wirkstoffen wurde diese

sogenannte Rhizosphäre bisher vernachlässigt. Dabei hat sie Interessantes zu bieten.

So hat ein Team um YoungSoo Kim (Yonsei University, Incheon, Rep. Korea) und DongChan Oh (Seoul National University, Rep. Korea) einen als Rhizolutin bezeichneten Naturstoff identifiziert, der ein Ausgangspunkt für eine neuartige Therapie gegen Morbus Alzheimer sein könnte.

¹ Yonsei University, Republik Korea

Naturstoff aus dem Boden Rhizolutin wird von einem StreptomycesStamm aus dem Wurzelbereich von Ginseng-Pflanzen produziert. Ginseng ist eine aus Asien stammende traditionelle Heilpflanze, deren Wurzeln als Stärkungsmittel gelten.

Durch Kultivierung in einem mit GinsengPulver versetzten Medium gelang es den Forschern, die Rhizolutin-Produktion der

H3C

O

O O

O CH3

HO

CH3

Bild 2: Die planare Struktur des Rhizolutin: Ein 7/10/6-trizyklisches Dilacton aus einem Dimethylcyclodecatrien, das von einem sieben- und einem sechsgliedrigen Lacton-Ring flankiert wird.

Bakterien zu verzehnfachten, so dass sie die Struktur dieser neuartigen Verbindung aufklären konnten: Es handelt sich um ein bisher einzigartiges Gerüst aus drei verknüpften Ringen (siehe Bild 2).

Demenz-Erkrankungen in der Schweiz Die Alzheimerkrankheit gehört zu den irreversiblen Formen der Demenzerkrankungen.

Die Demenz ist ein Überbegriff und umfasst über hundert verschiedene Krankheiten, die die Funktionen des Gehirns beeinträchtigen. Alzheimer Schweiz zählt gegenwärtig 144 300 von Demenz betroffene Personen in der Schweiz. Laut Schätzungen werden bis zum Jahr 2050 über 300 000 weitere Personen erkranken. Der grösste Risikofaktor ist das Alter.

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Bild: Shutterstock

BIOWISSENSCHAFTEN

Bild 3: Für die Studien wurden die Gehirne von Labormäusen untersucht.

Ein Screening von Naturstoff-Datenbanken ergab einen Treffer für Rhizolutin als möglichen Ausgangspunkt für einen Wirkstoff, der faserige Aggregate aus Tau-Proteinen, auflösen kann. Es handelt sich um die Aggregate Amyloid-β-(Aβ)-Plaques und TauTangles – typische Merkmale bei Alzheimer. Derartige Ablagerungen entstehen, wenn sogenannte Amyloid-β-Proteine auf eine falsche Weise zu β-Faltblättern gefaltet werden, die zu unlöslichen Plaques und Fasern aggregieren können. Diese führen zum Absterben von Nervenzellen, zu Ner-

venentzündungen, Hirnschwund und den damit verbundenen kognitiven Einschränkungen. Eine wirksame Behandlung von Alzheimer ist bislang nicht in Sicht.

Tiermodell und Computersimulation Anhand verschiedener «in vitro»- und «in vivo»-Versuche konnte das Team jetzt zeigen, dass Rhizolutin zu einer deutlichen Dissoziation unlöslicher Aβ- und Tau-Aggregate führt. In Kulturen von neuronalen

und Glia-Zellen konnte Rhizolutin die durch Aβ-Plaques hervorgerufenen Entzündungsvorgänge und das Absterben der Zellen deutlich verringern. Im Gehirn von Alzheimer-Mäusen war Rhizolutin in der Lage, vorhandene Aβ-Plaques signifikant aufzulösen. Der Vorgang scheint dabei ähnlich zu verlaufen wie die Entfernung falsch gefalteter Proteine bei einer Immuntherapie. Computersimulationen lassen vermuten, dass Rhizolutin in hydrophobe Bereiche der aggregierten β-Faltblätter eindringt und so eine Dissoziation auslöst.

Originalpublikation Dr. Yun Kwon, Jisu Shin, Prof. Dr. Kwangho Nam et al., «Rhizolutin, a Novel 7/10/6-Tricyclic Dilactone, Dissociates Misfolded Protein Aggregates and Reduces Apoptosis/ Inflammation Associated with Alzheimer’s Disease», Angewandte Chemie (2020); https://doi.org/10.1002/ange.202009294 Medienmitteilung Angewandte Chemie www.angewandte.de

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LABOR

Grundlage für Forschung und Alltag

Die Internationale Temperaturskala Die Temperatur gehört allgemein zu den wichtigsten und am häufigsten gemessenen physikalischen Grössen.

Sie ist ein wichtiger Parameter in vielen Forschungsbereichen und muss dementsprechend genau und verlässlich messbar sein. Seit April 2020 realisiert das Eidgenössische Institut für Metrologie (Metas) wieder die aktuelle Internationale Temperaturskala (ITS-90). Sie ist die Grundlage verschiedenster nachgefragter Dienstleistungen im In- und Ausland.

Praktisch alle mechanischen, elektrischen, magnetischen oder optischen Eigenschaften von Materie sind mehr oder weniger stark temperaturabhängig. Somit besteht die Notwendigkeit einer zusätzlichen Bestimmung der Temperatur bei den meisten Messungen anderer Grössen und gleichzeitig stellt genau diese Temperaturabhängigkeit die Grundlage vieler Methoden zur Temperaturmessung dar. Zudem steht die praktische Nutzung der Thermometrie in engem Zusammenhang mit allen wesentlichen Bereichen der Industrie, des Energiesektors, der Biologie und Medizin und der Meteorologie. Gleichzeitig ist die Temperatur sehr häufig ein wichtiger Kontroll- und Steuerungsparameter vieler Experimente in allen Forschungsbereichen.

Ein international anerkanntes Labor In den letzten rund zehn Jahren realisierte ein vom Metas bezeichnetes designiertes Institut (DI) die Einheit Kelvin über die bis heute aktuelle Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90). Dafür wurde dem DI die am Metas bereits vorhandene ITS-90-Realisierung zu Verfügung gestellt, um die Dienstleistungen in diesem Bereich erbringen zu können. Das komplette Equipment verblieb aber im Besitz des Metas und somit auch die Verantwortung und Sicherstellung dieser Infrastruktur. Das DI betrieb die operative Infrastruktur und bot Kalibrier-Dienstleistungen an. Aus gemeinsamen strategischen Überlegungen

¹ Metas, Bern-Wabern

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Bild: Shutterstock

Remo Senn ¹

Die Temperatur ist faszinierend. Vermeintlich kleine Temperaturunterschiede können verheerend sein, wenn man nur an die Körpertemperatur des Menschen denkt.

wurde diese Zusammenarbeit Ende März 2020 offiziell beendet und das Metas hat seine Aktivitäten im Bereich der Thermometrie wieder aufgenommen. Als Konsequenz wurde das bestehende «ITS-90 Labor» des Metas wieder zurück transferiert und in neue geeignete Räumlichkeiten integriert. Um die erforderlichen Anerkennungen in den internationalen Fachgremien (Technisches Komitee für Thermometrie Euramet, Konsultativkomitee des BIPM) zu erhalten, mussten internationale Peer-Reviews auf technischer Ebene und im Bereich des Qualitätsmanagements durchgeführt werden (in diesem Falle mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Deutschland). Alle notwendigen Schritte und die offizielle Anerkennung konnten bis im März 2020 erfolgreich implementiert und eine lückenlose Realisierung der ITS-90 in der Schweiz sichergestellt werden. Das Metas verfügt

somit wieder über ein international anerkanntes Thermometrie-Labor und baut auf Basis der ITS-90 verschiedene nachgefragte Dienstleistungen auf.

Die Boltzmann-Konstante und die Unsicherheit Durch die Fixierung des Tripelpunktes von Wasser als Referenzpunkt ohne Unsicherheiten waren die Bestimmungen der Boltzmann-Konstante mit einer dazugehörigen Unsicherheit behaftet. Durch die Neudefinition wurde diese Situation umgedreht.

Die Boltzmann-Konstante wird ohne Unsicherheit fixiert bzw. die Unsicherheit dem Tripelpunkt von Wasser «vererbt». Reine thermodynamische Systeme, nur auf der Boltzmann-Konstante basierend, sind nach wie vor nur mit enormen Aufwand realisierbar. Zudem liefern sie nicht in jeden Fall ein praktisch einsetzbares System. Diese heu3/2021

Grafiken: Metas

LABOR

Aktuelle Kalibrierdienstleistungen der Thermometrie am Metas.

tige Situation bestand bereits in ähnlicher Weise vor rund 100 Jahren. Deshalb wurde 1927 eine zweite parallele Temperaturskala eingeführt.

Mit der Festlegung eines Fixpunktes und eines Thermometers, welches auf den fundamentalen Prinzipen der statistischen Mechanik basiert, konnte in der Theorie jede beliebige Temperatur erreicht werden.

Diese praktische Temperaturskala wurde über die Jahre auch immer wieder angepasst. Die momentan gültige Version dieser praktischen Umsetzung – die Internationale Temperaturskala 1990 (ITS-90) – basiert auf Fixpunkten, welche sich über die Phasenübergangsphänomene (Schmelz-, Erstarrungs- und Tripelpunkten) von weiteren Materialen definieren.

Zusätzlich benötigt diese Skala, je nach Bereich, ein geeignetes und definiertes Interpolationsinstrument, um die Werte zwischen den Fixpunkten abzubilden. Zur Überprüfung und Anpassung müssen die

Neue Definitionen der Basiseinheiten Durch die Revision des SI gelten seit Mai 2019 für alle sieben Basiseinheiten neue Definitionen auf der Basis von Naturkonstanten. Im Falle der Basiseinheit Kelvin wird dies über die Boltzmann-Konstante K erreicht. Aus der neuen Definition folgt, dass ein Kelvin gleich der Änderung der thermodynamischen Temperatur ist, die sich aus einer Änderung der Wärmeenergie kT von 1,380 649 × 10 –23 Joule ergibt.

Prinzipiell kann jeder physikalische Zusammenhang, welcher über die statistische Mechanik verstanden wird, zur direkten Realisierung der thermodynamischen Temperatur genutzt werden.

Zurzeit werden durch das Konsultativkomitee folgende Verfahren empfohlen: akustische Gasthermometrie, radiometrische Thermometrie, polarisierende Gasthermometrie und Rauschthermometrie.

Die Fixpunkte Die thermodynamische Temperatur wurde historisch sehr lange über den Tripelpunkt von Wasser (273,16 K oder 0,01 °C) und den absoluten Nullpunkt (0 K oder –273,15 °C) definiert. Ein Tripelpunkt (auch Dreiphasenpunkt) ist ein Zustand eines aus einer einzigen Stoffkomponente bestehenden Systems, in dem Temperatur und Druck dreier Phasen – fest, flüssig und gasförmig – im thermodynamischen Gleichgewicht stehen.

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Die Temperaturskala ITS-90 wird am Metas mit den hervorgehobenen Fixpunkten von –189 °C bis 660 °C realisiert.

Unterschiede zwischen der thermodynamischen Temperatur und der ITS-90 ständig verbessert und überprüft werden.

Die Skala ist nach wie vor aktuell Durch den grossen praktischen Vorteil und die sehr hohe Reproduzierbarkeit ist die ITS-90 als Skala nach wie vor von hoher Aktualität und wird weltweit hauptsächlich von nationalen Metrologieinstituten realisiert. Die thermometrische Basis der Schweiz besteht aus einer Reihe von Fixpunktzellen, die den Bereich von –189,3342 °C bis 660,323 °C redundant abdecken. Diese Zellen werden gemeinsam mit Normal-Platin-Widerstandsthermometer, als Interpolationsinstrument, zur Abbildung der ITS-90 verwendet.

Das Thermometrie-Labor des Metas ist als ein Teil des Labors Gleichstrom und Niederfrequenz bzw. des Bereichs Elektrizität organisiert. Die allgemein sehr häufig genutzte Verbindung von temperaturabhängigen elektrischen Effekten zur Messung der Temperatur und konkret die Widerstandsthermometrie als ein definiertes Interpolationsinstrument der ITS-90, erfordert eine hochstehende Infrastruktur der elektrischen Metrologie. Diese wird vom Metas seit vielen Dekaden erfolgreich betrieben und weiterentwickelt.

Durch die enge Verzahnung der beiden Fachbereiche hat die Thermometrie direkten und schnellen Zugang zur elektrischen Messtechnik, wovon Realisierung und Kalibrierungen mit tiefen Messunsicherheiten profitieren. Darüber hinaus könnte diese aussergewöhnliche Synergie mit der Entwicklung der Rauschthermometrie, basierend auf dem elektrischen Widerstandsrauschen zur Bestimmung der thermodynamischen Temperatur, dereinst zu einem «elektronischen Kelvin» führen und die ITS-90 ablösen.

Kontakt Remo Senn Metas Lindenweg 50 CH-3003 Bern-Wabern +41 58 387 03 30 dclf@metas.ch www.metas.ch

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LABOR

Reaktionen nachvollziehen

Fluoreszenzmikroskopie mit höchster Auflösung

Wissenschaftlern um Professor Philip Tinnefeld der Universität München und Professor Fernando Stefani (Buenos Aires) ist es nun gelungen, das für die 1-nm-Auflösung notwendige sogenannte Minflux-Mikroskop (siehe Kasten) zu vereinfachen. So konnten die Wissenschaftler äusserst nah beieinanderliegende Moleküle unterscheiden und sogar die Dynamik ihrer Bewe-

Das Fluoreszenzmikroskop: Minflux Es ist der «Heilige Gral» der Lichtmikroskopie: die Trennschärfe dieser Methode so weit zu verbessern, dass man dicht benachbarte Moleküle einzeln auflösen kann. Wissenschaftler um Nobelpreisträger Stefan Hell vom Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie haben 2016 geschafft, was lange Zeit als unmöglich galt: Sie haben ein neues Fluoreszenzmikroskop entwickelt, Minflux genannt, mit dem sich erstmals Moleküle trennen lassen, die nur Nanometer voneinander entfernt sind. Dieses Mikroskop ist mehr als 100-mal schärfer als herkömmliche Lichtmikroskopie und übertrifft selbst die bisher besten lichtmikroskopischen Methoden – das von Hell zuerst entwickelte «Sted» und das von Nobelpreiskollege Eric Betzig erfundene «Palm/ Storm» – um das Zwanzigfache. Für Minflux nutzte Hell die Stärken von Sted und Palm/Storm in einem völlig neuen Konzept. Dieser Durchbruch eröffnet Wissenschaftlern grundlegend neue Möglichkeiten zu erforschen, wie das Leben auf molekularer Ebene abläuft.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

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gungen unabhängig voneinander verfolgen.

Zusätzliche Funktionen ermöglichen es ihnen zudem, die Art der beobachteten Moleküle zu charakterisieren. Die MinfluxMethode fragt den Ort jedes Moleküls ab, indem ein Laserfokus in der Nähe des Moleküls platziert wird. Die gemessene Fluoreszenzintensität dient dabei als Mass für den Abstand des Moleküls zum Mittelpunkt des Laserfokus. Die genaue Molekülposition lässt sich durch die optische Messmethode der Triangulation erhalten, indem das Zentrum des Laserfokus nacheinander an verschiedenen Seiten relativ zum Molekül platziert wird.

DNA-Origami In ihrer Studie, die sie in der Fachzeitschrift «Nano Letters» in diesem Jahr veröffentlichten, verwendeten die Physikochemiker gefaltete DNA-Moleküle, sogenannte DNAOrigami. Diese programmierbaren Moleküle eignen sich gut, um die Auflösung von Mikroskopen zu testen, da sie sich in Nanometerbereich systematisch falten lassen. Diese Nanomodelle dienen dabei als Träger von fluoreszierenden Farbstoffen.

Ihre Modelle beruhten auf DNA-OrigamiSystemen, die einerseits statisch und andererseits dynamisch waren.

Fluoreszenz bestimmt Grenzen Die Wissenschaftler ordneten die Laserpulse so geschickt in Ort und Zeit an, dass sie mit maximal möglicher Geschwindigkeit zwischen den Laserpositionen hinund herschalten konnten. Zusätzlich erreichten sie mithilfe einer schnellen Elektronik eine zeitliche Auflösung, die im

Bild: Adobe Stock

Erst vor wenigen Jahren wurde eine fundamental erscheinende Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie gesprengt, was 2014 zur Verleihung des Nobelpreises für Chemie führte. Seither hat es auf dem Gebiet der superauflösenden Mikroskopie einen weiteren Quantensprung gegeben, der die Auflösungsgrenze bis zur molekularen Dimension (1 nm) getrieben hat. Ein internationales Forschungsteam hat die Fluoreszenzmikroskopie nochmals verbessert: Nun können bimolekulare Reaktionen mit ihr analysiert werden.

Die Mikroskopie liefert längst mehr als nur ein scharfes Bild.

Bereich von Pikosekunden liegt und den elektronischen Übergängen in den Molekülen entspricht. Damit werden die Grenzen des Mikroskops ausschliesslich von den Fluoreszenzeigenschaften der Farbstoffe bestimmt, die die DNA-Origami auf sich tragen.

Energietransfer begreifen Mithilfe dieser neuen sogenannten pulsedMinflux gelang es den Wissenschaftlern, die örtliche Verteilung der Fluoreszenz­ lebensdauer – die wichtigste Messgrösse, um die Umgebung von Farbstoffen zu charakterisieren – mit einer Auflösung von 1 nm zu messen. Tinnefeld erklärt: «Mit pulsed-Minflux wird es möglich sein, Strukturen und Dynamik auf molekularer Ebene aufzudecken, die fundamental sind für unser Verständnis von Energietransferprozessen bis hin zu biomolekularen Reaktionen.»

Originalpublikation Luciano A. Masullo et al., «Pulsed Interleaved MINFLUX», Nano Lett. (2021); https:// doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04600 Medienmitteilung Ludwig-Maximilians-Universität München www.lmu.de 3/2021

MEDIZIN

Wiederverwendung denkbar oder utopisch?

Schutzkleidung gegen Tröpfcheninfektionen

Die im Rahmen einer Forschungskooperation untersuchten Materialien zeigten sehr gute flüssigkeitsabweisende Eigenschaften, wie sie zur Abschirmung infektiöser Tröpfchen erforderlich sind. Die im Mittelpunkt der Studie stehende Kontaktwinkelmethode erwies sich als valide und kann potenziell als einfach zugängliches Verfahren für Prüfungen medizinischer Schutzkleidung eingesetzt werden. An der Studie beteiligt waren neben dem Hamburger Messgerätehersteller Krüss die Dastex Reinraumzubehör GmbH & Co. KG sowie die OHB System AG.

Tröpfchen-abweisende Schutzkleidung Die untersuchten Textilien dienen eigentlich für Reinraumkleidung bei der Satellitenfertigung und schützen dort in erster Linie die Umgebung. Für den potenziellen medizinischen Einsatz wurden die Gewebe mit einer hydrophoben PTFE-Beschichtung versehen. Diese Modifikation sollte die Benetzung durch infektiöse Tröpfchen und deren Absorption verhindern, so dass sie abfallen oder an der Oberfläche verdunsten. Der Nachweis solcher hydrophoben Eigenschaften ist eine typische Fragestellung der Kontaktwinkelmesstechnik, in der die Firma Krüss spezialisiert ist.

Praxisnahe Benetzungsuntersuchungen Zunächst konnte dem Gewebe anhand grösserer Wassertropfen exzellentes flüssigkeitsabweisendes Verhalten bescheinigt werden. Um darüber hinaus den Schutz beim Kontakt mit hustenden oder niesenden Patientinnen und Patienten zu unter3/2021

Bild: Krüss

Ob und wie Schutzkleidung gegen Tröpfcheninfektion wiederverwendet werden können, ist derzeit Teil der öffentlichen Diskussion. Doch die medizinische Fachwelt reagiert zögerlich – aus gutem Grund, denn herkömmliche Einwegkleidung bietet verlässlichen Schutz, der für Mehrwegtextilien erst sichergestellt und nachgewiesen werden muss. Einen wichtigen Schritt geht eine neue Studie zur Benetzbarkeit beschichteter Reinraumkleidung.

Auf den beschichteten Reinraumtextilien bilden sich runde Tropfen mit entsprechend grossen Kontaktwinkeln aus.

suchen, wurden winzige Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit auf die Materialien appliziert. Mikroskopiegestützte Kontaktwinkelmessungen belegten auch für diese Situation eine gute Schutzwirkung, die sogar anhand einzelner Fasern nachgewiesen werden konnte. Und auch um die Wiederverwendung steht es günstig, denn selbst nach 120 Waschzyklen war keine Beeinträchtigung der wasserabweisenden Materialeigenschaften festzustellen.

Kontaktwinkelmessung als valide Prüfmethode Bisher konnte die Schutzwirkung medizinischer Kleidung nur in spezialisierten Laboratorien festgestellt werden. Im Kontrast dazu werden beschichtete Textilien für andere Verwendungszwecke häufig mit improvisierten, wissenschaftlich kaum zureichenden Methoden geprüft. Kontaktwinkelmessungen sind hingegen nicht nur valide für die Charakterisierung hydrophober Textilien, sondern auch schnell, einfach und mobil durchführbar.

Parallel haben Forschende des Helmholtz Zentrums Geesthacht am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) zusammen mit

Der Kontaktwinkel Je höher der Kontaktwinkel, desto geringer ist die Benetzung der Oberfläche.

Liegt der Kontaktwinkel bei 0 °, hat der Stoff die Flüssigkeit sozusagen «aufgesogen». Ab einem Kontaktwinkel von über 90 ° wird die Oberfläche nicht mehr benetzt. Perlt die Flüssigkeit stets komplett ab, liegt der Wert theoretisch bei 180 °.

Teams von der Quality Analysis (Nürtingen) und Volume Graphics (Heidelberg) die runden Formen der nicht benetzenden Tropfen in hochauflösenden computertomographischen Untersuchungen visualisiert.

Bis medizinische Einrichtungen auf wiederverwendbare Schutzkleidung umschwenken können, ist noch ein weiter Weg zu beschreiten. Der lohnt sich aber sicherlich, nicht nur aus ökologischen Gründen und bei Lieferengpässen. Auch die Ärzteschaft und das Pflegepersonal würden von der Umstellung auf bequemere und noch dazu atmungsaktivere Schutzkleidung profitieren.

Die Ergebnisse der Studie stellte Dr. Thomas Willers von Krüss am 18. Februar 2021 online auf dem World Congress on Textile Coating vor. Eine medizinische Fachveröffentlichung ist zunächst im norwegischen Magazin «Dagens Medisin» vorgesehen.

Kontakt Krüss GmbH Wissenschaftliche Laborgeräte Borsteler Chaussee 85 D-22453 Hamburg +49 40 514401 290 info@kruss.de www.kruss-scientific.com

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MEDIZIN

Es gibt noch viel zu tun

Die Evolution der Antibiotikaresistenzen Die Erbinformationen vieler Mikroorganismen, insbesondere der Bakterien, liegen zum Teil in Plasmiden vor. Das sind genetische Elemente, die aus nur einem einzelnen DNA-Ring bestehen, nicht auf den Chromosomen vorliegen und sich eigenständig vervielfältigen können. Bakterien ist es dank solcher Plasmide möglich, Erbinformationen sehr schnell untereinander und auch über die Grenzen verschiedener Bakterienarten hinweg zu übertragen.

Bild: Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU

Dieser als horizontaler Gentransfer bezeichnete Prozess ist zentral an der Evolution von Mikroorganismen beteiligt und hilft ihnen dabei, sich flexibel an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Insbesondere für bakterielle Krankheitserreger ist diese schnelle Anpassungsfähigkeit ein grosser Vorteil.

Ein unerwünschtes Reservoir Ein Forschungsteam vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) wies im vergangenen Jahr nach, dass Plasmide als häufige Träger von Resistenzgenen dauerhaft und auch ohne Selektionsdruck stabil in Bakterienzellen überdauern können. So können sie ein Reservoir für die Entwicklung von Resistenzen bilden, das schon bei einmaliger Antibiotikagabe zur Behandlungsunempfindlichkeit der nachfolgenden Bakteriengenerationen führen kann.

Ein überraschendes Ergebnis In einer nun anschliessenden Arbeit haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der CAU-Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie um Professorin Tal Dagan untersucht, welche Wirkung die Antibiotikagabe wiederum auf die Stabilität der Plasmide in den Bakterienzellen und damit ihren evolutionären Erfolg ausübt.

Sie stellten fest, dass der von den Antibiotika ausgehende Selektionsdruck nicht immer die stabile Plasmid-Vererbung fördert, obwohl die Plasmide für die Zelle vorteilhafte Resistenzgene tragen. Die Ergebnisse ihrer im Rahmen des Kiel Evolution Center (KEC) entstandenen Arbeit 18

Dr. Tanita Wein, die Hauptautorin der Studie, hat kürzlich promoviert und arbeitet derzeit als Postdoktorandin in der Forschungsgruppe von Prof. Rotem Sorek am Weizmann Institute of Science in Israel.

veröffentlichten die Forschenden in der Fachzeitschrift «Current Biology».

Ein scheinbarer Widerspruch Das allgegenwärtige Vorkommen von Plasmiden in der Natur lässt zunächst vermuten, dass Plasmide eine stabile Vererbung entwickeln und langfristig beispielsweise in einer Bakterienpopulation erhalten bleiben – solange sie keinen negativen Einfluss auf die Fitness des Wirtslebewesens haben, etwa durch ihren Energiebedarf.

Das Kieler Forschungsteam untersuchte daher, warum sich entgegen dieser Annahme nicht in allen Fällen eine Plasmid-Stabilität einstellt, obwohl ihre Anwesenheit unter Selektionsdruck vorteilhaft ist. Dazu

kultivierten die Forschenden in Evolutionsexperimenten das Bakterium Escherichia coli jeweils mit und ohne Antibiotikagabe.

So konnten sie überprüfen, wie sich im Vergleich die Anwesenheit der Plasmide über die Bakteriengenerationen entwickelte. «In Anwesenheit von Antibiotika muss jede Bakterienzelle eine Resistenz entwickeln, sonst stirbt sie. Daher überleben unter diesen Bedingungen alle Zellen, die ein Plasmid als Träger des Resistenzgens haben», erklärt Erstautorin Dr. Tanita Wein, die kürzlich in Dagans Arbeitsgruppe promovierte. «Dabei ist es für die Bakterienzelle egal, in welchem Zustand sich das Plasmid befindet, und es überleben sowohl stabile als auch instabile Plasmid-Varianten», so Wein.

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MEDIZIN

Die Zelle schützt sich auf Kosten des Plasmids Dabei haben die Plasmide die Tendenz, Multimere zu bilden, sich also aus mehreren einzelnen Plasmiden zu einer grossen zusammenhängenden Struktur zusammenzuschliessen. Wenn sich die Bakterienzelle anschliessend teilt, geht das grosse Multimer mit dann mehreren Resistenzgenen nur in eine Tochterzelle über, die zweite neue Zelle erhält aber keines. Das dadurch wahrscheinlich verstärkte Plasmid mit seinen Resistenzgenen ist zwar für die Zelle von Vorteil, es wird dadurch allerdings auch instabil. Denn ohne den Selektionsdruck eines Antibiotikums gehen die grossen Multimere wieder verloren. Zusammenfassend bedeutet dies, dass die positive Selektion hinsichtlich der Antibiotikaresistenz zur Aufrechterhaltung von nicht-optimalen Plasmid-Varianten führt, die langfristig nicht stabil vererbt werden können.

veränderliche Bedingungen wie die abwechselnde An- und Abwesenheit von Antibiotika und nicht so sehr eine konstante Selektion der Schlüssel zur schnellen Anpassung der Plasmide sind», betont Dagan. «Unsere Erkenntnisse könnten daher auch auf die Prozesse anwendbar sein, die bei Krankheitserregern zur Entstehung von Multiresistenzen gegenüber verschiedenen Wirkstoffen führen», meint Dagan.

biotics interfere with the evolution of plasmid stabilit», Current Biology (2020); https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.07.019

Originalpublikation Tanita Wein, Yiqing Wang, Nils F. Hülter, Katrin Hammerschmidt, Tal Dagan, «Anti-

Kontakt Dr. Tanita Wein Universität zu Kiel Christian-Albrechts-Platz 4 D-24118 Kiel +49 431 880 5743 twein@ifam.uni-kiel.de www.uni-kiel.de

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Gegensätzliches Interesse Diese Vorgänge zeigen, dass die Zellen und die Plasmide im übertragenen Sinne kein gemeinsames Interesse haben. Die evolutionäre Selektion ihrer Eigenschaften findet auf unterschiedlichen Ebenen statt und dient nicht immer dem Vorteil beider Beteiligter, obwohl sie in einem gemeinsamen Organismus existieren. «Im konkreten Fall bedeutet dies, dass der durch das Plasmid vermittelte Vorteil für die Wirtszelle mit einem verringerten Erfolg für die Evolution der Plasmide einhergeht und die Interessen von Plasmid und Zelle in diesem Fall gegenläufig sind. Die Betrachtung von Plasmiden als sich autonom von ihren Wirtszellen entwickelnde Einheiten hilft also dabei, den Verlauf ihrer gemeinsamen Evolution besser zu verstehen», erklärt Wein.

Besseres Verständnis der Resistenzevolution Insgesamt könnten die neuen Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der Vererbungsprozesse bei Plasmiden und den damit verbundenen Konsequenzen für den Wirtsorganismus führen. «Unsere Ergebnisse legen nahe, dass eher schnell 3/2021

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MEDIZIN

Beobachtung von Herz-Kreislauf-Versagen

Führt nächtlicher Fluglärm zum Tod?

Die meisten Studien über Verkehrslärm und Herz-Kreislauf-Sterblichkeit konzen­ trierten sich bisher auf die langfristige Lärmbelastung. Diese Studien zeigen auf, dass chronische Lärmbelastung ein Risikofaktor für die Herz-Kreislauf-Sterblichkeit ist. Insgesamt können in Europa rund 48 000 Fälle von ischämischen Herzerkrankungen pro Jahr auf Lärmbelastung zurückgeführt werden, insbesondere auf Strassenverkehrslärm.

Nach zwei Stunden Zum ersten Mal wurde im Rahmen einer Studie unter der Leitung des Swiss TPH nun aufgezeigt, dass akuter nächtlicher Fluglärm innerhalb von zwei Stunden ab der Lärmbelastung einen Herz-KreislaufTod auslösen kann. Die in der Fachzeitschrift «European Heart Journal» veröffentlichte Studie ergab, dass das Risiko eines Herz-Kreislauf-Todes bei einer nächtlichen Lärmbelastung zwischen 40 und 50 Dezibel um 33 Prozent und bei einer Belastung über 55 Dezibel um 44 Prozent steigt.

«Wir haben festgestellt, dass zwischen 2000 und 2015 bei ungefähr 800 von 25 000 Herz-Kreislauf-Todesfällen in der Nähe des Flughafens Zürich Fluglärm die Ursache war.

Dies entspricht drei Prozent aller beobachteten Herz-Kreislauf-Todesfälle», sagt Martin Röösli, Korrespondenzautor der Studie und Leiter der Einheit «Environmental Exposures and Health» am Swiss TPH.

Fluglärm und Emotionen Gemäss Martin Röösli zeigen die Ergebnisse, dass Fluglärm ähnliche Auswirkungen auf die Herz-Kreislauf-Sterblichkeit haben kann wie Emotionen (zum Beispiel Wut 20

Bild: Shutterstock

Zum ersten Mal hat eine Studie gezeigt, dass lauter Fluglärm in der Nacht innerhalb von zwei Stunden zum Herz-Kreislauf-Tod führen kann. Forschende des Schweizerischen Tropen- und Public-Health-Instituts (Swiss TPH) haben die Sterblichkeitsdaten mit der akuten nächtlichen Lärmbelastung um den Flughafen Zürich zwischen 2000 und 2015 verglichen. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachmagazin «European Heart Journal» veröffentlicht.

Am Flughafen Zürich gilt ein nächtliches Flugverbot zwischen 23.30 und 6.00 Uhr.

oder Aufregung). «Die Ergebnisse überraschen nicht, denn wir wissen, dass eine Lärmbelastung in der Nacht Stress verursacht und den Schlaf beeinträchtigt», erklärt er. In ruhigen Gegenden mit wenig Eisenbahn- und Strassenverkehrslärm war die nächtliche Fluglärmwirkung stärker ausgeprägt. Dies war auch der Fall bei Menschen, die in älteren, weniger isolierten und damit lärmanfälligen Häusern wohnen.

Flugverbot in der Nacht Am Flughafen Zürich gilt ein Flugverbot zwischen 23.30 und 6.00 Uhr. «Auf Basis unserer Studienergebnisse können wir folgern, dass dieses nächtliche Flugverbot zusätzliche Herz-Kreislauf-Todesfälle verhindert», so Röösli.

Im Rahmen der Studie wurde ein CaseCrossover-Design verwendet, um herauszufinden, ob die Fluglärmbelastung zum Zeitpunkt der Todesfälle im Vergleich zu zufällig gewählten Kontrollzeiträumen ungewöhnlich hoch war. «Dieses Studiendesign ist sehr hilfreich, wenn man akute Auswirkungen der Lärmbelastung mit einer hohen täglichen Variabilität untersuchen möchte, wie im Falle von Fluglärm wegen wechselnder Wetterbedingungen oder Flugverspätungen», meint Apolline Saucy, Hauptautorin der Studie und Doktorandin am Swiss

TPH. «Mit diesem zeitlichen Analyseansatz können wir die Wirkung ungewöhnlich hoher oder niedriger Lärmbelastungen auf die Sterblichkeit von anderen Faktoren abgrenzen. Faktoren, die auf den Lebenswandel zurückgehen, wie z.

B. Rauchen oder schlechte Ernährung, stellen in diesem Studiendesign keine Verzerrung dar.»

Die Lärmbelastung wurde anhand einer Liste aller Flugzeugbewegungen beim Flughafen Zürich zwischen 2000 und 2015 und in Verbindung mit bereits vorhandenen Berechnungen der Fluglärmbelastung modelliert. Dabei berücksichtigt wurde der Flugzeugtyp, Flugroute sowie Tages- und Jahreszeit.

Die Studie wurde vom Swiss TPH in Zusammenarbeit mit der Empa und mit Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds durchgeführt (Förderungsnummer 324730_173330).

Originalpublikation A. Saucy et al., «Does nighttime aircraft noise trigger mortality? A case-crossover study on 24,886 cardiovascual deaths», European Heart Journal (2020); DOI: 10.1093/eurheartj/ehaa957 Medienmitteilung Schweizerisches Tropenund Public-Health-Institut (Swiss TPH) www.swisstph.ch 3/2021

ERNÄHRUNG

Online-Messsystem

Für den perfekten Milchschaum Ein cremiger und feinporiger Milchschaum ist bei ihnen ein absolutes Muss: Latte Macchiato oder Cappuccino erfreuen sich einer ständig steigenden Beliebtheit unter den Kaffeetrinkern. Doch immer wieder lassen sich einzelne Produktionschargen von ansonsten einwandfreier UHT-Milch nicht zufriedenstellend aufschäumen und führen zu Reklamationen bei den Herstellern. Noch ist der genaue Auslöser dafür unbekannt. Forschende der Universität Hohenheim gehen der Ursache auf den Grund.

Zwei Teams von der Universität Hohenheim sind auf der Suche nach Ursachen und Lösungen. Prof. Dr.-Ing. Jörg Hinrichs vom Fachgebiet Milchwissenschaft und -technologie erklärt die Problematik: «UHTMilch ist ein Produkt, dessen Herstellung schon lange etabliert ist und sich bewährt hat. Doch jetzt werden zusätzliche Anforderungen an dieses Produkt gestellt, die bisher keine Rolle spielten – wie eben die Aufschäumbarkeit.» Zudem betont der Wissenschaftler: «Milch ist ein Naturprodukt, das grossen Schwankungen unterworfen sein kann.» Das betreffe nicht nur ihre Zusammensetzung, die durch viele Faktoren wie beispielsweise das Futter oder die Jahreszeit beeinflusst werde, sondern auch die Frage, wie sie vor der Ver3/2021

Dieses Aufschäumsystem wurde extra für das Projekt entwickelt, um der Produktinstabilität von UHT-Milch auf die Schliche zu kommen.

arbeitung behandelt werde. «So steht die Milch nach dem Melken am Wochenende gegebenenfalls länger bis zur weiteren Verarbeitung als unter der Woche. Allein das macht schon einen Unterschied. Und auch haltbar gemachte Milch verändert sich während der Lagerung», so Hinrichs weiter.

Vieles beeinflusst die Milchschaumbildung Zudem sei die genaue Ursache für die nicht zufriedenstellende Aufschäumbarkeit noch unbekannt, erklärt Hinrichs. «Deswegen haben wir zunächst einmal ein Standardmessverfahren entwickelt, um herauszufinden, was warum nicht funktioniert.

Weil die verschiedenen Maschinen für das

Bild: Clipdeale

Milch ist ein komplexes Naturprodukt

Bild: Universität Hohenheim/Darius Hummel

Milch richtig aufzuschäumen ist eine Kunst für sich. Der Milchschaum soll möglichst cremig und feinporig sein und nicht zu schnell zusammenfallen. Für die Zubereitung von Kaffeespezialitäten in einem Café oder einer Bar verwenden Baristas gerne eine fetthaltige UHT-Milch, die über ihre gesamte Haltbarkeitsdauer neben guten geschmacklichen Eigenschaften auch über eine gleichbleibende Aufschäumqualität verfügen muss.

Doch einzelne Produktionschargen von fetthaltiger UHT-Milch weisen nicht die gewünschte Barista-Qualität auf: Sie lassen sich nicht so gut aufschäumen wie von Gastronomie, Cateringfirmen und Verbrauchern gefordert. Treten Reklamationen auf, wird die Marke im Gastronomie- und Cateringsektor gemieden bzw. die Produkte werden im Handel nicht mehr geführt.

Für perfekten Milchschaum entwickeln Forschende der Universität Hohenheim ein Online-Messsystem für die Produktstabilität von Milch.

Milchaufschäumen alle leicht unterschiedlich funktionieren, ist es sonst sehr schwer, den Grund zu finden. Wir können dann nicht sagen, ob das Problem an der Milch oder an der Maschine liegt.»

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ERNÄHRUNG

DIMATEC Ihr TOC/TNb-Spezialist Aus den Forschungsergebnissen leitet er mit seinem Team Empfehlungen für die Unternehmen ab, wie sie Produktveränderungen minimieren und eine UHT-Milch mit möglichst gleichbleibendem Aufschäumverhalten herstellen können – angefangen bei der Behandlung der Rohmilch, über verschiedene Verarbeitungsprozesse wie Homogenisieren und Erhitzen, bis hin zur Abfüllung und Lagerung.

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«Die Qualitätssicherung in den Firmen überprüft heute mit zahlreichen Analysemethoden, ob die chemischen, physikalischen und mikrobiologischen Eigenschaften des fertig verpackten Produkts innerhalb bestimmter Grenzen liegen», erläutert Prof. Dr. Bernd Hitzmann vom Fachgebiet Prozessanalytik und Getreidewissenschaft die Fragestellung, mit der sich sein Team in dem Projekt beschäftigt.

Doch dies kann nicht die Komplexität der Vorgänge bis zum Mindesthaltbarkeitsdatum widerspiegeln – eine Prognose, wie sich die Qualität des Produkts über die Zeit entwickelt, ist damit nur bedingt möglich. Durch eine Kombination verschiedener spektroskopischer Verfahren, wie Raman-, Nahinfrarot- und Fluoreszenz-­Spektroskopie, kann unter anderem die Konzentration von verschiedenen Inhaltsstoffen bestimmt werden.

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«Anhand der Spektren können wir sogar sehen, welche Milch von welchem Hersteller stammt. Damit werden aber auch Prognosen zu den Qualitätseigenschaften bis zum Mindesthaltbarkeitsdatum möglich», erklärt Hitzmann die Vorteile des Analyseverfahrens.

Er fährt fort: «Weicht beispielsweise das spektrale Muster von den sonstigen Chargen ab oder ist es dem Muster einer Reklamation sehr ähnlich, kann die Qualitätssicherung sofort reagieren, ohne aufwendige und zeitintensive Analyseergebnisse abzuwarten.»

Langfristiges Ziel ist eine Automatisierung des Analyse-Verfahrens.

Das System soll dann direkt in den Produktstrom vor dem letzten Behandlungsschritt und/oder der Abfüllung integriert werden und das flüssige Produkt online analysieren.

Aber Hitzmann denkt noch weiter: «Grundsätzlich lässt sich dieses Verfahren auch auf andere Produkte übertragen und sich zum Beispiel bei der Beurteilung von Produkteigenschaften oder zur Früherkennung von Instabilitäten in verschiedenen Rohstoffen, Halbfertigfabrikaten und bei der Verarbeitung anderer flüssiger Produkte einsetzen.»

Kontakt Prof. Dr. Bernd Hitzmann Universität Hohenheim Schloss Hohenheim 1 D-70599 Stuttgart +49 711 459 23286 bernd.hitzmann@uni-hohenheim.de www.uni-hohenheim.de

17.02.21 08:50

3/2021

NEWS

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

Personalien Chembid Daten sind das Herzstück von Chembid, der weltweit grössten Suchmaschine und Market-Intelligence-Plattform für Chemikalien. Tagtäglich erfasst und analysiert Chembid Millionen an Produkt- und Marktdaten und stellt diese über die Chembid-Plattform in Form von intelligenten Lösungen für Einkäufer und Anbieter von Chemikalien bereit. Mit Stefan Schweikart verstärkt Chembid das Management nun mit einem Experten in den Bereichen B2B-Produktdaten und digitale Dienste. Schweikart steigt als CEO bei Chembid ein und übernimmt die Rolle von Christian Bürger, der die Plattform seit Gründung begleitet hat. Schweikart verantwortet ab sofort alle Strategie, Vertriebs- und Marketingaktivitäten des SaaS-Unternehmens.

Dachser Burkhard Eling ist seit Januar 2021 der neue CEO von Dachser. Zuvor verantwortete er mehr als sieben Jahre lang das Finanzressort des Familienunternehmens. Er steht dem Ressort Corporate Strategy, Human Resources, Marketing vor, in dem auch das Corporate Key Account Management sowie der Bereich Corporate Governance & Com-

3/2021

pliance angesiedelt sind. Eling folgt auf Bernhard Simon, der ab Mitte 2021 den Vorsitz im Verwaltungsrat des Familienunternehmens übernehmen wird.

Endress + Hauser Mirko Lehmann wird neuer Geschäftsführer des DurchflussmesstechnikHerstellers. Er übernimmt innerhalb der Endress + HauserGruppe neue Aufgaben. Er wird zum 1. April 2021 Geschäftsführer des Product Centers für Durchflussmesstechnik mit Sitz im basellandschaftlichen Reinach. Die vergangenen 14 Jahre leitete er den Sensorhersteller Innovative Sensor Technology IST AG im sankt-gallischen Ebnat-Kappel.

Bei Endress+Hauser Flow folgt Mirko Lehmann auf Dr. BerndJosef Schäfer, der das Unternehmen verlassen hat.

Übernahmen HLash & Rainer GmbH Die beiden Unternehmen HLash GmbH und Rainer GmbH haben sich formal zusammengeschlossen, nachdem sie bereits seit Februar 2020 partnerschaftlich zusammengearbeitet haben.

Unter der Firmierung HLash & Rainer GmbH und der Geschäftsführung von Andreas Rainer und Christian Kunert geht es mit gebündelten Kompetenzen am Standort Köln weiter.

Forschung

Lonza Das Schweizer Unternehmen hat mit Bain Capital und Cinven eine definitive Vereinbarung zur Übernahme von Lonzas Spezialitäten-Geschäft und Operationen für einen Unternehmenswert von 4,2 Milliarden Franken abgeschlossen. Sowohl Bain Capital als auch Cinven verfügten über eine grosse Erfahrung im Industriesektor und eine etablierte Erfolgsbilanz von erfolgreichen Investitionen in Portfoliounternehmen, schreibt Lonza in einer Medienmitteilung. Die beiden Private-Equity-Bieter hätten seit Beginn des offiziellen Verkaufsprozesses starkes und anhaltendes Interesse gezeigt, fügt Lonza hinzu. Sie hätten damit bestätigt, dass sie «das beste Zuhause» für das Geschäft und der richtige Transaktionspartner für Lonza seien.

C Immune Das Schweizer Unternehmen arbeitet an einem Impfstoff gegen Alzheimer. Dieser soll ersten Daten zufolge eine starke Immunantwort bei früh erkrankten Personen auslösen. AC Immune, ein in der Westschweiz ansässiges biopharmazeutisches Unternehmen, gab die positiven Zwischenergebnisse bei der Entwicklung eines Impfstoffs zur Behandlung der AlzheimerKrankheit in einer Pressemitteilung bekannt: Der Anti-Phospho-Tau (pTau)-Impfstoffkandidat ACI-35.030 soll demnach in einer Phase-1b/2a-Studie bei 100 % der älteren Patienten mit früher Alzheimer-Krankheit eine starke antigenspezifische Antikörperreaktion erzeugt haben, die potenziell therapeutische Werte erreichte.

Wuxi Sta Das Tochterunternehmen des chinesischen Pharmakonzerns Wuxi Apptec kauft die Produktionsstätte von Bistrol Myers Squibb. Die Unternehmen erwarten den Abschluss der Transaktion bis zum zweiten Quartal 2021, unter Vorbehalt der behördlichen Genehmigungen und der Erfüllung der sonstigen Abschlussbedingungen. Nach Abschluss der Transaktion wird Wuxi Sta – laut eigenen Angaben – den Betrieb und die Vermögenswerte des Standorts Couvet übernehmen, einschliesslich der Anlagen und Ausrüstungen sowie der Belegschaft mit ihren technischen Fähigkeiten und ihrer Expertise.

Givaudan Im Rahmen der langfristigen Strategie zum Ausbau ihrer Fähigkeiten im Bereich der KI hat Givaudan die Absicht zur Übernahme von Myrissi bekannt gegeben.

Myrissi wurde 2014 gegründet mit Sitz in Frankreich. Das Unternehmen hat eine patentgeschützte KI-Technologie entwickelt, die es nicht nur ermöglicht, Riechstoffe in Form von relevanten Farbmustern und -bildern zu visualisieren, sondern auch die Kundenemotionen vorherzusagen. Mit diesem Vorgehen ist Myrissi in der Lage, Riechstoffe zu entwickeln, die ganz den Marketinganforderungen der Kundschaft entsprechen.

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NEWS

Novartis hat Pläne bekanntgegeben, den Produktionsstandort in Stein (AG) zum LifeScience-Park Rheintal weiterzuentwickeln, und dort weitere Firmen aus dem Bereich Life Science anzusiedeln. Somit wird ein attraktiver Life-Science-Park entstehen, der von den ausgezeichneten Wettbewerbsbedingungen in der Nordwestschweiz profitiere, schreibt Novartis in einer Pressemitteilung.

Für die dort angesiedelten Firmen werde der Park umfassende Dienstleistungen in den Bereichen Gebäude-Management, Energieversorgung, Engineering, Wartung, Logistik sowie umweltgerechte Abwasserreinigung und Abfallentsor-

gung bieten. Dabei spielten Qualität, wettbewerbsfähige Kosten und Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle, präzisiert das Unternehmen im Communiqué. Somit könnten sich die angesiedelten Firmen auf ihr Kerngeschäft konzentrieren und in einem Umfeld arbeiten, das den Fokus auf Innovation und Produktion fördere.

Der für Novartis strategisch wichtige Standort verfügt über hochqualifizierte Mitarbeitende und moderne Anlagen etwa zur Herstellung von Zell- und Gentherapien. Ziel sei es, ein attraktives Umfeld zu schaffen und das Wachstum der angesiedelten Unternehmen und der Region nachhaltig zu fördern, betont Novartis. Am

Bild: Novar tis

Ein hochmoderner Life-Science-Park entsteht

Der Standort Stein AG des Pharmakonzerns Novartis.

künftigen Life-Science-Park Rheintal sind laut Novartis heute mehr als 2000 Mitarbeitende aus drei Pharma- und Biotechnologie-Unternehmen

in den Bereichen Forschung, Entwicklung und Produktion beschäftigt.

Medienmitteilung Novartis

Siloxene: Neues Empa-Spin-Off gegründet allgemeiner Krisenstimmung – einem erfrischenden Optimismus. Das, was Matthias Koe­ bel in seinem Portfolio anbietet, klingt fast so wie die mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnete Genschere Crispr/ Cas9, mit der sich genetisch bedingte Krankheiten gezielt heilen lassen könnten. Nur

Bild: Empa

Nach einer erfolgreichen Forscherkarriere an der Empa hat Matthias Koebel nun den Sprung in die Privatwirtschaft gewagt und das Start-up Siloxene gegründet. Im Angebot hat der umtriebige Jungunternehmer einen Baukasten, gefüllt mit einem Wundermate­ rial, viel Know-how und – trotz

Matthias Koebel ist seit Anfang 2021 CEO des neu gegründeten Empa-Start-ups Siloxene AG.

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eben für die chemische Industrie: ein multifunktionaler Materialbaustein, der die Eigenschaften von Klebstoffen, Beschichtungen oder Füllstoffen je nach Produkt und Kundenwunsch verbessert.

Genau genommen handelt es sich bei diesem Baustein um einen siliziumbasierten, molekularen Hybridbaustoff, der nur etwa ein Nanometer gross ist. Setzt man dieses «Tentakelmolekül» richtig ein, kann es gezielt die Eigenschaften bestimmter Stoffe verbessern.

Beispielsweise können Beschichtungen kratzresistenter werden, Klebstoffe eine bessere Adhäsion oder kürzere Aushärtungszeit bekommen oder Füllstoffe spezifischer mit einer Harzmatrix interagieren.

Mit diesem «multifunktionalen Legobaustein» in der Tasche,

wie ihn Koebel selbst nennt, hat der Forscher vor kurzem das Start-up Siloxene AG gegründet. Den Baustein entdeckte und erforschte Koebel während seiner Zeit als Wissenschaftler und Leiter der Empa-Abteilung «Building Energy Materials and Components». Von hier bekam er neben dem Rohstoff, also dem Makromolekül, die zweite wichtige Komponente mit, die das Siloxene-Portfolio bildet: das Know-how, das beim Entwickeln von komplexen, chemischen Produkten essenziell ist. Siloxene fokussiert auf Unternehmen in der Kunststoffverarbeitung, der Klebstoffoder Dichtstoffherstellung und der Baustoffindustrie.

Medienmitteilung Empa 3/2021

NEWS LASER SPECTROSCOPY MICROPOSITIONING

Johanniskraut als grüner Katalysator

Bild: Julia Naumann

Spectroscopy

Die Blüten des Johanniskrauts (Hypericum perforatum).

Ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlern des Bereichs Mathematik und Naturwissenschaften der TU Dresden hat in einem aktuellen Projekt erstmals getrocknete Blüten des Johanniskrautes (Gattung Hypericum) als aktiven Katalysator in verschiedenen photochemischen Reaktionen eingesetzt.

Johanniskraut wird bereits seit der Antike als Heilpflanze, unter anderem für die Behandlung von Verbrennungen, Hautproblemen und Depressionen, verwendet. Aufgrund seines hohen medizinischen Potenzials wurde die in der Fachsprache als «Hypericum perforatum» bezeichnete Pflanze 2015 sogar als «Arzneipflanze des Jahres» gekürt.

Zwei interdisziplinäre Gruppen aus der Biologie und der Anorganischen Chemie haben sich zusammengetan und durch den gegenseitigen Expertisenaustausch erstaunliche Ergebnisse erzielt. Ursprünglich wollten die Arbeitskreise um Botaniker Prof. Stefan Wanke und Chemiker Prof. Jan. J. Weigand in dem von der Sächsischen Aufbaubank geförderten Gemeinschaftsprojekt graphenar3/2021

tige 2-D-Strukturen aus Naturstoffen synthetisieren. Hierzu diente die aus dem Johanniskraut bekannte Verbindung Hypericin als Vorlage und Ausgangsmaterial. Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus, dass Hypericin effizient photochemische Reaktionen katalysiert. Daraufhin kam Prof.

Weigand die Idee, die getrockneten Blüten des Johanniskrauts als grüne und nachhaltige Alternative zu gängigen Katalysatoren zu verwenden.

Damit folgt das Team einem aktuellen Trend in der modernen synthetischen Chemie, nachhaltige Aspekte einzubeziehen. Die Suche nach nachhaltigen, erneuerbaren und umweltfreundlichen Photo­ redox-Katalysatoren gestaltet sich dabei als äusserst herausfordernd. Umso vielversprechender sind die nun erzielten Ergebnisse. Der Pflanzeninhaltstoff Hypericin, ein Sekundärmetabolit aus dem Johanniskraut, wird als die aktive Verbindung in chemischen Reaktionen genutzt, ohne dass er vorher chemisch aufbereitet werden muss.

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Medienmitteilung TU Dresden 25

Bild: Adobe Stock

FIRMEN BERICHTEN

Bereits bestehende Anlagen finden dank der Grundidee der «Namur Open Architecture» einen unkomplizierten Anschluss an die Digitalisierung.

Konnektivität vom Feld in die Cloud

Bereits bestehende Anlagen digitalisieren Beim Neubau von Prozessanlagen lassen sich «Industrie 4.0»-Konzepte leicht verwirklichen. Bei bereits bestehenden Anlagen, die über den Standard 4…20 mA kommunizieren, war dies bisher nicht mit vertretbarem Aufwand möglich. Nun präsentiert Endress+Hauser mit dem FieldPort SWA50 ein Kommunikationsmodul für «Hart»-fähige Messgeräte, mit dem die Brücke zur digitalen Signalübertragung geschlagen werden kann, ohne die bestehenden Kommunikationskanäle zu belasten.

Der neue FieldPort SWA50 überträgt parallel zum Messwert zusätzliche digitale Daten aus Feldgeräten und ist bei Hart-fähigen Geräten leicht nachrüstbar. Mit dem Kommunikationsmodul lassen sich die Potenziale der Digitalisierung auch für Bestandsanlagen nutzen.

Daten sind die Grundlage der Industrie 4.0. Für deren Verfügbarkeit ist die Konnektivität eine Grundvoraussetzung. Anlagenbetreiber stehen dabei vor der Herausforderung, dass die meisten von ihnen ihre Anlagen seit Jahren oder gar Jahrzehnten betreiben; sie stecken also in «Brown­ field»-Szenarien fest. Auch aus diesem Grund hat die internationale Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (Namur) die sogenannte «NOA-Namur Open Architecture» entwickelt und aktuell die entsprechende Namur-Empfehlung NE 175 verabschiedet.

Die Grundidee der «Namur Open Architec26

Bilder: Endress+Hauser

Ein zweiter Kommunikationskanal

Mit dem drahtlosen Fieldport SWA50 lassen sich Daten aus allen Hart-Geräten in die Cloud übertragen und für verschiedene digitale Services nutzen.

3/2021

FIRMEN BERICHTEN

ture» ist so einfach wie bestechend: Die Übertragung zusätzlicher digitaler Daten aus der Feldebene erfolgt parallel zur Messwertübertragung über einen zweiten Kommunikationskanal. Zusätzlicher Datenverkehr und Eingriffe in bestehende Systemarchitekturen werden damit minimiert.

auch in Bestandsanlagen (Brownfield), bietet Endress+Hauser mit dem neuen Fieldport SWA50 nun eine clevere und einfache Lösung.

Eine Brückentechnologie

90 Prozent der installierten Feldgeräte von Endress+Hauser verfügen bereits über eine digitale Schnittstelle. Das sind Feldbusse wie Profibus oder Foundation Fieldbus und am häufigsten Hart. In der Praxis aber wird das Hart-Signal meist nicht genutzt. Mit dem neuen drahtlosen Adapter FieldPort SWA50 lassen sich nun sämtliche Hart-Signale von Feldgeräten parallel zum Messwert übertragen, auch die von Fremdherstellern. Der FieldPort SWA50 ist eigensicher (Ex-ia), schleifenstromgespeist und kann für Hart-Geräte aller Hersteller einfach nachgerüstet werden.

Die Namur Open Architecture (NOA) ist eine wichtige Brückentechnologie von den streng hierarchischen Strukturen der Industrie 3.0 zur vollvernetzten, digitalen Industrie 4.0. Die parallele Datenübertragung als Erweiterung macht sie ideal für Bestandsanlagen. Heute werden 97 Prozent der Daten aus Feldgeräten nicht genutzt. Das ist ein riesiges Datenpotenzial in bestehenden Anlagen, das durch die Digitalisierung erschlossen werden könnte. Diese bietet dem Anwender Chancen auf ein permanentes Asset-Monitoring. Geräte können eindeutig identifiziert, Einstellparameter und die korrekte Auslegung am «digitalen Zwilling» gespiegelt werden. Im laufenden Betrieb lässt sich der Gesundheitszustand «smarter Sensoren» dank moderner Diagnosefunktionen permanent überwachen.

Kernprozesse werden nicht beeinflusst Der «zweite Kanal» des NOA-Konzeptes bietet dabei dem Wartungspersonal den direkten Zugriff auf das Condition-Monitoring und reduziert gleichzeitig das Datenvolumen in den Kernprozessen. Die Digitalisierung ermöglicht zudem ein umfassendes Asset-Management und Prozessoptimierung durch zusätzliche Auswertung von Monitoring-Daten. Die NOA ist ein wichtiger Schritt, um die Potenziale der Digitalisierung auch bei bestehenden Anlagen nutzen zu können. Um das NOAKonzept in der Praxis zu realisieren, sowohl in Neu-Anlagen (Greenfield), als

Auch für Fremdhersteller nachrüstbar

Kabellose Übertragung der Hart-Signale Die Hart-Signale können dann wahlweise via Wireless-Hart oder Bluetooth in die Cloud übertragen werden. Bei Bluetooth erfolgt die Übertragung über das FieldEdge SGC200 direkt in die Cloud (Netilion Cloud von Endress+Hauser). Das eröffnet den Anwendern Zugang zu sämtlichen Netilion Services wie Netilion Analytics, Netilion Health oder Netilion Value. Mit ihnen ist unter anderem das Condition-Monitoring und eine Messwert-Fernanzeige möglich.

Zudem lässt sich mit der SmartBlue-App die Fernparametrierung von Feldgeräten durchführen. In einem weiteren Schritt kann auch über eine Programmierschnittstelle (Netilion Connect) die Datenübertragung in kundenspezifische Clouds oder ERP-Lösungen erfolgen. Bei Wireless Hart erfolgt die Anbindung über das Endress+Hauser Fieldgate SWG70 und das FieldEdge SGC500.

Mit dem Kommunikationsmodul Fieldport SWA50 lässt sich der «zweite Kanal» zur Datenübertragung (NOA-Konzept) auch bei bereits bestehenden Anlagen problemlos nachrüsten.

Bestandsanlagen «Industrie 4.0»-fähig machen Bisher waren fehlende Übertragungsmöglichkeiten für Daten aus Feldgeräten ein Hemmschuh für die Umsetzung von «Industrie 4.0»-Konzepten, wodurch die Digitalisierung von Brownfield-Anlagen regelrecht stecken blieb. Mit dem nun verfügbaren FieldPort SWA50 ist die Nachrüstung von Kommunikationsmodulen und somit die sichere Nutzung der in den Messgeräten vorliegenden Daten in CloudAnwendungen wie Endress+Hausers Netilion mit vertretbarem Aufwand möglich, weil die Kommunikation über den von der Namur geforderten zweiten Kommunikationskanal erfolgt. Da die Technologie eigensicher (Ex-ia) aufgebaut ist, kann sie in den meisten Anlagen ohne Einschränkung zum Einsatz kommen und ebnet somit weitgreifend den Weg in die Industrie 4.0.

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FORSCHUNGSWELT

Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) ist ein beliebtes Modell für die Erforschung von Pflanzen.

Das Immunsystem der Pflanzen

Wie Pflanzen Angriffe abwehren Wie wir Menschen schützen sich auch Pflanzen gegen Krankheitserreger. Ein internationales Konsortium unter der Leitung von Professor Cyril Zipfel der Universität Zürich hat nun einen lang gesuchten Faktor dieses pflanzlichen Immunsystems identifiziert: Bei Kontakt mit Mikroben veranlasst ein Kalziumkanal, dass sich die winzigen Poren auf der Blattoberfläche schliessen. Dieser Abwehrmechanismus könnte helfen, gegen Krankheitserreger resistente Nutzpflanzen zu entwickeln.

Jedes Pflanzenblatt besitzt Hunderte von winzigen Poren, die den Austausch von Gasen mit der Umwelt ermöglichen – die Aufnahme von CO 2 und die Freisetzung von Sauerstoff und Wasserdampf. Diese sogenannten Spaltöffnungen (Stomata) sind essenziell für die Photosynthese, das Überleben der Pflanzen und letztlich jedes Leben auf diesem Planeten. Die Grösse der Öffnungen ist dynamisch geregelt, so dass sich die Pflanzen an wechselnde Bedingungen wie Sonnenlicht, Dürre und Regen anpassen können. Das Öffnen und Schliessen geschieht durch das Anschwellen und Schrumpfen von zwei Schliesszellen, die den Rand der Pore ringförmig umschliessen.

Pflanzen können sich verteidigen In der Pflanzenforschung weiss man schon seit längerem, dass Blätter diese Schotten dicht machen, wenn sie potenziell patho28

genen Mikroben ausgesetzt sind. Die Reaktion ist Teil des unspezifischen Immunsystems von Pflanzen: Rezeptoren an der Oberfläche von Pflanzenzellen erkennen typische Strukturen von Mikroben, etwa Bakteriengeisseln. Dies führt zu einer Reihe von Reaktionen, die das Eindringen und die Vermehrung der Mikroben blockieren. Eine dieser Reaktionen ist der Verschluss der Spaltöffnungen.

Lange Suche nach fehlendem Bindeglied Der Mechanismus hinter diesem Verschluss blieb jedoch weitgehend ungeklärt. Klar war, dass die Reaktion durch einen raschen Einstrom von Kalzium-Ionen in die Schliesszellen induziert wird. «Die Identität der Kanäle, die diese schnelle Bewegung von Kalzium bewirken, war aber noch immer unbekannt», sagt Cyril Zipfel, Professor für Molekulare und Zelluläre Pflanzenphysiologie an der Universität Zü-

rich und Senior Group Leader am The Sainsbury Laboratory in Norwich, Grossbritannien. Nach sechs Jahren Forschung hat er nun eine Studie veröffentlicht, die diese Lücke schliesst und den wichtigen Kalziumkanal in der Modellpflanze Arabidopsis identifiziert. Neben Zipfels Team haben mehrere internationale Forschungsgruppen zu den Ergebnissen beigetragen.

Mikroben lösen das Öffnen der Kanäle aus Der entscheidende Hinweis war, dass das identifizierte Kanalprotein «Osca1.3» – dessen Funktion bisher unbekannt war – durch eine wichtige Komponente des pflanzlichen Immunsystems modifiziert wird: Diese Modifikation führt zur Öffnung des Osca1.3-Kanals, zum Einströmen von Kalzium-Ionen in die Schliesszellen und zum Schliessen der Spaltöffnungen. Zipfels Team konnte zeigen, dass diese Reaktion gezielt ausgelöst wurde, wenn Ara3/2021

FORSCHUNGSWELT

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Die Spaltöffnungen (Stomata) einer Pflanze unter dem Mikroskop.

bidopsis-Pflanzen in Kontakt mit Teilen von Bakteriengeisseln kamen, einem der mikrobiellen Auslöser des pflanzlichen Immunsystems.

Spezifisch für die Immunantwort Die Forscher bestätigten dieses Ergebnis, indem sie mehrere genetische Mutationen einführten, die die Funktion des Kalziumkanals Osca1.3 aufhoben. Bei diesen mutierten Pflanzen führte der mikrobielle Auslöser nicht zum Schliessen der Poren.

Weitere Experimente zeigten, dass der Kanal nicht durch Trockenheit und hohen Salzgehalt – andere Umweltfaktoren, die das Schliessen der Spaltöffnungen auslösen – aktiviert wird. «Diese Ergebnisse identifizieren den ersten pflanzlichen Kalziumkanal, der eine Rolle beim Verschluss der Spaltöffnungen spielt», sagt Zipfel. «Interessanterweise scheint dieser Kanal spezifisch für die pflanzliche Immunität zu sein.» Er vermutet daher, dass weitere pflanzliche Kalziumkanäle aus derselben Familie spezifisch auf andere Stressfaktoren wie Dürre reagieren könnten. Dies ist Gegenstand von zukünftiger Forschung.

«Offensichtlich ist dieser Kanal an einer wichtigen Immunantwort bei Pflanzen beteiligt», sagt Zipfel. «Unsere Erkenntnisse haben daher das Potenzial, bei der Entwicklung von resistenten Nutzpflanzen zu helfen.» Bei realer und erheblicher Bedro3/2021

hung durch Krankheitserreger könnten die Pflanzen dann die Eingangspforten schliessen, die gefährlichen Mikroben normalerweise das Eindringen in ihr Gewebe ermöglichen.

Originalpublikation Kathrin Thor, Shushu Jiang, Erwan Michard, Jeoffrey George, Sönke Scherzer, Shouguang Huang, Julian Dindas, Paul Derbyshire, Nuno Leitão, Thomas A. DeFalco, Philipp Köster, Kerri Hunter, Sachie Kimura, Julien Gronnier, Lena Stransfeld, Yasuhiro Kadota, Christoph A. Bücherl, Myriam Charpentier, Michael Wrzaczek, Daniel MacLean, Giles E. D. Oldroyd, Frank L. H. Menke, M. Rob G. Roelfsema, Rainer Hedrich, José Feijó, Cyril Zipfel, «The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity», Nature (2020); DOI: 10.1038/s41586-020-2702-1

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FORSCHUNGSWELT

Das Strömungsverhalten des Wassers an der Mittelmeerküste lässt einen erahnen, wie komplex die Beschreibung von Strömungsmuster und Turbulenzen sind.

Turbulenzmodell übertrifft alle bekannten Ansätze

Forschende berechnen Turbulenzen mit KI Beschreibungen von Strömungen und Turbulenzen sind anspruchsvoll. Forschende der ETH Zürich verwenden Künstliche Intelligenz, um ein möglichst genaues Turbulenzmodell zu entwickeln. Dabei wird die Modellierung der Turbulenzen vollkommen automatisiert. Ihr Projekt verbindet sogenannte «Reinforcement Learning»Algorithmen mit turbulenten Strömungssimulationen auf einem Schweizer Supercomputer.

Für das Design eines Autos oder einer Herzklappe, für die Vorhersage des Wetters der nächsten Tage, oder um die Geburt einer Galaxie zurückzuverfolgen, ist die Modellierung und Simulation turbulenter Strömungen entscheidend. Die Strömungsmechanik beschäftigte bereits den griechischen Mathematiker, Physiker und Ingenieur Archimedes. Heute, rund 2000 Jahre danach, ist die Komplexität des Strömungsverhaltens noch immer nicht vollständig verstanden. Der Physiker Richard Feynman zählte Turbulenzen zu den wichtigsten ungelösten Problemen der klassischen Physik. Bis heute sind sie ein aktives Forschungsthema für Ingenieurinnen und Mathematiker.

¹ ETH Zürich

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Bild: CSCS

Simone Ulmer ¹

Der riesige Supercomputer «Piz Daint» wurde nach dem beinahe 3000 Meter hohen Bünder Berg benannt.

Seit über sechzig Jahren Die Auswirkungen von turbulenten Strömen müssen Ingenieure berücksichtigen, wenn sie ein Flugzeug oder eine künstliche Herzklappe bauen. Meteorologinnen müssen sie berücksichtigen, wenn sie das Wetter vorhersagen, ebenso Astrophysiker,

wenn sie Galaxien simulieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieser Disziplinen modellieren seit über 60 Jahren Turbulenzen und führen Strömungssimulationen durch.

Turbulente Strömungen sind durch Strömungsstrukturen charakterisiert, die sich über einen grossen Bereich räumlicher 3/2021

FORSCHUNGSWELT

und zeitlicher Grössenmassstäbe erstrecken. Für die Simulationen dieser komplexen Strömungsstrukturen gibt es zwei unterschiedliche Herangehensweisen. Die eine ist die direkte numerische Simulation (DNS), die andere die Large-Eddy-Simulation (LES).

Die Grenzen von Supercomputern Die DNS lösen die für die Beschreibung von Strömungen zentralen Navier-Stokes-Gleichungen, mit einer Auflösung von Milliarden und manchmal Billionen von Gitterpunkten. Die DNS ist die genaueste Methode zur Berechnung des Strömungsverhaltens, aber leider ist sie für die meisten Anwendungen in der realen Welt nicht praktikabel. Denn um alle Details der turbulenten Strömungen zu erfassen, benötigen sie weit mehr Gitterpunkte, als in absehbarer Zukunft von irgendeinem Computer verarbeitet werden können.

Aus diesem Grund verwenden die Forscher in ihren Simulationen Modelle, um nicht jedes Detail berechnen zu müssen und trotzdem hohe Genauigkeit zu erreichen. Beim LES-Ansatz werden die grossen Strömungsstrukturen aufgelöst, während sogenannte «Closure Models» die feineren Strömungsskalen und deren Wechselwirkungen mit den grossen Skalen berücksichtigen. Die richtige Wahl des «Closure Model» ist entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse.

Eher Kunst als Wissenschaft «Die Modellierung dieser turbulenten ‹Closure Models› ist in den vergangenen 60 Jahren weitgehend einem empirischen Prozess gefolgt und ist nach wie vor eher eine Kunst als eine Wissenschaft», sagt Petros Koumoutsakos, Professor am Labor für Computational Science and Engineering der ETH Zürich. Koumoutsakos und sein Doktorand Guido Novati sowie sein ehemaliger Masterstudent (nun Doktorand an der Universität Zürich) Hugues Lascombes de Larousilhe schlagen deshalb eine neue Strategie zur Automatisierung des Prozesses vor: Künstliche Intelligenz (KI) nutzen, um aus dem DNS die besten turbulenten «Closure Models» zu lernen und sie dann auf die LES anzuwenden. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Wissenschaftsmagazin «Nature Machine Intelligence».

Neuronale Netzwerke sind ungeeignet Konkret entwickelten die Forscher neue Reinforcement Learning (RL) Algorithmen und kombinierten sie mit physikalischen Erkenntnissen, um Turbulenzen zu modellieren. «Vor 25 Jahren leisteten wir Pionierarbeit bei der Kopplung von KI und turbulenten Strömungen», sagt Koumoutsakos. Aber damals waren die Computer noch nicht leistungsfähig genug, um viele dieser Ideen zu testen. «In jüngerer Zeit haben wir auch erkannt, dass die gängigen neuronale Netzwerke zur Lösung solcher Probleme nicht geeignet sind, da das Modell die Strömung, die es ergänzen soll, aktiv beeinflusst», sagt der Professor. Die Forscher mussten deshalb auf einen anderen Lernansatz zurückgreifen, bei dem der Algorithmus lernt, auf bestimmte Muster im turbulenten Strömungsfeld zu reagieren.

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FORSCHUNGSWELT

Die Idee hinter Novatis und Koumoutsakos neuartigen RL-Algorithmus für Large-EddySimulationen ist, die Gitterpunkte, die das Strömungsfeld auflösen, als KI-Agenten zu verwenden. Agenten sind technische Einheiten, die bestimmte Ziele verfolgen, indem sie mit Informationen und anderen Agenten interagieren. Die hier verwendeten KI-Agenten lernen «Closure Models» durch die Beobachtung von Tausenden von Strömungssimulationen. «Um solche Simulationen in grossem Massstab durchführen zu können, war es entscheidend, Zugang zum Supercomputer ‹Piz Daint› am Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS) zu haben», betont Koumoutsakos.

Nach dem Training sind die Agenten frei, in der Simulation von Strömungen zu agieren, in denen sie vorher nicht trainiert wurden.

Das Turbulenzmodell lernt, während es mit der Strömung «spielt». «Die Maschine ‹gewinnt›, wenn die Ergebnisse von LES identisch mit denen von DNS sind, ähnlich wie wenn Maschinen lernen eine Schach-

partie oder das Spiel GO zu spielen», sagt Koumoutsakos. «Während der LES führt die KI die Aktionen der ungelösten Skalen durch, indem sie nur die Dynamik der aufgelösten grossen Skalen beobachtet.» Die neue Methode übertrifft laut den Forschern nicht nur gut etablierte Modellierungsansätze, sondern kann auch über Gittergrössen und Strömungsbedingungen verallgemeinert werden.

Eine vernünftige Nutzung von KI Der entscheidende Teil der Methode ist ein neuartiger, von Novati entwickelter Algorithmus, der identifiziert, welche der vorhergehenden Simulationen für jeden Strömungszustand relevant sind. Der Merken-und-Vergessen-Erfahrung-Wiederholung-Algorithmus («Remember and Forget Experience Replay»-Algorithmus) übertrifft den Forschern zufolge die grosse Mehrheit der vorhandenen RL-Algorithmen bei mehreren Benchmark-Problemen, die über die

Strömungsmechanik hinausgehen. Das Team geht davon aus, dass ihre neu entwickelte Methode nicht nur beim Bau von Autos und bei der Wettervorhersage von Bedeutung sein wird. «Für die meisten anspruchsvollen Probleme in Wissenschaft und Technik können wir nur die ‹grossen Massstäbe› lösen und die ‹feinen› modellieren», sagt Koumoutsakos. «Die neu entwickelte Methodik bietet einen neuen und leistungsfähigen Weg zur Automatisierung der Multiskalenmodellierung und zum Fortschritt der Wissenschaft durch eine vernünftige Nutzung der KI.» Originalpublikation G. Novati et al., «Automating turbulence modelling by multi-agent reinforcement learning, Nature Machine Intelligence (2021); DOI: 10.1038/s42256-020-00272-0

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Folgen für die Ökosysteme

Klimawandel und Schweizer Seen

Seen unterliegen starken saisonalen Zyklen.

In vielen Schweizer Seen in mittleren und hohen Lagen durchmischt sich das Wasser im Frühling und Herbst von der Oberfläche bis zum Grund. Dieser vertikale Austausch beeinflusst viele chemische und ökologische Prozesse. Sauerstoffreiches und nährstoffarmes Oberflächenwasser mischt sich mit dem sauerstoffarmen und nährstoffreichen Wasser vom Seegrund. Gleichzeitig wird die Seetemperatur über die gesamte Tiefe ausgeglichen. Im Winter und Sommer hingegen ist das Tiefenwasser durch eine stabile Schichtung von den Prozessen an der Oberfläche getrennt. Seeökosysteme und das gesamte Nahrungsnetz vom Plankton bis zum Fisch sind an diese saisonalen Schwankungen angepasst.

Klimawandel verändert saisonale Zyklen Wie eine neue Computermodell-Studie des Wasserforschungsinstituts Eawag zeigt, greift der Klimawandel tief in diese Zyklen der Schweizer Seen ein. «Wie stark die Zirkulation der Seen auf den Klimawandel reagiert, hängt insbesondere von deren Höhenlage und Grösse ab. Vor allem Seen in mittleren Höhenlagen sind sehr empfindlich», sagt Love Råman Vinnå von der Forschungsabteilung Oberflächengewässer.

Ein Forscherteam rund um Råman Vinnå hat für diese Studie 29 Schweizer Seen entlang eines Höhengradienten von 193 m bis 1797 m über Meeresspiegel untersucht. Mit dem eindimensionalen physikalischen Seemodell Simstrat simulierten sie die dynamischen Prozesse der Seen. Erstmals konnten Vinnå und sein Team zudem die neuen Schweizer Klimaszenarien (CH2018) nutzen, welche die komplexe 3/2021

Bild: Shutterstock

Eine neue Modellstudie zeigt, dass der Klimawandel Wassertemperatur, Eisbedeckung und Durchmischung vieler Schweizer Seen erheblich verändern kann. Seen in mittleren Höhenlagen sind besonders unter Druck. Sie sind gefährdet, ihre Eisbedeckung vollständig zu verlieren und sich nicht mehr zweimal im Jahr vollständig zu durchmischen. Ein solche Veränderung hätte grundlegende Folgen für das Funktionieren der Seeökosysteme.

Das Forscherteam hat neben dem Vierwaldstättersee 28 weitere Schweizer Seen untersucht.

Topographie der Alpen berücksichtigen und dadurch das lokale Klima detaillierter darstellen. Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Seedynamik können damit genauer als in früheren Studien simuliert werden. Drei Zukunftsszenarien wurden verwendet: Das Worst-Case-Szenario geht von kontinuierlich steigenden Treibhausgasemissionen aus, in einem mittleren Szenario erreichen die Emissionen um 2050 ihren Höhenpunkt und das strengste Szenario begrenzt die globale Erwärmung auf 2 °C.

Die Durchmischung von Seen Die Simulationsergebnisse zeichnen ein klares Bild: Erwärmt sich das Klima um mehr als 2 °C, drohen viele Seen in mittleren Höhenlagen im Lauf des 21. Jahrhunderts ihre Eisbedeckung zu verlieren, etwa der Lac de Joux oder der Klöntalersee.

Weniger Eis bedeutet einen erhöhten vertikalen Austausch zwischen Oberflächenund Tiefenwasser. Das wirkt dem Aufbau einer stabilen Schichtung im Winter entgegen und verkürzt daher ihre Dauer. Im Sommer hingegen verlängert sich die Dauer der stabilen Schichtung, wodurch das Risiko eines Sauerstoffmangels in tiefen Gewässern steigt. Die längere Schichtung im Sommer begünstigt zudem das Algenwachstum von giftigen Cyanobakterien.

In mittleren Höhenlagen könnten daher viele Seen von einem dimiktischen Mi-

schungsregime mit zweimaliger Durchmischung des Bodenwassers pro Jahr zu einem monomiktischen Regime mit nur noch einer Durchmischung pro Jahr wechseln. Solche Verschiebungen des Regimes haben grundlegende Folgen für die Wärmespeicherung der Seen und für die Sauerstoff- und Nährstoffverteilung. Die Lebensräume vieler Wasserbewohner könnten sich beträchtlich verändern, da sich das Wasser von oben her erwärmt und Sauerstoff weiter unten knapp wird.

Hoch gelegene Seen wie etwa der St. Moritzersee auf 1768 Meter bleiben hingegen gemäss Modellstudie unter allen Klimaszenarien dimiktisch, zumindest im 21. Jahrhundert. Interessanterweise erwärmt sich dort das Seewasser zwar stärker und verkürzt sich die Dauer der Eisbedeckung und der stabilen Schichtung im Winter schneller als in tieferen Lagen. Dennoch kommt es im aktuellen Jahrhundert wahrscheinlich zu keinem Kippen der Seen. Auf hochgelegenen Seen wird sich im Winter weiterhin eine Eisschicht ausbilden, so dass eine halbjährliche vertikale Durchmischung erhalten bleibt. Die grossen Seen im Schweizer Mittelland, etwa der Zürichsee oder der Genfersee, die schon heute ein monomiktisches Regime aufweisen, werden gemäss der Modellstudie ihre Durchmischungszyklen voraussichtlich behalten.

Medienmitteilung Eawag www.eawag.ch 33

FORSCHUNGSWELT

Ein Loch schliesst sich selbst

Vom Tintenfisch zum schnell heilenden Material

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Das von Tintenfischen inspirierte Material könnte das Forschungsgebiet der Soft-Robotik revolutionieren. Da es jeden Schaden rückgängig machen kann, ermöglicht es viele Anwendungen in einer Welt, in der Roboter mit dynamischen und unvorhersehbaren Umgebungen zurechtkommen müssen. Wissenschaftler des MaxPlanck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart und der Pennsylvania State University (PSU) in den USA haben ein weiches Material entwickelt, das sich nach einer Beschädigung innerhalb einer Sekunde selbst heilen kann. Die Moleküle bisheriger verformbarer selbstheilender Materialien brauchen mehrere Stunden oder sogar Tage, um sich wieder miteinan- Ein Material schliesst das Loch selbst. der zu verbinden – oft mit geringer Festigkeit an der Stelle, an der sie durchstochen seine Struktur und Eigenschaften im Handoder zerschnitten wurden. Das neu ent- umdrehen vollständig wieder her – immer wickelte dehnbare Material stellt jedoch07:47und immer wieder.

TOSOH_Ins_58x90_4c_Layout 1 20.12.12 Seite 1 «Wir haben ein neues Material entwickelt, das viel schneller heilen kann, ohne seine Festigkeit zu verlieren. Wir haben es auf verschiedenste Weise beschädigt und jedes Mal hat es sich innerhalb von Sekunden repariert», sagt Dr. Abdon Pena-Francesch, Erstautor der Publikation «Biosynthetic selfhealing materials for soft machines», die in «Nature Materials» veröffentlicht wurde.

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Anwendungen in der Robotik Selbstheilende weiche Materialien stossen bei Wissenschaftlern auf zunehmendes Interesse, insbesondere in der Robotik.

Dort könnte nämlich ein solch einzigartiges Material den Ausschlag dafür geben, ob Roboter im Alltag tatsächlich eingesetzt werden können. Denn wenn Roboter eines Tages Menschen in sehr dynamischen und unvorhersehbaren Umgebungen unterstützen, sollten sie aus einem weichen

Bild: MPI

Ein weiches Material, das sich augenblicklich selbst heilt, ist keine Fiktion mehr, sondern Realität. Ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und der Pennsylvania State University verändert die Nanostruktur eines neuen dehnbaren Materials so lange, bis es seine Struktur und Eigenschaften wieder vollständig zurückerhalten kann, nachdem es zerschnitten oder durchstochen wurde.

und biegbaren Material sein. Doch je weicher, desto schneller geht das Material kaputt. Das schränkt die Langlebigkeit und Leistung und somit die praktische Anwendung von Robotern ein. Sekundenschnelle Selbstheilungskräfte könnten dieses Manko ausgleichen. In Zukunft könnten solche Roboter in vielen Bereichen eingesetzt werden, zum Beispiel in gefährlichen Situationen wie der Erdbebenbergung. Oder das Material kommt bei Schutzkleidung zum Einsatz, bei Handschuhen z. B., die sich nach einem Schnitt sofort selbst reparieren können.

Dr. Pena-Francesch und seine Co-Autoren Dr. Huihun Jung und Prof. Melik C. Demirel von der PSU und Prof. Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS, liessen sich von der Natur und den zahlreichen Wundern der Erde inspirieren.

Sie suchten nach einer Vorlage, wie ein solch intelligentes Material gebaut werden könnte. «Unser Ziel war es, mithilfe der Synthetischen Biologie ein selbstheilendes, programmierbares Material zu kreieren, 3/2021

FORSCHUNGSWELT

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Material ist vom Tintenfisch inspiriert.

dessen physikalische Eigenschaften wir kontrollieren können», sagt Prof. Demirel.

Protein-Engineering gibt den Ton an Das Team untersuchte daraufhin die Molekülstruktur und die Aminosäuresequenzen von Tintenfischproteinen. Darauf aufbauend entwickelten sie mithilfe des Protein-Engineering das flexible, gummiartige Material. «Wir veränderten die molekulare Struktur so, dass wir die Selbstheilungskräfte des Materials auf die Spitze treiben konnten», fügt er hinzu. «Wir konnten eine 24-Stunden dauernde Heilungsphase auf eine Sekunde verkürzen. SoftRoboter, die aus diesem Material gebaut wären, könnten sich nun sofort selbst reparieren. In der Natur dauert die Selbstheilung sehr lange. Unsere Technologie stellt damit die Natur in den Schatten.»

Ein Tintenfisch braucht länger, um zu heilen, da die Protein-Moleküle in seinen Tentakeln nur lückenhaft miteinander verwoben sind. Bei dem im Labor entwickelten Material veränderten die Wissenschaftler die Nanostruktur der Moleküle so, dass sie alle miteinander verbunden sind. «Ein Netzwerk, in dem nur wenige Punkte miteinander verbunden sind, birgt Schwachstellen. Wir aber haben alle Punkte miteinander vernetzt und das Material so verbessert», erklärt Pena-Francesch. Hinzu kommt: während die Moleküle bisheriger flexibler Materialien permanente Verbindungen haben, die einmal getrennt nicht wieder zusammengefügt werden können, 3/2021

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verhält es sich bei dem neuen Material anders. Jede physikalische Verbindung ist reversibel. Verbindungen, die an einer Stelle getrennt wurden, klicken wieder in die richtige Position zurück.

Ein supramolekulares Netzwerk mit beispiellosen Selbstheilungseigenschaften eröffnet ein grosses unerforschtes Gebiet möglicher Anwendungen in der Robotik.

«Selbstreparierende physikalisch intelligente weiche Materialien sind für den Bau robuster und fehlertoleranter Soft-Roboter in naher Zukunft unerlässlich», sagt Prof. Metin Sitti. Seine Vision ist es, solch selbstreparierende weiche Materialien einzusetzen bei der Erforschung medizinischer Soft-Roboter oder um Robotergreifarme noch besser zu machen. Tests dazu gab es bereits, T T-D W zum Beispiel wurden verschiedene Objek- 160_9k W_ ren de te damit angehoben. Wenn ein Objekt r_1 -2 dann beim Herumtragen den Greifarm beschädigt, könnte er sich leicht selbst heilen.

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Originalpublikation Abdon Pena-Francesch et al., «Biosynthetic self-healing materials for soft machines», Nature Materials (2020); DOI: 10.1038/ s41563-020-0736-2

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Kontakt Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Max-Planck-Ring 4 D-72076 Tübingen info@is.mpg.de www.is.mpg.de

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Landwirte spritzen Pestizide auf ein Weizenfeld.

Nanopartikel für die Landwirtschaft

Pflanzenschutz ohne Pestizide?

Eine der grössten Herausforderungen für die heutige Landwirtschaft ist der enorme Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden. Da immer mehr Produkte verboten werden oder als gefährlich für die Gesundheit gelten, sind Ersatzlösungen gefragt. Forscher des Adolphe-Merkle-Instituts und des Biologiedepartements der Universität Freiburg haben entdeckt, wie bestimmte Siliziumdioxid-Nanopartikel als spurlose, abbaubare und hocheffiziente Behandlung gegen einige Pflanzenschädlinge wirken.

Ein möglicher neuer Ansatz abseits von dem Einsatz von klassischen Pestiziden ist die Anregung der pflanzeneigenen Immunabwehr gegen Pflanzenschädlinge.

Bekanntermassen ruft die im Boden natürlich vorkommende Kieselsäure solche Reaktionen in Pflanzen hervor. Amorphe Silikat-Nanopartikel können Kieselsäure in kleinen Mengen freisetzen.

Nanopartikel aus der Natur Diese Nanopartikel sind weit verbreitet und kommen in vielen Kulturpflanzen wie Getreide in der Natur vor. Sie sind auch Bestandteil von lebensmittelechtem Siliziumdioxid (SiO 2), das auf Etiketten und Verpackungen als E551 bezeichnet wird, und dies seit Jahrzehnten in einer Vielzahl von Produkten wie Kochsalz, Pillen oder Proteinpulvern verwendet wird, um ein Verklumpen zu vermeiden.

Resistenz nachgewiesen Vor diesem Hintergrund wollten die Freiburger Forscher eine umweltverträgliche Nano-Agrochemikalie entwickeln für die 36

gezielte Abgabe von Kieselsäure und zur Anregung der Pflanzenabwehr. Sie synthetisierten Siliziumdioxid-Nanopartikel mit ähnlichen Eigenschaften wie diejenigen, die in Pflanzen vorkommen. Um ihre Effizienz zu testen, verabreichten sie die Nanopartikel der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einem weit verbreiteten Pflanzenmodell, das mit dem bakteriellen Schädling Pseudomonas syringae infiziert war. Die Ergebnisse zeigten, dass die Nanopartikel die Resistenz gegen das Bakterium dosisabhängig steigern konnten, indem sie das pflanzliche Abwehrhormon Salizylsäure (das auch der Wirkstoff von Aspirin ist) stimulieren.

Weniger Stress für die Pflanzen Die Forschenden untersuchten auch die Wechselwirkungen der Nanopartikel mit den Blättern der Pflanze. Sie konnten zeigen, dass die Aufnahme und Wirkung der Nanopartikel ausschliesslich über die Spaltöffnungen (Stomata) erfolgt, durch die die Pflanzen atmen. Die Nanopartikel verteilten sich nicht weiter in den Pflanzen,

und die Partikel bauen sich in Gegenwart von Wasser spurlos ab – ein wichtiger Aspekt für die Umwelt- und Lebensmittelsicherheit.

Umweltfreundlichere Alternative?

Im Vergleich zu reiner Kieselsäure, die bereits im Pflanzenschutz eingesetzt wird, verursachten die Silikat-Nanopartikel aufgrund der langsamen Freisetzung des Wirkstoffs weniger Stress für die Pflanzen und für andere Bodenmikroorganismen.

Die Studie, die in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» veröffentlicht wurde, zeigt, dass bestimmte Silikat-Nanopartikel als kostengünstige, hocheffiziente, sichere und nachhaltige Alternative für den Schutz vor Pflanzenkrankheiten dienen könnten.

Zusammenarbeit mit mehreren Hochschulen Der Studie, einer Zusammenarbeit unter der Leitung der AMI BioNanomaterials Ambizione-Stipendiatin Dr. Fabienne 3/2021

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Ein erkrankter Kastanienbaum.

Schwab und dem Postdoktoranden Dr. Mohamed El-Shetehy aus dem Biologiedepartement, ging ein erstes Anwendungsprojekt voraus. Schwab entwickelte einen patentierten abbaubaren Nanopartikel zur gezielten Abgabe von Wirkstoffen und zur Stimulierung der Pflanzenresistenz. Im laufenden Jahr hat Schwab mit Unterstützung von Innosuisse zusammen mit ihren Partnern an der Fachhochschule Westschweiz-Fribourg und der Berner Fachhochschule Schule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften angefangen, Feldversuche durchzuführen und die Produktion der Nanopartikel zu vereinfachen.

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Zukünftige Untersuchungen könnten auf ein breiteres Spektrum von Pflanzenschädlingen abzielen, so die Forschenden, etwa auf andere Bakterien, Insekten oder Viren. Sie betonen auch, dass vor einer breiten Anwendung von Nanopartikeln in der Landwirtschaft eine gründliche Analys erforderlich ist, um den möglichen langfristigen Verbleib von Silikat-Nanopartikeln in der Umwelt zu bewerten.

Originalpublikation M. El-Shetehy et al., «Silica nanoparticles enhance disease resistance in Arabidopsis plants», Nature Nanotechnology (2020); DOI: 10.1038/s41565-020-00812-0 Quelle: Unicom Kommunikation & Medien

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VERFAHRENSTECHNIK

Produktion im Zeichen des Klimawandels

Mit Abwärmenutzung CO2-Ausstoss halbieren In Produktionsumgebungen mit einem heissen Dampfnetz kann die Abwärme aus Kälteanlagen oft nicht genutzt werden, und sie wird ungenutzt über das Dach abgeführt. Abhilfe verspricht eine Wärmepumpe und ein paralleles Niedertemperaturnetz, das die Wärmebezüger mit geringeren Temperaturanforderungen versorgt. Ein erster Schritt auf dem Weg zur klimaneutralen Produktion.

Die Herstellung von Arzneistoffen, biotechnologisch hergestellten Proteinen und hochwirksamen Biopharmazeutika erfordert hohe Wärme- und Kälteleistungen mit exakten Temperaturvorgaben. In hochspezialisierten Behältern, sogenannten Bioreaktoren oder Fermentern, werden die Stoffe sehr schnell erhitzt und ebenso rasch wieder abgekühlt, bis daraus die eigentlichen Produkte gewonnen werden.

Die Chemie- und Pharma-Spezialistin Cerbios-Pharma SA produziert in Lugano seit 1976 solche Wirkstoffe. Für die Produktionsanlage betreibt das Unternehmen einen Dampfkessel mit 2100 kW Leistung.

Der 175 °C heisse Wasserdampf wird mit einer Fernleitung in die sechs Produktionsgebäude auf dem Firmenareal transportiert. Der Sattdampf wird in Bioreaktoren genutzt, die für die Erwärmung der Prozesse eine Temperatur von mindestens 145 °C benötigen. Zudem beziehen auch

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EnergieSchweiz

Bild: Cerbios Pharma SA

Thomas Lang 1

Einblick in die Produktion der Cerbios Pharma SA.

Heizung und Lüftung die Wärme aus dem Dampfnetz, wobei die dezentralen Lüftungsgeräte für die Raumkonditionierung mit 60 °C warmem Wasser auskommen, welches in Dampfumformern erhitzt wird.

Gleichzeitig stellen zwei Ammoniak-Kälteanlagen für die Kühlprozesse in den Biore-

aktoren Kühlwasser in Form eines «Eisbreis» her, das über ein Kälte-Leitungsnetz zu den Produktionsstandorten gepumpt wird. Die Abwärme der Kälteanlagen kann im heutigen System nicht genutzt werden und wird über Dach weggekühlt. Denn sie ist mit 25 bis 40 °C zu «kalt», um im heissen Dampf-

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netz Verwendung zu finden. Da das Unternehmen Energie, Ressourcen und Rohstoffe grundsätzlich sparsam einsetzt und sich seit 20 Jahren in der Energieagentur der Wirtschaft (EnAW) engagiert, war dies ein unbefriedigender Zustand, für den sich im Produktionsalltag aber keine einfache Lösung fand.

Pinch-Analyse bringt Licht ins Dunkle

Und tatsächlich erwies es sich im Zuge der Pinch-Analyse, dass bei den Prozessen in den bestehenden Bioreaktoren keine nennenswerten Einsparungen bei der Energie möglich sind. Doch diese Prozesse benötigen nur 55 % der Wärme aus dem Dampfnetz. Der Rest entfällt auf die Raumluftkonditionierung – also Heizung und Lüftung der Produktionsräume –, die mit einer Temperatur von 60 °C auskommen. Und hier ergaben sich plötzlich interessante Einsparpotenziale.

«Unsere Wärmezentrale, die Verteilung von Wärme und Kälte sowie die Endgeräte befinden sich in einem Top-Zustand und funktionieren absolut zuverlässig», sagt

Niedertemperatur-Verteilung halbiert CO2-Ausstoss

«Die Pinch-Analyse zeigt mit aller Klarheit auf, wo wir Primärenergie einsparen und wie wir den CO2 -Ausstoss reduzieren können.»

Massimo Bossi, Leiter Facility Management bei Cerbios-Pharma SA in Barbegno-Lugano Massimo Bossi, Leiter Facility Management bei Cerbios-Pharma SA. «Das ist unabdingbar, um die hohen Produktionsstandards in der chemisch-pharmazeutischen Branche ohne Wenn und Aber einzuhalten. Als unser EnAW-Moderator Walter Bisang vorschlug, mit der DM Energieberatung AG ein Pinch-Projekt durchzuführen, hatten wir daher zuerst keine grossen Erwartungen.»

Eine Empfehlung aus der Pinch-Analyse ist, mit dem Zubau einer Niedertemperatur-Wärmeverteilung (NT) die bestehende Abwärme nutzbar zu machen. Diese fällt von den beiden Kältemaschinen, den zwei Wirbelbetttrocknern und weiterer Anlagen an. Die 25 bis 40 °C warme Abwärme kann mit einer Wärmepumpe auf 60 °C gehoben werden. Zudem zeigte die PinchAnalyse auf, wie das Rauchgas aus dem Dampfkessel zusätzlich direkt in den Trocknern genutzt werden kann.

Mit dem neuen NT-Verteilnetz, der Wärmepumpe und der Abwärmenutzung aus dem Rauchgas kann der Gasverbrauch von heute 5650 MWh praktisch auf 2700 MWh halbiert werden. Und die ungenutzt «entsorgte» Abwärme lässt sich um über 70 % verringern. Das begeistert Massimo Bossi: «Endlich sehen wir einen gangbaren Weg, wie wir die wertvolle Wärmeenergie so umfassend wie möglich nutzen können.» Einziger Wermutstropfen bei dieser Lösung ist der Strombedarf, der sich mit der neuen Wärmepumpe um 560 MWh pro Jahr erhöht.

Die Pinch-Analyse auf einen Blick Die Pinch-Analyse ist eine Methode, um Prozesse abzubilden und die Energie- respektive Wärme- und Kälteströme im Betrieb systematisch und transparent darzustellen. So können die Potenziale für Wärmerückgewinnung aufgespürt und die Prozesse energetisch optimiert werden. Angeboten und umgesetzt werden Pinch-Analysen von spezialisierten Beratungsunternehmen, die mit der Pinch-Software (PinCH) der Hochschule Luzern arbeiten.

Das Bundesamt für Energie BFE fördert die Grobanalyse und die Pinch-Analysen mit einem Beitrag von 40 bis zu 60 % der Kosten.

Weitere Informationen zur Pinch-Methode, zu den Pinch-Experten und den Beiträgen finden Sie auf der Website www.energieschweiz.ch/pinch.

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Sicheres Scale-up vom Labor zur Produktion Risiken abschätzen und Worst-Case Szenarien simulieren Mehr Infornter: mationen u h.com/ www.netzsc rity processsecu

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Bild: Zweiweg

Bild: Zweiweg

VERFAHRENSTECHNIK

Vereinfachtes Schema der Wärme- und Kälteerzeugung: Über ein 175 °C heisses Dampfnetz wird die Wärme in die sechs Gebäude transportiert. Dort wird sie sowohl für die Produktion in den Bio­ reaktoren wie auch für die Raumkonditionierung eingesetzt. Die Abwärme der Kältemaschinen wird über Dach abgeführt.

Die Abwärme der Kältemaschinen (und weitere Abwärmequellen, die zur besseren Verständlichkeit nicht aufgeführt sind) wird mit einer Wärmepumpe nutzbar gemacht und über ein neues Niedertemperatur-Verteilnetz zu den Lüftungs- und Heizungsaggregaten transportiert. Über den Rückkühler wird nur noch ein kleiner Rest an Überschusswärme entsorgt.

Platzbedarf – die grosse Herausforderung

ren gesenkt werden. Dadurch steigt die Effizienz der Wärmepumpe.

Niedertemperaturnetz und Abwärmenutzung machen zusätzliche Kälte- und Wärmespeicher nötig, die ein Volumen von 45 m3 respektive 30 m3 aufweisen. Noch nicht gelöst ist die Frage, wo diese Speicher Platz finden. Mit der heutigen räumlichen Situation ist dies nur unterirdisch oder auf dem Dach möglich. Beide Standorte haben ihre Vor- und Nachteile, bedeuten aber so oder so einen gewissen Aufwand. Aus Kostengründen liegt es zudem auf der Hand, die Verteilleitung über das Dach zu führen. Das ist aus baulicher Sicht optimal, optisch hingegen nicht gerade ein «Hingucker».

Neue Chancen

Stetige Optimierung ergibt Sinn Für die Zukunft zeichnet es sich ab, dass nebst den Kältemaschinen mit ihrer Abwärme auch der Druckluftkompressor in das NT-Netz eingebunden wird, sobald er ersetzt wird. Das Niedertemperaturnetz macht es zudem möglich, die Lüftungsgeräte energetisch zu optimieren. Aufgrund der hohen Systemtemperaturen des Dampfnetzes war dies bislang nicht notwendig gewesen. Mit den tieferen Temperaturen des neuen Verteilnetzes können die Wärmetauscher der Lüftungsgeräte beim nächsten Anlageersatz vergrössert und anschliessend die Systemtemperatu40

Bei gleichbleibendem Gesamtenergiebedarf der Firma und dank der Halbierung der benötigten Heizleistung des Dampfheizkessels kann beim nächsten Ersatz des Wärmeerzeugers ein bedeutend kleineres System installiert werden. Aus langfristiger Sicht ist dies eine wichtige Voraussetzung für einen allfälligen Wechsel auf eine erneuerbare Wärmeerzeugung. Denn es ist gut denkbar, dass es in wenigen Jahren technologische Lösungen mit Holz, Hochtemperatur-Wärmepumpen, Wasserstoff oder Biogas gibt, die den hohen Verfügbarkeitsanforderungen von Chemie- und Pharmaunternehmen wie Cerbios-Pharma SA genügen.

Die Investitionen, die Cerbios-Pharma SA für die Umsetzung des Konzeptes tätigen muss, sind mit rund 1 600 000 Franken happig. Auf der anderen Seite spart das Unternehmen so jährlich 120 000 Franken an Energiekosten. Hinzu kommen – zumindest in den nächsten Jahren – noch jährlich 40 000 Franken aus dem Verkauf von CO2 -Zertifikaten. Die Payback-Zeit von vierzehn respektive zehn Jahren (mit CO2 Zertifikaten) ist für einen Pharma-Betrieb lange. Doch betrifft ein Grossteil der Investitionen die Grundinfrastruktur, welche unabhängig von den einzelnen Produktproduktions-Prozessen ist und darum auf

lange Sicht genutzt werden kann. Sicher braucht Massimo Bossi daneben noch das eine oder andere gute Argument, um das Projekt intern zu «verkaufen». Dabei dürfte das Klimaziel 2050 – «Netto-Null Emissionen» – des Bundesrats ein weiteres starkes Argument sein. Denn für Produktionsbetriebe, wie die Cerbios-Pharma SA lohnt es sich schon heute, sich intensiv Gedanken zu machen über die Produktionszukunft mit «Netto-Null-Emissionen».

Systeme «mit Dampf» in Etappen anpassen Das Beispiel Cerbios-Pharma unterstreicht, dass es auch in Industrieunternehmen mit Dampfnetzen gangbare Wege gibt, mit denen die Wärmeerzeugung in Etappen umgebaut und so die Abwärme weitgehend genutzt werden kann. Dabei liefert die Pinch-Analyse wertvolle Hinweise und «Rezeptvorschläge» für die Umsetzung.

Kontakt Thomas Lang EnergieSchweiz c/o Zweiweg GmbH Weinbergstrasse 68 CH-8006 Zürich +41 44 261 99 31 thomas.lang@zweiweg.ch www.energieschweiz.ch/pinch

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VERFAHRENSTECHNIK

Durable et autosuffisant

Meilleur rendement pour des piles Des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à augmenter le rendement et la longévité de piles à combustible en utilisant un système de recirculateur à paliers aérodynamiques et une turbine à vapeur.

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EPFL, Lausanne

Patrick Wagner et Jürg Schiffmann.

à Microcity à Neuchâtel, sont parvenus à augmenter le rendement électrique de piles à combustible SOFC destinées à un usage domestique – avec une production de 6 kilowatt électrique (kWe). Leur système unique de recirculation des gaz au

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Alimentées avec de l’air et un combustible gazeux comme du gaz naturel ou du biogaz, les piles à combustible à oxyde solide, en anglais « Solid Oxide Fuel Cell » (SOFC), ont la particularité de générer à la fois de l’électricité à haut rendement et de la chaleur, sans émission polluante. Installées dans les immeubles et maisons par exemple, elles pourraient ainsi alimenter le réseau électrique, les chauffages et distributeurs d’eau chaude.

Pour l’heure, ce type de pile reste encore peu répandu en Europe (contrairement au Japon, par exemple), faute notamment à des coûts de production non adaptés à une commercialisation à grande échelle.

Mais le travail de chercheurs de l’EPFL pourrait changer la donne.

Des ingénieurs du Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD), situé

Photos : EPFL 2020

Nathalie Jollien 1

sein du système permet en outre d’améliorer la durée de vie des piles. Ce travail est issu d’une collaboration entre le LAMD, le groupe de recherche Group of Energy materials (GEM) de l’EPFL Valais Wallis à Sion dirigé par Jan Van Herle, ainsi que le

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VERFAHRENSTECHNIK

Le mécanisme équipé de paliers aérodynamiques développés au Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD).

partenaire industriel Solidpower SA d’Yverdon-les-Bains. Il fait l’objet d’une publication dans la revue « Applied Energy ».

Recirculation des gaz Pour atteindre ces résultats, les chercheurs ont utilisé un dispositif unique de recirculateur des gaz de l’anode. En l’état, les piles à combustible SOFC ne convertissent qu’environ 80 à 85 % du combustible gazeux disponible et les gaz n’effectuent qu’un seul passage dans la pile. L’idée était donc de relier la sortie et l’entrée de la pile pour faire circuler les gaz une deuxième fois. Comme ces piles fonctionnent à des températures de plus de 600 °C, «le recirculateur augmente la pression des gaz d’échappement pour qu’ils soient compatibles avec la pression intérieure de la pile», indique Patrick Wagner, premier auteur de l’étude.

Grâce à ce système, les chercheurs ont mesuré une nette augmentation de rendement allant jusqu’à 10 %. « Pour une pile à combustible utilisée à échelle domes-

tique – production en charge partielle à 4,5 kWe – nous avons réussi à atteindre un rendement brut de 66 % », se réjouit Jürg Schiffmann, responsable du LAMD. A titre comparatif, les meilleures centrales thermiques du monde atteignent 63 % de rendement électrique, mais sans produire en même temps de la chaleur utile. De plus, ces centrales fonctionnent à une échelle de plusieurs centaines de MWe, distribué ensuite sur le réseau électrique, ce qui implique des pertes de distribution – de l’ordre de 6 % en Suisse.

Cette augmentation d’efficacité va de pair avec une augmentation de la durée de vie de la pile, notamment des catalyseurs qui sont plus stables sous un mélange de gaz recirculé.

Le principe de la recirculation du gaz n’est en soi pas nouveau. C’est le système conçu par les chercheurs qui est unique : il est équipé de la technologie de paliers aérodynamiques développés par le laboratoire LAMD et fonctionne avec une turbine à vapeur miniaturisée, elle-même entraînée par la chaleur produite par la pile.

En utilisant la technologie de paliers aérodynamiques, les chercheurs s’assuraient de ne pas avoir de contamination. « Les piles à combustible, comme à peu près tous les systèmes catalytiques, sont sensibles aux huiles ou autres fluides de lubrification qui viendraient altérer leur fonctionnement, explique Patrick Wagner. Or, les paliers aérodynamiques n’utilisent pas d’huile. Ce sont des pièces mécaniques qui permettent d’avoir la partie tournante du mécanisme en lévitation sur un coussin d’air généré par la rotation de l’arbre une autre partie du mécanisme. » Hormis pendant le démarrage et l’arrêt, ce système a également l’avantage de ne provoquer aucune forme d’usure puisqu’il fonctionne sans contact.

Le choix de la turbine à vapeur a été motivé par le fait que les gaz sortant des piles à combustible SOFC contiennent toujours un résidu de combustible pouvant être explosif, notamment l’hydrogène. « Composé uniquement d’éléments mécaniques, notre recirculateur ne pose donc aucun danger de sécurité, ce qui n’aurait pas été le cas si nous avions utilisé un moteur électrique », poursuit le chercheur. Adaptée à la taille de la pile à usage domestique, cette turbine à vapeur de 34 W ne mesure que 15 millimètres de diamètre. Ce qui en fait une des plus petites turbines à vapeur du monde.

Pour travailler sur le développement commercial de ce système, Patrick Wagner a fondé la start-up OTurb. Un brevet a également été déposé.

Cette étude a fait partie du projet «Recogen», financé par le Canton de Vaud à travers son programme « 100 millions pour les énergies renouvelables et l’efficacité énergétique ».

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Bild: Shutterstock

VERFAHRENSTECHNIK

Ein Ventilator braucht viel Zeit und Energie, bis er Obst und Gemüse trocknet. Natürlich sind die industriellen Ventilatoren aber um einiges effizienter als dieser hier.

Lebensmitteltechnologie

Trocknungsverfahren für die Industrie Nach der sommerlichen Ernte gelangen Früchte als Trockenobst saisongerecht in den Verkauf. Wird Obst oder Gemüse durch Wärme getrocknet, können jedoch Nährstoffe zerstört werden und Aromastoffe verloren gehen.

Deshalb ist das nichtthermische Trocknen von Lebensmitteln – also ohne Erwärmen – in der Industrie besonders beliebt. Ein neues, an der Empa entwickeltes Trocknungsverfahren verspricht nun ein energieeffizienteres, schnelleres und erst noch schonenderes Trocknen von Lebensmitteln.

Mara Hausammann 1 Wenn sich die Rotorblätter eines Ventilators drehen, entsteht ein gleichmässiger Wind. Dieses Phänomen kennt man aus dem Alltag, und so nutzen wir den Ventilator an heissen Sommertagen, um uns Abkühlung zu verschaffen. Ein unerwünschter Nebeneffekt ist dabei das unangenehme Gefühl in den Augen, die durch den künstlich erzeugten Wind immer trockener werden. Diesen Effekt macht sich die Lebensmittelindustrie schon seit längerem zunutze: Früchte und

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Empa, Dübendorf

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Gemüse werden in der Industrie mit Vorliebe ohne Wärmezufuhr getrocknet, denn Wärme vermindert Nähr- und Aromastoffe.

Bekannte Technologie Das sogenannte nichtthermische konvektive Trocknen von Lebensmitteln mithilfe grosser Ventilatoren hat aber einen Haken: Die Trocknung benötigt viel Zeit und Energie. Daher sucht die Branche bereits seit langem nach einer energieeffizienteren Methode. Eine Technologie setzt dabei auf den sogenannten Ionenwind. Dies funktioniert zwar bereits im kleinen Massstab, scheiterte bislang allerdings beim Hochskalieren auf Industriemassstab. Empa-For-

schende haben nun eine energieeffizientere Trocknungsanlage entwickelt, die auf Ionenwind basiert und sich für die Indus­ trieanwendung eignet.

Der elektrohydrodynamische Luftstrom Ein Ionenwind wird nicht durch die drehenden Rotorblätter eines Ventilators erzeugt.

Er entsteht, indem etwa ein Metalldraht mit einer positiven Hochspannungsquelle von typischerweise 10 000 bis 30 000 Volt verbunden wird. Der Draht lädt sich dadurch positiv auf und ionisiert die umliegende Luft. «Normale» Luft besteht aus verschiedenen Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff 43

VERFAHRENSTECHNIK

Bild: Empa

oder Kohlendioxid. Die Elektronen dieser Moleküle werden von dem positiv geladenen Draht angezogen, während wiederum die viel schwereren Protonen vom Draht abgestossen werden. Diese elektrostatischen Kräfte sorgen letztlich dafür, dass sich Elektronen aus den Gasmolekülen «abspalten», die verbleibendenden Moleküle sind nun positiv geladen – oder «ionisiert». Die positiven Ionen kollidieren auf ihrem Weg vom Draht weg hin zum da­ runterliegenden geerdeten Kollektor mit anderen Luftmolekülen und stossen diese an. Durch diesen Impuls beziehungsweise die dadurch ausgelöste Teilchenbewegung entsteht dann der Ionenwind, der auch als elektrohydrodynamischer Luftstrom bezeichnet wird.

Verblüffend einfache Lösung Diesen Ionenwind versuchten Forschende mit verschiedenen Ansätzen für die industrielle Trocknung von Lebensmitteln zu nutzen – bisher aber ohne bemerkenswerten Erfolg, da eine Hochskalierung nicht möglich war. Thijs Defraeye aus der Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles» und sein Team verfolgten die Idee weiter und variierten diverse Prozessparameter. Als erstes legten die Wissenschaftler die zu trocknenden Lebensmittel nicht wie bisher auf eine Platte, sondern verwendeten ein Gitter. «Das ist jetzt keine ‹Rocket Science›, aber bis jetzt hat noch niemand diese Anpassung bei der Trock-

Werden die Früchte auf ein Gitter gelegt, werden sie durch den Ionenwind schneller und gleichmässiger getrocknet.

nungmittels Ionenwind in Betracht gezogen», meint der Forscher.

Was nach einer kleinen Änderung klingt, macht einen riesigen Unterschied: Das Wasser kann nun an allen Seiten des Gemüses und der Früchte entweichen. Dadurch trocknen die Lebensmittel durch den Ionenwind doppelt so schnell wie auf einer undurchlässigen Oberfläche, die bisher von Forschern weltweit verwendet wurde. Vor allem werden die Früchte und das Gemüse aber auf dem Gitter durch den Ionenwind einheitlicher getrocknet.

Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ansätzen der elektrohydrodynamischen Trocknung lässt sich die neue Konstruktion zudem besser hochskalieren – und ist daher auch für die Industrie äusserst interessant.

Grafik: Empa

Prototyp steht in Kanada

Durch die Kollision zwischen ionisierten und neutralen Luftmolekülen entsteht ein sogenannter Ionenwind. Dieser trocknet dann die Früchte auf dem Gitter.

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Bei der weiteren Verfeinerung ihres neuen Konzepts setzte das Team auf aufwendige Computersimulationen. Dadurch lassen sich verschiedene weitere Anpassungen und deren Einfluss auf den Trocknungsprozess virtuell durchspielen. So kann die Anlage «in silico» optimiert werden, ohne jedes Mal ein neues Konstrukt physisch erbauen zu müssen.

Doch lassen sich die Ergebnisse der Computerberechnungen auch in die Praxis umsetzen? Lässt sich das Verfahren so tatsächlich optimieren? In Zusammenarbeit mit Forschenden der kanadischen Dalhousie University wurde dort im Labor ein erster Prototyp der neuen Trocknungsanlage gebaut. Erste Versuche zeigten in der Tat erhebliche Verbesserungen: Das Trocknen mittels Ionenwind ist deutlich schneller und verbraucht weniger als die Hälfte der benötigten Energie im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Ausserdem werden die Lebensmittel gleichmässiger getrocknet, und die Nährstoffe bleiben besser erhalten. Und zu guter Letzt kann das Verfahren relativ einfach auf Industriemassstab hochskaliert werden.

Kontakt Prof. Dr. Thijs Defraeye Biomimetic Membranes and Textiles Empa Lerchenfeldstrasse 5 CH-9014 St. Gallen +41 58 765 4790 thijs.defraeye@empa.ch www.empa.ch

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MANAGEMENT

Kompetenz: Zoll

Brexit: Die Krux mit dem Ursprung Lieferverzögerungen im Verkehr zwischen der EU und dem Vereinigten Königreich haben bereits Schlagzeilen gemacht. Zum Teil wurden sie durch fehlende oder nicht korrekt ausgefüllte warenbegleitende Dokumente und eine dadurch bedingte langsamere Zollveranlagung verursacht. Was müssen Schweizer Exporteure neu beachten, damit ihre Ware reibungslos durch den Zoll kommt?

Mario Caccivio ¹ Probleme ergeben sich unter anderem dadurch, dass das bilaterale Handels- und Kooperationsabkommen «TCA» zwischen der EU und dem Vereinigten Königreich nicht in allen Aspekten deckungsgleich ist mit dem am 1. Januar 2021 in Kraft getretenen bilateralen Abkommen zwischen der Schweiz und dem Vereinigten Königreich. Dies betrifft vor allem die Ursprungsregeln.

Das Handelsabkommen zwischen der Schweiz und dem Vereinigten Königreich sieht die Möglichkeit der Kumulation von Ursprungswaren anderer Vertragsparteien des Paneuropa-Mittelmeer-KumulierungÜbereinkommens (PEM-Übereinkommen) vor. Voraussetzung ist, dass die Vertragspartei mit der Schweiz und dem Vereinigten Königreich ein Freihandelsabkommen ¹ Zollbeauftragter, Dachser Spedition AG (Schweiz)

Bild: Shutterstock

Schwieriger Ursprung

Am Zoll des Vereinigten Königreichs.

unterhält und dieses identische Ursprungsregeln enthält. Da die im Abkommen «EUVereinigtes Königreich» vereinbarten Ursprungsregeln nicht mit denen des Handelsabkommens «Schweiz-Vereinigtes Königreich» identisch sind, ist eine Kumu-

lation von EU-Ursprungswaren im Verkehr zwischen der Schweiz und dem Vereinigten Königreich nicht mehr möglich. Daher unterliegt eine Ware mit EU-Ursprung beim Export ab der Schweiz in das Vereinigte Königreich (Durchhandel) der Zoll-

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Bild: Adobe Stock

MANAGEMENT

Ziel ist es, Sendungen reibungslos, rechtskonform, pünktlich und gegebenenfalls mit einem formell gültigen Ursprungsnachweis über die Zollgrenzen in das Vereinigte Königreich zu bringen.

abgabe. Sofern die EU-Ursprungsware ­direkt von der EU in das Vereinigte Königreich befördert wird, ist die Einfuhr zollfrei.

zu, dass die in der Schweiz verwendeten Vormaterialien aus der EU neu als «drittländische Ware» in der Präferenzkalkulation zu berücksichtigen sind.

Die Schweiz muss strengere Regeln erfüllen

Zusätzliche Dokumente

Waren mit präferentiellem Ursprung Schweiz können abhängig von der jeweiligen Zolltarifnummer zollbegünstigt bzw. zollfrei in das Vereinigte Königreich importiert werden. Aber im Vergleich zu EU-Firmen, die in das Vereinigte Königreich exportieren, haben die schweizerischen Unternehmen strengere Ursprungskriterien zu erfüllen. Gemäss dem Vertrag «Vereinigtes Königreich-Schweiz» sind die Ursprungsregeln des PEM-Übereinkommens massgebend (wie im Freihandelsabkommen «Schweiz-EU»). So ist beispielsweise im Maschinensektor eine Wertschöpfung von 60 bis teilweise 75 Prozent notwendig, um die Vorgaben der Ursprungskriterien zu erfüllen. Erschwerend kommt hin-

Allen Sendungen in das Vereinigte Königreich müssen seit Anfang des Jahres 2021 unter anderem Handels- oder Pro-FormaRechnungen beiliegen, auf denen die EORI-Nummern des Importeurs sowie der Wert und die Zolltarifnummer vermerkt sind. Bei tierischen und pflanzlichen Produkten dürfen die phytosanitären Zertifikate nicht fehlen. Neu braucht es auch eine Bestätigung für Holzverpackungen, dass diese dem ISPM-15-Standard entsprechen.

Weitere Änderungen Im dritten Quartal dieses Jahres soll ein revidiertes PEM-Übereinkommen mit liberaleren Ursprungskriterien in Kraft treten.

Dieses wird aber wahrscheinlich nicht auf

Exporte in das Vereinigte Königreich angewendet werden können, da das Vereinigte Königreich, im Gegensatz zur EU und der Schweiz, das revidierte PEM-Übereinkommen nicht ratifizieren will. Aus Sicht der Logistikbranche wäre es daher wünschenswert, dass die Schweiz die entsprechenden Passagen des Handelsabkommens mit dem Vereinigten Königreich nachverhandelt, um eine Deckungsgleichheit bei den Ursprungskriterien bei den bilateralen Handelsabkommen mit der EU und mit dem Vereinigten Königreich zu erreichen.

Fazit Angesichts der neuen Anforderung sollten Schweizer Exporteure vor dem Versand ihre Präferenzkalkulationen respektive Ursprungsnachweise detailliert prüfen, einschliesslich der Aktualisierung der Lieferanteninformationen. Ziel ist es, Sendungen reibungslos, rechtskonform, pünktlich und gegebenenfalls mit einem formell gültigen Ursprungsnachweis über die Zollgrenzen in das Vereinigte Königreich zu bringen.

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3/2021

WERKSTOFFE

Treibstoff dank Biotemplating

Mini-Kraftwerke aus beschichteten Blaualgen

Sie tummelten sich bereits vor über zwei Milliarden Jahren in der «Ursuppe» unseres Planeten und helfen seither, die Atmosphäre mit Sauerstoff anzureichern. Heutzutage leben Blaualgen praktisch überall – in Gewässern, auf der Rinde von Bäumen oder an unwirtlichen Berggipfeln. Sie haben die effiziente Nutzung von Sonnenlicht zur Photosynthese derart perfektioniert, dass sie sogar in düsteren Grotten überleben können. Empa-Forschende um Laetita Philippe vom «Mechanics of Materials and Nanostructures»-Labor in Thun haben die genügsamen Blaualgen der Gattung Spirulina nun mit der Technologie des «Biotemplating» so beschichtet, dass sie zur Produktion von Biokraftstoffen eingesetzt werden können und photokatalytisch wirken.

Vollendete Architektur Für einen besonders effizienten und gleichzeitig nachhaltigen Prozess wurde das Verfahren des «Biotemplating» genutzt, bei dem eine von der Natur vorgegebene Architektur als Schablone dient, um neue Oberflächenbeschichtungen anzubringen. Die Blaualge Spirulina, deren Form an einen winzigen Tauchsieder erinnert, eignete sich dafür besonders, da ihre kompakte Wendel-Struktur zur effizienten Nutzung des Sonnenlichts beiträgt.

Die Forschenden beschichteten die rund vier Mikrometer dünnen geschraubten Schnüre der konservierten Spirulina-Einzeller zunächst mit einer feinen Hülle aus Nickel. Einer Zwiebelschale gleich folgten darauf zarte Schichten aus Zinkoxid und Zinksulfid-Nanopartikeln. «Während die Blaualgen als Strukturgeber fungieren, 3/2021

Bild: Empa

Blaualgen gehören zu den ältesten Lebewesen dieser Erde und haben die Nutzung von Sonnenlicht über Milliarden Jahre perfektioniert. Materialforschende der Empa haben die genügsamen Einzeller nun mittels Halbleiter-Beschichtung zu Mini-Kraftwerken ausgerüstet, die Biokraftstoffe liefern und im Sonnenlicht photo­ katalytisch aktiv werden. Und obendrein fügen sich die Reaktionen zu einem raffinierten Rohstoffkreislauf zusammen.

Künstlich hergestellte Mikrofarne wurden mit Zinkoxid, Zinksulfid und Nickel beschichtet. Elektronenmikroskopische Aufnahme, nachkoloriert.

sorgt die magnetische Nickelbeschichtung für eine einfache Möglichkeit, die kleinen Alleskönner wieder zurückzugewinnen», sagt Laetitia Philippe. Die darüber aufgetragene Beschichtung mit Zinkverbindungen weist eine beeindruckende photokatalytische Aktivität auf. Einerseits führt die Kombination zweier Zinkverbindungen zu einer längeren Leistungsfähigkeit der Photokatalyse-Reaktion.

Zum anderen kann so aber auch ein grösserer Wellenlängenbereich des Sonnenlichtspektrums genutzt werden. «Mit Zinkoxid lässt sich lediglich die UV-Strahlung des Sonnenlichts für Reinigungsprozesse nutzen», erklärt Empa-Forscher Albert Serrá. «Mit der photokatalytischen Aktivität der beschichteten Algen sollte ein nachhaltiger, einfacher und günstiger Prozess für die Wasseraufbereitung genutzt werden können», erklärt Laetitia Philippe. Seit 2015 gehört die Verfügbarkeit und nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser für alle Menschen zur Globalen Nachhaltigkeitsagenda der Vereinten Nationen (UN).

Das Dreckige Dutzend Unter dem Begriff «Das Dreckige Dutzend» sind die zwölf ursprünglichen Giftstoffe versammelt, die durch die sogenannte POP-Konvention der Vereinten Nationen seit 2001 weltweit verboten sind. Unter den Chemikalien befinden sich Pflanzenschutzmittel und Insektizide wie etwa DDT, Industriechemikalien und Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen. Es handelt sich um persistente organische Schadstoffe (englisch: persistent organic pollutants), die sich in der Umwelt und in Lebewesen, und somit auch in der Nahrungskette, anreichern.

Sie stehen im Verdacht, Krebs auszulösen, den Hormonhaushalt und das Erbgut zu schädigen. Bei der herkömmlichen Wasseraufbereitung lassen sich die Schadstoffe kaum abbauen.

Entsprechend dieser Zielvorgabe suchte die Forscherin mit ihrem Team nach einer Technologie, die sauberes Wasser weltweit 47

WERKSTOFFE

und auf der Grundlage von bestehenden Anlagen produzieren könnte. Hierbei sollte das Wasser vor allem von Mikroplastik und persistenten organischen Schadstoffen befreit werden, die herkömmliche Aufbereitungssysteme nicht entfernen. Die Forschenden entwickelten daher einen Prozess auf der Basis von Photokatalyse mittels Zinkoxid und Zinksulfid, einer chemischen Reaktion, die unter Lichteinwir-

kung Schadstoffe oxidiert und neutralisiert.

Die Kombination mit Zinksulfid-Nanopartikeln ermögliche es nun aber auch Bereiche des sichtbaren Lichts als Energiequelle anzuzapfen.

Entwickelt haben die Forschenden diese photokatalytische Oberflächenbeschichtung zunächst anhand anderer Strukturen, die an mikroskopische Wälder aus Farngewächsen erinnern. «Die Farn-Architektur ist

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eine weitere Möglichkeit, Lichtenergie möglichst effizient zu absorbieren», sagt Serrá. Bei Laborexperimenten mit den künstlich hergestellten, verästelten Mikround Nanofarnen aus verschiedenen chemischen Verbindungen stellte sich die Zwiebelschicht-Struktur aus Zinkoxid, Zinksulfid und Nickel als besonders effizient heraus. Mit dem Biotemplating-Verfahren von Blaualgen sollte darüber hinaus die Beschattung durch einzelne Verästelungen innerhalb der Mikrofarne vermieden werden, womit die Lichtabsorption zusätzlich gesteigert werden konnte.

Ein weiterer Vorteil: Die Blaualgen produzieren sich fast von selbst. Mit Wasser, Licht und Dünger wachsen die Einzeller mit rasanter Geschwindigkeit zu grossen Mengen heran. Und sie verbrauchen dabei nicht nur Kohlendioxid aus der Umwelt und stossen wertvollen Sauerstoff als «Abgas» aus – durch das Einleiten von zusätzlichem Kohlendioxid in die Blaualgenkultur lässt sich die CO2 -Bilanz der Methode noch obendrein verbessern.

Raffinierter Rohstoff-Kreislauf Nachdem die winzigen Tauchsieder ihre Arbeit aufgenommen und Schadstoffe im Abwasser zu leicht abbaubaren Produkten abgebaut haben, ist ihre Aufgabe aber längst nicht getan. Während sich die Zinkund Nickelverbindungen zurückgewinnen und wiederverwenden lassen, bleiben die konservierten Spirulina-Strukturen als Mini-Kraftwerke übrig. «Aus der Biomasse können Biokraftstoffe hergestellt werden», so Laetitia Philippe. Neben Bioethanol und Biodiesel lassen sich die Spirulina-Rückstände aber auch zur Energiegewinnung als Pellets pressen und verbrennen. Und die zurückbleibende Asche ist schliesslich als Dünger für die Anzucht neuer Blaualgen einsetzbar. Der raffinierte Rohstoffkreislauf konnte nun mittels Laborexperimenten bewiesen werden. Doch auf für den Einsatz der vielseitigen Einzeller in grösserem Massstab ist Laetitia Philippe zuversichtlich.

Quelle: Empa www.empa.ch 3/2021

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SEKTION FRICKTAL Einladung Generalversammlung 2021 Traktanden unserer GV

Details zum Anlass

1. Begrüssung

Datum Freitag, 18.06.2021

2. Wahl des Stimmenzählers 3. Protokoll der 31. ordentlichen Generalversammlung 3.1. Genehmigung des Protokolls 4. Anträge

Zeit 18.00 Uhr Treffpunkt Wird zu einem späteren Zeitpunkt bekannt gegeben. Die GV wird, wie üblich, im oberen Fricktal stattfinden.

5. Jahresbericht des Präsidenten 6. Jahresbericht Veranstaltungen

Wer darf teilnehmen?

Mitglieder des SCV

7. Jahresrechnung und Revisionsbericht 7.1. Genehmigung der Jahresrechnung

Was kostet es?

Mitglieder: Gratis

8. Mutationen 8.1. Wahl des Vorstands 8.2. Aufnahme von Neumitgliedern 8.3. Austritt/Ausschluss von Mitgliedern

Gut zu wissen!

Wir sind guten Mutes, dass die Corona-Situation im Juni eine GV mit einem richtigen Zusammensitzen in einer schönen Umgebung ermöglichen wird. Halten wir uns so lange alle an die geltenden Regeln.

Für den Fall, dass die Corona-Situation eine reale GV nicht ermöglichen würde, behalten wir uns vor, eine virtuelle GV abzuhalten (z.B. über MS Teams)

9. Budget 9.1. Genehmigung des Budgets 10. Jahresprogramm 2020

Anmeldung dieter.brunner@dsm.com

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PRODUKTE

Tisch-Aliquotierer für gefrorene Proben Mit dem neuen Aliquotiersystem CXT 353 von Basque Engineering + Science können Forschende sicherer und effizienter mit Proben arbeiten, die infektiöse Viren wie Sars-CoV-2 enthalten. Durch die Arbeit mit gefrorenen Proben und deren Aliquotierung mit dem CXT 353 wird die Aerosolexposition minimiert und die Proben sicherer gelagert, ohne dass die Gefässe während der Langzeitlagerung zerbrechen oder verschüttet werden können.

Mit dem CXT 353 können Forschende den Gefrier-Auftau-Zyklus durch LN2-Kühlung eliminieren.

Kreuzkontaminationen werden durch die Verwendung von Nuklease-freien Einweg-Kernsonden verhindert. Zudem können präzise Aliquots mit einer Laserzielfunk­ tion extrahiert werden. Letztlich trägt der neue Aliquotierer dazu bei, die Probenintegrität zu sichern, den Probennutzen zu maximieren und die daraus resultie-

renden Forschungsergebnisse zu optimieren.

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Die Reinigung von Liquid-Handling-Instrumenten ist normalerweise kritisch, da diese dabei leicht kontaminiert werden können. Alle Acura-manual-Pipetten lassen sich jedoch für die Reinigung schnell und ohne Werkzeug zerlegen, wodurch das Risiko einer Probenkontamination deutlich begrenzt wird.

Eine gründliche Sterilisierung kann

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Wird die Reparatur eines Instrumentes dennoch notwendig, werden im Socorex Service Center Standard-Reparaturen bis hin zu Services gemäss GLP-Anforderungen durchgeführt. Direkt am Firmensitz, in den akkreditieren Labors in Ecublens (VD), werden Wartungsarbeiten und Kalibrationen für Mikropipetten und Dispenser aller Marken vorgenommen.

durch das Autoklavieren der Pipetten erreicht werden (121 °C für 20 Minuten). Alle Pipetten können

komplett montiert autoklaviert werden und benötigen anschliessend keine Nachkalibration.

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3/2021

PRODUKTE

Berghof Hoch& Nieder-DruckReaktoren mit & ohne PTFE-Lining

Hygienisches Auslaufventil für Prozesse mit häufiger Reinigung

Die Chargenmischer von Gericke sind ab sofort mit einem zusätzlichen Typ von Austragsventil erhältlich. Dieses innovative und patentierte Ventil bietet hohe Prozesssicherheit, erfüllt alle hygienischen Anforderungen, reduziert die Bauhöhe der Mischer und senkt sogar den Energieverbrauch. Der Anlagenhersteller hat hiermit ein mechanisches Bauteil überarbeitet,

das in seiner Relevanz oft unterschätzt wird. Die Auslassventile dienen nicht nur der Entleerung des Mischers, sondern sind eine wichtige Schnittstelle, die in Bezug auf Kreuzkontamination und Mischqualität entscheidend ist. Mit anderen Worten: Die Wahl des richtigen Auslassventils ist entscheidend, wenn eine hohe Homogenität im Mischprozess erreicht werden soll.

Eine generelle Anforderung bei vielen Mischprozessen ist die Rezepturtreue. Ein undichtes oder defektes Ventil kann den zu gewährleistenden Mischinhalt verändern. Diese Undichtigkeit kann z. B. durch Produktschichten verursacht werden, die sich während der Produktionszyklen aufgebaut haben.

Die neue Auslaufklappe schliesst dank einer aufblasbaren Dichtung

auch bei klebrigem Produkt dicht ab. Darüber hinaus ermöglicht diese Konfiguration die Überwachung der Dichtheit der Auslassklappe und im Falle einer Fehlfunktion könnte der Prozess sofort gestoppt werden, wodurch sich Produktrückrufe vermeiden lassen. Diese Funktion kann auch Teil einer Automatisierungsstrategie sein, um den Zustand und die Parameter eines Prozesses und der verwendeten Ausrüstung online zu verfolgen (Industrie 4.0).

Mini-Reaktor

bis 25 ml oder bis 40 ml

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Kugelhahn mit patentierter Konstruktion

Der neuartige Kugelhahn ChemBall des Unternehmens ChemValve-Schmid AG verfügt über eine spezielle weltweit patentierte Konstruktion und unterliegt einem neuartigen Verfahren, das den PFA-Herstellungsprozess wesentlich verbessert hat.

ChemBall basiert auf der patentierten TrueFloat-Technologie, die die bewährten Vorteile des herkömmlichen «Floating Ball»-Systems bietet, und zwar ohne die damit verbunde-

3/2021

nen Nachteile. Bisher wurden Wellen und Kugeln einzeln mit PFA ummantelt, was zu Abrieb an der Schnittstelle zwischen beiden Teilen führte.

Das Ergebnis: erhöhter Verschleiss und eine kürzere Lebensdauer. Beim einzigartigen ChemBall umschliesst ein einteiliger PFA-Mantel den in sich selbst beweglichen Metallkugelkern.

So hat die schwimmende Kugellagerung eine Metall-auf-Metall-Verbindung zwischen Welle und Kugel, so

dass die Armatur abriebfrei bleibt.

Damit ist maximale Dichtigkeit ohne PFA-Verschleiss sowie eine längere Lebensdauer gewährleistet.

Alle Kugelhähne und Absperrklappen von ChemValve-Schmid sind mit einer einmaligen und unverwechselbaren Seriennummer versehen – so hat jedes Produkt quasi seine eigene besondere «Armaturen-ID», die wie ein Pass funktioniert. Durch diese eindeutige Identifizierung kann man auch Jahre später genau nachvollziehen, welche Bauteile in welcher Armatur verwendet wurden. Alle Tests, Prüfungen und Zertifikate sind somit lückenlos rückverfolgbar.

Die Kugelhähne werden zu 100 Prozent im eigenen Haus in der Schweiz produziert, wodurch eine hohe Liefertreue gewährleistet ist.

ChemValve-Schmid AG Dünnernstrasse 540 CH-4716 Welschenrohr +41 32 639 50 10 sales@chemvalve-schmid.com www.chemvalve-schmid.com

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