ChemieXtra 1-2/2022 by SIGWERB GmbH

1–2 / 2022

Januar/ Februar 2022

Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes

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EDITORIAL

Drehen wir den Spiess um! In der Chemie wirkt man in der Regel zuerst im Kleinen und erst später folgt das ganz Grosse. Anfangs wird das gewünschte Molekül im Rundkolben gekocht, ehe man es in der grösseren Pilotanlage synthetisiert und am Ende im Industriebetrieb produziert. Dieser klassische Weg scheint nur logisch. Misslingt die Chemie schon im ersten Anlauf, wäre eine Massenproduktion nicht nur verschwenderisch – nein, sie wäre auch alles andere als sicher. Man muss den Prozess ganz genau kennen. Eins nach dem anderen, Schritt für Schritt. Deshalb tüfteln Chemieingenieure des Paul-Scherrer-Instituts bereits seit rund sechs Jahren an der Produktion von synthetischem Biogas. Anfangs forschten sie im Labor, gegenwertig befinden sie sich in der Pilotphase. Künftig soll eine industrielle Anlage pro Stunde zwei bis fünf Tonnen Biomasse zu Methan verarbeiten können. So weit so gut. Sobald die Anlage dann in Betrieb ist, muss eine einwandfreie Produktion jederzeit gewährleistet sein. Dies gilt natürlich für jeden Prozess. So sorgen Echtzeit-Kontrollen nicht nur für eine Qualitätssteigerung des Produkts, sie ermöglichen auch, Fehler frühzeitig zu erkennen und somit Kosten zu senken. Was aber oft vergessen geht: Weniger Ausschüsse und effizientere Prozesse bedeutet gleichzeitig immer auch «materialsparend» und somit «umweltschonend». Moderne Analysemöglichkeiten in Echtzeit helfen am Ende des Tages mit, die Umweltbelastung zu reduzieren. Und dies ist dringend nötig. Beispielsweise zeigen Analysen, dass jährlich rund acht Millionen Tonnen Plastik in die Weltmeere gelangen – von anderen Materialien ganz zu schweigen. Aber: Zum Glück sind immer mehr Mikroben selbst in der Lage, Kunststoffe abzubauen. Die Evolution machts tatsächlich möglich. Dies haben kürzlich schwedische Wissenschaftler gezeigt. In Zukunft möchten sie herausfinden, welche Enzyme welche Polymere wie genau abbauen. Mit diesem Wissen könnte die Industrie neue Recyclingverfahren entwickeln. Eins nach dem andern, Schritt für Schritt. Hier sind also die schwedischen Analytiker vom globalen Umweltproblem auf die molekulare Ebene der Enzyme gestossen. Vom Grossen zum Kleinen. Auch diese Richtung ist möglich. Manchmal ergibt es nämlich Sinn, den Spiess umzudrehen. Dies betonen auch einige Wissenschaftler, wenn es um antivirale Wirkstoffe geht. Die meisten dieser Verbindungen greifen die Strukturen des Erregers an. Was wäre aber, wenn die Moleküle stattdessen auf Verbindungen der Wirtszelle zielen, die der Eindringling für seine Vermehrung benötigt? Die meisten Viren derselben Familie nutzen nämlich die gleichen Wirtsproteine. Ein wirtsspezifischer Wirkstoff hat also einen entscheidenden Vorteil: Er ist potenziell auch gegen Mutationen wirksam.

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

FOKUS

Corona erteilt uns eine bittere Lektion

Man hätte schon vor der Pandemie viel intensiver an antiviralen Wirkstoffen forschen sollen, die auf Moleküle der Wirtszelle zielen, heisst es sinngemäss von einigen Forschenden.

Automatisierung im Labor nimmt an Fahrt auf

Heutzutage kommuniziert ein Auto mit dem Fahrer und unterstützt ihn ganz autonom. Diese Entwicklung finden wir mehr und mehr in der Chromatographie.

CHEMIE

BIOWISSENSCHAFTEN Immer mehr plastikabbauende Mikroben

Die Zahl der mikrobiellen Enzyme, die in der Lage sind, Kunststoff abzubauen, nimmt zu. Sie korreliert mit dem lokalen Grad der Plastikverschmutzung.

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FIRMEN BERICHTEN Wie eine Pumpe Desinfektionsmittel fördert

Für die Herstellung von Gelprodukten hat Steinfels Swiss eine neue Pumpe angeschafft, die den automatisierten Transport des Fertig-Bulks vom Rührwerk in das Tanklager übernimmt.

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ISSN-Nummer 1664-6770 Internet www.chemiextra.com

Alexander Jegge a.jegge@sigwerb.com

Geschäftsleiter Andreas A. Keller

Redaktionelle Mitarbeit Dr. Kurt Hermann

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

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

WEMF / SW-Beglaubigung 2021 7689 Exemplare Total verbreitete Auflage 2 127 Exemplare davon verkauft

MEDIZIN KI prophezeit Antibiotikaresistenzen

Chemiker erhöhen den Wirkungsgrad

Mit einem ganz neuen Verfahren erreichten Chemiker der EPFL einen Wirkungsgrad von 23,9 Prozent für sogenannte Perowskit-Solarzellen. Für einen bestimmten Fall knackten sie sogar einen neuen Rekord.

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

UMWELT

Warum Bäume nachts wachsen

Der Markt wird sich stark verändern

VERFAHRENSTECHNIK

Für Unternehmen wird eine nachhaltige Arbeitsweise immer wichtiger. In der Schweiz wird die unternehmerische Verantwortung künftig von der Freiwilligkeit zur Gesetzlichkeit werden.

Aus der Biomasse das Maximum herausholen

Forschende des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) starteten den Betrieb einer neuen Pilotanlage zur Produktion von synthetischem Biogas. Das Projekt Hydropilot soll Methan in ErdgasQualität aus nasser Biomasse herstellen.

Als wichtige Plattform für die Filtration und Separation aller Arten von Medien öffnet die Filtech 2022 vom 8. bis 10. März 2022 wieder ihre Tore in Köln.

Forschende der ETH entwickelten ein Laminat, das sich verfärbt, sobald sich das Material verformt. Damit schlagen die Materialforschenden zwei Fliegen mit einer Klappe: einen leichtgewichtigen Verbundwerkstoff, der sich selbst inspiziert.

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Farbwechsel zeigt Schäden im Material an

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F okus

Antivirale Wirkstoffe der besonderen Art

Corona erteilt uns eine bittere Lektion Die Zeit lässt sich nicht zurückdrehen. Die facettenreichen Probleme, die die Pandemie als ein komplexes Ganzes verursacht oder gar erst sichtbar macht, tangieren uns auf unterschiedliche Weise. Nach einem Wettlauf der neuartigen Corona-Vakzine folgt ein Rennen der Covid-19-Medikamente. Man hätte schon vor der Pandemie viel intensiver an antiviralen Wirkstoffen forschen sollen, die nicht auf das Virus selbst, sondern auf Moleküle der Wirtszelle zielen, heisst es sinngemäss von einigen Forschenden. Ein Weckruf für einen anderen Umgang bei der nächsten Pandemie?

Roger Bieri Der Volksmund sagt: Wie man sich bettet, so liegt man. Die Coronapandemie zeigt immer deutlicher, wo das Bett nicht gemacht worden ist. Was hätte man besser machen können? Was war falsch, was richtig? Welche Lehren können wir aus der Pandemie ziehen? Solche Fragen sind schwierig, aber sie sind unvermeidlich und wichtig. Nur so kommen wir weiter. Einige Forscher wie auch Unternehmer sehen ein grosses Problem in der Forschung selbst. So schrieb Prof. Vipul C. Chitalia von der Boston University zusammen mit Dr. Ali H. Munawar, Gründer und CEO von Pledge Therapeutics, bereits früh einen kritischen Kommentar im Wissenschaftsmagazin «Journal of Translational Medicine». In ihrem Beitrag «A painful lesson from the COVID-19 pandemic: the need for broad-spectrum, host-directed antivirals» machen sie deutlich, dass der Nutzen von bestimmten antiviralen Wirkstoffen, den sogenannten «host-directed

Die Coronakrise ist auch eine Krise der Medien Wie haben die grossen Publikumsmedien über die Coronakrise berichtet und welchen Einfluss haben die Tech-Giganten der sozialen Medien? Auch diese Frage ist essenziell, wenn wir Lehren aus der Pandemie ziehen möchten. Denn die Art und die Auswahl der Berichterstattung hat grosse Auswirkungen auf die Politik, Gesellschaft und darauf, wie wir die Krise wahrnehmen.

Antivirale Medikamente, die auf Moleküle der Wirtszelle zielen, könnten theoretisch bereits gegen ein zukünftiges pandemisches Virus wirken, auch wenn dieser Erreger noch nicht existiert. (Bild: Shutterstock)

antiviral agents» (HDA), unterschätzt wird. Und dies ist nicht erst seit Covid-19 der Fall.

Ein wirksames Medikament, bevor der Erreger da ist Aber was sollen solche antiviralen Wirkstoffe bringen? «host-directed antiviral agents» (HDA) sind chemische Verbindungen, die nicht die Strukturen des Virus selbst «angreifen» – wie dies die meisten antiviralen Wirkstoffe tun –, sondern auf Verbindungen der Wirtszelle zielen, die das Virus für seine Vermehrung benötigt. Dies hat einen ganz entscheidenden Vorteil: Die meisten Viren derselben Familie nutzen die gleichen Wirtsproteine. Ein wirtsspezifischer

Wirkstoff ist somit gleich gegen mehrere verwandte Viren aktiv. Kurzum: Potenziell auch gegen neue Mutationen. Ihre antivirale Aktivität ist somit breiter angelegt als die Wirksamkeit derjenigen Stoffe, die sich stets an eine neue Mutation anpassen müssen. So kann ein HDA bereits gegen ein zukünftiges pandemisches Virus wirken, obschon dieser Erreger noch nicht existiert.

Forschung braucht Zeit Chitalia und Munawar zeigen in ihrem Artikel nicht nur die Vorteile der HDAs auf. Es gibt wie überall auch Schwachstellen. So sind beispielsweise die «in vitro»-Resultate schlecht auf Tiermodelle übertragbar. Zu1–2/2022

F okus

Virus

gängige Abkürzung (Englisch)

Masernvirus

MeV

Nipah-Virus

NiV

Hundestaupevirus

CDV

Respiratorisches-Synzytial-Virus

RSV

Parainfluenzavirus Typ 5

PIV-5

Tabelle 1: Das Molekül scheint gegen diese fünf RNA-Viren zu wirken. (Quelle: Neeta Shrestha et al., «mBio» (2021))

dem benötigt eine sorgfältige Forschung immer genügend Zeit: Jahre nicht Monate. Diese Zeit nehmen sich gegenwärtig mehrere Schweizer Forschende. Im Rahmen eines Projekts des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) entwickeln Chemiker an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Wädenswil zusammen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Bern schon seit Sommer 2019 neue antivirale Wirkstoffe. Das Projekt mit dem Namen «Morbillivirus cell enty machinery: mechanismus, structures and drug discovery» ist aktuell in vollem Gange und könnte sogar noch bis 2024 weiterlaufen. Die Idee ist vom Ansatz her dieselbe wie eingangs erwähnt. Es sollen effektive Wirkstoffe gegen Viren entstehen und in einem weiteren Schritt sollen die Mechanismen der Virusresistenzbildung gegenüber antivirale Medikamente besser verstanden werden. Dadurch soll man künftig gegen resistente Viren besser vorgehen können. Im November 2021 publizierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Fachmagazin «mBio» bereits erste Erfolge: Sie entwickelten einen wirtsspezifischen antiviralen Wirkstoff gegen das Masernvirus.

Heute noch sterben Menschen in reichen Ländern an Masern. Laut dem Bundesamt für Gesundheit (BAG) tötet der Erreger ungefähr eine bis drei Personen pro 10 000 Erkrankten. In den Entwicklungsländern liegt diese Zahl um einiges höher. Sie befindet sich zwischen 300 und 500 pro 10 000 erkrankten Personen. Kommt hinzu, dass sich die absoluten Zahlen Jahr für Jahr aufsummieren. Der Bedarf an guten Therapien neben den wirksamen und sicheren Vakzinen ist also unbestritten. Der SNF hat diese Notwendigkeit erkannt und griff den Schweizer Forschenden mit dem erwähnten Projekt finanziell unter die Arme. Über zwei Millionen Franken haben die Teams um Rainer Riedl vom Institut für Chemie und Biotechnologie an der ZHAW und Dimitrios Fotiadis sowie Philippe Plattet von der Uni Bern erhalten. Der veröffentlichte Wirkstoff zeigte eine breite Wirksamkeit: nicht nur gegen Masernviren, sondern gleich gegen mehrere RNA-Viren (siehe Tabelle 1). Die Chemiker optimierten das Molekül schliesslich zu einem

Fallbeispiel Masernvirus Bleiben wir bei den Masernviren. Trotz verfügbarem Impfstoff versterben weltweit jährlich über hunderttausend Personen an den Folgen einer Maserninfektion. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) wollte noch vor einigen Jahren die Masern bis 2020 ausrotten. Nur mithilfe von Impfstoffen liess sich dieses ambitionierte Ziel aber nicht erreichen. 1–2/2022

Bei den Sars-CoV-2-Viren tauchen immer wieder neue Varianten auf. Dieser Umstand kann ein Problem für die Wirksamkeit der eingesetzten Impfstoffe sein, da ihre Wirkmechanismen von der Struktur des Virus abhängig sind. Die Vakzine müssen in der Folge immer wieder angepasst werden. Ein wirtsspezifischer Wirkstoff hingegen entschärft dieses Problem. (Bild: Shutterstock)

100-fach wirksameren Inhibitor (interne Bezeichnung: ZHAWOC2106).

Keine Escape-Varianten Die Autoren der Studie betonen, dass die Entwicklung solcher Wirkstoffe, die auf Bestandteile der Wirtszelle zielen, nicht nur gegen die gegenwärtig existierenden Infektionen wirken, sondern auch ein starkes Potenzial haben, künftige Epidemien zu bekämpfen. Zudem geben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu bedenken: «Die meisten der derzeit in der klinischen Erprobung befindlichen Virostatika zielen auf das Virus ab, was das schnelle Auftreten von Escape-Varianten zur Folge hat». Gemäss ihren Untersuchungen waren die Viren nicht in der Lage, gegen ihren neu entwickelten Inhibitor zu mutieren, was das Problem der Entstehung von sogenannten Escape-Varianten zusätzlich entschärft.

Wie man sich bettet, so liegt man Zusammengefasst lässt sich sagen: Sowohl Vertreterinnen und Vertreter der Industrie wie beispielsweise der CEO von Pledge Therapeutics Ali H. Munawar oder Forschende in institutionellen Umgebungen wie an der ZHAW sehen ein grosses Potenzial der HDAs in der Bekämpfung von Epidemien. Wenn wir diese Wirkstoffe künftig nicht wieder unterschätzen, sollten wir – aus pharmazeutischer Sicht – wohl besser auf die nächste Pandemie vorbereitet sein. Es ist nicht von der Hand zu weisen, dass wir künftig besser gegen solche Ereignisse gewappnet sein müssen. So kam es auch nicht von ungefähr, dass das deutsche Pharmaunternehmen Evotec im Sommer 2021 eine neue Initiative mit dem Namen Prrotect (pandemic preparedness and rapid response technology platform) lancierte. Diese soll Institutionen und andere Pharmaunternehmen miteinander vernetzen, um so besser auf künftige Pandemien zu reagieren. Die Initiative beruht zurzeit auf dem Portfolio antiviraler Therapeutika von Evotec. Wie stark die HDAs eine Rolle spielen werden, wird sich wohl noch zeigen. Sicher ist nur, dass Evotec im Rahmen dieser Initiative bereits heute an einem Covid-19-Medikament forscht, wofür es von Deutschland 7,5 Millionen Euro erhalten hat. 5

C hemie

Mit neuer Methode zu besseren Perowskit-Solarzellen

Chemiker erhöhen den Wirkungsgrad Schon seit Jahren arbeiten Forschende der EPFL zusammen mit Wissenschaftlern aus aller Welt daran, die Wirtschaftlichkeit von sogenannten Perowskit-Solarzellen zu erhöhen, so dass sie irgendwann Silizium-Solarzellen ersetzen könnten. Mit einem ganz neuen Verfahren erreichten die Chemiker einen Wirkungsgrad von 23,9 Prozent. Für einen bestimmten Fall knackten sie sogar einen neuen Rekord.

Roger Bieri Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Perowskit-Solarzellen auf chemische Weise zu optimieren. Ein bekannter Weg stellt die sogenannte Dotierung dar. Hierbei werden Halbleitermaterialien zusätzlich mit anderen Elementen versehen oder «gedopt», um ihre Leistung zu verbessern. So spricht man im Englischen bei der Dotierung von «Doping». Das Zusammenspiel der Halbleitermaterialien mit den Dotierstoffen spielte z. B. bei der Wirkungsgradoptimierung von biegsamen Solarzellen eine wesentliche Rolle. In der nun in «Nature Communications» veröffentlichten Studie versuchten die Forschenden, bestimmte ungünstige Eigenschaften von Perowskit-Schichten zu reduzieren.

Das Problem mit der Passivierung Um sogenannte Defekte auf den Perowskit-Oberflächen zu eliminieren, die für eine verminderte Lichtaufnahmefähigkeit sorgen, und um das Material stabiler zu machen, wird die Oberfläche passiviert.

Perowskit-Solarzellen Perowskit selbst ist eigentlich ein Mineral (CaTiO3). Aber es geht bei der Perowskit-Solarzelle nicht um dieses Mineral, sondern um die Struktur von Halbleitern, deren Bezeichnung dieses Mineral liefert. Der Begriff Perowskit beschreibt also die Kristallstruktur. Bei den Solarzellen kommen nämlich hybride Verbindungen zum Einsatz, die aus Metallhalogeniden und organischen Strukturen bestehen.

Die Forschenden versuchten, bestimmte ungünstige Eigenschaften von Perowskit-Schichten zu reduzieren, damit diese schliesslich bald mehr Vorteile gegenüber Siliziumzellen aufweisen. (Bild: Envato)

Diese Passivierung führt nun aber dazu, dass der Ladungstransport innerhalb der Schichten beeinträchtigt wird, was sich natürlich direkt auf die Leistung der Solarzelle niederschlägt. Konkret wird nämlich nach der Passivierung eine zusätzliche zweidimensionale Perowskit-Schicht auf dem primären Perowskit-Absorber gebildet. Diese Schicht verbessert zwar die Stabilität, aber vermindert gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit.

Energiebarriere einer möglichen 2-D-Perowskitbildung. Die Behandlung mit «dem sterisch am meisten gehinderten orthoIsomer» verhindere nicht nur die Bildung eines oberflächlichen 2-D-Perowskit-Films, sondern maximiere auch den Passivierungseffekt auf Defekte sowohl auf oberflächlicher als auch auf tiefer Ebene, schreiben die Wissenschaftler.

Zwei Fliegen mit einer Klappe

Bereits mehrere Male gelang es Forschenden der EPFL, die Leistung von PerowskitSolarzellen zu erhöhen. Zuletzt erreichten sie einen Wert von ungefähr 22 Prozent. Nun verbesserten Forschende desselben Instituts der Naturwissenschaften und des Chemieingenieurwesens («Institut des sciences et ingénierie chimiques») den Wir-

Die Forschenden untersuchten nun eine andere Defektpassivierungsmöglichkeit, die aber die elektrische Leitung nicht negativ beeinflusst. Sie verwendeten unterschiedliche Isomere von orto,-meta,-paraPhenylendiethylammoniumiodid (PDEAI2) für die Passivierung und prüften dabei die

Das Wettrennen um die Rekorde

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C hemie

Die Rekorde je nach Zelltyp seit den Siebzigern. «The National Renewable Energy Laboratory» (NREL) vom amerikanischen Departement für Energie hat diese Daten zusammengestellt. (Bild: NREL)

kungsgrad und erzielten beinahe 24 Prozent bei einer zuverlässigen Betriebsdauer von über 1000 Stunden. Dies ist allerdings kein neuer Rekord. Denn mit rund 25,5 Prozent liegt zurzeit ein koreanisches Forschungsinstitut weit vor der Schweizer Hochschule. Mit dieser akuellen Studie erreichten die Chemiker der EPFL für einen spezifischen Fall aber dennoch eine neue Höchstleistung: Besonders hervorzuheben sei, dass ein Rekord von 21,4 % für das PerowskitModul mit einer aktiven Fläche von 26 cm2 erreicht worden sei, schreiben die Forschenden schliesslich. Neue Rekorde wird es sicherlich bald wieder geben. Denn wie die links stehende Grafik zeigt, sind sehr viele Wissenschaftler äusserst fleissig.

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Wichtige Erkenntnisse für die Katalyseforschung

Ein Katalysator spielt verrückt Manchmal funktionieren chemische Reaktionen im Labor so, wie man sich das vorstellt, und manchmal nicht. Beides ist nicht ungewöhnlich. Höchst seltsam ist aber das, was ein Forscherteam an der Technischen Universität Wien beobachtete, als man die Wasserstoff-Oxidation an einem Rhodium-Katalysator untersuchte.

Die Oberfläche einer Rhodium-Folie kann an manchen Stellen chemisch hoch aktiv sein, an anderen, nur ein paar Mikrometer entfernt, hingegen völlig inaktiv, und an wieder anderen stellt sich ein oszillierender Wechsel zwischen dem aktiven und dem inaktiven Zustand ein. Ein solches Verhalten hielt man bisher für kaum vorstellbar. Die Ergebnisse, die im «Nature Communications» publiziert wurden, zeigen: Katalyse ist komplizierter als bisher angenommen.

Grundprinzip der Brennstoffzelle «Mithilfe von Katalysatoren wie dem Metall Rhodium kann man Wasserstoff oxidieren – das ist die entscheidende Reaktion in Brennstoffzellen, dabei entsteht als ‹Abgas› nur Wasser», sagt Prof. Yuri Suchorski vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Wasserstoffmoleküle werden an der Rhodium-Oberfläche festgehalten und in einzelne Atome aufgespalten, die sich dann mit Sauerstoff zu Wasser verbinden. Allerdings kann es passieren, dass sich an der Rhodium-Oberfläche eine Sauerstoffschicht festsetzt, so dass der Wasserstoff gar nicht mehr zu den Rhodium-Atomen gelangen kann. «In diesem Fall sagt man, die Oberfläche des Katalysators sei vergiftet», erklärt Prof. Günther Rupprechter, der Leiter des Forschungsprojekts. «Der Katalysator kann seine Funktion nicht mehr erfüllen, die Reaktion kommt zum Erliegen». Ob der Katalysator seiner Aufgabe nachkommt oder ob er vergiftet wird, hängt von äusseren Parametern ab, etwa der Temperatur und dem Druck der Reaktanten. Doch die Rhodium-Folie zeigt im Experiment ein sonderbares Verhalten: Alle Bereiche der Oberfläche sind zwar denselben äusseren Bedingungen ausgesetzt, trotzdem kann es passieren, dass manche Stellen der Oberfläche katalytisch aktiv 8

sind, andere vergiftet und völlig inaktiv, und wieder andere wechseln mit unterschiedlichen Frequenzen zwischen einem aktiven und einem inaktiven Zustand hin und her. «Das klingt so ungewöhnlich, dass wir uns bisher gar nicht vorstellen konnten, dass so etwas möglich ist», sagt Philipp Winkler, der Erstautor der Studie. Nähere Untersuchungen, die das Team der TU Wien unter anderem am Elettra Synchrotron in Triest zusammen mit italienischen Kollegen durchführte, konnten die Beobachtungen erklären: Die polykristalline Rhodium-Oberfläche setzt sich aus unterschiedlichen Körnchen zusammen, die in unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind. Das bedeutet, dass sich die Anordnung der Atome an der Oberfläche von Körnchen zu Körnchen unterscheidet. «Die Dynamik der chemischen Reaktion hängt überraschend empfindlich von der Ausrichtung der Körnchen und damit von der atomaren Struktur der Oberfläche ab», sagt Suchorski. «Die Unterschiede zwischen den katalytischen Eigenschaften der einzelnen Strukturen desselben Metalls sind im Fall von Rhodium viel grösser als vermutet, und so ist es möglich, dass sich unterschiedliche Körnchen zur gleichen Zeit und unter gleichen Bedingungen völlig unterschiedlich verhalten. Dabei ist das oszillierende Verhalten besonders interessant».

Kaninchen und Füchse Ähnliche Prozesse kennt man auch aus ganz anderen Bereichen der Wissenschaft – etwa von Räuber-Beute-Modellen: Wenn viele Kaninchen geboren werden, haben die Füchse viel zu fressen, dann werden im nächsten Jahr mehr hungrige Füchse geboren und die Zahl der Kaninchen nimmt ab: Genau wie bei Kaninchen und Füchsen handelt es sich beim Zusammenspiel von Wasserstoff und Sauerstoff

Lokale Musterbildung der oszillierenden Wasserstoffoxidation auf Rhodium. (Bild: TU Wien)

um ein System, das sich im dynamischen Gleichgewicht befindet oder aber zwischen unterschiedlichen Zuständen oszillieren kann. Auch wenn die Dichte an Kaninchen und Füchsen anfangs überall gleich hoch ist, kann es sein, dass sich an unterschiedlichen Orten ganz unterschiedliche zeitliche Entwicklungen ergeben – etwa weil sich an bestimmten Stellen die Kaninchen besser vor den Füchsen verstecken können als anderswo. Auf ähnliche Weise ergeben sich unterschiedliche chemische Dynamiken auf unterschiedlichen Körnchen der Rhodium-Oberfläche. Diese Ergebnisse liefern eine wichtige Erkenntnis, die für die Katalyseforschung insgesamt grosse Bedeutung hat: Es genügt nicht, einen Katalysator global zu beschreiben, man muss seine lokale Mikrostruktur berücksichtigen und damit rechnen, dass er an unterschiedlichen Stellen ganz unterschiedliches Verhalten zeigen kann. «Wir gehen davon aus, dass solche Effekte für viele unterschiedliche Katalysatoren und Reaktionen eine Bedeutung haben», sagt Günther Rupprechter. «In diesem Forschungsgebiet gibt es jedenfalls noch viel zu tun.»

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C hemie

Gleich und gleich gesellt sich gern

Warum sich Öl und Wasser doch mischen Gleich und gleich gesellt sich gern. Dieses Sprichwort gilt oft in der Chemie. So ist es auch nicht verwunderlich, dass Öl und Wasser nichts von einander wissen möchten – zu hydrophob ist das Öl, als dass es sich mit Wasser mischt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sie sich vermischen können, wenn Öl als kleine Tröpfchen in Wasser dispergiert wird. Dieses seltsame Verhalten hat die Wissenschaftler lange beschäftigt, da es bislang keine Erklärung dafür gab. Forschende der EPFL bringen nun Licht ins Dunkel.

Prof. Sylvie Roke ¹ Seit mehr als hundert Jahren stellen sich Chemiker diese Frage: Wie können winzige Öltröpfchen in Wasser existieren, ohne dass es stabilisierende Moleküle gibt? «Schliesslich haben Wassermoleküle so starke und bevorzugte Wechselwirkungen untereinander, dass sie nicht gerne Moleküle aufnehmen, die nicht an diesen Wechselwirkungen beteiligt sind», sagt Prof. Sylvie Roke, die Leiterin der Studie. Wie man weiss, trennen sich Öl und Wasser voneinander, wenn sie einfach gemischt werden. Bei ausreichender Energiezufuhr in Form von Ultraschall bilden sich jedoch in reinem Wasser Öltröpfchen mit einer Grösse von weniger als 1 Mikrometer, die mehrere Wochen oder Monate lang bestehen bleiben. Interessanterweise bewegen sich die Tröpfchen, wenn sie in ein elektrisches Feld gebracht werden, in Richtung der positiven Elektrode. Wenn man also neutrales Öl und neutrales Wasser mischt, entstehen negativ geladene Öltröpfchen. Es überrascht nicht, dass die Quelle dieser unerwarteten Ladung heftig diskutiert wurde. Das Team von Wissenschaftlern des Labors für fundamentale BioPhotonik (LBP) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL unter der Leitung von Prof. Sylvie Roke und in Zusammenarbeit mit Dr. Peter Köhler hat die Ursache für diese unerwartete Ladung gefunden. Roke, in Zusammenarbeit mit Dr. Ali Hassanali vom International Center of Theoretical Physics (ICTP) in Triest, hat die Quelle der negativen Ladung gefunden, indem es sowohl die Ladung als auch die molekulare Struk¹ EPFL

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tur der Tröpfchen an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser untersucht hat. Ihre Ergebnisse wurden im Wissenschaftsmagazin «Science» veröffentlicht. Es stellte sich heraus, dass die Antwort auf dieses seit langem bestehende Rätsel an der Grenzfläche zwischen Öltröpfchen und Wasser liegt. Wassermoleküle bevorzugen es, elektrische Ladungen von ihren Nachbarn durch eine Wechselwirkung, die als Wasserstoffbrückenbindung bekannt ist, abzugeben und zu empfangen. Wenn sie sich jedoch in der Nähe der Ölmoleküle an der Tröpfchenoberfläche befinden, können sie nicht mehr genügend Wassernachbarn finden, mit denen sie eine Wasserstoffbrückenbindung eingehen können. Stattdessen geben diese Wassermoleküle ihre unausgewogenen elektrischen Ladungen an die Ölmoleküle an der Tröpfchenoberfläche ab. Die Studie zeigt, dass die Wasser-ÖlWechselwirkung über eine so genannte unechte Wasserstoffbrückenbindung erfolgt. Dabei handelt es sich um eine schwache Wasserstoffbrückenbindung zwischen Öl und Wasser, und obwohl sie schwach ist, stabilisieren viele dieser Bindungen das Tröpfchen.

An die Grenzfläche heranzoomen Um diesen Mechanismus zu entschlüsseln, setzte das Team um Roke eine ultraschnelle optische Technik ein. «Zwei ultrakurze Laserpulse wurden auf eine Mischung aus Öltröpfchen und Wasser gerichtet. Sie überlagerten sich schliesslich auf diese Weise. Dabei werden neue Photonen erzeugt, die an der Tröpfchengrenzfläche gestreut werden. Diese Photonen haben die Summenfrequenz der

Öl und Wasser lassen sich normalerweise nicht einfach so mischen. (Bild: Shutterstock)

beiden einfallenden Laserstrahlen und geben Auskunft über die Schwingungsbindungen an der Grenzfläche, das heisst über die Bewegung der Atome in den Grenzflächenmolekülen. Dies gibt uns Aufschluss über die Struktur und die Wechselwirkungen zwischen Öl und Wasser», erklärt Roke. Auf molekularer Ebene weist die Grenzfläche zwischen Öltröpfchen und Wasser starke Ähnlichkeiten mit Grenzflächen auf, die bei der Proteinfaltung oder der Bildung biologischer Membranen eine Rolle spielen. Daher befriedigen diese Erkenntnisse über die Struktur der Öltröpfchen-WasserGrenzfläche nicht nur unsere Neugier auf die Komplexität des Wassers, sondern haben auch Auswirkungen auf das Verständnis von Wechselwirkungen in der gesamten Biologie und Chemie.

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B iowissenschaften

Jedes Jahr gelangen rund 8 Millionen Tonnen Plastik in die Weltmeere. (Bild: Envato)

Ein potenziell neues Recyclingverfahren?

Immer mehr plastikabbauende Mikroben Die Zahl der mikrobiellen Enzyme, die in der Lage sind, Kunststoff abzubauen, nimmt zu. Sie korreliert mit dem lokalen Grad der Plastikverschmutzung. Zu diesem Ergebnis kommen Forschende aus Schweden. Sie veröffentlichten hierzu eine neue Studie in der Fachzeitschrift «mBIO». Die Ergebnisse verdeutlichen die Auswirkungen der Plastikverschmutzung auf die Umwelt und geben Hinweise auf mögliche neue Lösungen zur Bewältigung des Problems.

Das Problem der weltweiten Plastikverschmutzung ist nur allzu bekannt. Die Massenproduktion von Kunststoff in den letzten 70 Jahren ist explodiert: von etwa 2 Millionen Tonnen pro Jahr auf ungefähr 380 Millionen. Dadurch hatten aber die verschiedenen Mikroben in der Umwelt genügend Zeit, auf diese neuen Verbindungen zu reagieren. Bereits in früheren Studien zeigten Forschende viele verschiedene Enzyme auf, die in der Lage sind, verschiedene Kunststoffe abzubauen.

«Ein deutlicher Beweis dafür, wie die Umwelt auf den Druck reagiert, den wir auf sie ausüben.» Aleksej Zelezniak, Professor für Systembiologie

In der neuen Studie, die in der Fachzeitschrift «mBIO» veröffentlicht wurde, ana10

Die Anzahl und Vielfalt der plastikabbauenden Enzyme nimmt zu. (Bild: Shutterstock)

lysierten die Wissenschaftler DNA-Proben aus der Umwelt von Hunderten von Orten auf der ganzen Welt. Mithilfe von

Computermodellen suchten sie nach mikrobiellen Enzymen mit plastikabbauendem Potenzial, die dann mit den offiziel1–2/2022

Die Studie in Zahlen Die Forschenden stellten einen Datensatz von 95 bisher bekannten Enzymen zusammen, die Kunststoffe abbauen oder modifizieren können. Anschlissend durchsuchten sie mithilfe von «Hidden-Markov-Modellen» Daten aus einigen der grössten globalen Metagenomstudien, um homologe Sequenzen aus 236 Orten zu identifizieren. Sie verwendeten Proben des internen menschlichen Mikrobioms als Kontrolle für falsch-positive Ergebnisse – trotz der Besorgnis über den Verzehr von Mikroplastik wurden bisher keine plastikabbauenden Enzyme im Menschen identifiziert. Insgesamt wurden rund 30 000 Enzymtreffer identifiziert, etwa 12 000 im Meeresmikrobiom und 18 000 im Boden. Nahezu 60 Prozent der identifizierten kunststoffabbauenden Enzyme liessen sich keiner bekannten Enzymklasse zuordnen, was ein Hinweis sein kann, dass die Forscher neuartige kunststoffabbauende Funktionsinhalte entdeckten.

Mehr Enzyme in verschmutzten Gebieten Mit anderen Worten: Die Anzahl und Vielfalt der plastikabbauenden Enzyme nimmt zu, und zwar als direkte Reaktion auf die lokale Verschmutzung durch Plastik. Insgesamt wurden über 30 000 Enzym«Homologe» gefunden, die das Potenzial haben, zehn verschiedene Arten von häufig verwendeten Kunststoffen abzubauen. Homologe sind Mitglieder von Proteinsequenzen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen. Einige der Orte, an denen die höchsten Mengen gefunden wurden, waren bekanntermassen stark verschmutzte Gebiete, z. B. Proben aus dem Mittelmeer und dem Südpazifik. «Derzeit ist nur sehr wenig über diese plastikabbauenden Enzyme bekannt, und wir hatten nicht erwartet, eine so grosse Anzahl von ihnen in so vielen verschiedenen Mikroben und Umweltlebensräumen zu finden. Dies ist eine überraschende 1–2/2022

Entdeckung, die das Ausmass des Problems verdeutlicht», erklärt Jan Zrimec, Erstautor der Studie und ehemaliger PostDoc in der Gruppe von Aleksej Zelezniak, der jetzt am Nationalen Institut für Biologie in Slowenien forscht.

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Für die Bekämpfung der globalen Plastikkrise Jedes Jahr gelangen rund 8 Millionen Tonnen Plastik in die Weltmeere. Die natürlichen Abbauprozesse von Plastik sind sehr langsam – die Lebensdauer einer PETFlasche beispielsweise kann bis zu Hunderte von Jahren betragen. Die Zunahme und Anhäufung von Kunststoffabfällen in den Ozeanen und an Land ist ein wahrhaft globales Problem. Es besteht ein zunehmender Bedarf an Lösungen zur Bewältigung dieses Abfalls. Die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse möglicherweise zur Entdeckung und Anpassung von Enzymen für neuartige Recyclingverfahren genutzt werden könnten. «Der nächste Schritt wäre, die vielversprechendsten Enzymkandidaten im Labor zu testen, um ihre Eigenschaften und die Geschwindigkeit des Kunststoffabbaus, die sie erreichen können, genau zu untersuchen. Von dort aus könnte man mikrobielle Gemeinschaften mit gezielten Abbauprozessen für bestimmte Polymertypen entwickeln», erklärt Aleksej Zelezniak.

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len Zahlen zur Plastikmüllverschmutzung in den Ländern und Ozeanen abgeglichen wurden. «Mithilfe unserer Modelle haben wir mehrere Belege dafür gefunden, dass das Potenzial des globalen Mikrobioms zum Abbau von Plastik stark mit den Messungen der Umweltverschmutzung durch Plastik korreliert – ein deutlicher Beweis dafür, wie die Umwelt auf den Druck reagiert, den wir auf sie ausüben», sagt Aleksej Zelezniak, ausserordentlicher Professor für Systembiologie an der Technische Hochschule Chalmers in Göteborg, Schweden.

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Epigenetik

Immunisierung geht auf Nachkommen über Wirkt sich eine Infektion auch auf die Immunisierung nachfolgender Generationen aus? Forschende der Radboud University (Niederlande) haben dies zusammen mit den Universitäten Bonn, des Saarlands, Lausanne und Athen untersucht. Mäuseväter, die zuvor eine Infektion mit Pilzen überwunden hatten oder mit Pilzsubstanzen stimuliert wurden, gaben ihren verbesserten Schutz über mehrere Generationen hinweg weiter. Das Team zeigte gleichzeitig eine verbesserte Immunantwort, die auf die Nachkommen weitervermittelt wurde.

Es wird nicht nur vererbt, was in der DNASequenz festgeschrieben ist. Wissenschaftliche Studien zeigen, dass auch Umwelteinflüsse an die nächste Generation weitergegeben werden. Ein Beispiel: Kinder, die während des Hungerwinters 1944/45 im Mutterleib heranwuchsen, weisen typische Veränderungen in ihrem Stoffwechsel auf. Dies ist offenbar eine Anpassung an Nahrungsknappheit während der Entwicklung und ist mit einem höheren Risiko etwa für Diabetes und Übergewicht verbunden.

«Die Abkömmlinge der männlichen Mäuse, die zuvor Candida ausgesetzt waren, waren deutlich besser vor einer nachfolgenden E. coli-Infektion geschützt als die Nachkommen der nichtinfizierten männlichen Mäuse». Prof. Dr. Mihai G. Netea

Die epigenetische Forschung untersucht solche Beziehungen auf molekularer Ebene. Sie analysiert Veränderungen der Genfunktion. «Nicht alle Bereiche der DNA sind für das Auslesen der genetischen Information gleich zugänglich», erläutert Prof. Dr. Andreas Schlitzer vom «Life & Medical Sciences»-Institut (Limes) der Universität Bonn. Wenn zum Beispiel Methylgruppen den Zugang versperren, kann das Gen nicht richtig ausgelesen werden. Seit Jahrzehnten werden diese Zusammenhänge erforscht. Die Übertragung der Infektions12

Nicht nur unsere DNA geben wir weiter. Auch Faktoren, die die Zugänge der DNA beeinflussen, vererben wir unseren Nachkommen. Ob im Falle der Immunzellen auch bei Menschen solche Muster an die Nachkommen weitergegeben werden, ist noch nicht eindeutig klar. Die Autoren der neuen Studie gehen allerdings schwer davon aus. (Bild: Shutterstock)

resistenz auf die nächste Generation wurde bereits bei Pflanzen und wirbellosen Tieren nachgewiesen. Ein Forschungsteam der Radboud University Nijmegen (Niederlande), der Universität Bonn, der Universität des Saarlandes, der Universität Lausanne sowie der Nationalen und Kapodistrias-Universität Athen hat nun erstmals intensiv untersucht, ob auch bei Säugetieren Effekte des angeborenen Immunsystems an die nächsten Generationen weitergegeben werden.

Infektion mit Soorpilzen Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler infizierten männliche Mäuse mit Soorpilzen (Candida albicans). Nach überstandener Infektion wurden die Tiere mit

völlig gesunden Weibchen verpaart. Die daraus hervorgehenden Kinder verglichen die Forschenden mit Nachkommen von Mäusepaaren, die zuvor nicht mit Candida infiziert waren. Um den Status des Immunsystems experimentell zu untersuchen, infizierte das Team die Männchen der nachfolgenden Mäusegeneration mit Kolibakterien. «Die Abkömmlinge der männlichen Mäuse, die zuvor Candida ausgesetzt waren, waren deutlich besser vor einer nachfolgenden E. coli-Infektion geschützt als die Nachkommen der nichtinfizierten männlichen Mäuse», berichtet Prof. Dr. Mihai G. Netea vom RadboudZentrum für Infektionskrankheiten. Auch in der nächsten Generation zeigte sich noch dieser Effekt. 1–2/2022

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Prof. Dr. Mihai G. Netea vom Radboud University Medical Center und vom Limes-Institut der Universität Bonn (links) sowie Prof. Dr. Andreas Schlitzer ebenso vom Limes-Institut. (Bild: Prof. Netea/Universität Bonn)

Immunzellen werden epigenetisch umprogrammiert Wie funktioniert diese Weitergabe der Immunisierung auf nachfolgende Generationen? Das Team untersuchte typische Immunzellen wie Monozyten oder Neutrophile. Zwischen den Nachkommen der mit Candida infizierten männlichen Mäuse und der nicht-infizierten Kontrollgruppe waren keine Unterschiede feststellbar. Jedoch war bei den Nachkommen der zuvor infizierten Mäuseväter der MHC-Klasse-II-Komplex hochreguliert, der Teile des Immunsystems aktiviert. Darüber hinaus zeigte sich, dass bei Nachkommen Candida infizierter Väter auch die Aktivität von Genen hochreguliert war, die an Entzündungen beteiligt sind.

Bei den Nachkommen der zuvor mit Soorpilzen infizierten männlichen Mäuse erwies sich, dass in Monozyten-Vorläufern Entzündungs-assoziierte Gene besser ausgelesen werden konnten als bei Söhnen nicht-infizierter Väter. «Dies zeigt, dass die Monozyten-Vorläufer des Immunsystems epigenetisch umprogrammiert sind, wenn die Väter zuvor eine Infektion mit Candida albicans durchgemacht haben», fasst Schlitzer zusammen.

Im Sperma ist Verschiebung der Genaktivität erkennbar Wie findet die Weitergabe dieser Information zur nächsten Generation statt? Die Forschenden untersuchten zusammen mit der Universität des Saarlandes die Genaktivität des Spermas der mit Candida infizierten Mäuseväter. Sie analysierten, in welchem Ausmass Methylgruppen den Zugang zu den Genen versperrten. «Hier war eine Verschiebung der Genmarkierungen erkennbar», sagt Prof. Dr. Jörn Walter von der Universität des Saarlandes. Nachkommen von Candida-infizierten männlichen Mäuse zeigten weniger Gen-Blockaden in Genregionen, welche wichtig für Entzündungsprozesse und die Heranreifung von Monozyten sind. Wie die Information über die Spermienmarkierungen

Intelligente Lösungen

ins Knochenmark, dem Geburtsort vieler Immunzellen, kommt, muss noch in weiteren Studien erforscht werden. «Die Ergebnisse sind durch die sehr gute und enge Kooperation der Forschenden aus unterschiedlichen Disziplinen und Institutionen möglich geworden», hebt Prof. Netea hervor. Zusammen mit Prof. Schlitzer ist der Wissenschaftler auch Mitglied im Exzellenzcluster ImmunoSensation2 und des «Life & Medical Sciences»-Institutes (Limes) der Universität Bonn. «Die Studie zeigt erstmals an Säugetieren, dass Anpassungen an Infektionskrankheiten auch an Nachkommen weitervermittelt werden», sagt Netea. Im Gegensatz zur klassischen Evolutionstheorie, die von einer langsamen Anpassung durch Erbgutveränderungen ausgeht, handele es sich hierbei unabhängig vom genetischen Code um sehr rasche Veränderungen über die Regulation von Genaktivitäten. Die Forschenden wissen noch nicht, ob die an Mäusen gewonnenen Erkenntnisse auch auf Menschen übertragbar sind. «Wir gehen aber davon aus», sagt Schlitzer. «Die beteiligten Mechanismen und Zellen des Immunsystems sind bei Mäusen und Menschen sehr ähnlich.» www.uni-bonn.de

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Heutzutage kommuniziert ein Auto mit dem Fahrer und unterstützt ihn ganz autonom. Diese Entwicklung finden wir mehr und mehr in der Chromatographie. (Bild: Shutterstock)

Wie die Automobilbranche die Zukunft der Chromatographie vorhersagt

Automatisierung im Labor nimmt an Fahrt auf Mit neuen Technologien wandelt sich der Alltag in der Freizeit aber auch im Beruf. Alte Probleme verschwinden. Die Prioritäten verschieben sich und andere Herausforderungen kommen zum Vorschein. Die Automobilindustrie zeigt uns auf anschauliche Art und Weise, was uns in der Welt des Labors noch erwarten wird.

Dr. Moritz Kneipp ¹ Sie sind auf einer stark befahrenen Autobahn unterwegs, sind aber trotzdem entspannt und hören Ihre Lieblingsmusik. Aber wie ist das mit dem Fahren eigentlich? Der Zündschlüssel hat nie Ihre Tasche verlassen, doch die Tür wurde entriegelt, als Sie sich ihr näherten, der Motor startete auf Knopfdruck, die Scheinwerfer gingen automatisch an, die Klimaanlage sorgte für die richtige Temperatur und die Scheibenwischer fingen selbstständig an zu wischen, als auf halber Strecke leichter Nieselregen einsetzte. Das Auto erinnert Sie regelmässig an den in sechs Monaten bevorstehenden Service, sanfte Lenkradvibrationen sorgen dafür, dass Sie beim Spurwechsel das Blinken nicht vergessen, ¹ Key Account Manager Life Science, Diagnostics, Analytical bei der Sensirion AG

und Notbremsassistenten können in letzter Sekunde einspringen, um Sie und andere vor Schaden zu bewahren. Wie ist es so weit gekommen? In den Jahren nach 1885 – also nach der Erfindung des Autos – musste der Fahrer den Unterschied zwischen Diesel- und Benzinmotoren verstehen, die Temperaturen und Flüssigkeitsstände von Kühlmitteln und Öl im Blick behalten, die Lebensdauer der Antriebsriemen anhand des Kilometerstands schätzen und sich beim Gangwechsel nach der Motordrehzahl richten. Durch die Fortschritte in den Bereichen Sensortechnologie, Sicherheit und Automatisierung ist uns das Autofahren mittlerweile in Fleisch und Blut übergegangen, so dass sich die technische Interaktion mit unseren Autos heute auf einen Termin für den Service beschränkt. Das Auto überprüft sich selbst, und die Besitzer können darauf vertrauen, dass es

den Job erledigt, den sie von ihm erwarten: Sie ans Ziel zu bringen, manchmal sogar autonom.

Die Geschichte wiederholt sich Ein ähnlicher Trend revolutioniert auch Chromatographie-Anwendungen. Intelligentere Systeme, maschinelles Lernen und immer grössere Datenmengen schaffen neue Möglichkeiten zur Automatisierung, zur Reduktion ungeplanter Ausfallzeiten und zur prädiktiven Wartung. Dadurch breitet sich der Kundenstamm auf ein grösseres Spektrum von Anwendern aus und hat nicht mehr nur die speziell ausgebildeten Wissenschaftler im Fokus. Wie bei den Autos sind diese neuen Möglichkeiten teilweise der Weiterentwicklung im Bereich der Sensortechnologie zu verdanken, die beispielsweise Durchflussraten für Flüssigkeiten bis auf wenige Nanoliter pro Minute messen können. 1–2/2022

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Handwerkliche Wissenschaft Frühe Chromatographie-Systeme erforderten, dass ihre Bediener – in der Regel hochqualifizierte Wissenschaftler in Hightech-Forschungseinrichtungen – jede Probe manuell für das folgende Experiment vorbereiten mussten. Selbst wenn ein analytisches Verfahren oder Prozess nur wenige Minuten oder Sekunden dauerten – die Vorbereitung der Proben nahmen oft mehrere Stunden in Anspruch. Diese Vorbereitung hängt von den jeweiligen spezifischen Verbindungen ab und umfasst unter anderem das Wiegen, Filtern, Verdampfen, die Flüssig-Flüssig-Extraktion und die Homogenisierung. Damit war die manuelle Arbeit aber noch nicht erledigt. Jede der mühsam vorbereiteten Proben musste dann zum richtigen Zeitpunkt einzeln in das System gebracht werden. Dazu musste sich der Bediener während des gesamten Prozesses um das System kümmern. Auch nach dem Abschluss der Experimente ging die manuelle Arbeit in Form einer Auswertung der Ergebnisse weiter. Das Optimierungs- und Automatisierungspotenzial war enorm.

Ein neuer Stand der Technik Heutige Systeme sind in deutlich höherem Masse automatisiert und bieten eine vollständige Integration von Arbeitsabläufen, die von der Probenvorbereitung über die Datenanalyse bis hin zur Visualisierung reichen. Automatisierungssysteme können sich in ihrem Design unterscheiden und reichen von Systemen zur Nachbildung und Emulation manueller Methoden bis hin zu geschlossenen Systemen und Geräten, die einzelne Teilschritte der Probenvorbereitung übernehmen. Während Letztere bestimmte Prozesse optimal automatisieren, können die erstgenannten Systeme flexibler sein. Robotersysteme, die einen typischen manuellen Prozess nachbilden, können so angepasst werden, dass sie verschiedene Schritte durchführen, um einen anderen Prozess auf ähnliche automatisierte Weise zu vervollständigen. Ein wichtiger Motor für die verstärkte Automatisierung ist natürlich die Reduktion der Kosten und des manuellen Arbeitsaufwands. Dank der Fortschritte in der Sensortechnologie können Arbeitsabläufe zusätzlich auch online überwacht und somit optimiert werden, um nicht nur ihre 1–2/2022

Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit, sondern auch ihre Stabilität und Sicherheit zu erhöhen.

bringen oder verdächtige Anzeichen von Lebensmittelbetrug, gefälschtem Alkohol und Parfüm zu erkennen.

Vielseitige Auswirkungen

Champions im Hintergrund

Das ist aber erst der Anfang. Durch den hohen Nutzen der Testergebnisse von Chromatographie-Abläufen und analytischen Geräten im Allgemeinen wird deren Siegeszug in Zukunft nur an Fahrt aufnehmen. Zu den aktuellen Interessengebieten gehört die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo die Ergebnisse Einblicke in die Sicherheit unserer Ernährung ermöglichen. Angesichts der stetig steigenden Nachfrage nach hoch optimierten und ertragreichen Produktionsprozessen für Lebensmittel wird jede Produktionscharge eine immer grössere Anzahl von Verbrauchern erreichen, deren Gesundheit und Sicherheit somit von der Sicherheit und Stabilität der Produktionsprozesse abhängt. Weiter zielen pharmazeutische Produkte darauf ab, kranke Menschen zu behandeln und zu heilen, deren Immunsystem oft bereits geschwächt ist. Gerade für diese Patienten sind die Sicherheit und Zuverlässigkeit kontrollierter Produktionsprozesse von entscheidender Bedeutung. Zur Kontrolle dieser Sicherheitsaspekte werden bereits heute analytische Instrumente und Arbeitsabläufe eingesetzt. Aufgrund neuer und komplexerer Behandlungsmöglichkeiten wird die Nachfrage nach einer effizienten und nahtlosen Integration solcher Arbeitsabläufe in die Produktionsprozesse weiter steigen. Nicht nur in der Produktion, sondern bereits im Entwicklungsstadium von Impfstoffen helfen Chromatographie-Systeme beispielsweise dabei, die spezifischen Antikörper zu identifizieren, die bei der Bekämpfung verschiedener Krankheiten beteiligt sind. Sie ermöglichen so schnelle und spezifische Verbindungen zur Eindämmung der Ausbreitung potenziell lebensbedrohlicher Epidemien. In der Forensik werden Chromatographieund Analyse-Geräte eingesetzt, um Informationen zur Lösung von Kriminalfällen zu erhalten. Analysiert werden natürliche und synthetische Drogen, toxikologische Proben, aber auch die Überreste von Bränden und Explosionen. Weitere Anwendungen analysieren Farben und Pigmentmoleküle, um Personen mit Orten in Verbindung zu

Mit der zunehmenden Verbreitung solcher Analyse-Instrumente in Industrie und Forschung wird auch die Nachfrage nach und die Entwicklung von automatisierten und zuverlässigen Prozessen zur Vervollständigung der Arbeitsabläufe rund um die eigentliche Analyse zunehmen. Ein grosser Teil dieser Entwicklungen wird durch intelligente Sensorlösungen ermöglicht. Sensirion ist ein geschätzter Partner für Anwendungen in den Bereichen Biowissenschaften, Diagnostik und AnalyseInstrumenten. Die Sensorlösungen von Sensirion ermöglichen die Dosisvalidierung, Prozesskontrolle und -optimierung sowie die Erkennung von Fehlerzuständen in unzähligen Anwendungen. Ganz gleich, ob eine Anwendung die Überwachung von Umgebungsfaktoren wie Feuchtigkeit und Temperatur, CO2-Konzentration oder Feinstaub oder die genaue Messung und Steuerung von Flüssigkeits- und Gasdurchfluss erfordert – die vollständig kalibrierten und digitalen Sensoren von Sensirion bieten eine hervorragende und zuverlässige Basis für die Automatisierung und Steuerung von Prozessen und Arbeitsabläufen. www.sensirion.com

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Das neue Analyseverfahren könnte helfen zu beurteilen, ob Medikamente von Patienten so wie vorgeschrieben eingenommen wurden und auch ob die erwarteten Konzentrationswerte im Körper tatsächlich erreicht werden. (Bild: Shutterstock)

Hochempfindliches Verfahren

Fingerschweiss zeigt genaues Stoffwechsel-Profil Die Analyse von Blut, Plasma oder Urin eines Menschen dient dazu, seinen oder ihren Stoffwechsel sowie körpereigene Schadstoffbelastungen zu bestimmen. In «Nature Communications» stellt nun ein Team um Christopher Gerner von der Fakultät für Chemie der Universität Wien eine Methode vor, die Fingerschweiss für die Messung individueller metabolischer Profile und Stoffwechselprozesse nutzt.

Lebensmittel, die wir zu uns nehmen, werden im Magen-Darm-Trakt verdaut. Die Moleküle, ob stabil oder enzymatisch abund umgebaut, wandern ins Blut und verteilen sich im ganzen Körper. Erstaunlicherweise findet man sehr vieles von dem, was an kleinen Molekülen im Blut transportiert wird, auch im Schweiss. «Im Fingerschweiss kann man Biomoleküle wie Metabolite sehr präzise messen, präziser als etwa im Speichel», sagt Christopher Gerner, analytischer Chemiker der Universität Wien und Leiter der Joint Metabolome Facility der Universität Wien und Medizinischen Universität Wien.

«Der wichtigste Vorteil gegenüber Blutoder Urinanalysen besteht in der sehr einfachen Risiko- und schmerzlosen Probengewinnungsmöglichkeit. So können wir metabolische Zeitreihenanalysen durchführen, die so bisher noch nicht möglich waren», so der Chemiker. Die Gewinnung der Schweissproben erfolgt durch ein spezielles Filterpapier, das für nur eine Minute zwischen Daumen und Zeigefinger gehalten wird. Die im Schweiss enthaltenen Moleküle werden dann extrahiert und mittels massenspektrometrischer Analysen innerhalb von wenigen Minuten prozessiert.

Stoffwechselprozesse sind sichtbar In der aktuellen Studie verabreichten die Forschenden ihren Testpersonen Kaffee oder Koffein-Kapseln. Die entsprechenden Zeitreihenanalysen zeigten unterschiedliche kinetische Verläufe der Koffein-Metaboliten und erlaubten eine bioinformatische Netzwerkmodellierung. Daraus konnte das Team schliesslich individuelle Profile in Bezug auf Koffeinaufnahme und -Verstoffwechselung erstellen und sogar auf die Aktivität von Leberenzymen schliessen. Der Stoffwechsel ist ein höchst dynamischer Prozess. Daher, so die Studienauto-

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ren, seien Zeitreihenanalysen, wie sie nun erstmals über die Fingerschweissmethode unkompliziert am Menschen ermöglicht wurden, sehr wichtig. Aus der Methode könnten sich verschiedene Anwendungen für die medizinische Praxis patentieren lassen, die z. B. zur leichteren Erkennung von bestimmten Erkrankungen oder zur Unterstützung von klinischen Studien beitragen.

«Es ist zum Teil auch verblüffend: Nach dem Konsum von Erdbeeren war etwa ein nicht mehr zugelassenes Insektizid nachweisbar.»

sichtbar zu machen, um personalisierte Diagnostik und Therapie zu begleiten», sagt Gerner. Es könnte etwa Mediziner helfen zu beurteilen, ob Medikamente von Patienten so wie vorgeschrieben eingenommen wurden und auch ob die erwarteten Konzentrationswerte im Körper tatsächlich erreicht werden. Eine solche Compliance-Kontrolle könnte speziell für klinische Studien relevant sein, zu deren Durchführung die Joint Metabolome Facility nun durch Fingerschweiss-Analysen beitragen kann. Die vertiefte Anwendung

«Artificial Intelligence»-basierter bioinformatischer Verfahren wird wahrscheinlich noch sehr viel mehr molekulare Details über Teilnehmenden solcher Studien zutage fördern und verweist auch auf das Zukunftspotenzial dieser multidisziplinären Forschungsbestrebungen.

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Studienautorin Julia Brunmair

Individuelle Signaturen In einer begleitenden Studie hatte das Team der Joint Metablome Facility bereits weitere Beispiele dafür gezeigt, welche Daten aus Fingerschweiss ablesbar sind: «Man kann damit unmittelbar verfolgen, was jemand gegessen hat», so Studienautorin Julia Brunmair: «Es ist zum Teil auch verblüffend: Nach dem Konsum von Erdbeeren war etwa ein nicht mehr zugelassenes Insektizid nachweisbar. Nach konsumierten Orangen konnten wir – im Fall von Bio-Orangen – gesunde Flavonoide und – im Fall von nicht-biologischem Anbau – zudem entsprechende Pestizide nachweisen.» Auch Nikotinkonsum und Metabolismus konnten die Forscherinnen über gemessenes Nikotin und Anatabin im Fingerschweiss von Testpersonen unmittelbar nachweisen. Es ist nicht nur messbar, wie stark ein Mensch Fremdstoffen ausgesetzt ist, sondern auch, wie sein oder ihr Organismus darauf reagiert. Die Forscherinnen nehmen an, dass im Fingerschweiss tausende Metabolite greifbar sind, wobei von ihnen bisher rund 250 identifiziert und mit Standards verifiziert wurden. «Hier werden in absehbarer Zeit noch sehr viele hinzukommen», so Brunmair.

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Maldi-TOF liefert Datenschatz

KI prophezeit Antibiotikaresistenzen Antibiotikaresistenzen sind ein ungelöstes Problem. Doch mit kleinen Schritten kommt man voran. So haben Forschende unter Co- Leitung der ETH Zürich in einer Studie gezeigt, dass sich Resistenzen von Bakterien mittels Computeralgorithmen deutlich schneller ermitteln lassen als bisher. Dies könnte helfen, schwere Infekte in Zukunft besser zu behandeln.

Rahel Künzler ¹ Weltweit sind antibiotikaresistente Bakterien auf dem Vormarsch, so auch in der Schweiz. Rund 300 Menschen pro Jahr versterben hierzulande an Infektionen verursacht durch multi- resistente Bakterien. Um die Ausbreitung von resistenten Bakterien zu bremsen, spielen die rasche Diagnostik und der zielgerichtete Einsatz von Antibiotika eine entscheidende Rolle. Doch genau hier liegt das Problem: Die Überprüfung, welche Antibiotika bei einem Krankheitserreger noch wirken, dauert oft zwei Tage oder länger, weil die Bakterien aus Patientenproben zunächst im Labor kultiviert werden müssen. Schwere Infekte behandeln Ärztinnen und Ärzte daher anfangs oft mit einem sogenannten Breitbandantibiotikum, das gegen möglichst viele Bakterienarten wirkt.

«Wir präsentieren den bisher grössten Datensatz, der MassenspektrometrieDaten mit Informationen zu Antibiotikaresistenzen verbindet» Karsten Borgwardt, Professor am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel

Forschende der ETH Zürich, des Universitätsspitals Basel und der Universität Basel haben eine Methode entwickelt, mit der sich Merkmale von Antibiotikaresistenzen bei Bakterien anhand von Massenspektrometrie- Daten bereits 24 Stunden früher ermitteln lassen. ¹ ETH Zürich

Damit die behandelnden Ärzte schneller wissen, welche Antibiotika gegen eine Infektion am besten helfen, schlagen Forschende eine neue Analysemethode auf Basis von Machine Learning vor. (Bild: Shutterstock)

«Intelligente Computeralgorithmen suchen in den Daten nach Mustern, die Bakterien mit und ohne Resistenz voneinander unterscheiden», erklärt Caroline Weis, Doktorandin am Departement für Biosysteme an der ETH Zürich in Basel und Erstautorin der Studie. Die Forschenden veröffentlichten die Methode im Fachmagazin «Nature Medicine».

Die Zeit bis zur optimalen Therapie ist kritisch Wenn sich wichtige Antibiotikaresistenzen frühzeitig bestimmen lassen, können Ärztinnen und Ärzte die Antibiotikatherapie entsprechend schneller gezielt auf das jeweilige Bakterium abstimmen. Profitieren würden davon insbesondere schwerkranke Patientinnen und Patienten. «Die Zeit bis zur optimalen Therapie kann bei einem schweren Infekt über Leben und Tod entscheiden. Eine schnelle und genaue Diagnostik ist hier enorm wichtig», sagt Adrian Egli, Leiter der Klinischen Bakteriologie und Professor am Universitätsspital Basel.

Das Massenspektrometer, das die Daten für die neue Methode liefert, wird in den meisten mikrobiologischen Laboren bereits heute eingesetzt, um die Bakterienart zu identifizieren. Das Analysegerät vermisst Tausende von Proteinbruchstücken in der Probe und erstellt daraufhin einen individuellen Fingerabdruck der bakteriellen Proteine. Auch dazu müssen die Bakterien vorgängig kultiviert werden, allerdings bloss während weniger Stunden.

Riesiger neuer Datensatz erstellt Die Basler Forschenden haben die Massenspektrometrie auf eine neue Art und Weise genutzt, um zusätzlich auch Resistenzen von Bakterien zu bestimmen. Sie verknüpften dazu 300 000 Massenspektrometrie- Daten von einzelnen Bakterien aus vier Laboren in der Nordwestschweiz mit den Resultaten der bisherigen Resistenz- Tests. Rund 800 unterschiedliche Bakterien und über 40 verschiedene Antibiotika sind im neuen, öffentlich zugänglichen Datensatz enthalten. 1–2/2022

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«Algorithmen der Künstlichen Intelligenz lernten nun anhand dieser Daten, selbständig Antibiotikaresistenzen zu erkennen», erklärt Karsten Borgwardt, Professor am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel, der die Studie gemeinsam mit Egli leitete. Um ein möglichst genaues Vorhersagemodell zu entwickeln, untersuchten die Forschenden, inwiefern die Trainingsdaten den Lernerfolg der Algorithmen beeinflussen. So trainierten sie das Vorhersagemodell beispielsweise nur mit Daten von einem Spital oder mit solchen von mehreren Spitälern. Während bisherige Arbeiten in diesem Forschungsfeld einzelne Bakterienspezies oder Antibiotika untersuchten, stützt sich die publizierte Studie auf eine breite Palette von Bakterienarten, die in Spitälern isoliert wurden, und eine Vielzahl zugehöriger Resistenzmerkmale. «Wir präsentieren den bisher grössten Datensatz, der Massenspektrometrie-Daten mit Informationen zu Antibiotikaresistenzen verbindet», sagt Borgwardt. «Und es ist ein tolles Beispiel, wie man bestehende klinische Daten nutzen kann, um neues Wissen zu gewinnen.»

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Algorithmen erkennen häufige Resistenzen zuverlässig Um den Nutzen der Computer-Vorhersagen zu überprüfen, haben die Forschenden rund 60 Fallbeispiele gemeinsam mit einem Infektiologen analysiert. Es ging darum, herauszufinden, inwiefern die Vorhersagen die gewählte Antibiotikatherapie beeinflusst hätte, wenn sie dem Infektiologen frühzeitig zur Verfügung gestanden hätten. Das Forschungsteam konzentrierte sich in diesen Beispielen auf besonders wichtige antibiotikaresistente Bakterien – darunter Methicillin-resistente Staphylokokken (MRSA) und Darmbakterien mit Resistenzen gegen Breitspektrum-Beta-Lactam-Antibiotika. Diese Untersuchung war wichtig, denn bei der Wahl des Antibiotikums stützen sich Ärztinnen und Ärzte auch auf Faktoren wie das Alter und die medizinische Vorgeschichte der Patienten. Tatsächlich hätte der Infektiologe mit dem neuartigen Verfahren in einigen Fällen zu einem anderen Antibiotikum gegriffen.

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Klinische Studie ist bereits in Planung Bis das neue diagnostische Verfahren zum Einsatz kommen könnte, gibt es noch eine weitere Herausforderung zu meistern: Der Nutzen der neuen Methode muss im Spitalalltag im Rahmen einer grösseren klinischen Studie erhärtet werden. «Eine entsprechende Studie planen wir bereits», sagt Egli. Der klinische Mikrobiologe ist zuversichtlich, dass das Projekt die Behandlung von Infektionen in den nächsten Jahren verbessern wird. Auch bezogen auf das Forschungsfeld der Künstlichen Intelligenz in der Medizin werfe das Projekt viele wichtige Fragen auf, so Borgwardt. «Mit diesem Datensatz können wir näher untersuchen, welche Anpassungen wir auf der Ebene der Algorithmen vornehmen müssen, um die Qualität der Vorhersagen zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen Orten weiter zu verbessern.»

Erfahren Sie mehr unter: www.ch.endress.com/fwr30

Die Kantone Basel-Stadt und Basel-Landschaft haben diese Forschungsarbeit finanziell unterstützt. www.ethz.ch 1–2/2022

F irmen berichten

Desinfektionsmittelherstellung

Wie eine Pumpe Desinfektionsmittel fördert Wegen der Pandemie ist die Nachfrage nach Desinfektionsmitteln deutlich in die Höhe geschnellt – allein in der Schweiz stieg der Umsatz von Desinfektionsmitteln zwischen der 6. und 9. Kalenderwoche 2020 um rund 61,5 Prozent im Vergleich zum Vorjahreszeitraum. Aufgrund des weiterhin hohen Bedarfs traf Steinfels Swiss als zertifizierte Produzentin von Hand- und Flächendesinfektionsmitteln Mitte 2020 die Entscheidung, eine bestehende Produktionsanlage im Werk in Winterthur unter Atex-Bedingungen zu erneuern und für die Herstellung von Gelprodukten zu verwenden. Hierzu wurde eine neue Pumpe angeschafft, die den automatisierten, prozesssicheren Transport des Fertig-Bulks vom Rührwerk in das Tanklager übernimmt.

«Durch Corona ist die Nachfrage an Desinfektionsmitteln massiv gestiegen, so dass wir uns 2020 entschieden haben, den gesamten Atex-Produktionsbereich, welcher bereits in die Jahre gekommen war, zu erneuern und die Produktionsleistung auszubauen», erklärt Beat Brogli, Leiter Technik bei Steinfels Swiss. Nachdem auch die Nachfrage an Desinfektions-Gels auf dem Markt deutlich zugenommen hat, beschloss das Unternehmen, einen neuen Rührbehälter zur Herstellung von Gelprodukten zu konzipieren und ihn im Zuge der Umbaumassnahmen in den Herstellprozess zu integrieren. Um die Fertigprodukte dann automatisiert in das Tanklager zu pumpen, wurde eine PDSPDoppelschraubenspindelpumpe der Lewa Nikkiso Switzerland AG angeschafft. «Früher erfolgte das Umpumpen bei vielen Produkten mit mobilen Pumpen und Schläuchen», so Brogli. «Das neue Aggregat ist nun fest installiert und in den Reinigungsprozess integriert.» Das automatisierte Umpumpen des Fertig-Bulks ermöglicht einen sicheren, Atex-konformen Prozess.

Aggregat für Medien mit grosser Viskositätsbandbreite Steinfels Swiss entschied sich aufgrund der ausführlichen Beratung durch die Lewa Nikkisio Switzerland AG sowie eines erfolgreichen Vorprojekts, bei dem bestehende Aggregate durch massangefertigte Doppelschraubenspindelpumpen ausgetauscht wurden, für eine PDSP. Dank ihrer hohen Druckstabilität sind Aggregate dieses Typs bis 16 bar bei Temperaturen bis 20

Im Zuge der Corona-Pandemie ist die Nachfrage nach Desinfektionsmitteln deutlich in die Höhe geschnellt. (Bild: Envato)

136 °C einsetzbar und erreichen ein maximales Fördervolumen von 90 m³/h. Die Doppelschraubenspindelpumpen können mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu 3600 U/min betrieben werden. Dadurch sind sie besonders gut dafür geeignet, dünnflüssige bis hochviskose Fluide zu fördern und können auch als CIP-Pumpen für das zu fördernde Medium genutzt werden. «Sie lassen sich sehr gut für Anwendungen wie die Förderung von Gel-Fertigprodukten bei Steinfels Swiss einsetzen, da sie die geforderte Viskositätsbandbreite von 1 bis 6000 mPa abdecken», bestätigt Pietro Pettoruto, Managing Director der Lewa Nikkiso Switzerland AG.

Die neue Pumpe wird zukünftig den automatisierten, prozesssicheren Transport des Fertig-Bulks vom Rührwerk in das Tanklager übernehmen. Von dort aus erfolgt die Abfüllung auf den diversen Abfülllinien. Die Wahl fiel auf eine Doppelschraubenspindelpumpe vom Typ PDSP der Lewa Nikkiso Switzerland AG (im Bild: verbauter Zustand). (Bild: Steinfels Swiss)

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F irmen berichten

durch ist eine einfache und kostengünstige Mengen-Regelung über die Motorendrehzahl möglich sowie eine beständig hohe und kontinuierliche Förderleistung, auch wenn sich die Fördermengen und Viskositäten ändern», fasst Pettoruto zusammen.

Anpassungsmöglichkeiten bei Dichtungsmaterialien

Aufgrund des weiterhin hohen Bedarfs traf der zertifizierte Produzent von Hand- und Flächendesinfektionsmitteln Steinfels Swiss die Entscheidung, den gesamten Atex-Produktionsbereich im Werk in Winterthur, welcher bereits in die Jahre gekommen war, zu erneuern und die Produktionsleistung auszubauen. (Bild: Steinfels Swiss)

Pumpe eignet sich für scherempfindliche Medien Für den zuverlässigen und effizienten Betrieb sind die Pumpen mit zwei präszisionsgefertigten Schraubenspindeln ausgestattet, die ein optimales Spiel gewährleisten. Da sich die Schrauben nicht berühren, sondern das Produkt durch die Schraubenwindung pulsationslos nach vorne gedrückt wird, eignet sich diese Serie ausserdem besonders für sensible und scherempfindliche Medien. Jede Pumpengrösse kann mit zwei unterschiedlichen Spindeln betrieben werden. Zu allen Baugrössen sind je zwei verschiedene Spindeltypen lieferbar, die jeweils über eine spezifische Gewindesteigung verfügen. In der Gel-Anwendung bei Steinfels Swiss werden gehärtete Spindeln eingesetzt. Der freie Kugeldurchgang beträgt je nach Typ bis zu 30 mm und erlaubt, Medien mit grossen Viskositätsunterschieden gleichermassen gut zu fördern. «Schraubenspindelpumpen bieten den Vorteil eines linearen Fördermengenprinzips. Da-

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Gegenüber Exzenterschneckenpumpen sind die Modelle recht kompakt gebaut und benötigen vor allem kein Elastomer als Stator. «Dadurch entfallen verschiedene Probleme wie Abrieb des Elastomers bei der Linienverpressung mit dem Rotor und ein aufwendiger Austausch oder Wechsel des Elastomers», so Pettoruto. Zudem ist die PDSP selbstansaugend, so dass sie die Saugleitung der Pumpe selbständig und ohne externe Hilfseinrichtungen entlüften kann. Die totraumarm konstruierten Aggregate sind aus hochwertigem Edelstahl gefertigt, wobei alle produktberührende Teile standardmässig eine Rauheit von kleiner als 0,8 µm aufweisen und bis zu einem Wert von kleiner als 0,5 µm poliert werden können. Getriebe, Grundplatte und Kupplungsschutz sind aus rostfreiem Edelstahl, so dass sich die Pumpen auch von aussen gut reinigen lassen. Für die Wellendichtung kommen einfache oder doppelte Gleitringdichtungen aus SIC, Wolframkarbid- oder PTFE-Lippendichtungen zum Einsatz. Die O-Ringe sind beispielsweise aus FKM, EPDM, PTFE oder FFKM gefertigt. Da der Pumpendeckel einfach abgeschraubt werden kann, lassen sich die Anlagen für Wartungsarbeiten unkompliziert öffnen. Seit März 2021 transportiert das Aggregat zuverlässig bei 3 bar Gel-Desinfektionsmittel mit 15 m³/h. In den ersten sechs Monaten seit der Erneuerung der gesamten Atex-Produktion wurden dort insgesamt rund 700 t an Desinfektionsmittel hergestellt. www.steinfels-swiss.ch www.lewa.ch

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Tianlun Yu (links) und Vladimir Strocov an der Adress-Strahllinie der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz SLS, an der sie die Schichtstruktur aus dem Halbleiter Galliumnitrid und dem Supraleiter Niobnitrid vermessen haben. (Bild: PSI/Mahir Dzambegovic)

Eine «Landkarte» gibt Aufschluss

Halbleiter erreichen die Quantenwelt Quanteneffekte in Supraleitern könnten der Halbleitertechnologie eine neue Wendung geben. Forschende des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) und der Universität Cornell im US-Bundesstaat New York haben ein Verbundmaterial identifiziert, das Quantenbauelemente in die Halbleitertechnologie integrieren und damit elektronische Bauteile deutlich leistungsstärker machen könnte. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachblatt «Science Advances».

Laura Hennemann ¹ Unsere derzeitige elektronische Infrastruktur basiert vor allem auf Halbleitern. Diese Materialklasse kam etwa in der Mitte des 20. Jahrhunderts auf und wurde seither immer weiter verbessert. Zu den derzeit wichtigsten Herausforderungen in der Halbleiterelektronik gehören weitere Verbesserungen, die die Bandbreite der Datenübertragung, die Energieeffizienz und die Informationssicherheit erhöhen würden. Quanteneffekte einzubeziehen wird hierbei wahrscheinlich einen Durchbruch bewirken. Denkbar sind dabei vor allem Quanteneffekte, die in supraleitenden Materialien auftreten können. Supraleiter sind Stoffe, in denen der elektrische Widerstand verschwindet, sobald sie auf eine bestimmte Temperatur gekühlt werden. Dass sich in Supraleitern auch Quanteneffekte ausnutzen lassen, hat sich bereits in ersten Quantencomputern gezeigt.

Ohne Spannung im Kristallgitter Um mögliche Nachfolger für die heutige Halbleiterelektronik zu finden, untersu¹ Paul-Scherrer-Institut

Die «Landkarte» der Elektronen: Diese mit der SX-Arpes-Methode erhaltene Grafik zeigt als helle Bänder die Zustände, die Elektronen im Energie/Impuls-Raum einnehmen können. Das Band, das im Halbleiter Galliumnitrid (GaN) zu sehen ist, ist von den supraleitenden Zuständen (in der Grafik hellblau-gestrichelt eingekreist) im Niobnitrid (NbN) klar getrennt. Das bedeutet, dass die entscheidenden Elektronen in den beiden Materialien sich nicht gegenseitig stören. (Grafik: PSI/ Tianlun Yu)

chen einige Forschende – darunter eine Gruppe an der Cornell Universität – sogenannte Heterostrukturen, also Strukturen aus zwei verschiedenartigen Materialien.

Genauer gesagt geht es ihnen um Schichtsysteme aus supraleitenden und halbleitenden Materialien. «Es ist schon länger bekannt, dass man dafür Materialien mit 1–2/2022

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sehr ähnlichen Kristallstrukturen auswählen muss, damit es an der Kontaktfläche nicht zu Spannungen im Kristallgitter kommt», erklärt John Wright, der an der Cornell Universität die Heterostrukturen für die neue Studie hergestellt hat. Zwei in dieser Hinsicht passende Materialien sind der Supraleiter Niobnitrid (NbN) sowie der Halbleiter Galliumnitrid (GaN). Letzterer spielt schon jetzt eine wichtige Rolle in der Halbleiterelektronik und ist daher bereits gut erforscht. Bislang war jedoch unklar, wie genau sich die Elektronen an der Kontaktfläche dieser beiden Materialien verhalten – und ob womöglich die Elektronen aus dem Halbleiter die Supraleitung stören und damit die Quanteneffekte auslöschen. «Als ich auf die Forschung der Gruppe in Cornell stiess, wusste ich: Hier am PSI können wir mit unseren spektroskopischen Methoden an der Adress-Strahllinie die Antwort auf diese grundlegende Frage finden», erklärt Vladimir Strocov, Forscher an der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. So kam es zur Zusammenarbeit zwischen den beiden Gruppen. In ihren Experimenten fanden sie schliesslich heraus, dass die Elektronen in beiden Materialien «für sich» bleiben. Es finden keine unerwünschten Wechselwirkungen statt, die die Quanteneffekte behindern könnten.

Bänder in der Landkarte», erläutert Yu. Das entscheidende Forschungsergebnis: An der Materialgrenze zwischen dem Niobnitrid NbN und dem Galliumnitrid GaN sind die jeweiligen «Bänder» klar voneinander getrennt. Daran konnten die Forschenden ablesen: Die Elektronen bleiben in ihrem ursprünglichen Material und interagieren auch nicht mit den Elektronen im Nachbarstoff. «Die für uns wichtigste Schlussfolgerung ist, dass die Supraleitung im Niobnitrid ungestört bleibt, selbst wenn dieses Atom für

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Synchrotronlicht zeigt die elektronischen Strukturen Die Forschenden am PSI nutzten eine an der Adress-Strahllinie der SLS etablierte Methode: Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie mittels weicher Röntgenstrahlung – auf Englisch abgekürzt SXArpes. «Mit dieser Methode können wir die kollektive Bewegung der Elektronen im Material sichtbar machen», erklärt Tianlun Yu, Postdoktorand im Team von Vladimir Strocov, der die Messungen an der NbN/ GaN-Heterostruktur durchgeführt hat. Gemeinsam mit Wright ist Yu Erstautor der neuen Veröffentlichung. Die SX-Arpes-Methode liefert eine Art Landkarte, deren räumliche Koordinaten in eine Richtung die Energie der Elektronen zeigt und in die andere Richtung so etwas wie ihre Geschwindigkeit; genauer gesagt ihren Impuls. «In dieser Darstellung zeigen sich die elektronischen Zustände als helle

Atom passend auf eine Schicht Galliumnitrid aufgesetzt wird», sagt Vladimir Strocov. «Damit konnten wir ein weiteres Puzzlestück liefern, das bestätigt: Dieses Schichtsystem könnte tatsächlich eine neue Form der Halbleiterelektronik hervorbringen, welche die Quanteneffekte in Supraleitern einbindet und nutzt.»

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Terahertz-Wellen

Eine neuartige Strahlungsquelle Terahertzstrahlung hat eine Wellenlänge von typischerweise etwas unter einem Millimeter – und das ist ein technisch schwieriger Bereich. Elektromagnetische Wellen mit grösserer Wellenlänge kann man mit gewöhnlichen elektronischen Bauteilen (wie Transistoren) und Antennen erzeugen. Kleinere Wellenlängen erhält man mit gewöhnlichen Lichtquellen, etwa mit Lasern oder LEDs. Der dazwischen liegende Terahertzbereich ist allerdings bis heute eine technische Herausforderung.

Dabei kann gerade Strahlung in diesem Bereich sehr nützlich sein. Man benötigt sie in vielen Gebieten, von der Werkstoffprüfung oder der Sicherheitstechnologie am Flughafen bis zur Radioastronomie, und vielleicht auch bei zukünftigen Formen der Telekommunikation. Terahertzstrahlung herzustellen: Ein Oszillator mit doppelten Resonanztunneldioden und dessen Strahlungsleistung übertrifft ähnliche Bauteile deutlich. Die neue Technologie wurde im Fachjournal «Applied Physics Letters» publiziert.

Chip-Grösse statt Labortisch-Grösse «Es gibt heute verschiedene Möglichkeiten, Terahertzwellen zu erzeugen», sagt Prof. Michael Feiginov (Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering, TU Wien). Man kann etwa Quantenkaskadenlaser verwenden. Mit ihnen erreicht man hohe Intensitäten, muss sie aber auf sehr tiefe Temperaturen abkühlen. Oder man verwendet grosse komplizierte photonische Systeme mit mehreren Lasern, deren Strahlung man miteinander mischt und dadurch grössere Wellenlängen erzeugt – damit kann man sehr flexibel die gewünschten Wellenlängen produzieren. «Unser Ziel war es allerdings, eine einfache, extrem kompakte TerahertzQuelle zu entwickeln», betont Feiginov. «Wenn wir wollen, dass die Technologie in Zukunft in ganz einfachen Alltagsgeräten eingebaut werden kann, dann müssen die Terahertz-Quellen klein sein und bei normaler Raumtemperatur funktionieren.» Dazu verwendete man nun weder Laser noch Quanten-Kaskaden-Technologie, sondern simple Oszillatoren. «Oszillatoren sind in der Elektrotechnik etwas ganz All24

Petr Ouředník im Labor. (Bild: zvg)

tägliches», sagt Petr Ouředník, der Erstautor der aktuellen Publikation (ebenfalls TU Wien). Wenn man bestimmte elektronische Bauteile koppelt, etwa Spulen und Kondensatoren, dann wechselt die Energie zwischen ihnen hin und her, dadurch lässt sich elektromagnetische Strahlung erzeugen. «Das Problem dabei sind normalerweise aber die Verluste, die man sich als einen Verlustwiderstand vorstellen kann», sagt Ouředník. «Dieser sorgt normalerweise dafür, dass die Schwingung in diesen Schwingkreisen in kürzester Zeit wieder zum Erliegen kommt.»

Quantentrick für negativen Widerstand Das lässt sich allerdings mit quantenphysikalischen Tricks ändern: «Wir verwenden

Resonanztunneldioden, wo der Strom infolge Tunnelierung durch (Resonanz- oder) Quanten-Zustände zwischen zwei Barrieren fliesst», sagt Petr Ouředník. «Der Quanten-Topf zwischen den Barrieren ist in unseren Strukturen besonders schmal, so dass darin nur ganz bestimmte und ganz wenige Elektronen-Zustände physikalisch erlaubt sind.» Indem man eine Spannung anlegt, können diese Elektronen-Zustände und deren Energiewerte verändert werden. Normalerweise steigt der Stromfluss an, wenn man die elektrische Spannung erhöht – der elektrische Widerstand gibt an, in welchem Ausmass. In Resonanztunneldioden ist aber der umgekehrte Effekt möglich: Wenn die Spannung zunimmt, kann es passieren, dass die ElektronenZustände im Topf nicht mehr zu den Elek1–2/2022

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in den anderen überwechseln, und der Stromfluss nimmt ab anstatt zuzunehmen. Das bedeutet: Der elektrische Widerstand wird negativ. «Ein negativer Widerstand im Schwingkreis bedeutet allerdings, dass der Schwingkreis nicht Energie verliert, sondern stattdessen Energie aufnimmt. Die elektromagnetische Schwingung hält sich selbst am Laufen, Gleichstrom von aussen wird in Terahertzstrahlung umgewandelt», sagt Feiginov.

Der Tunneleffekt Die Bezeichnung für dieses Phänomen ist tatsächlich wörtlich zu nehmen. In der Quantenwelt können Teilchen nämlich durch energetische Barrieren «schlüpfen», die sie nach klassischem Verständnis gar nicht durchdringen könnten, da die potenzielle Energie dieser Barriere, die sie überwinden müssten, zu hoch wäre. Je kleiner die Masse eines Teilchens ist, desto eher kommt dieser Effekt zu tragen. Dank dieser Eigenschaft sind beispielsweise erst Untersuchungen mit einem Rasterelektronenmikroskop möglich.

Vom Natel bis zur Radioastronomie Das Bemerkenswerte an dieser Technologie ist nicht nur die beträchtlich hohe Intensität der Terahertzstrahlung, sondern vor allem die geringe Grösse: Die gesamte Struktur ist deutlich kleiner als ein Millimeter. Sie würde sich somit eignen, um in kompakte Geräte wie etwa Smartphones eingebaut zu werden.

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tronen-Zuständen in den anderen Teilen der Struktur passen. Damit können die Elektronen nicht mehr von einem Bereich

«Anwendungsideen gibt es so viele, dass wir heute gar nicht sagen können, welche davon am realistischsten ist», sagt Feiginov. «Man verwendet den Terahertz-Bereich in der Radioastronomie, man kann ihn um Objekte zu durchleuchten verwenden, etwa bei Sicherheits-Checks am Flughafen oder auch bei der Materialprüfung. Spannend sind Terahertz-Strahlen auch für chemische Sensoren: Verschiedene Moleküle kann man daran erkennen, dass sie ganz bestimmte Frequenzen im Terahertz-Bereich absorbieren. All diese Technologien werden von einer simplen und kompakten Konstruktionsweise von Terahertz-Quellen profitieren, und genau dazu wollten wir einen wichtigen Beitrag leisten.»

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Die Studie könnte erklären, warum Bäume bei Trockenheit zwar noch Kohlenstoff speichern, aber nicht mehr wachsen. (Bild: M. Kaennel Dobbertin)

Neue Zusammenhänge

Warum Bäume nachts wachsen Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass Bäume mehrheitlich tagsüber wachsen. Eine Studie unter Leitung der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) hat gezeigt, dass das Wachstum von Bäumen vor allem im Dunkeln stattfindet, weil es bei Sonnenlicht durch die trockenere Luft gehemmt wird, selbst bei feuchten Bodenverhältnissen.

Michèle Kaennel Dobbertin ¹ Bäume bilden neue Zellen, indem sie die Kohlenhydrate nutzen, welche die Blätter und Nadeln im Rahmen der Photosynthese mithilfe des in der Luft vorhandenen Kohlendioxids produzieren. Es ist jedoch nicht primär die Verfügbarkeit von Kohlenhydraten, die das Wachstum begrenzt, sondern die Saugspannung des Wassers im Baum, das sogenannte Wasserpotenzial, wie dies eine in der Zeitschrift «New Phytologist» veröffentlichte Studie zeigt. Das internationale Forscherteam um Roman Zweifel von der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) ist zu dem überraschenden Ergebnis gekommen, dass Bäume überwiegend in der Nacht wachsen und dass dieser Trend vor allem durch die Luft¹ Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft

Eine Übersicht zu der in der Studie ausgewerteten Daten. (Bild: R. Zweifel et al., DOI:10.1111/ nph.17552, CC BY 4.0)

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feuchtigkeit erklärt wird, die nachts höher ist als tagsüber. In der weltweit ersten umfassenden Studie zum Dickenwachstum von Baumstämmen mit einer stündlichen Datenauflösung analysierten die Forschenden Daten, die bis zu 8 Jahre an 170 Buchen, Fichten und anderen häufigen Baumarten an 50 Standorten in der ganzen Schweiz aufgezeichnet wurden ( > 60 Mio. Datenpunkte). An der Studie waren Forschende der ETH Zürich, des Instituts für Angewandte Pflanzenbiologie (IAP) sowie weiterer Forschungseinrichtungen aus der Schweiz und Europa beteiligt. Die untersuchten Standorte sind Teil von TreeNet. In diesem Netzwerk erheben Forschende seit 2011 in Schweizer Wäldern neben Informationen über die Trockenheit von Luft (Dampfdruckdefizit, VPD) und Boden (Bodenwasserpotenzial) auch automatisiert die Radiusänderungen von Baumstämmen mit hochpräzisen Punktdendrometern. Die Daten zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit des Baumwachstums über die 24 Stunden eines Tages stark variiert: Der Radius von Stämmen schrumpft und dehnt sich unter dem Einfluss von Wasserstress in einem Bereich von 1 bis 200 Mikrometer pro Tag. Diese Schwankungen werden vom Wachstum von Holz- und Rindenzellen, das durchschnittlich etwa 1–5 Mikrometer pro Stunde beträgt, überlagert.

Luftfeuchtigkeit ist der Schlüssel Das Forscherteam kam zum Schluss, dass die Luftfeuchtigkeit eine Schlüsselrolle

spielt, da sie das Wachstum hauptsächlich in der Nacht ermöglicht. In ihrer Studie schränkte ein hohes VPD (trockene Luft) tagsüber das Dickenwachstum stark ein, ausser am frühen Morgen. «Die grösste Überraschung für uns war, dass die Bäume sogar in mässig trockenen Böden wuchsen, sofern die Luft ausreichend feucht war. Umgekehrt blieb das Wachstum sehr gering, obwohl der Boden feucht, zeitgleich die Luft aber trocken war», erinnert sich Roman Zweifel, der Studienleiter von der WSL. Sobald die Luft trockener wird, verlieren die Bäume vorübergehend mehr Wasser durch Transpiration, als sie über ihre Wurzeln aufnehmen können. Der gesamte Baum gerät unter Spannung, das Stammwasserpotenzial sinkt, und sein Wachstum stoppt, unabhängig von der Verfügbarkeit von Kohlenhydraten. «Mit anderen Worten: Bäume hören auf zu wachsen, bevor die Photosynthese gehemmt wird», fasst Zweifel zusammen. Das könnte zum Beispiel erklären, warum Bäume in trockeneren Umgebungen zwar noch Kohlenhydrate speichern, aber kaum noch wachsen.

Neue Sicht auf Kohlenstoff dynamik von Wäldern Diese Studie zeigt, dass Bäume nur während eines engen Zeitfensters von wenigen Stunden innerhalb der 24-Stunden eines Tages und somit nur während einer begrenzten Zeit über die gesamte Vegetationsperiode wachsen (aufsummiert ungefähr 15–30 Tage je nach Baumart). Da Kohlenstoffgewinn (Photosynthese während des Tages) und Kohlenstoffverbrauch

Punktdendrometer an einem Stamm zur Messung von kontinuierlichen Stammradiusänderungen mit Mikrometerauflösung. Die Daten liefern Informationen zum Wachstum und zum Wasserhaushalt von Bäumen. (Bild: Roman Zweifel)

(Wachstum während der Nacht) zu anderen Tageszeiten stattfinden, reagieren diese zwei Prozesse auch unterschiedlich auf die dann herrschenden Witterungsbedingungen. Bisher verwendete Klima-Waldentwicklungsmodelle hingegen beruhen nur auf dem Wissen aus hauptsächlich Jahresmittelwerten des Wachstums, gehen also auf die tageszeitlich unterschiedlich vorkommenden Prozesse nicht ein. Diese Erkenntnisse könnten die Art und Weise verändern, wie die Auswirkungen des Klimawandels auf Wälder zu beurteilen sind, insbesondere wenn es um langfristige Vorhersagen der Kohlenstoffspeicherung von Wäldern unter zunehmend trockeneren Bedingungen geht.

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Umweltbelastung mit PCB

Korrosionsschutzfarbe vergiftet Bündner Fluss Im Flüsschen Spöl, ganz im Süden von Graubünden, liegen Sedimente, die mit PCB belastet sind. Die Chemikalie stammt aus dem 50 Jahre alten Korrosionsschutzanstrich eines Wasserkraftwerks; sie fliesst mit dem Wasser des Spöl bergab – bis ins Schwarze Meer. Nun muss das Flüsschen saniert werden. Umstritten ist, wie weit dies geschehen muss und wer dafür zahlt. Analysen der Empa spielen dabei eine zentrale Rolle: Sie zeigen, wieviel PCB an welchen Stellen des Spöl verborgen ist.

Rainer Klose ¹ Glück und Unglück liegen in der Wildnis eines Nationalparks oft eng beieinander. Am 20. September 2020 fand ein Parkwächter im Schweizer Nationalpark einen toten Uhu am Rand eines Wanderwegs neben dem Flüsschen Spöl. Der Vogel hatte mit Sicherheit ein unglückliches Ende: Ein Flügel war gebrochen, und der Uhu war auf 1,3 Kilogramm abgemagert, weniger als die Hälfte des Normalgewichts, wie sich bei der späteren Untersuchung zeigte. Dass der Vogel überhaupt gefunden wurde, war dagegen Glück. Normalerweise werden tote Tiere in der Wildnis innerhalb von Stunden von Füchsen oder Raubvögeln abtransportiert und verspeist. Nun kam die Sache ins Rollen. Der Kadaver wurde am Zentrum für Fisch- und Wildtiermedizin der Universität Bern untersucht. Um allfällige Giftrückstände im Körper des Vogels zu erkennen, sandten die Spezialisten die Eingeweide des Uhus an die Empa. «Das Probematerial war schon nicht mehr ganz so frisch», erinnert sich Markus Zennegg, Chemiker in der Abteilung «Advanced Analytical Technologies». Doch als er die ersten Proben im Massenspektrometer untersuchte, wunderte er sich. «Das Gerät zeigte Konzentrationen, die ich nicht für möglich gehalten hätte. Die Belastung an besonders toxischen polychlorierten Biphenylen (PCB) in diesem Vogel lag bei 20 Mikrogramm pro Kilogramm Fett – das ist tausendfach über den normalen Werten für Wildtiere.» Zennegg musste die Proben nochmals verdünnen und ein weiteres Mal durch seine Maschine schicken, um ¹ Empa

Die Staumauer Punt da Gall am Lago di Livigno wurde 1970 fertiggestellt. Einige der wasserführenden Rohre sind mit PCB-haltiger Rostschutzfarbe geschützt, was damals noch zulässig war. (Bild: Schweizerischer Nationalpark)

die Konzentration überhaupt korrekt bestimmen zu können.

Korrosionsschutzfarbe langsam abgetragen Das PCB im Uhu aus dem Nationalpark kam indes nicht ganz unterwartet. Das Flüsschen Spöl, an dem der Vogel gefunden wurde, bezieht sein Wasser aus dem Lago di Livigno. Der See wird durch die Staumauer Punt da Gall aufgestaut, die der Engadiner Kraftwerke AG (EKW) gehört. Und genau da liegt das Problem: Beim Bau der Staumauer in den späten 1960erJahren wurde PCB-haltige Korrosionsschutzfarbe eingesetzt, die seitdem langsam abgetragen wird und das Wasser am Spöl verunreinigt.

Das Flüsschen Spöl durchquert den Schweizerischen Nationalpark in Graubünden, nahe der Italienischen Grenze. Im Bereich des Nationalparks liegen auch die Anlagen der Engadiner Kraftwerke AG (EKW). (Grafik: Empa)

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U mwelt

fettlösliche Schadstoffe, die sich im Fettgewebe von Fischen anreichern. Ernährt sich der Uhu hauptsächlich von Fisch aus dem Spöl, dann wird er zum Kandidaten für eine chronische Vergiftung. Es gibt in der Gruppe der PCB verschiedene Substanzen. Die Empa wies in dem toten Uhu aus dem Spöltal vor allem PCB 126 nach, einen Stoff, der nur rund zehnfach weniger giftig ist als berüchtigte Seveso-Dioxin TCDD. Der Stoff schwächt das Immunsystem und den Hormonstoffwechsel, schädigt Fortpflanzungsorgane und kann Krebs verursachen. Das sogenannte Tosbecken, gleich hinter der Staumauer, wurde bereits 2016 probeweise saniert: Feine Sandkörner wurden herausgefiltert, in einem Kieswerk ausgebrannt und wieder ins Becken eingebaut. So lassen sich rund 90 Prozent der PCB-Belastung entfernen. (Bild: Schweizerischer Nationalpark)

Die Fische im Nationalpark sind ungeniessbar

Im Herbst 2020 fand ein Parkwächter diesen toten Uhu. Der abgemagerte Vogel hatte eine PCB-Belastung, die tausendmal höher lag als bei Wildtieren üblich. (Bild: Schweizerischer Nationalpark)

Auch hier liegen Glück und Unglück wieder nah beieinander: 1970 wurde die Staumauer samt Kraftwerk in Betrieb genommen. Nur zwei Jahre später, 1972, wurden in der Schweiz PCB-haltige Stoffe «in offenen Systemen» verboten. Doch da war die Staumauer bereits fertig – und gewissermassen nagelneu. 50 Jahre lang trug das Stauwasser den Schadstoff ganz langsam flussabwärts und lagerte ihn in Sandbänken und Überflutungsflächen ab. Teilweise reicht die Belastung bis zu einem halben Meter tief ins Sediment.

Möglicherweise wurde bereits 2013 bei einer Schlammflut im Spöl eine erste, grössere Welle PCB in den Sedimenten verteilt. Ein zweiter Vorfall ereignete sich 2016: Eine Sanierungsfirma lagerte die Abfälle von Sandstrahl-Arbeiten in der Staumauer, die wurden durch einen Sturm weggeblasen und in den Spöl getragen. Die Kraftwerksgesellschaft meldete diesen Unfall der Umweltbehörde. Seither begleitet die Empa den Fall. Zennegg analysiert Fische und hat spezielle, hochempfindliche Passivsammler entwickelt, die den PCB-Gehalt im Wasser des Stausees messen können. Seit 2017 ist der Verzehr von Fischen aus dem Spöl verboten: Die Fische im Nationalpark Schweiz überschreiten den für Lebensmittel zulässigen PCBWert um das Vierfache.

Am oberen Ende der Nahrungskette Das konnte der Uhu natürlich nicht ahnen. Ähnlich wie andere Raubtiere, etwa Fischotter, Füchse und Bären, steht er am oberen Ende der Nahrungskette. PCB sind

Auch der Mensch ist betroffen Die Chemikalie wird in der Umwelt praktisch nicht abgebaut und ist jahrhundertelang unterwegs. Die «European Food Safety Agency» (Efsa) ist der Auffassung, dass

Rechtsgrundlage unklar Es kommt zum Rechtsstreit zwischen der Kraftwerksgesellschaft EKW, dem Schweizerischen Nationalpark und dem Umweltamt des Kantons Graubünden. Die EKW hatte bereits angeboten, die vom Kanton angeordnete Sanierung vorab zu finanzieren und den Streit um die Kosten später zu klären. Unklar ist vieles: Muss die Sanierungsfirma für den Unfall von 2016 aufkommen? Wird der Fall als industrielle Altlast behandelt oder nach den Gesetzen des Gewässerschutzes? Michael Roth, der Direktor der EKW, sieht es so: «Der Fall Spöl ist mit anderen bekannten Umweltbelastungen kaum vergleichbar. Entsprechend können die Behörden nicht auf andere vergleichbare Fälle zurückgreifen, was sich negativ auf die Rechtssicherheit auswirkt. Es wird unumgänglich sein, dass die eine oder andere Frage durch Gerichte geklärt werden muss.»

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U mwelt

ein Mensch pro Woche maximal zwei Picogramm solcher dioxinähnlichen PCB pro Kilogramm Körpergewicht aufnehmen sollte. Der Wert berechnet sich aus der Spermienqualität. Schweizer Bürger nehmen bereits heute 14 Picogramm PCB pro Kilogramm Körpergewicht in der Woche auf – also siebenmal mehr als die EfsaEmpfehlung. Was also ist zu tun? Darüber scheiden sich die Geister. Alle Beteiligten – die Kraftwerksgesellschaft EKW, das Umweltamt des Kantons Graubünden und die Verwaltung des Schweizerischen Nationalparks – sind sich einig, dass die Zeitbombe PCB am Oberlauf des Flüsschens Spöl baldmöglichst entschärft werden sollte. Immerhin läuft das Wasser von dort in den Inn, dann vorbei an Innsbruck, Kufstein, Rosenheim und Passau in die Donau – und von dort ins Schwarze Meer.

Sanierungen dauern, die Natur braucht Zeit Die ersten 60 Meter hinter der Staumauer, das sogenannte Tosbecken, sind bereits 2016 probeweise saniert worden. «Man hat den feinen Sand mit Korngrössen unter 3 Millimeter herausgefiltert, in einem Kieswerk ausgebrannt und dann wieder ins Becken eingebaut», erläutert Ruedi Haller, Direktor des Schweizerischen Nationalparks. «Mit dieser Methode lässt sich rund 90 Prozent der PCB-Belastung erfolgreich entfernen.» Die Frage bleibt, wie viele Kilometer des Flüsschens Spöl auf diese Weise saniert werden müssen. Die Umweltbehörde des Kantons Graubünden verfügte im Februar 2021 eine Sanierung des Oberlaufs des Spöl auf einer Länge von 2,9 Kilometern. Die Nationalparkverwaltung verlangt dagegen eine Sanierung des ganzen Flusslaufs auf 5,8 Kilometern (siehe Infobox «Rechtslage unklar»). Weiter flussabwärts sei die PCB-Belastung zwar nicht mehr so gravie-

Das Flüsschen Spöl wird vermutlich bereits seit den 1970er Jahren mit PCB aus der Staumauer belastet. (Bild: Shutterstock)

rend wie am Oberlauf, aber trotzdem noch deutlich zu hoch für einen Nationalpark. Nationalparkdirektor Haller denkt bei seiner Forderung nach Totalsanierung nicht nur an das Wasser in den Flüssen, sondern gerade an Wildtiere, die das Gift in ihren Körpern sammeln. «Sterben Tiere, werden ihre Reviere aus anderen Gegenden besetzt, dort verdünnt sich die Population, und das Spöltal wirkt wie eine Populationssenke. Der vergiftete Spöl kann damit weitreichende Auswirkungen haben, wenn wandernde Tiere das PCB über weite Gebiete verschleppen.» Das aber sei genau das Gegenteil von dem, was ein Nationalpark laut Gesetz sein sollte: Ein Ort, an dem seltene Tierarten einen intakten Lebensraum vorfinden und andere Populationen ausserhalb des Nationalparks positiv beeinflussen. Die Empa wird die Belastung der Fische und Wildtiere im Nationalpark weiter mit chemischen Analysen begleiten. Ein Besuch am Flusslauf lohnt sich eher früher

als später: Sobald die Sanierung beginnt, werde sich der Spöl für zwei bis drei Jahre in eine Baustelle verwandeln, sagt Nationalparkdirektor Haller. «Wir werden mit Baggern und Dumpern möglichst im Flussbett selbst bleiben, um möglichst wenig der Umgebung zu zerstören. Ein mobiles Kieswerk wird mit der Baustelle wandern, den Feinsand aus den belasteten Sedimenten herausfiltern und vor Ort ausbrennen, damit wir ihn direkt wieder einbauen können.» Am Ende soll das Flussbett gezielt mehrfach mit Wasser aus dem Stausee überflutet werden, um den sauberen Sand neu zu verteilen und die Spuren der Bauarbeiten zu tilgen. «Einige Jahre später wird die Natur sich die Landschaft zurückerobert haben. Dann aber ohne PCB-Belastung», sagt Ruedi Haller. «Dann können wir den Nationalpark guten Gewissens an die nächsten Generationen weiterreichen.» www.empa.ch

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1–2/2022

V erfahrenstechnik

Pilotanlage

Aus der Biomasse das Maximum herausholen Forschende des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) starteten den Betrieb einer neuen Pilotanlage zur Produktion von synthetischem Biogas. Das Projekt Hydropilot soll Methan in Erdgas-Qualität aus nasser Biomasse wie Gülle, Klärschlamm oder Algen herstellen – und zwar weit effizienter als herkömmliche Biogasanlagen.

Jan Berndorff ¹ Biomasse steckt voller Energie. Die jedes Jahr in der Schweiz anfallende Menge bietet laut der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) etwa 97 Petajoule nutzbare Primärenergie. Das sind immerhin fast neun Prozent des jährlichen Primärenergieverbrauchs der Schweiz. Doch obwohl die Energie aus Biomasse erneuerbar und klimaschonend ist, bleibt sie zu einem gros sen Teil ungenutzt. Nur 53 Petajoule, also gut die Hälfte, werden etwa durch Verbrennen oder Vergasen extrahiert, der Rest landet im Müll.

Kaum rentables Geschäft Das liegt nicht zuletzt daran, dass Biomasse zumeist in nasser Form vorliegt, also als Gülle, Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste. Diese kann man nicht wie trockene Holz- oder Erntereste einfach verbrennen, um die dabei entstehende Wärme zu nutzen. Die wässrigen organischen Abfälle muss man zuvor aufwendig trocknen. Das lohnt sich kaum. Daneben lässt sich aus Biomasse Methan gewinnen, das der Hauptbestandteil von Erdgas ist. Herkömmliche Biogasanlagen arbeiten dabei aber vergleichsweise ineffizient. Im günstigsten Fall gewinnen sie damit nur etwa 30 Prozent der Nettoenergie, die in der Biomasse steckt. Am Paul-Scherrer-Institut (PSI) geht nun eine neu entwickelte Anlage in Betrieb, die in ersten Testläufen dagegen 60 bis 75 Prozent der in nasser Biomasse enthaltenen Energie nutzbar machen konnte – die Ausbeute also mehr als verdoppelt. Diese Effizienzsteigerung ist das Ergebnis eines langwierigen Entwicklungsprozesses. In ¹ im Auftrag von PSI

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Die Hydropilot-Anlage, die die Effizienz bei der Gewinnung von Biogas steigern soll. (Bilder: PSI/Markus Fischer und Mahir Dzambegovic)

den vergangenen 20 Jahren haben Forschende des PSI die Grundlagen für die neue Technologie geschaffen. Vor sechs Jahren demonstrierten sie mit einer kleinen Laboranlage namens Konti-C, dass es möglich ist, damit ein Kilogramm Biomasse pro Stunde zu verarbeiten. Inzwischen haben sie die grössere Pilotanlage konstruiert, die 100 Kilogramm pro Stunde bewältigt. Im März 2022 soll diese ihre Arbeit aufnehmen.

energie und Katalyse des PSI. Die Forschenden wollen zeigen, dass die Anlage mit den verschiedenen Formen der nassen Biomasse zurechtkommt und dass keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen. Sie führen Testläufe mit Wasser

Von der Pilotanlage zum Industriebetrieb «Mit dieser Pilotanlage werden wir all das testen, was später eine noch grössere, industrielle Anlage können soll, die zwei bis fünf Tonnen Biomasse pro Stunde verarbeiten wird», sagt der Chemie-Ingenieur Frédéric Vogel, Leiter der Gruppe Katalytische Verfahrenstechnik im Labor für Bio31

V erfahrenstechnik

und Stickstoff durch, um die Dichtigkeit zu prüfen. Sie erproben, ob irgendwo Probleme mit Korrosion auftauchen und wie schnell die Anlage aufheizen und abkühlen kann, ohne dass Komponenten unter der Wärmeausdehnung leiden. Und sie testen, ob der Wärmetauscher wie gewünscht funktioniert. Dieses für den hohen Wirkungsgrad entscheidende Element besass die Laboranlage, die nur ein Kilogramm verarbeitete, noch gar nicht. Die besondere Qualität der neuartigen Anlage liegt in ihrem Umgang mit dem Wasser aus der Biomasse. Dieses wird hier nicht als Hindernis für die energetische Nutzung gesehen, sondern trägt sogar als Reaktionsmedium dazu bei. Bei der sogenannten hydrothermalen Vergasung wird der Schlamm unter 280 bis 300 bar Druck gesetzt und auf gut 400 Grad Celsius erhitzt. «Unter diesen Umständen bleibt das Wasser trotz der hohen Temperatur flüssig und erreicht schliesslich einen überkritischen Zustand», erklärt Vogel. «In dieser Form hat es besonders gute Eigenschaften, um die Biomasse aufzuschliessen – also aus grossen Molekülen kleine zu machen, die besonders reaktionsfreudig sind.» Diese hydrothermale Zerlegung bereitet die Biomasse auf den nächsten Schritt vor, bei dem ein spezieller Katalysator als Reaktionsbeschleuniger zum Einsatz kommt. Gefördert wird die Umwandlung in Biogas auch durch ein ordentliches Durchmischen in den Rohren der Anlage, bevor die Moleküle auf den Katalysator treffen. «So sorgen wir dafür, dass die Feststoffpartikel rundherum von Wasser umgeben sind, mit dem sie dann unter Mithilfe des Katalysators reagieren können», sagt Vogel. Die Biomasse gleiche in diesem Stadium Erdöl. Sie wird dann durch einen Aktivkohlefilter geleitet, in dessen feinen Poren das aktive katalytische Material, in diesem Fall Ruthenium, auf die kleinen Biomassemoleküle wartet, um daraus Methan zu erzeugen.

Zwischen Temperatur, Druck und Fliessgeschwindigkeit Die Grundlagenforschung der letzten Jahre bestand nicht nur darin, die richtige Balance zwischen Temperatur, Druck, Fliessgeschwindigkeit und der Art des Mischens zu finden, sondern auch darin, den idealen 32

An der ESI-Plattform: Frédéric Vogel, Leiter der Gruppe Katalytische Verfahrenstechnik am PSI und Professor für Erneuerbare Energien an der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW).

Katalysator zu identifizieren. «Da Biomasse genauso wie Rohöl aus hunderten verschiedenen Substanzen besteht, deren Reaktionen man unmöglich alle genau berechnen kann, mussten wir viel experimentieren», sagt Vogel. Dafür bot das PSI ideale Bedingungen, denn mit der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz (SLS) lassen sich Materialien und ihre Reaktionen in atomarer Auflösung untersuchen. «So konnten wir genau verfolgen, wie und warum der eine Katalysator besser funktioniert als der andere.» Ein weiterer Vorteil des überkritischen Wassers besteht darin, dass sich darin keine Salze mehr lösen. Das bedeutet: In der Biomasse enthaltene wertvolle Nährstoffe wie Phosphate und Mineralien lassen sich mit einem Salzabscheider leicht trennen und etwa für Düngemittel wiederverwenden. Gleichzeitig schont dies den Katalysator, den diese Substanzen ansonsten verstopfen. Um weitere schädliche Stoffe daran zu hindern, die winzigen Poren des Aktivkohlefilters zu verunreinigen, ist in der nun in Betrieb genommenen Anlage ein zusätzlicher Filter vorgeschaltet: ein Granulat, das mit Schwefel reagiert und ihn so davon abhält, Probleme zu bereiten.

Am Ende des komplexen Vorgangs produziert die Hydropilotanlage wie Biogasanlagen ein Gemisch aus Methan, Kohlendioxid und Wasserstoff, von denen die beiden Letztgenannten grossteils abgetrennt werden, um das Methan ins Erdgasnetz einzuspeisen. Darüber hinaus fallen nur die rückgewonnenen Nährstoffe sowie reines Wasser an. Reste von Mineralien und Schwermetallen werden in Zementwerken verarbeitet oder deponiert. Die Anlage läuft weitgehend energieautark – sie braucht nur den Strom für den elektrischen Betrieb der Pumpe. Den Druck erzeugt sie mit der gleichen Pumpe, die auch den Schlamm befördert. Die Hitze erzeugt ein Gasbrenner, der dafür etwas von dem Produktgas abzweigt. Unabhängig davon liegt die Ausbeute bei 60 bis 75 Prozent. Neben der üblichen Biomasse kann der «Hydropilot» auch die Gärreste von Biogasanlagen verarbeiten und aus diesen den darin verbliebenen Energiegehalt ziehen. Die Anlage könnte aber auch mit energiereichen Algen gefüttert werden, die man anders als etwa Mais sehr effizient produzieren kann, ohne damit in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion zu geraten. Zunächst wird die Pilotanlage am PSI selbst betrieben – vor allem mit Klärschlamm, weil dieser die komplexeste Form der Biomasse darstellt. «Wenn wir es mit Klärschlamm schaffen», so Vogel, «schaffen wir es auch mit den anderen Sorten.» Konzepte für weitaus grössere Anlagen im industriellen Massstab gibt es auch schon, die Forschenden stehen dafür in engem Kontakt mit Firmen wie der Kasag Swiss AG und Treatech Sàrl. Das Projekt Hydropilot wird im Rahmen des Pilot- und Demonstrationsprogramms des Bundesamts für Energie BFE gefördert, mit zusätzlicher namhafter Unterstützung durch Treatech Sàrl, Kasag Swiss AG, Exergo Sàrl und Afry Schweiz AG. Es ist Teil des «Swiss Competence Centers for Energy Research Biosweet», gefördert durch Innosuisse, und der Energy-SystemIntegration-Plattform am PSI.

www.psi.ch 1–2/2022

V erfahrenstechnik

Granulate sind die Grundlage zahlreicher Produkte im Bereich Pharma und Food; sie unterliegen strengsten Qualitätsanforderungen. (Bild: Shutterstock)

Inline-Messtechnik in der Pharma-, Chemie- und Lebensmittelbranche

Wie eine kontinuierliche Kontrolle gelingt Nicht alle Prozesse in der Chemie- und Life-Science-Industrie lassen sich ohne Weiteres effizient kontinuierlich prüfen. Gerade im Bereich der Trocken-Granulierung wird die Inprozesskontrolle stiefmütterlich behandelt, obschon die Erfahrung aus der Industrie zeigt, dass eine kontinuierliche Überwachung eines Prozesses in Echtzeit nicht nur wirtschaftlich ist, sondern auch die Qualität des Endprodukts steigert. Eine neue Lösung für die kontinuierliche Trocken-Granulierung haben die Alexanderwerk GmbH und die Parsum GmbH in einem gemeinsamen Forschungsprojekt entwickelt.

Die Herstellung von Granulaten als Basis für chemische oder pharmazeutische Produkte erfolgt häufig im diskontinuierlichen Batch-Verfahren. Insbesondere in der pharmazeutischen Industrie wird diese Vorgehensweise auch auf Walzenpressen übertragen, um die Nachverfolgbarkeit einer Produktionscharge zu gewährleisten. Gleichzeitig bedeutet das einen hohen Zusatzaufwand für die Unternehmen. «Die Anlagen müssen nach jeder abgearbeiteten Charge demontiert, gereinigt und neu montiert werden», erklärt Marcus Weidemann, Ingenieur für Verfahrenstechnik bei der Alexanderwerk GmbH. «Dies erhöht die Stillstandszeiten der Maschinen und führt in der Folge zu einem Anstieg der Produktionskosten.» Ausserdem müssen Mitarbeiter mehrmals pro Charge manuell 1–2/2022

Stichproben entnehmen und diese im Labor analysieren. Da die Ergebnisse meist nach dem Abschluss eines Produktionszyklus vorliegen, können Prozessparameter bei festgestellten Qualitätsmängeln erst für die folgende Charge angepasst werden, während die bereits produzierte Menge in vielen Fällen komplett verworfen werden muss. Um die Prozesstechnik der Walzenpressen mit den entsprechenden Messinstrumenten und der dazugehörigen Steuerungstechnik auf die laufende Produktion (Continuous Manufacturing) auszulegen, erarbeiteten Parsum und Alexanderwerk in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt eine Lösung. Denn dieser Produktionsansatz bietet gegenüber dem Batch-Verfahren zahlreiche Vorteile: «Im Idealfall über-

wacht die eingesetzte Messtechnik nicht nur kritische Qualitätsattribute («critical quality attribute» – cqa) in Echtzeit, sondern liefert die Ist-Werte, um bei Abweichungen automatisch gegenzusteuern», erläutert Stefan Dietrich, Geschäftsführer der Parsum GmbH. «In der Folge muss die Produktion nicht mehr zur Neujustierung von Parametern unterbrochen werden. Die Anlagenverfügbarkeit sowie die Engmaschigkeit der Qualitätskontrolle wird deutlich erhöht, was sowohl die Produktqualität verbessert als auch die Herstellungskosten senkt.»

Von der Laboranalyse zu Inline-Messungen Die praktische Umsetzung eines ProcessAnalytical-Technology-(PAT)-Prozesses 33

V erfahrenstechnik

stellte bei der Trockengranulierung eine grosse Herausforderung dar. Denn während sich maschinenseitige Prozessparameter, wie etwa die Geschwindigkeit der Förderschnecke, die Walzendrehzahl und die Walzenpresskraft bereits online erfassen lassen, war die Überprüfung der Partikelgrössenverteilung, einer wichtigen Prozessgrösse für das verarbeitete Material, bisher nur offline möglich. Grund dafür war das Fehlen einer geeigneten Kombination von Probennahmeeinrichtung (Prozess-Interface) und Messtechnik für diesen Prozess. «Kurz gesagt wird in einer Walzenpresse das sehr lose, pulverförmige Ausgangsmaterial zunächst durch mechanischen Druck zwischen zwei gegenläufig drehenden Walzen zu einem kontinuierlichen festen Band, der Schülpe, verpresst. Anschliessend wird dies in einer Siebmühle, genannt Rotor-Fein-Granulator (RFG), zerkleinert, wodurch als Endprodukt kompaktes Granulat mit definierter Partikelgrössenverteilung entsteht», erklärt Weidemann. Die Herausforderung bei der Messung ist, dass das produzierte Granulat nicht aus homogenen Partikeln besteht, sondern aus Partikeln, deren Grösse innerhalb einer Probe von sehr feinen bis groben Partikeln reicht. «Relevant für die Messungen sind die beiden entstehenden Fraktionen: der Feinanteil und der Granulatanteil. Es handelt sich dabei um eine bimodale Verteilung der Partikelgrösse», berichtet Dietrich. In der Vergangenheit wurden verschiedene Messsonden und Dispergierer getestet, die sich bereits bei anderen Granulierver-

Wirtschaftlich und besser für die Umwelt Verbesserte Prozesskontrollen sorgen nicht nur für eine Qualitätssteigerung des Produkts, sie ermöglichen auch, Fehler frühzeitig zu erkennen und somit unnötige Kosten zu vermeiden. Was aber oft vergessen geht: Weniger Ausschüsse und effizientere Prozesse bedeutet gleichzeitig immer auch «materialsparend» und somit «umweltschonend». Moderne Analysemöglichkeiten in Echtzeit gehören zu einem der zwölf Grundsätze der Grünen Chemie.

Auf Basis zahlreicher Testreihen und Optimierungen bei der Messtechnik konnte eine marktreife Walzenpresse zur Trockengranulierung mit integriertem Diagnose-Tool entwickelt werden. (Bild: Alexanderwerk GmbH)

fahren bewährt hatten, zum Beispiel in der Wirbelschicht- oder High-Shear-Granulierung. Im speziellen Fall des Kompaktierprozesses unterschieden sich die InlineMessergebnisse aber oft deutlich von denjenigen der Stichproben, die offline im Labor analysiert wurden.

Ein gemeinsames Forschungsprojekt Parsum und Alexanderwerk nahmen die Ursachen für die schwankenden Messergebnisse schliesslich im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes genauer unter die Lupe. Auf Basis dieser Untersuchungen sollten eine Messsonde sowie ein Prozess-Interface zur Walzenpresse entwickelt werden. Für eine grundlegende Prozesssimulation der Walzenkompaktierung zogen sie ausserdem die Expertise der Technischen Universität Hamburg (TUHH) hinzu. Als wichtigstes kritisches Qualitätsattribut identifizierten die Projektpartner die Partikelgrössenverteilung (PGV) des Granulats. Die Aufgabe von Parsum war es deshalb, ein Instrument für die Inline-Messung zu entwickeln, welches die PGV repräsentativ und in Echtzeit ermittelt, ohne grössere Eingriffe in den Prozess oder die Maschinenkonstruktion vorzunehmen. Um aussa-

gekräftige Daten als Basis für die Prozesssteuerung zu gewinnen, musste ein geeignetes «Prozess-Interface» für die Parsum-Sonde entwickelt werden. Weiterhin kam es darauf an, den bisherigen Standardmessbereich nach unten zu erweitern, so dass auch der Feinanteil exakt gemessen werden kann.

Der Messort ist entscheidend Für die Abbildung von Prozessänderungen ist es wichtig, eine differenzierte Auswertung der gemessenen Daten vorzunehmen. Es reicht nicht aus, wie bei anderen Prozessen mit «normaler» PGV nur den Median der Partikelgrösse (x50) zu betrachten – entscheidend ist bei diesem Prozess vielmehr das Verhältnis von Fein- und Granulatanteil. «Im regulären Betrieb schwankt dieses Verhältnis allerdings», erklärt Dietrich. «Der Feinanteil passiert unregelmässig den Auslass der Maschine und führt auf diese Weise zu Messschwankungen.» Besonders wichtig zur repräsentativen Probennahme ist daher die Positionierung der Messsonde: Abhängig davon, wo und wie diese unterhalb des Granuliersiebs positioniert wird, bestehen eklatante Unterschiede beim Verhältnis zwischen Fein- und Granulatanteil. Um ein optimales Verfahren für 1–2/2022

V erfahrenstechnik

eine möglichst repräsentative Probe zu entwickeln, wurden vier unterschiedliche Ansätze geprüft. Dazu wurden unter anderem mehrere Testreihen durchgeführt, in denen zeitgleich Proben an 40 verschiedenen Positionen unter dem Granuliersieb genommen und analysiert wurden. Das daraus entwickelte Verfahren zur repräsentativen Inline-Probennahme wurde Anfang 2021 zum Patent angemeldet. Auch die geringe Partikelgrösse stellte eine Herausforderung dar: Damit diese kontinuierlich inline bestimmt werden kann, entwickelte Parsum speziell für den Einsatz in Walzenpressen eine PAT-Messsonde mit nach unten erweitertem Messbereich sowie spezielle Inline-Dispergierer, mit denen sich auch Partikel im Grössenbereich von 20–2000 µm zuverlässig vereinzeln und damit stabil messen lassen.

Überwachung relevanter Prozessparameter in Echtzeit Auf Basis zahlreicher Testreihen und Optimierungen bei der Messtechnik konnte schliesslich eine marktreife Walzenpresse zur Trockengranulierung mit integriertem Diagnose-Tool entwickelt werden. Damit für die Qualitätssicherung keine manuellen Stichproben mehr entnommen und offline analysiert werden müssen, sondern alle Messungen und Analysen bereits inline und in Echtzeit durchführbar sind, wurde die Partikelmesssonde an einem dafür strategisch günstigen Ort in der Walzenpresse platziert. Dennoch achtete die Alexanderwerk GmbH bei der Integration auf eine platzsparende Bauweise, so dass sich

werden. Darüber hinaus lassen sich die Inline-Messdaten für eine direkte Freigabe einer produzierten Charge für den nächsten Verarbeitungsschritt nutzen.

Ausblick

Damit für die Qualitätssicherung keine manuellen Stichproben mehr entnommen und offline analysiert werden müssen, sondern alle Messungen und Analysen bereits inline und in Echtzeit durchführbar sind, verfügt die Inline-Partikelsonde über ein neu entwickeltes Prozess-Interface zur repräsentativen Messung. (Bild: Parsum GmbH)

die Walzenpresse im Vergleich zu Vorgängermodellen nicht vergrössert. Es werden lediglich 100 mm Bauhöhe mehr am Auslass der Walzenpresse benötigt, um die Messsonde mit Dispergiertechnik zu installieren. «In der Maschinensteuerung werden alle relevanten Maschinenparameter, wie Presskraft, Walzenspalt und Walzendrehzahl, zusammengeführt und die Ist- und Soll-Werte aufgezeichnet und abgeglichen. Darüber hinaus wird jetzt auch die komplette PGV gemessen und erfasst. Die Kennwerte werden sowohl in Echtzeit grafisch aufbereitet als auch im Batch-Protokoll gespeichert», berichtet Weidemann. Durch die so ermöglichte Online-Überwachung kann die Anlage bei grösseren Abweichungen oder bei Überschreiten vorab bestimmter Grenzwerte frühzeitig gestoppt und in der Folge unnötiger und kostspieliger Materialverlust verhindert

Nach Abschluss der ersten Phase des Forschungsprojekts ist nun eine marktreife Lösung entstanden, die zukünftig als Option für die Walzenpresse WP120 Pharma der Alexanderwerk GmbH angeboten werden kann und auch für andere Einsatzgebiete adaptiert werden soll. Für die Kooperationspartner ist das Projekt jedoch noch nicht abgeschlossen, denn die Entwicklung der Walzenpresse mit Inline-Messsonde stellt nur einen Teilschritt auf dem Weg zum vollständig geregelten Prozess im Sinne eines effizienten Continuous Manufacturing dar. Geplant ist bereits eine Auswertung in Echtzeit der inline gemessenen PGV, um über eine Populationsmassenbilanz Rückschlüsse auf die Schülpendichte und deren Qualität zu ziehen. Eine solche Auswertung kann genutzt werden, um – falls notwendig – über einen Regelkreis in den Kompaktierprozess einzugreifen, und so eine noch konstantere Qualität der produzierten Granulate zu erreichen. «Damit hält Industrie 4.0 immer mehr Einzug in die Prozesstechnik und erlaubt eine kontinuierliche, kosteneffiziente und fehlerfreie Fertigung», so Weidemann abschliessend.

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W erkstoffe

Zwei Fliegen mit einer Klappe

Farbwechsel zeigt Schäden im Material an Forschende der ETH entwickelten ein neuartiges Laminat, das sich verfärbt, sobald sich das Material verformt. Damit schlagen die Materialforschenden zwei Fliegen mit einer Klappe: einen leichtgewichtigen Verbundwerkstoff, der sich selbst inspiziert.

Peter Rüegg ¹ In vielen Bereichen hat die Leichtbauweise Einzug gehalten, insbesondere im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau. Nebst klassischen Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium oder Titan werden zunehmend auch Verbundmaterialien, sogenannte Komposite, in tragenden Anwendungen verbaut. Das hat zur Folge, dass gleichzeitig neue Techniken und Methoden entwickelt werden müssen, um Schäden oder gar ein mögliches Versagen solcher noch wenig erprobter Materialien frühzeitig zu erkennen. Forschende der ETH Zürich aus der Gruppe für Komplexe Materialien haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Fribourg einen Ansatz gewählt, über den in der Materialforschung schon viel nachgedacht wurde: Sie haben einen Leichtgewichts-Werkstoff geschaffen, der durch eine Farbänderung innere Verformungen und damit ein mögliches Materialversagen frühzeitig anzeigt. Das aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Laminat ist transparent, bruchfest und trotzdem sehr leicht.

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stoff (Polymer) und künstlichem Perlmutt. Letzteres ist eine Spezialität des Labors für Komplexe Materialien und ist dem biologischen Vorbild der Muschelschale nachempfunden. Es besteht aus unzähligen, parallel angeordneten Glasplättchen, die verdichtet, gesintert und durch ein Polymer-Harz verfestigt werden. Dadurch wird es äusserst hart und bruchfest. Die zweite Schicht besteht aus einem Polymer, dem die Forschenden ein eigens für diese Anwendung an der Universität Fribourg synthetisiertes Indikatormolekül beimengten. Dieses Molekül wird durch Dehnungskräfte, die im Polymer auftreten, aktiviert. Dadurch verändert sich dessen Fluoreszenz. Je stärker die Materialdehnung und je mehr dieser Moleküle aktiviert werden, desto intensiver wird die Fluoreszenz.

Fluoreszenz zeigt überbeanspruchte Teile an «Wir haben fluoreszierende Moleküle verwendet, weil man die Zunahme der Fluoreszenz sehr gut messen kann und nicht auf die subjektive Wahrnehmung angewiesen ist», sagt Tommaso Magrini, Erstautor einer entsprechenden Studie, die in der Fachzeitschrift «ACS Applied Materials and Interfaces» erschienen ist. Man hätte das System auch mit einem von aussen direkt wahrnehmbaren Farbumschlag aufbauen können. Aber: «Die Wahrnehmung von Farben ist subjektiv und Rückschlüsse auf Veränderung im Material schwierig», betont der Forscher. Mithilfe der Fluoreszenz können die Forschenden nun überbeanspruchte Bereiche innerhalb des Verbundwerkstoff bereits dann identifizieren, bevor sich Brüche ausbilden. Dadurch lassen sich anfällige Stellen in einer Struktur frühzeitig erkennen, ehe ein katastrophales Versagen auftritt.

05.04.17 18:08

Das Material ist natürlichem Perlmutt nachempfunden. (Bild: Adpic)

Eine mögliche Anwendung des neuartigen Laminats sind denn auch Bauteile in tragenden Strukturen, etwa von Bauten, Flugzeugen oder Fahrzeugen, und deren Versagen unbedingt frühzeitig erkannt werden muss. Eine offene Frage ist allerdings noch, ob und wie das Material im industriellen Massstab produziert werden kann. Bis jetzt gibt es dieses erst im Labormassstab als Machbarkeitsnachweis.

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M anagement

Sowie die Gletscher schmeltzen, wandeln sich die Anforderungen an Unternehmen in puncto Nachhaltigkeit. (Bild: Adpic)

Ein Management-System kontrolliert CO2-Fussabdruck

Der Markt wird sich stark verändern Nachhaltigkeit gewinnt nicht nur im Alltag an Bedeutung, auch für Unternehmen wird eine nachhaltige Arbeitsweise immer wichtiger. Unternehmerische Verantwortung, also der freiwillige Beitrag der Wirtschaft zu einer nachhaltigen Entwicklung über die gesetzlichen Anforderungen hinaus, ist Teil nahezu jeder aufstrebenden Organisation. In der Schweiz wird die Verantwortung künftig von der Freiwilligkeit zur Gesetzlichkeit werden. Um den Herausforderungen im Bereich Corporate Sustainability gewachsen zu sein, wappnen sich zahlreiche Organisationen bereits jetzt für die Zukunft. Dabei helfen kann beispielsweise das «SAP Product Footprint Management», mit dem Unternehmen ihren CO2 -Fussabdruck berechnen können. Auf zahlreiche Schweizer Unternehmen kommen künftig neue Anforderungen im Bereich der nicht-finanziellen Berichterstattung und Sorgfaltspflicht zu. Betroffen sind davon Unternehmen von öffentlichem Interesse, die mindestens 500 Mitarbeitende und eine Bilanzsumme von 20 Millionen Franken oder einen Umsatz von 40 Millionen Franken haben. Teil dieses nicht-finanziellen Berichts sind unter anderem Umwelt- und CO2-Ziele. Wilhelm Heckmann, Managing Director bei der CNT Management Consulting AG in Zürich, betont die zunehmende Bedeutung von Nachhaltigkeit für Unternehmen: «Nicht nur Investoren achten bei ihren Investments vermehrt auf soziale Verantwortung, auch Kunden legen bei der Wahl eines Unternehmens immer mehr Wert auf nachhaltige Produkte und Dienstleistungen.» Zahlreiche Organisationen neh1–2/2022

men diese Entwicklungen nun zum Anlass, um sich auf digitaler Ebene auf das Thema Nachhaltigkeit vorzubereiten und sich so für zukünftige Aufgaben zu wappnen. Das im September 2021 veröffentlichte «SAP Product Footprint Management» wurde genau für diese Herausforderungen entworfen und unterstützt Unternehmen beim Start in eine nachhaltigere Zukunft.

«Der Markt verändert sich stetig und der Fokus der Veränderungen liegt eindeutig auf Klimamassnahmen.» Wilhelm Heckmann

Wenngleich die Regierungsmassnahmen noch nicht überall so streng sein mögen, sind die Auswirkungen klimapolitischer He-

rausforderungen an Unternehmen bereits heute offensichtlich. «Der Markt verändert sich stetig und der Fokus der Veränderungen liegt eindeutig auf Klimamassnahmen. Folglich ändert sich auch das Verhalten der Verbraucher und Lieferketten», erklärt Heckmann. Um auch für Investoren interessant zu bleiben, müssen Unternehmen heute nachweisen, dass sie in der Lage sind, für die gestiegenen Anforderungen in diesem Bereich gewappnet zu sein. Zudem ist auch das Reputationsrisiko nicht zu unterschätzen, fehlende Klimaschutzmassnahmen könnten gar den Ruf eines Unternehmens zerstören. Dabei sei es laut Heckmann auch wichtig, sich Experten auf diesem Gebiet ins Team zu holen – und vor allem auch im Softwarebereich vorbereitet zu sein. Durch die richtigen Produkte wird sowohl die Einhaltung der neuen Richtlinien erheblich erleichtert, als auch 37

M anagement

Wilhelm Heckmann, Managing Director bei der CNT Management Consulting AG. (Bild: zvg)

eine transparente Unternehmensführung garantiert.

Transparenter CO2-Fussabdruck Eine innovative Lösung zur transparenten Nachverfolgung des CO2-Abdrucks von

Unternehmen ist das bereits erwähnte «SAP Product Footprint Management». Damit können Unternehmen den CO2-Fussabdruck ihrer Produkte und der gesamten Wertschöpfungskette berechnen. «Das SAP Product Footprint Management berücksichtigt den gesamten Produktlebenszyklus und hilft Unternehmen, den ökologischen Fussabdruck ihrer Produkte gegenüber Regulierungsbehörden offenzulegen und ihre Produkte nachhaltiger zu gestalten», erläutert Heckmann. Durch die Einbindung der Emissionsdaten in die zugrundeliegenden Geschäftsprozesse können Führungskräfte von Unternehmen aktiv Veränderung vorantreiben, indem sie bewusste Entscheidungen über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg treffen können.

CO2-Ausstoss bereits vor der Produktion berechnen Das Management-System ist weiters dazu in der Lage, die Umweltauswirkungen verschiedener Produktionsszenarien zu berechnen. «Unternehmen können dadurch beispielsweise die Bezugsquelle für ihre Produkte sowohl nach den Kosten des Rohstoffs als auch nach dessen CO2-Fussabdruck auswählen», so Heckmann. Zudem sind die Auswirkungen auf den CO2-Ausstoss bereits zu Beginn des Produktlebenszyklus ermittelbar. Auch der Datenaustausch mit Kunden, Lieferanten und Geschäftspartnern ist mit der Produktlösung möglich.

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V eranstaltung

Fachmesse und Konferenz: Filtech 2022

Moderne Filtrationstechnik gibt den Ton an Ob im Labor, im pharmazeutischen Betrieb oder in der chemischen Industrie: Ohne Filtration und Separation geht es nicht. Trenntechnik gehört zu den unverzichtbaren Verfahren der Branche – und aktuelle Entwicklungen gibt es im März 2022 wieder auf der Filtech zu sehen: Als wichtigste Plattform für die Filtration und Separation aller Arten von Medien lädt die Veranstaltung Besucher zur Kombination aus Messe und Kongress nach Köln ein.

Die Life-Sciences-Branche macht vieles anders als die chemische Industrie – und im Labor gelten noch einmal ganz andere Regeln. Doch einige Herausforderungen verbinden die Branche – zum Beispiel das Streben nach sicheren Prozessen und qualitativ hochwertigen Produkten. Die Messlatte wird dabei immer höher angelegt, denn nicht nur Grenzwerte, Normen und Gesetze, auch die Anforderungen der Kunden werden strenger. Und schliesslich werden auch Messmethoden zunehmend besser.

Fachwissen zu Filtration und Separation Auf der Filtech werden daher sowohl technisches Know-how als auch branchenbezogene Expertise vermittelt: Die weltweit wichtigste Plattform für die Filtration und Separation aller Arten von Medien findet nach einer Corona-bedingten Pause dieses Jahr wieder statt. Vom 8. bis 10. März 2022 erhalten Besucher auf dem Messegelände in Köln Antworten auf sämtliche Fragen zur Filtration und Separation von Medien aller Art. Die langjährig erfolgreiche Kombination aus Messe und Kongress hat aufgrund der dynamischen Entwicklung der CoronaPandemie bereits Anfang 2021 ihre Website um einen ausführlichen Informations-

Filtech 2022 – kurze Übersicht Veranstaltungsort: Messegelände Köln, Hallen 7 und 8 Veranstaltungstermin: Dienstag, 8. bis Donnerstag, 10. März 2022 Messeturnus: alle 1,5 Jahre Öffnungszeiten: März 2022: 9 –18 Uhr

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bereich erweitert, der Interessierten Lösungen für ihre Herausforderungen in der Filtration vorstellt. Im Mittelpunkt steht inzwischen aber die Vorfreude auf die Präsenzveranstaltung. «Mehr als 420 Aussteller haben ihre Flächen zur Filtech bereits gebucht und freuen sich auf die Messe im März 2022», berichtet Suzanne Abetz vom Veranstalter Filtech Exhibitions Germany.

Optimierung von Primärund Sekundärprozessen Das breite Angebot von Ausstellern und Teilnehmern des Konferenzteils belegt den Querschnittscharakter des Fokusthemas: Nicht nur in den Primärprozessen von Chemie und Biowissenschaften, Life Sciences, Pharma und der Lebensmittelund Getränkeindustrie, sondern auch in Sekundärbereichen stellt Filtertechnik den Schlüssel zu Effizienz und Sicherheit dar. So erhalten Besucher auf der Filtech auch Informationen über Werkstoffe und Verbrauchsmaterial, die für den Betrieb von Filtrationsanlagen unverzichtbar sind. Hohe Relevanz geniesst nicht zuletzt auch das Filtech-Thema Lüftungs- und Luftreinigungstechnik, denn reine Luft kann eine wirksame Massnahme zur Reduzierung des Infektionsrisikos durch aerosolgebundene Viren darstellen. Die Veranstaltung vereint zahlreiche Anbieter von Lüftungsund Filtrationstechnik, die Anlagenbetreiber mit effizienten Lösungen für die Produktion und alle weiteren Betriebsbereiche unterstützen.

Messe und Konferenz im Doppelpack Zahlreiche Aussteller zeigen auf der Filtech ihre Produkte: Separations- und Trenntechnik, Messtechnik, Analytik und Laborbe-

Über 420 Aussteller präsentieren auf der Veranstaltung Produkte und Services. (Bild: Filtech)

darf, Dienstleistungen und auch Neuigkeiten aus Wissenschaft und Forschung gehören zum Programm. Denn die internationale Veranstaltung bietet Besuchern nicht nur einen Messebereich mit dem gesamten Spektrum der Filtration und Separation aller Arten von Medien. Das umfangreiche Konferenzprogramm gibt ausserdem vertiefende Informationen über aktuelle Produkttrends sowie Einblicke in Forschung und Entwicklung. Das Programm mit über 250 Vorträgen wurde bereits im Oktober 2021 veröffentlicht. Interessierte können alle Termine online einsehen und ihren Besuch planen. Branchengrössen sind ebenso vertreten wie Spezialisten, hinzu kommen zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsinstitute. «Die Corona-Situation hat das Interesse der Aussteller nicht gemindert. Weite Teile der Filtrationsbranche spielen eine entscheidende Rolle bei den situationsbedingten Herausforderungen. Auch viele neue Firmen werden sich erstmals auf der Filtech 2022 präsentieren», betont Suzanne Abetz. Als fokussierte Fachmesse habe die Filtech dabei den Vorteil, keine Besuchermassen steuern zu müssen. «Das gibt Ausstellern und Besuchern maximale Sicherheit.» www.filtech.de 39

VERBANDSSEITE

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

■ Präsident Kurt Bächtold Bodenackerstrasse 15F CH-4334 Sisseln praesident@cp-technologe.ch

■ Höhere Fachprüfung ■ Termine Chemietechnologe Alle Termine online Siegfried AG, Daniel Müller anschauen: Untere Brühlstrasse 4 www.cp-technologe.ch CH-4800 Zofingen weiterbildung@cp-technologe.ch

SEKTION NORDWESTSCHWEIZ 25 Jahre-Jubiläum

Die SCV Sektion NWS freut sich, im Jahr 2022 ihr 25-Jahre- Jubiläum feiern zu können.

Mit der 24. GV 2022 werden die Feierlichkeiten offiziell eröffnet und mit der 25. GV im

Jahr 2023 mit einer Jubiläums- Generalversammlung abgeschlossen. Der Sektionsvorstand ist bemüht, Events und Aktivitäten zusammenzustellen, die die Jubiläums-Feierlichkeiten unterstreichen. Die Events und Aktivitäten der Sektion NWS sind im Jahresprogamm 2022 aufgeführt,

weitere der Pandemiesituation angepasste Events und Aktivitäten folgen und werden laufend auf der SCV Homepage vom Schweizerischen Chemieund Pharmaberufe Verband (www.cp-technologe.ch) und im Verbandsorgan «Chemiextra» publiziert. Der Vorstand SCV Sektion Nordwestschweiz

Zwei CP-Technologen überwachen eine Produktionsanlage. (Bild: shutterstock)

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VERBANDSSEITE

SEKTION OBERWALLIS CPT Lehrabgänger 2021 Lonza Visp Am Samstag 12. Juni 2021 war der Zeitpunkt als die theoretischen, sowie die praktischen Arbeiten des Qualifikationsverfahrens der Chemie- und Pharmatechnologen des 3. Lehrjahres der Lonza Visp und der DSM in Lalden abgeschlossen wurden.

Bei den praktischen Abschlussarbeiten dauerten die einzelnen Verfahren jeweils 4.5 Tage. Als Aufgaben waren die Herstellung einer bestimmten Menge eines Stoffes inkl. aller benötigten Analysen, sowie Berechnungen und Laborarbeiten vorgegeben.

In diesem Jahr konnten 15 Kandidaten das Qualifikationsverfahren für Chemie- und Pharmatechnologen erfolgreich abschliessen. Die Mitglieder, sowie der Vorstand der Chemie- und Pharmatechnologen Vereinigung Sektion Oberwallis, gratulieren

allen Lehrabgängern zum bestandenen Qualifikationsverfahren.

Fredy Salzmann

Erwachsene

Flury Josef

Furrer Michel

Furrer Sandro

Imboden Andreas

In-Albon Philipp

Roll Dominic

Seematter Rouven

Seiler Damian (DSM)

Slatincic Ivan

Wyss Yann

Heynen Aaron

Hubler Guy

Zumofen Yannic

Leiggener Erich

Jugendliche

D`Abundo Florian

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PRODUKTE

Trübungs- und Chlor-Analysatoren für hochwertiges Trinkwasser

Wasserqualität muss kontinuierlich überwacht werden. Bei Mängeln muss schnell reagiert werden, um eine sichere Trinkwasserversorgung zu gewährleisten. Gemäss der Weltgesundheitsorganisation sind bei allen Trinkwasserversorgungen die Trübung und der Chlorgehalt zu prüfen. Yokogawa entwickelt Trü-

bungs- und Chloranalysatoren. Nun hat das Unternehmen seine Palette an Analysatoren der Produktfamilie OpreX für Wasseraufbereitungsanlagen erweitert. Zu den neuen Produkten zählen: – Trübungsdetektor TB820D für Messungen mit 90°-Streulichtwinkel: Management von Wasseraufnahme, Sedimentation, Reinigung, Verteilung und anderen Prozessen in Wasseraufbereitungsanlagen – Analysator FC800D zur Messung von freiem Chlor ohne Reagenzien: Management des Gehalts an freiem Chlors bei der Wasseraufbereitung, -verteilung und -versorgung

Kühlketten von –100 °C bis +150 °C lückenlos überwachen Das Schweizer Messtechnikunternehmen MSR Electronics GmbH erweitert mit dem Typ MSR86 seine Serie der «MSR BudgetLine»Datenlogger. Der kompakte Mehrweg-Datenlogger ist mit einem externen Temperatursensor (–100 . . . +150 °C) ausgestattet, welcher leicht an Produkten aller Art angebracht werden kann, um laufend deren Temperatur zu überwachen. Der MSR86 wurde speziell zur Überwachung von äusserst niedrigen Temperaturen entwickelt, wie sie bei Transport und Lagerung von verderblichen Produkten wie Pharmazeutika, Enzymen, Geweben, Organen, Impfstoffen, biologischen Produkten, Proben, klinischen Materialien und vielen anderen empfindlichen Produkten benötigt werden, wenn beispielsweise auch Trockeneis verwendet wird. Er kann auch zur Überwachung der Temperaturbedingungen in Öfen, Autoklaven oder Sterilisatoren verwendet werden. Das Multifunktions-LCDDisplay zeigt den aktuellen Messwert, die Minimal-, Maximal- und Durchschnittswerte, den Status des Loggers, den Alarm und den Batteriestand an. Der MSR86 ist manipulationssicher und verfügt über verschlüsselte, passwortgeschützte Aufzeichnungen zur Einhaltung der Richtlinien von 21 CFR Part 11. Die Genauigkeit des Loggers wird durch ein

rückverfolgbares Kalibrierungszertifikat dokumentiert, das in seinem internen Speicher verfügbar ist. Der MSR86 ist DIN12830- sowie «21 CFR Part 11»-konform und erfüllt die EU-Vorschriften für die Lagerung und den Transport von gekühlten und tiefgefrorenen Lebensmitteln ebenso wie diejenigen der US Food and Drug Administration (FDA). Mittels USB-Interface lassen sich die aufgezeichneten Messdaten rasch auf einen PC übertragen. Durch Stoppen des Datenloggers wird automatisch ein PDF-Report der aufgezeichneten Messwerte generiert, der zu Dokumentationszwecken gespeichert oder abgelegt werden kann. Der Bericht enthält eine grafische Ansicht des Temperaturverlaufes, eine Tabelle der Messwerte und eine statistische Ansicht, die Minimum, Maximum, Durchschnitt, MKT-Werte usw. anzeigt. MSR Electronics GmbH CH-8472 Seuzach info@msr.ch www.msr.ch

– Restchlor-Analysator RC800D (Messung mit Reagenzien): – Management von Wasseraufnahme, Sedimentation, Reinigung, Verteilung und anderen Prozessen in Wasseraufbereitungsanlagen – Management von Brauchwasseranlagen in der Industrie – Wasserqualitätskontrolle in Grossboilern – Flüssigkeitsanalysator FLXA402T für Trübungs- und Chlormessungen: zur Verwendung mit TB820D, FC800D und RC800D – Pulsgenerator PG400: Selbstreinigungsmodul für TB820D Über Selbstdiagnosefunktionen, die anzeigen, wann eine Wartung

fällig ist und wann Fehler aufgetreten sind, verfügen sowohl der Trübungsdetektor TB820D als auch die Analysatoren FC800D und RC800D. Der RC800D meldet zudem, wenn keine Messflüssigkeit vorhanden ist. Die ermittelten Werte können drahtlos an eine Cloud übermittelt werden, so dass sie von jedem beliebigen Standort aus überwacht werden können.

Yokogawa Europe Branches B.V., Swiss Branch Allschwil CH-4123 Allschwil stefan.lugert@ch.yokogawa.com www.yokogawa.com/ch

Präparative HPLC bei erhöhten Temperaturen Nach einer Peptid-Synthese erfolgt die Aufreinigung und Abtrennung des gewünschten Peptides von den unerwünschten Nebenprodukten. Eine etablierte Technologie zu dieser Aufreinigung von makromolekularen Verbindungen ist die präparative Chromatographie. Das Ziel dieser präparativen HPLC-Technik ist das Isolieren der Zielverbindungen, sie zu reinigen und zu sammeln. Erste Trennschritte werden häufig zunächst auf analytischer Ebene durchgeführt und dann hochskaliert. Allerdings gibt es bei konventionellen präparativen HPLC-Geräten einige chemisch-physikalische Limitierungen und Einschränkungen, z. B. die Aggregation und Ausfällungen, schlechte Löslichkeit, hoher Säulendruck, lange Laufzeiten und schlechte Auflösung mit Tailing. Das Prodigy ist eine neuartige HPLC im präparativen Massstab mit einer integrierten Säulenheizung und dem fokussierten Gradientenrechner von CEM. Chromatographische Methoden aus dem beheizten Analysenmassstab können im Prodigy direkt im präparativen Massstab durchgeführt werden. Die peptidfokussierte Entwicklung dieses Geräts ermöglicht eine breite Anwendung – sogar für sehr hydrophobe Peptide. Das vollintegrierte Heizsystem bietet eine hohe Effizienz bei der Auftrennung.

Die wichtigsten Eigenschaften zusammengefasst: – Vollintegriertes Heizsystem mit voroptimierten Methoden – Keine Aggregation, keine Ausfällungen, bessere Löslichkeit der Peptide – Niedriger Säulendruck – Kurze Laufzeit – Bessere Auflösung, kein Tailing – Eingebauter fokussierter Gradientenrechner zur Transformation von einer beheizten analytischen Methode zu einer beheizten präparativen Methode – Aufreinigung von bis zu 1,5 Gramm Rohpeptid pro Lauf – UV-basierende Fraktionssammlung – Intuitive Software mit OneTouch-Start, Sammlung und Reinigung

CEM GmbH D-47475 Kamp-Lintfort info@cem.de www.cem.de

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PRODUKTE

Ein eigensicheres Mikrofon

Unter der Modellbezeichnung EX378B02 steht ein eigensicheres, Atex-zertifiziertes 1/2-Zoll-Mikrofon zur Verfügung, welches in explosionsgefährdeter Umgebung für Messungen in Gasatmosphäre eingesetzt werden kann. Basis ist das bewährte Freifeld-Mikrofon Modell PCB-378B02 in ICP/IEPE-Technik.

Applikationen sind beispielsweise die Lecksuche an Gasleitungen oder die Prüfung von Gastanks. Das Mikrofon deckt den Frequenzbereich 3,75 . . . 20 000 Hz ab und hat eine Empfindlichkeit von 50 mV/Pa. Der Dynamikbereich beträgt 137 dB, das Eigenrauschen liegt bei 15.5 dB(A). PCB Synotech GmbH D-41836 Hückelhoven info@synotech.de www.synotech.de

Mehrkanal-Dosiersteuerung mit modularem Designkonzept

Die neue Dosiersteuerung GUC-F von Gericke kann zum Dosieren und Wiegen in allen Arten von gravimetrischen und volumetrischen Anwendungen eingesetzt werden – im kontinuierlichen oder chargenweisen Produktionsmodus. Ein einzelner Kontroller kann bis zu vier Dosierer steuern, was die Installation sehr kosteneffizient macht. Mit der Unterstützung von analogen und digitalen Wägezellen und der integrierten Steuerung von Wiederbefüll- und anderen Automatisierungsaufgaben ist der GUCKontroller in der Lage, jede beliebige Kombination von Dosiergeräten zu verwalten und sogar Dosierprozesse als eigenständige Einheit zu steuern. Die schnelle Verarbeitung und Übertragung von Signalen ermöglicht es, den Prozess genau abzubilden, und mit seinem selbstoptimierenden Regelalgorithmus (TrendTec) erreicht er eine hohe Genauigkeit auch unter anspruchsvollen Prozessbedingungen oder während der Wiederbefüllung. Vorkonfiguriert für verschiedene Dosiertypen, Betriebsarten und Frequenzumrichter ist die Dosiersteuerung sehr einfach zu bedienen. Der Zugriff ist über optionale lokale Touch-Displays, ein überge-

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ordnetes Leitsystem oder über einen Webbrowser möglich. Selbst Updates sind «over the air» (OTA) möglich. Mit fortschrittlicher Diagnose und Fernzugriff sind Berechnungen der Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE), vorausschauende Wartung und Industrie-4.0-Funktionen auf dem neuesten Stand der Technik. Mit der mehrsprachigen, auf Browsertechnologie basierenden HMI ist sie intuitiv bedienbar und unterstützt zudem verschiedene Betriebsmodi für Standard- und Expertenanwender. Basierend auf industriellen Ethernet-Protokollen lässt sich der GUC problemlos in alle modernen Automatisierungsnetzwerke integrieren. Die lokalen Konfigurationen können gespeichert und einfach dupliziert oder wiederhergestellt werden, wodurch Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert werden. Ein konfigurierbares Benutzerzugriffssystem mit individuellen Zugriffsrechten sorgt für Prozesssicherheit, und ein Protokollsystem zeichnet alle Manipulationen und Dateneingaben auf. Die direkte A/D-Wandlung des Gewichtssignals am Dosierer erhöht die Signalqualität und eliminiert zusammen mit fortschrittlichen Filtertechnologien Zufallssignale und Umgebungsstörungen. Gericke AG CH-8105 Regensdorf info@gerickegroup.com www.gerickegroup.com

Schrittmotor mit hoher Dynamik Der neue Schrittmotor AM3248 von Faulhaber stösst im Hinblick auf Geschwindigkeit und Drehmoment in neue Leistungsdimensionen vor. Mit maximal 10 000 rpm kann er die fünffache Drehzahl vergleichbarer Schrittmotoren erreichen. In Kombination mit einer Getriebeuntersetzung von 100:1 liefert er ein Drehmoment von 5 Nm. Diese Werte schafft der Motor mit einem Durchmesser von nur 32 mm. Damit ist er für zahlreiche Anwendungen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Laborautomation, grosse optische Systeme, Halbleiterindustrie, Robotik und 3-D-Druck geeignet. Der mehrpolige Zweiphasen-Schrittmotor AM3248 macht 48 Schritte pro Umdrehung und bietet mit 85 mNm ein sehr grosses Haltemoment. Er startet vom ersten Schritt an mit einer hohen Geschwindigkeit; sein niedriges Trägheitsmoment erlaubt den Einsatz in Anwendungen, die sehr schnelle Beschleunigung sowie schnelle Richtungswechsel voraussetzen. Neu entwickelte grosse Kugellager dehnen die Lebensdauer dieses Motortyps noch weiter aus. Der

Motor kann ausserdem mit einem magnetischen Encoder der Reihe IE3 kombiniert werden. Mit diesen Eigenschaften und Optionen ist er für eine Reihe von anspruchsvollen Anwendungen geeignet. Dazu gehört zum Beispiel die Halbleiterindustrie. Dort ist bei der Positionierung der Wafer eine sehr hohe Dynamik und Geschwindigkeit gefordert, bei sehr engen Einbauverhältnissen in den Automaten.

Faulhaber Minimotor SA CH-6980 Croglio info@faulhaber.ch www.faulhaber.com

Neue Software-Version für Multiphysik-Modellierung

Comsol, ein führender Anbieter von Softwarelösungen für Multiphysik-Modellierung, hat Version 6 der Software Comsol Multiphysics veröffentlicht. Die neue Version bietet jetzt den Model Manager, eine neue Arbeitsumgebung in Comsol Multiphysics, die eine effiziente Verwaltung von Simulationsdaten und Zusammenarbeit ermöglicht. Ebenfalls neu in der Ver-

sion 6.0 ist das Uncertainty Quantification Module, ein neues Zusatzprodukt für die Software, das probabilistische Designmethoden zur Quantifizierung der Unsicherheit in Analysen und vorgegebenen Sicherheitsmargen verwendet. Darüber hinaus umfasst Version 6 wichtige Löser-Verbesserungen, welche die Leistung in Bereichen wie Wärmestrahlung und Modellen mit nichtlinearem Materialverhalten um Faktor 10 beschleunigen. Mit der Version 6 verspricht Comsol, die Produktivität von Ingenieuren, ihren Teams und ihren Unternehmen in den Bereichen Produktdesign, Prozessentwicklung und Fertigung zu steigern.

Comsol Multiphysics GmbH CH-8005 Zürich info@comsol.ch www.comsol.com

PRODUKTE

Rezeptor-Affinitätsstudien von Antikörpern vereinfachen

TSKgel-FcR-IIIA-Säulen basieren auf einem rekombinanten Fc-gammaIIIa-Rezeptor, der als Ligand auf Polymerpartikeln immobilisiert ist. Sie trennen monoklonale Antikörper nach ihrer Affinität zum Rezeptor und ermöglichen eine schnelle Analyse der biologischen Aktivität sowie eine Fraktionierung zusammen mit der biologischen Aktivität. Der Fc-gamma-IIIa-Rezeptor spielt eine Schlüsselrolle bei der antikörperabhängigen zellvermittelten Zytotoxizität (ADCC), die ein entscheidender Wirkmechanismus

von Anti-Tumor-mAbs ist. Es ist bekannt, dass die Fc-Glykane von Antikörpern eine wichtige Rolle bei Fc-vermittelten Effektorfunktionen spielen. Daher können Trennmuster von therapeutischen Antikörpern auf TSKgel-FcR-IIIA mit Fc-NGlykanen und der ADCC-Aktivität von Immunglobulinen korreliert werden. Früh eluierende Peaks von TSKgel-FcR-IIIA-Säulen repräsentieren Glykoformen mit niedriger ADCC-Aktivität, während spät eluierende Peaks Glykoformen mit hoher ADCC-Aktivität repräsentieren. Sebio GmbH CH-4450 Sissach info@sebio.ch www.sebio.ch

Ein eigensicheres Tablet für die Industrie 4.0

Die Pepperl+Fuchs Marke Ecom Instruments bringt das eigensichere Tablet Tab-Ex 03 der 8-Zoll-TabEx-Serie auf den Markt. Es gibt es in zwei Varianten: DZ2 (für Zone 2/22 & Division 2) und D2 (für Division 2). In schlankem und leichtem Design bietet das Tablet – basierend auf dem «Samsung Galaxy Tab Active 3» – moderne Technologie für raue Umgebungen, Android 11 mit Update-Garantie sowie mehr Arbeitsspeicher und externen Speicher als die Vorgängermodelle. Für hohe Daten- und Gerätesicherheit sorgt die neue Enterprise Edition von Samsung Knox. Das handliche Tab-Ex 03 (DZ2 und D2) ist einfach mit Handschuhen oder dem Stift S Pen bedienbar, der mit hoher Drucksensibilität wie ein echter Stift schreibt. Auf dem grossen Bildschirm mit einer Auflösung von 1920 × 1200 Pixel lassen sich etwa Konstruktionszeichnungen detaillierter und grösser betrachten als

auf einem Smartphone-Display. Für Foto- und Videoaufnahmen ist eine 13-Megapixel-Kamera verbaut, die Frontkamera hat eine Auflösung von 5 Megapixel. Wenn es von der Anlage ins Büro oder sogar Homeoffice gehen soll, können Anwender das Tablet mithilfe der Samsung-DeX-Funktion am Desktop anschliessen. Das integrierte Google ARCore macht das Tablet fit für Augmented-Reality-Anwendungen in der Industrie 4.0, beispielsweise zur Anlagenverwaltung oder für Predictive Maintenance. Eine individuell programmierbare Taste ermöglicht indes unter anderem einen schnellen und effektiven Alarm, Notrufe oder Push-to-Talk (PTT) für maximale Sicherheit der Mitarbeitenden zu jeder Zeit. Das Tablet lässt sich dank Lösungen der Ecom-Produktsparte Digital Products & Services nicht nur unkompliziert aufsetzen und managen, sondern jederzeit aktualisieren – auch over-the-air. Durch die Analyse historischer Daten werden so zum Beispiel sicherheitskritische Vorgänge sichtbar. Pepperl+Fuchs AG CH-2557 Studen info@ch.pepperl-fuchs.com www.pepperl-fuchs.com

Konstantklimaschrank für anspruchsvolle Pharmabedingungen

Binder in Tuttlingen führte zum Ende des vergangenen Jahres den Klimaschrank KBF-S ECO ein. Dieser Konstantklimaschrank ist durch eine besondere Neuerung innerhalb der Peltier-Technologie das energieeffizienteste Produkt seiner Klasse. Der von zwei Seiten horizontal zugeführte Luftstrom garantiert stets homogenes Klima und eignet sich für Langzeittests und beschleunigte Tests von pharma-

zeutischen Produkten nach der ICH-Richtlinie Q1A. Er regelt einen Feuchtebereich von 10 % r.F. bis 80 % r.F. und einem Temperaturbereich mit regulierter Feuchte von 5 °C bis 70 °C. Ohne Feuchteregulierung ist der Temperaturbereich sogar 0 °C bis 70 °C. Der ECO kommt dabei komplett ohne Kältemittel aus, was zusammen mit der besonderen Energieeffizienz zu vielen Pluspunkten im Bereich Umweltschutz und Nachhaltigkeit führt. Selbst unter Volllast stimmt das Klima im neuen Konstantklimaschrank. Kleinste Abweichungen sind so gering, dass sie kaum messbar sind. Binder GmbH D-78532 Tuttlingen info@binder-world.com www.binder-world.com

Elektronendiffraktometer mit vereinfachter Optik

Das neue Elektronendiffraktometer Eldico ED-1 von Eldico Scientific ermöglicht Beugungsexperimente im Nanobereich. Es ist einfach zu installieren und besonders benutzerfreundlich. Eldico Scientific hat das System unter strikter Einhaltung der wichtigsten Spezifikationen entwickelt und ein fünfachsiges, um 140° drehbares, nanometergenaues Goniometer und einen 160-keV-Elektronenstrahl mit einer speziell entwickelten und radikal vereinfachten Optik einschliesslich eines Stem-Modus integriert. Mit diesem Gerät lassen sich innerhalb von Minuten genaue Atomstrukturen aus anorganischen und organischen Proben analysieren. Das El-

dico ED-1 wird die Art und Weise, wie Strukturanalysen durchgeführt werden, womöglich stark verändern: Es ermöglicht die Untersuchung von Kristallen im Nanobereich ohne Umwege. Mithilfe der Elektronendiffraktometrie für die Analyse von nanokristallinen Verbindungen können sich Forschende in der Industrie oder an Hochschulen die präparative Chemie auf ein Minimum reduzieren und auf wirklich wertschöpfende Aktivitäten konzentrieren. Eldico Scientific AG CH-5234 Villigen info@eldico.ch www.eldico-scientific.com

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