ChemieXtra 9-10/2022 by SIGWERB GmbH

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE 2022Oktober/September 9–10 / 2022 Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes Die neue 80-GHz-Radarfamilie. Hohe Sicherheit herausforderndenbeiProzessen. Besuchen Sie uns auf der ILMAC LAUSANNE 28. – 29. September 2022 Halle 7, Stand B02

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sierung der chemischen Industrie. «Wie kann eine klimaneutrale Chemieindust rie gelingen?» war die Leitfrage der Messe. Unzählige Vortragsreihen über CO2-neutrale Produktion, erdölfreie Verfahren oder «grünen» Wasserstoff als Energieträger dominierten die Debatte während der Fachmesse.

Doch auch wenn man es vielleicht nicht gern hören – oder in diesem Fall lesen – möchte, die neuen Techniken sind nicht alle so ausgereift, wie manch einer hoffen mag. Der Forschungsbedarf ist immer noch immens. Wie kann Wasserstoff in grossen Mengen problemlos gelagert und transportiert werden? Wie kann garantiert werden, dass für Prozesse, die ohne fossile Energieträger laufen, immer genügend «grüner» Strom vorhanden ist? Es gibt sehr wohl Antworten auf diese Fragen. Aber eben mehr als nur eine einzige vermeintliche Lösung.

Roger

Die Thematik ist komplex. Und ob eine klimaneutrale Produktion wirklich gelingen wird, wissen wir schlichtweg nicht. Das heisst aber nicht, dass eine solche Vision unmöglich ist und in das Reich der Phantasterei gehört. Nein, es bedeutet nur, dass Forschungsinstitutionen, die sich mit Herzblut dieser Thematik widmen, noch enger mit der Industrie zusammenarbeiten müssen. Oft führen die konventionellen Verfahren zu günstigeren Produkten als bei den alternativen Prozessen. Wie die Gesellschaft diesem marktwirtschaftlichen Dilemma begegnet und wie die Industrie und Politik schliesslich mit dieser Entwicklung umgehen, sind Fragen, auf die wir keine Antwort haben. Aber wir können sie uns natürlich denken.

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Wir wünschen Ihnen viel Vergnügen beim Lesen!

Eine klimaneutrale Industrie –Phantasterei oder doch bald Realität?

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Solargetriebene Katalysatoren erhöhen Effizienz

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Hohe Sicherheit herausforderndenbeiProzessen

Roger Bieri

Bakterien als Wasserstoffspeicher

Biologen aus Deutschland und der Schweiz zeigen, weshalb bestimmte Bakterien bei der sicheren und effizienten Speicherung von Wasserstoff helfen könnten (Symbolbild). (Bild: Adpic)

So funktioniert das Prinzip der Wasserstoffspeicherung mithilfe von Ameisensäure (GoetheUniversität Frankfurt).

Wasserstoff wird oft als Energieträger der Zukunft gehandelt. Doch hinter dem Hoffnungsträger verbergen sich im wesentlichen zwei praktische Probleme: die Explosionsgefahr und die geringe volumetrische Energiedichte. Forschende aus Deutschland und aus Basel sehen eine Möglichkeit, wie man künftig diese zwei Probleme umgehen könnte. Sie zeigen, weshalb uns ausgerechnet Bakterien dabei helfen könnten.

Ein Blick in die Zukunft

«Mit einer Wasserstoffwirtschaft wird die dringend notwendige Energie- und Klima wende nicht zu verwirklichen sein». Diese harte und zugleich ganz klare Aussage stammt von Ulf Bossel, einer ausgewiese nen Fachperson für nachhaltige Energielö sungen. In einem Gastbeitrag in der Che mieXtra (Ausgabe 3/2022) machte der deutsch-schweizerische Ingenieur deut lich, weshalb er vor dieser «Sackgasse» der Wasserstoffwirtschaft warnt. Dabei deutet er unter anderem auf eine wesentliche Besonderheit von Wasserstoff hin: die ge ringe Energiedichte pro Volumen. Bossel macht einen Vergleich: Ein Liter FlüssigErdgas weist einen Energieinhalt von 13,7 kWh auf. Im gleichen Volumen haben aber nur 2,36 kWh verflüssigter Wasser stoff Platz.

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Doch die Prozesse solcher künstlichen Synthesen sind nach wie vor nicht vielver sprechend und schwierig. Die Ausbeute ist oft zu gering. Zudem herrschen bei diesen Reaktionen mit chemischen Katalysatoren extreme Bedingungen – hohe Drücke und Temperaturen. Das ist in erster Linie un wirtschaftlich und es löst das Umweltpro blem nicht.

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10-mal effektiver Aber wie kann es sein, dass die Natur die se Reaktionen immer mit wesentlich mil deren Reaktionsbedingungen schafft als

59–10/2022 F OKUS

Ein altbekanntes Problem

Katalysator aus der Natur

So soll die funktionieren«Biobatterie»

Einen ganz anderen Ansatz verfolgen des halb Biologen der Goethe-Universität in Frankfurt. Anstatt auf einen chemischen Katalysator setzen sie auf einen biologi schen, also auf ein Enzym. Das Bakterium Acetobacterium woodii soll die ganze Ar beit verrichten. In der Natur verstoffwech selt es CO2 mithilfe von Wasserstoff zuerst zu Ameisensäure und dann zu Essig und schliesslich zu Ethanol. Die Mikrobiologen programmierten das Erbgut des Kleinstle bewesens so um, dass die Umwandlung der Stoffe bereits bei der Ameisensäure stoppte. Das Wichtigste: Die Reaktion ist komplett reversibel und läuft unter Nor malbedingungen ab.

Konkret soll eine Photovoltaikanlage aus Sonnenenergie elektrischen Strom gewin nen. Tagsüber, wenn genügend Strom pro duziert wird, soll die Anlage mithilfe des Energieüberschusses mit Wasser Wasser stoff erzeugen (Hydrolyse). Dieser wird dann in einen Bioreaktor eingeleitet, wo die modifizierten Bakterien ihn in ener

Ein Lösungsansatz des Problems könnte Ameisensäure oder ihre konjugierte Base Formiat sein. Denn Wasserstoff lässt sich mit CO2 zu Ameisensäure synthetisieren. Die Säure ist im Gegensatz zum Gas nicht nur einfacher in der Handhabe (flüssig bei Raumtemperatur), sondern weist auch eine höhere volumetrische Energiedichte auf. So könnte Wasserstoff in Form von Ameisensäure zwischengespeichert wer den und nach Bedarf wieder in Wasser stoff umgewandelt werden.

giereiche und stabile Ameisensäure um wandeln. Auf diese Weise wird der über schüssige Strom «zwischengespeichert». Während der Nacht bekommen die Bakte rien im Bioreaktor zu wenig Wasserstoff, denn die Solaranlage produziert keinen Strom mehr. Die Reaktion im Bioreaktor läuft dann automatisch in die umgekehrte Richtung. Die Kleinstlebewesen verwerten die Ameisensäure wieder und produzieren

Diese Eigenschaft ist allgemein bekannt und führt zu mehreren Schwierigkeiten. Wie kann Wasserstoff ökologisch und öko nomisch optimal gelagert oder transpor tiert werden?

Solaranlage mehr als genügend Strom. Der Energieüberschuss wird für die Nacht zwi schengespeichert. In der Nacht steht dann der Wasserstoff als Energieträger zur Ver fügung.

ansonsten ergibt die Zwischenspeicherung keinen Sinn.

Frankfurt und weiteren Institutionen ein Enzym untersucht, das CO2 direkt mithilfe von Wasserstoff zu Formiat reduziert. Die sogenannte wasserstoffabhängige CO2 Reduktase (HDCR) vermag, beinahe 10mal effektiver CO2 zu reduzieren als der bislang beste chemische Katalysator, der erst unter extremen Reaktionsbedingun gen seine Dienste verrichtet. Das Enzym, das in der Natur das Bakterium Thermo anaerobacter kivui für seinen Stoffwechsel benötigt, wäre also ein geeigneter Kandi dat für eine «Biobatterie» nach dem Frank furter Vorbild.

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Was bedeutet das für die «Energiewende»?

6 9–10/2022 F OKUS

Der Begriff «Energiewende» suggeriert eine sofortige Umwälzung der Energiever sorgung. Als würde wie in einem Buch einfach ein neues Kapitel aufgeschlagen. Wissenschaftliche Publikationen wie diese zeigen aber: Es ist keineswegs einfach. Und gerade hier sieht der Kritiker Ulf Bos sel das eigentliche Problem für die grosse Zustimmung beim Thema Wasserstoff: «Es gibt viel zu tun für Forschung, Entwicklung und Industrie – und der Staat bezahlt.»

Ungefähr so sehen die Bündel der Filamente des bakteriellen Enzyms aus. Der Biokatalysator stellt aus Wasserstoff und CO 2 Formiat her. Die Filamente unterstützen dabei diese RedoxReaktion. (Bild: Verena Resch) deshalb als Normenanwend SNV-Connect.

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Eines scheint sich immer mehr abzuzeich nen: Egal wie die Problematik am Schluss gelöst werden kann. Ohne einen sorgfälti geren Umgang mit Ressourcen und Ener gie wird es nicht gelingen. Auch wenn uns in Zukunft vielleicht doch winzige Lebewe sen bei der Energieproblematik helfen werden.

Die Ergebnisse dieser Studien zeigen auf, dass die Zwischenspeicherung von Was serstoff in Form von Ameisensäure mithil fe von Bakterien gelingen kann. Ob dies auch in der Praxis funktioniert, müssen weitere Versuche zeigen. Auch ist die «Bio batterie» in sich nicht ganz schlüssig: Denn nachts, wenn die Solaranlage keinen Strom mehr liefert, wandeln die Bakterien die Ameisensäure lediglich in Wasserstoff um. Und dieses Gas ist nur ein Energieträ ger und kann nur begrenzt direkt ange wendet werden. Doch das Gas müsste zwingend direkt an den Verbraucher – also wieder in Form von elektrischen Strom –

zentration des Enzyms in der Zelle relativ hoch, was die Effektivität wesentlich er höht.

Die Analytiker wussten nicht, welche struk turellen Eigenschaften dazu führen, dass HDCR so effektiv arbeitet. Es war ihnen also zu Beginn ein Rätsel, wie es den Elek tronen möglich ist, vom einen Reaktions ort der CO2-Reduktion zum anderen, der Wasserstoff-Oxidation, zu wandern. Mithilfe der Kyroelektronenmikroskopie (kyro-EM) konnten die Forschenden um den Basler Biologen Prof. Ben Engel die Struktur des Biomoleküls in der bakteriel len Zelle aufklären. Es zeigte sich, dass dünne fadenförmige Strukturen des En zyms, sogenannte Filamente, den Biokata lysator so produktiv machen. Ein solches Filament besteht aus unzähligen Eisenato men, die die Elektronen zu den Reaktions orten leiten. «Hunderte dieser Filamente sind umeinandergewunden und bilden übergeordnete ringförmige Strukturen», wird Engel in einer Pressemitteilung der Goethe-Universität zitiert. Diese Bündel sind im Verhältnis gross und in der Zell membran verankert. Dadurch ist die Kon

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Solargetriebene Katalysatoren erhöhen Effizienz Universität Ulm

Einem Forschungsteam der Universitäten Ulm und Jena ist es gelungen, die Entwicklung solargetriebener Katalysatoren entscheidend voranzutreiben. Ihre optimierten Photokatalysatoren sind effektiver als herkömmliche thermische Katalysatoren und legen damit einen Grundstein für die nachhaltige Nutzung regenerativer Energien in der Chemie-Industrie. Der Vorteil: Für eine Umstellung der Prozesstechnik auf sonnenbasierte Verfahren braucht es keine grossen Investitionen.

Doch auch das Licht der Sonne lässt sich für katalytische Prozesse effektiv nutzen. Den Beweis dafür haben kürzlich Wissen schaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Ulm und Jena erbracht. Ih nen ist es gelungen, einen sonnenlichtge triebenen Photokatalysator so zu optimie ren, dass dieser schneller und effizienter als ein konventioneller thermischer Kataly sator arbeitet. «Diese Entwicklung stösst das Tor zu einer nachhaltigen solaren Zu kunft der chemischen Industrie auf», so Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität DerUlm.Ulmer Chemiker hat gemeinsam mit seinem Jenaer Kollegen Professor Benja min Dietzek-Ivanši ć eine Studie koordi niert, die die Leistungsfähigkeit von Photo katalysatoren eindrucksvoll demonstriert.

Die «Brücke» matchentscheidendist

Die in «Nature Communications» veröf fentlichte Studie zeigt, dass sich solche solargetriebenen Photokatalysatoren eig nen, um aus energiearmen Ausgangsstof fen energiereiche, qualitativ hochwertige Reaktionsprodukte zu erzeugen. Kommen konventionelle thermische Katalysatoren

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«Wir konnten zeigen, dass das Design des Katalysators eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit der ablaufenden Lichtreaktion spielt – aber nicht für die thermische Reaktion», erklärt DietzekIvanši ć, der am Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena forscht und im Leibniz-Institut für Photonische Techno logien die Forschungsabteilung Funktiona le Grenzflächen leitet.

«Diese Entwicklung stösst das Tor zu einer nachhaltigen solaren Zukunft der chemischen Industrie auf.»

Sven Rau

Rund 80 Prozent aller Chemieerzeugnisse werden mithilfe katalytischer Prozesse her gestellt. Katalysatoren beschleunigen che mische Reaktionen oder bringen diese erst in Gang, indem sie die sogenannte Aktivierungsenergie senken. Diese Aufga be übernehmen häufig thermische Kataly satoren, deren Einsatz gekoppelt ist an den Verbrauch fossiler Energien.

Einfach in den Prozess integrierbar

den Experimenten heraus, dass insbeson dere der Aufbau der Brücke einen ent scheidenden Einfluss auf die Effizienz des Katalysators hat», bestätigen die Erstauto ren der Untersuchung Dr. Linda Zedler (Uni Jena) und Pascal Wintergerst (Uni Ulm). Mithilfe chemischer Synthesen, ka talytischer Untersuchungen und ult raschneller Spektroskopie konnte das For schungsteam die ablaufenden Prozesse im Detail aufklären.

Photoreaktor mit Photokatalysatoren (rote Lösung), die mit blauem LED-Licht kontrolliert be strahlt werden. (Bild: Elvira Eberhardt/Uni Ulm)

Der untersuchte Photokatalysator besteht aus drei chemisch aktiven Bauteilen: ei nem Zentrum für die Aufnahme der Licht energie, einer Brücke und einem KatalyseZentrum. «Erstaunlicherweise stellte sich in

Andrea Weber-Tuckermann ¹

Rapid polarity switching generates more data through fewer runs and enhances productivity

www.shimadzu.ch/countless-benefits

ć (links) und Sven Rau. (Bilder: Sven Döring/ Leibniz-IPHT und Elvira Eberhardt/Uni Ulm)

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Den Nachweis hierfür erbrachten die Chemikerinnen und Chemi ker für ein Anwendungsbeispiel mit grossem biotechnologischen Potenzial: der Wasserstoffanlagerung (Hydrierung) an Niko tinamid, wodurch ein energiereiches Molekül mit umfassenden Einsatzmöglichkeiten entsteht. Die organische Verbindung Niko tinamid ist ein zentraler Bestandteil von Nikotinamidadenindinu kleotid (NAD+ bzw. NADH). Dieses Coenzym ist in lebenden Zellen an zahlreichen Redoxreaktionen des Stoffwechsels betei ligt. Für die Forschenden ist die photokatalytisch vermittelte Hy drierung von Nikotinamid ein sichtbarer Beleg, dass sich solare Chemie und biotechnologische Anwendungen bestens koppeln Mitlassen.den Bauplänen für zukünftige solargetriebene Katalysatoren, die das Forschungsteam in dieser Studie etabliert hat, liefern die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darüber hinaus grund legende Erkenntnisse, wie sich die Energie des Sonnenlichtes effizient in chemische Bindungsenergie umwandeln und als sol che speichern lässt. Dieser Prozess ist zentral für die Nutzung von Solarenergie nach dem Vorbild der Natur. «Grundsätzlich hat das Forschungsprojekt aber eben auch gezeigt, dass sich katalytische Prozesse mithilfe optimierter Photokataly satoren auf eine solare Grundlage stellen lassen – und zwar mit einem Gewinn an katalytischer Effizienz», versichern die For schenden. Grossinvestitionen in der Chemie-Industrie sind dafür nicht nötig. Denn Stoffströme könnten beibehalten werden, und die technologische Basis der chemischen Prozesstechnik liesse sich ohne Probleme weiternutzen. Dies wäre ein wegweisender Schritt für die chemische Industrie, um nachhaltiger zu werden und unabhängiger von fossilen Brennstoffen.

Nachweis an biologisch bedeutsamen Beispiel

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zum Einsatz, braucht es dagegen energiereichere Ausgangsstoffe, um vergleichbare Reaktionen zu ermöglichen.

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Mehr Speed beim Lernen

Neurales Netzwerk löst Schrödingergleichung

Exakte Lösungen

Um möglichst exakte Lösungen für die Schrödinger Gleichung bzw. ihre Wellen funktion – als grosse Unbekannte in der Gleichung – für ein Molekül rechnerisch vorherzusagen, nutzen die Forschenden künstliche neuronale Netze. Das neurona le Netz lernt und erarbeitet immer bessere Vorschläge, bis eine Lösung gefunden wur de, die der Gleichung entspricht. Im Ge gensatz zu anderen Ansätzen benötigt das neuronale Netz keine grosse Sammlung an Beispiellösungen, sondern erarbeitet sich die Lösung allein an Hand der Glei chung. Bisherige Ansätze dieses maschi nellen Lernens sind aber nur für sehr ein fache Systeme anwendbar – mit erforderlichen Rechenleistungen über mehrere Tage. Bereits kleine Moleküle oder auch die verschiedenen Geometrien von Molekülen sind bereits viel zu kom plex, um sie aktuell kosten- und zeitver träglich rechnen zu können. «In der Studie haben wir versucht, über einen neuen Ansatz des maschinellen Ler nens die Schrödinger Gleichung für ver schiedene Molekülgeometrien gleichzeitig zu rechnen», so Deep-Learning-Experte Philipp Grohs vom Institut für Mathematik: «Dafür haben wir ein Verfahren aus der Wahrscheinlichkeitstheorie, die sogenann te Monte-Carlo-Simulation, mit unseren neuronalen Netzwerken kombiniert.»

«So konnten wir über unsere Methode sehr exakte Lösungen für die Schrödinger Glei chung und damit zur Bestimmung von Mo leküleigenschaften gewinnen, und viel schneller als mit den bisherigen Metho den», so die Forschenden.

Die rechnergestützte Chemie nutzt heute unserem Gehirn nachempfundene künstliche neuronale Netze, um an Supercomputern Moleküle mitsamt ihren Eigenschaften bestimmen zu können. Ein Team von der Universität Wien hat eine neue fundamentale Methode vorgestellt, die die Rechenzeiten für diese höchst langwierigen, kostenaufwendigen Rechnungen massgeblich reduziert.

entstand über die Zusammenarbeit im Forschungsnetzwerk Data Science der Uni versität Wien, welches Philipp Grohs leitet. Ihren Ansatz möchten die Forschergrup pen nun weiterverfolgen, um ihn z. B. auch auf grössere Moleküle anwendbar zu ma Diechen.Entwicklung neuer chemischer Verbin dungen für Medikamente, Halbleiter oder andere Materialien ist im chemischen Expe riment häufig sehr zeitintensiv und kosten aufwendig. Um für die neuen Materialien geeignete Moleküle bzw. Moleküleigen schaften zu finden, hilft die rechnergestütz te Chemie und ihre Simulationen an Super computern. Hat man erfolgsversprechende Verbindungen errechnet, können diese dann wesentlich gezielter im Labor synthe tisiert und getestet werden.

Über einen neuen Ansatz des maschinellen Lernens versuchten die Forschenden, die Schrö dinger Gleichung für verschiedene Molekülgeometrien gleichzeitig zu rechnen. (Bild: Micheal Scherbela)

Die Schrödinger Gleichung beschreibt das quantenmechanische Verhalten von Teil chen eines Moleküls. «Sie mathematisch zu lösen, ist eine unserer grundlegenden Herausforderungen in der rechnergestütz ten Chemie», sagt Studienautor Philipp Marquetand vom Institut für Theoretische Chemie: «Sobald man die Gleichung für ein bestimmtes Molekül lösen kann, lässt sich daraus im Prinzip jede seiner Eigen schaften beschreiben.»

Dabei nutzte das Team um Chemiker Phi lipp Marquetand und Mathematiker Philipp Grohs die Erkenntnis, dass das Wissen über 95 Prozent jener Parameter, die ein neuro nales Netz für eine bestimmte Geometrie beschreiben, für alle anderen Geometrien ebenfalls gilt. Dieses Wissen kann also über die Geometrien hinweg geteilt werden und spart so Rechenbedarf. Nur fünf Prozent der Parameter («Netzwerk-Gewichte») sind für eine bestimmte Geometrie spezifisch und müssen separat gerechnet werden.

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Die Idee zur Zusammenarbeit zwischen dem Chemiker und dem Mathematiker

119–10/2022 Da s Le ben is t sc h ö n, so la ng e ni ch ts pa ssie rt . Di e Mit gl ie de r de r Si ch er he it s- Cha rt a bekenn en si ch mit ih re r Un te rs ch ri ft ko mp ro miss los zu Sicher he it sm ass na hme n und se tzen die le benswichtig en Re gel n od er ih re ei gen en Si ch er he it sr eg el n ak tiv um . Si e so rg en so für me hr Ar be it ss ic he rh ei t und Wi rt sch af tl ic hkei t in ih re n Be tr ieb en . Tr et en au ch Si e on li ne be i: www.s ic he rh ei ts -c ha rt a.ch STOPP BEI GEFAHR / GEFAHR BEHEBEN / WEITERARBEITEN Un te rs tü tz t dur ch die Su va Mein Verspr echen: Ich förder e Ar beitssicher heit be dingungslos. Matthias von Ah, Ge sc häft sf ühr er, Ga ss er Fe ls te chnik AG Jetzt beitreten:sicherheits-charta.ch

Vorgang, der aus der Pflanzenwelt bekannt ist, konnte jetzt auch im Labor reprodu ziert werden, wie Forschende um den Chemiker Sven Rau und den Photophysi ker Benjamin Dietzek-Ivanši ć gezeigt ha Ihnenben. gelang es, den natürlichen Repara turansatz auf künstliche Photokatalysatoren zu übertragen und damit wichtige Ressour cen und Rohstoffe zu sparen. Eingebettet

Dr. Lydia Petermann ¹ und Andrea Weber-Tuckermann ¹

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In Anlehnung an die natürliche Photosynthese ist es deutschen Chemikern gelungen, einen molekularen Photo katalysator «zu reparieren». Der Reparaturprozess ermöglicht die Reaktivierung des katalytischen Systems, so dass die lichtgetriebene Wasserstoffbildung viele Male mit ein und demselben Molekül erfolgen kann. Die Forschenden der Universitäten Ulm und Jena stellen ihr System im Fachjournal «Nature Chemistry» vor.

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Photokatalysator

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Die natürliche Photosynthese ist ein idea les Vorbild für die Wandlung und Speiche rung von Energie aus Sonnenlicht. Chemi ker und Chemikerinnen aus Ulm und Jena haben von der Natur einen chemischen «Heilungsprozess» abgeschaut, mit dem sich Photokatalysatoren immer wieder re generieren können.

Molekularer Reparaturmechanismus Universität Ulm

Reaktor-Apparatur für die Photokatalyse. (Bild: Heiko Grandel/Uni Ulm)

Dieser molekulare Reparaturmechanismus sorgt dafür, dass sich die Katalysatoren für die lichtgetriebene Wasserstoffbildung so zusagen selbst in Stand setzen können. Somit kann eine der grundlegenden Ein schränkungen bei der Solarenergieum wandlung, die begrenzte Lebensdauer der Katalysatoren, behoben werden. Dieser

Eingebettet ist das Forschungsprojekt im Transregio-Sonderforschungsbereich TRR 234 CataLight, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit zehn Millionen Euro gefördert wird. In diesem Verbundprojekt nehmen sich Forschende der Universitäten Ulm und Jena die natürliche Photosynthese zum Vorbild und ent wickeln neue Materialien für die Umwandlung und Speicherung von Sonnenenergie. Der Titel des SFB TRR 234 lautet: «Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hie rarchisch strukturierten Materialien: Synthese und mechanistische Studien (Cata Light)»

Die chemischen Prozesse sind verblüffend einfach Veröffentlicht wurde diese interessante Arbeit im renommierten Fachjournal «Na ture Chemistry». Es konnten verschiedene verblüffend einfache chemische Prozesse

ist dieser gemeinsame Forschungserfolg im CataLight.Transregio-Sonderforschungsbereich

Der Transregio-Sonderforschungsbereich TRR 234 CataLight

genutzt werden, um die nach dem Durch laufen der Katalyse nicht mehr funktions fähigen Katalysatoren zu reaktivieren. Dank detaillierter struktureller und photo physikalischer Untersuchungen waren die Forschenden in der Lage, die Struktur des beschädigten Photokatalysatormoleküls aufzuklären und den Deaktivierungsme chanismus auf molekularer Ebene zu ver stehen. Aufbauend auf diesen grundle genden Erkenntnissen gelang es den Chemikern, mit gezielten chemischen Reaktionen den Verlust der Katalysefähig keit des Systems umzukehren. Der Photo katalysator wurde so in seinen Ursprungs zustand zurückversetzt und sozusagen «wiederbelebt».

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«Wir können diesen molekularen Repara turprozess, der lediglich Licht und Luftsau erstoff braucht, mehrfach durchführen und damit die katalytische Leistung pro Mole kül um ein Vielfaches steigern», erklärt Prof. Sven Rau vom Institut für Anorgani sche Chemie I der Universität Ulm. Anstatt Photokatalysatoren komplett zu entsorgen und deshalb ständig zusätzliche Materiali en für die lichtgetriebene Wasserstoffbil dung herstellen zu müssen, können Kom ponenten, die während der Katalyse beschädigt wurden, kosteneffizient repa riert und ökologisch sinnvoll wiederver wendet werden.

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www.uni-ulm.de

Das Schaubild zeigt den De- und Reaktivierungskreislauf eines Photokatalysator-Moleküls. Der «verbrauchte» bzw. inaktive Photokatalysator wird durch molekulare Reparaturmechanis men reaktiviert. (Grafik: Jannik Brückmann und Lydia Petermann/Uni Ulm)

Nur Licht und Sauerstoff nötig

Dieser regenerative Ansatz liefert neue Lö sungskonzepte für die solare Treibstofffor schung. Im Mittelpunkt steht dabei ein Molekül, das gleichzeitig Sonnenlicht ab sorbieren und Wasserstoff produzieren kann. Obwohl die katalytische Aktivität nach einer gewissen Zeit verloren geht, kann die lichtgetriebene Wasserstoffbil dung nach gezielter Reparatur der beschä

Die Forschenden sind davon überzeugt, dass dieser molekulare Reparaturmecha nismus von enormer Bedeutung für das gesamte Forschungsfeld ist. Verlängert er einerseits den Zeitraum, über den die lichtgetriebene Wasserstoffentwicklung produktiv ablaufen kann, andererseits ist er auf weitere Klassen an Photokatalysato ren übertragbar, also vielfältig einsetzbar.

digten Komponenten erneut in Gang ge setzt werden.

Dr. Laura Bosco, Institut für Ökologie und Evolution der Universität Bern, Division of Conservation Biology. Gegenwärtig an der University of Helsinki, Finnish Museum of Natural History. (Bild: zvg)

stimulieren. Die biodynamische Bewirt schaftung ist zwar selten, wird weltweit aber am häufigsten in Rebbergen einge setzt. Während die Vorteile des biologi schen gegenüber dem konventionellen Landbau auf die Biodiversität bereits mehrfach in der Forschung nachgewiesen wurden, waren die Effekte der biodynami schen Bewirtschaftung bislang unklar.

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Beispiel eines biologisch bewitschafteten Weinbergs mit wenig gestörter und artenreicher Bodenbegrünung (Bild: C.Pfammatter/ Naturpark Pfyn-Finges)

Wie die Biodiversität gefördert wird

Forschende der Universität Bern haben untersucht, wie sich eine biologische, biodynamische und konventionelle Bewirtschaftung in Weinbergen auf die Insektenfauna auswirkt. Sie konnten zeigen, dass biologische – und in einem geringeren Masse auch biodynamische – Bewirtschaftung bessere Lebensraumbedingungen für die Insekten bietet als konventionell bewirtschaftete Weinberge.

Weinberge werden zumeist entweder kon ventionell, biologisch oder biodynamisch bewirtschaftet. Konventionell bedeutet, dass synthetischer Dünger und Pestizide erlaubt sind. Zudem werden häufig Herbi zide, also Unkrautmittel, eingesetzt, um eine allfällige Konkurrenz um Nährstoffe und Wasser zwischen den Reben und der Bodenvegetation zu verhindern. Im Ge gensatz dazu werden in der biologischen und biodynamischen Bewirtschaftung me chanische Methoden eingesetzt, um die Bodenvegetation zu minimieren – teilwei se werden auch Schafe zur Mahd einge setzt. Hier dürfen nur natürliche Dünge mittel und Fungizide verwendet werden. Darüber hinaus werden in der biodynami schen Bewirtschaftung in der Regel fer mentierter Mist und Pflanzenpräparate auf den Boden und die Pflanzen aufgebracht, um den Nährstoffkreislauf im Boden zu

Forschende der Universität Bern haben nun die Effekte der drei Bewirtschaftungs formen «biologisch», «biodynamisch» und «konventionell» im Zusammenhang mit der Bodenbegrünung auf die Insektenfau na in Walliser Weinbergen untersucht. Als Bodenbegrünung wird eine spontane Be grünung oder das bewusste Einsäen oder Zulassen geeigneter Pflanzen im Weinberg zwischen den Rebzeilen bezeichnet. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass biologi sche und biodynamische Bewirtschaftung

Auswirkung auf Insekten in Weinbergen

bessere Lebensraumbedingungen für die Bodeninsekten bieten als konventionell bewirtschaftete Weinberge, wobei die bio logische Bewirtschaftung einen stärkeren Effekt zeigt. Dieser Zusammenhang ist

Besserer Lebensraum für Insekten

Die Studie zeigt auf, dass in biologisch und biodynamisch bewirtschafteten Weinbergen mehr als doppelt so hohe Dichten an in der Bodenbegrünung lebenden Insekten gefunden werden als in konventionellen Parzellen (A). Für Insekten, die auf dem Boden leben, ist der Unter schied mit rund 1,5-mal höheren Dichten in biologischen versus konventionellen Parzellen etwas weniger markant (B), dennoch eindeutig höher und statistisch signifikant (*). Die Dichte bodenlebender Insekten ist in biodynamischen Weinbergen nicht klar höher als in konventio nellen (ns) – was die Autoren mit der «Mittleren-Störungs-Hypothese» erklären. (Grafik: zvg)

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In biodynamischen Parzellen wird häufig jede zweite Reihe oberflächlich gepflügt, was zu einer höheren Störung des Bodens und dadurch der Bodeninsekten führt. In konventionell bewirtschafteten Weinber gen wird die Bodenbegrünung häufig mit Herbiziden oder seltener maschinell zer stört, und dadurch die Nahrungs- und Le bensraumgrundlage vieler Insekten entzo gen. «Diese neuen Forschungsresultate zeigen, dass alternative Bewirtschaftungs formen in Weinbergen biodiversitätsför dernd sind, insbesondere für Insekten in biologischen Weinparzellen», erklärt die Erstautorin der Studie, Dr. Laura Bosco von der Abteilung Conservation Biology im IEE. Gemäss den Forschenden bieten die Er gebnisse grundlegende Anhaltspunkte für einen ökologisch nachhaltigeren Weinbau in der Zukunft. Ob sich diese Schlussfolge rungen auf andere Agrarökosysteme, an dere Organismen und andere Grössenver hältnisse verallgemeinern lassen, bedürfe jedoch weiterer Untersuchungen. Die Stu die wurde im Fachjournal «Frontiers in Conservation Science» publiziert.

Prof. Dr. Raphaël Arlettaz, Division Conser vation Biology, Institut für Ökologie und Evo lution, Universität Bern. (Bild: zvg)

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gestört (in diesem Falle bewirtschaftet) wird, im Vergleich mit einem statischen (keine Störung) oder einem stark gestör ten Ökosystem (etwa Vernichtung der Bo denvegetation mit Herbizid), mehr Ni schen für die Artenvielfalt bietet.

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aber weiter mit der Bodenbegrünung ver knüpft, so dass in biologischen Weinber gen die Insektendichte mit zunehmender Bodenbegrünung stetig zunimmt. In bio dynamischen und konventionellen Parzel len ist der Zusammenhang mit der Boden begrünung etwas komplexer und weniger eindeutig.

ist zielführend «Wir interpretieren diese Resultate so, dass biologische Parzellen bessere Bedingun gen für die Insekten bieten, indem die Bo denbegrünung strukturell komplexer und vielfältiger ist und weniger oft bewirtschaf tet und somit gestört wird», sagt Professor Raphaël Arlettaz vom Institut für Ökologie und Evolution (IEE) der Universität Bern, Leiter des Projekts. Dies entspricht der so genannten Mittlere-Störung-Hypothese, die besagt, dass ein Ökosystem, das leicht

Vielfältige Bodenbegrünung

Genau an diesen Stellen wird das Hydro gel dann weicher und durchlässiger, so kann man genau bestimmen, wohin sich die Zellen bewegen sollen.

Die neue Technik ist besonders für die tierversuchsfreie Pharma-Forschung inter essant: Mit dieser Laser-Methode kann man auf reproduzierbare Weise spezielle Gewebesysteme herstellen, die man dann unter genau kontrollierten Bedingungen am Chip untersucht, etwa um neue Medi kamente zu testen.

«Beim Herstellen von Gewebe beginnt man oft mit lebenden Zellen, die in ein Hydrogel eingebettet sind», sagt Prof. Alek sandr Ovsianikov, Leiter der Forschungs

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gruppe 3D-Printing and Biofabrication an der Technischen Universität Wien. Das Hydrogel ist ein biokompatibles Material, mit Eigenschaften, die denen von Gewebe sehr ähnlich sind. «Vergleichbar mit einem aufgequollenen Gummibärchen, das sich

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Wie ein Gummibärchen im Wasser

Wie mit einem Laser Zellen bewegt werden

Es ist eines der grössten Probleme beim Herstellen von künstlichem Gewebe: Wie schafft man es, die einzelnen Zellen an den richtigen Ort zu dirigieren, etwa wenn ein Blutgefäss an einer ganz bestimmten Stelle entstehen soll? An der Technischen Universität Wien ist dieses Kunststück nun gelungen: Das Hydrogel, in dem sich die Zellen befinden, wird mit ganz speziellen Molekülen angereichert, die dann mit ei nem Laserstrahl aktiviert werden können.

Organe auf einem Chip

Wenn man im Labor Gewebe erzeugt, soll nichts dem Zufall überlassen bleiben: An der Technischen Universität Wien wurde eine Methode entwickelt, um einzelne Zellen mit Laserpräzision an die richtige Stelle zu leiten.

Sternförmige Muster wurden angefertigt (links), die nach und nach in die Zellen wandern (rechts). (Bild: TU Wien)

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Forschende wollen die Organe auf einem Chip abbilden, um ihre Funktionsweisen besser zu verstehen, wodurch weniger Tierversuche bei präklinischen Studien nötig wären. Diese ChipOrgane setzen ein hohes Verständnis der Gewebezellen voraus. (Bild: Shutterstock)

«Vergleichbar mit einem aufgequollenen Gummibärchen, das sich mit Wasser vollgesogen hat.»

mit Wasser vollgesogen hat», erklärt Ovsi anikov. Die Zellen können durch das Hyd rogel hindurchwandern und ein Gewebe bilden. Es wäre jedoch wünschenswert, diesen Prozess kontrollieren zu können und zu erreichen, dass sich die Zellen dabei an einen vorgegebenen Bauplan Inhalten.der

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Im Experiment gab man auf diese Weise mit dem Laserstrahl bestimmte Wege im Hydrogel vor – und tatsächlich bewegten sich die Zellen dann genau auf diesen Pfa den. So konnte man stern- oder gitterför mige Zellstrukturen herstellen.

Zellen arbeiten, die Resultate werden da durch viel aussagekräftiger.

Im Fokus dieser Forschung steht vorerst nicht unbedingt die Erzeugung künstlicher Organe, sondern eine Technologie, die oft «Organ on a Chip» oder auch «Human on a Chip» genannt wird: Man erzeugt Gewe beteile, die dann auf einem wenige Zenti meter grossen Chip miteinander interagie ren, auf hochpräzise Weise mit ganz bestimmten Nährstoffen oder auch mit pharmazeutischen Präparaten versorgt werden können. Auf diese Weise kann man wichtige Information über die Wir kung von Medikamenten sammeln, ohne auf Tierversuche zurückgreifen zu müssen. Ausserdem kann man mit menschlichen

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Herzmuskelgewebe und einem kleinen Stück Lebergewebe untersucht.» Um den Zusammenhang genau zu verstehen, müs sen sich Strukturen wie etwa Blutgefässe genau an der richtigen Stelle befinden. Das wird nun mit der Laser-Steuerungsme thode möglich. Die erreichbare Komplexi tät massgeschneiderter Gewebeproben kann damit drastisch erhöht werden.

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Forschungsgruppe für 3D-Printing und Biofabrication hat man dem Hydrogel nun allerdings ganz spezielle Moleküle hin zugefügt. Normalerweise verändern sie das Verhalten des Hydrogels nicht, aber wenn sie mit einem Laser aktiviert wer den, dann wird genau an dieser Stelle das Hydrogel weicher und durchlässiger. «Das Molekül koppelt sich ans Netzwerk des Hydrogels, an dieser Stelle wird das Netz werk hydrophiler. Dadurch ändern sich die physikalischen Eigenschaften, und auf die se Weise ist es möglich, ein 3D-Muster zu erzeugen, durch das die Zellen leichter durchwandern können als anderswo», er klärt Simon Sayer (ebenfalls TU Wien).

«Human on a Chip»

«Das funktioniert aber nur dann, wenn wir die Eigenschaften dieser Gewebe exakt steuern können», sagt Tommaso Zandrini (TU Wien). «Erstens müssen diese Experi mente reproduzierbar sein, daher möchte man mehrere Gewebeproben mit genau derselben Mikrostruktur, und zweitens müssen die unterschiedlichen Proben auch genau aufeinander abgestimmt wer den können – etwa wenn man die Wech selwirkung zwischen einem kleinen Stück

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Weizen gehört zu den weltweit wichtigs ten Grundnahrungsmitteln. Die zentrale Rolle des Getreides für die globale Ernäh rungssicherheit wurde nicht zuletzt durch die kriegsbedingt ausfallenden Getreide exporte aus der Ukraine augenfällig. Ern ten sind aber auch durch Schädlingsbefall bedroht, was wirtschaftliche Verluste und Hungersnöte zur Folge haben kann. Zu den gefürchtetsten Erregern gehört der Mehltau, ein Pilz, der den Ertrag drastisch reduziert.

Ein Wettrüsten auf dem Acker

Unsere Spezies selbst ist verantwortlich für das globale Vorkommen eines der grössten Getreideschädlinge. Forschenden der Universität Zürich ist es gelungen, die Geschichte der Mehltau-Verbreitung entlang der Handelsrouten von Weizen nachzuvollziehen. Genetische Vermischungen verwandter Mehltau-Arten spielten dabei eine zentrale Rolle.

Der Mensch hat Mehltau global verbreitet

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Um einem Befall vorzubeugen, wird heute massiv in die Zucht Mehltau-resistenter Getreidesorten investiert. Diese sollen dem Pilz keine An griffsfläche bieten, denn der Erreger muss optimal mit seinem Wirt übereinstimmen, um das Getreide zu befallen. Doch der Mehltau über rascht stets aufs Neue mit seiner Fähigkeit, sich rasch an neue Wirte anzupassen. (Bild: Envato)

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Den Forschenden um Thomas Wicker und Beat Keller der Universität Zürich ist es gelungen, die Erfolgsgeschichte des Weizen-Mehltaus zu entschlüsseln. (Bild: Shutterstock)

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übereinstimmen, um das Getreide zu be fallen. Doch der Mehltau überrascht stets aufs Neue mit seiner Fähigkeit, sich rasch an neue Wirte anzupassen. Für eine nach haltige Bekämpfung des Schädlings ist es somit unabdingbar, den Krankheitserreger noch besser zu verstehen. Hier hilft der Blick in die Vergangenheit: Denn Mehltau ist so alt wie Weizen selbst. Doch wie er sich weltweit auf verschiedenen Getrei desorten ausbreiten konnte, war bisher unbekannt.

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Was die Forschenden bereits früher ver muteten, konnte nun mit den Daten unter mauert werden: In der Geschichte des Mehltaus kam es entlang der Verbrin gungsrouten des Weizens häufig zu Hybri disierungen, also genetischen Vermischun gen verwandter Mehltau-Arten. «Diese scheinen für die rasante Evolution der Pathogenität des Mehltaus verantwortlich zu sein», erläutert Kentaro Shimizu, CoDirektor des UFSP. «Besonders deutlich wird das am Beispiel der vielen amerikani schen Weizensorten, die in den letzten 120 Jahren für die Kreuzung mit traditio nellen ostasiatischen Weizens nach Japan gebracht wurden. Der ebenfalls importier te amerikanische Mehltau hybridisierte mit der ortsansässigen Variante, und die ent standenen Mischlinge konnten neu ge züchtete Weizensorten erfolgreich befal Umlen.»die Verbreitung des Mehltaus zu erfor schen, bedienten sich die Forschenden theoretischer Analysen, die ursprünglich geschaffen wurden, um die Entwicklungs geschichte der Menschheit zu untersu chen. «Unsere Studie zeigt einmal mehr, dass die Zusammenarbeit verschiedener Wissenschaftsdisziplinen und der Einsatz unkonventioneller Methoden bei der Erfor schung solch komplexer Themen grosses Potenzial hat», so Shimizu. www.uzh.ch

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Den Forschenden um Thomas Wicker, Bild Mehltau und Beat Keller vom Universitä ren Forschungsschwerpunkt (UFSP) «Evo lution in Aktion» der Universität Zürich ist es gelungen, die Erfolgsgeschichte des Weizen-Mehltaus zu entschlüsseln. Hierfür haben sie die genetische Zusammenset zung von 172 Mehltau-Varianten aus 13 Ländern auf vier Kontinenten miteinander verglichen. «Mit unseren Analysen können wir belegen, dass der Mehltau vor über 10 000 Jahren im Nahen Osten entstand, wo auch die Landwirtschaft und der mo derne Weizen ihren Ursprung haben», er klärt Alexandros Sotiropoulos, Doktorand am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich. «In der Stein- und Bronzezeit breitete sich die Landwirtschaft nach Europa und Asien aus. Durch Migra tion und Handel erreichte der Erreger neue Gebiete. Vor etwa 300 Jahren schleppten europäische Siedler mit dem Weizen auch den Mehltau nach Nord- und Südamerika ein.»

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Anpassung durch eine rasche Evolution

In diesem Fall sind mehrere Kontrollstufen möglich – je nach den spezifischen Be dürfnissen des Labors. Wenn Sie die Leis tung des Geräts regelmässig überprüfen, bleibt es lange Zeit genau und zuverlässig und trägt zu guten Messergebnissen bei.

Wenn eine Mikropipette mit verschiede nen Arten von Flüssigkeiten verwendet wird, kann sie leicht verunreinigt werden. Deshalb ist es wichtig, dass der Anwender das Instrument für die Reinigung mühelos zerlegen kann, ohne dass er ein spezielles Werkzeug benötigt. Wird die Pipette schnell gereinigt, hilft dies ebenfalls, die Lebensdauer zu erhöhen und die Kosten zu senken. Schliesslich muss nicht sofort wieder ein neues Instrument gekauft wer den. Zudem wird Plastikmüll reduziert, da weniger beschädigte oder irreparable Ins trumente entsorgt werden müssen.

Der Anwender sollte die Mikropipette für die Reinigung mühelos zerlegen können, ohne dass er ein spezielles Werkzeug benötigt. (Bild: Socorex ISba SA)

Seit Jahrzehnten werden Mikropipetten im Labor verwendet. Im Laufe der Zeit sind sie so gebräuchlich geworden, dass man ihre zentrale Bedeutung für den Analyseprozess fast vergessen hat. Oft wird neues Laborpersonal mit der Handhabung von Mikropipetten konfrontiert, ohne etwas über Mikropipetten und deren exakte Anwendung zu wissen.

Egal, mit welcher Technik die Pipette ausgestattet ist: Die Zuverlässigkeit des Instruments bleibt der wichtigste Punkt für ein fehlerfreies Pipettieren. (Bild: Socorex Isba SA)

5 Tipps im Umgang mit einer Pipette

Lagern Sie eine Mikropipette auf einem Pipetten-Ständer.

Nach dem Gebrauch sollte eine Mikropi pette auf einem Ständer gelagert werden. So steht sie für den nächsten Einsatz so fort für alle im Team bereit. Läge sie auf

Wählen Sie eine hochwertige Mikropi pette, die sich einfach auseinanderneh men und reparieren lässt. Die Wahl eines hochwertigen Instruments ist für eine präzise Dosierung unerlässlich. Dies erspart viel Ärger und falsche Resulta te während der eigentlichen Arbeit im La bor. Um die richtige Mikropipette zu fin den, kann man sich entweder auf seine eigene Erfahrung verlassen oder sich dies bezüglich mit Kollegen aus dem Labor aus tauschen. Dabei sollten die eigene Erfah rung und die Anwenderbedürfnisse bei der endgültigen Auswahl der Marke und des Models möglichst miteinbezogen werden.

Was Mikropipetten leisten müssen

Lassen Sie die Leistung einer Mikropi pette mindestens einmal im Jahr von einem Fachmann überprüfen. Jedes Messgerät muss regelmässig über prüft werden, da die Leistung auch bei einem hochwertigen Gerät mit der Zeit schwanken kann. Am einfachsten ist eine Selbstkontrolle innerhalb des Labors nach einer genau festgelegten Standardvorge hensweise (SOP). Man kann das Instru ment aber auch einem externen Partner anvertrauen, der die Reparatur und die Kalibrierung übernimmt.

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Je nach Art der zu dosierenden Flüssigkei

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Die Verwendung von Filterspitzen schützt die Mikropipette und die Probe vor möglichen Kontaminationen.

Jede Mikropipette muss regelmässig überprüft werden. (Bild: Socorex Isba SA)

dem Labortisch herum, würde sie bloss Arbeitsfläche blockieren und leichter auf den Boden fallen. Die Instrumente sollten zudem nicht in einer Schublade gestapelt werden, da sonst zerbrechliche Teile ab brechen können und dies die Funktion der Pipette gefährdet. Auf dem Markt gibt es sogenannte Uni versal-Ständer. Auf diesen können ver schiedene Marken von Mikropipetten aufbewahrt werden. Dies ist für viele La bore, die oft einen sehr vielfältigen Inst rumentenpark haben, vollkommen ausrei chend.

Überprüfen Sie die korrekte Einstellung des Volumens im Anzeigefenster. Die Volumenanzeige gibt Auskunft darüber, wie viel Flüssigkeit die Pipette aufnimmt oder abgibt. Je nach Mechanismus der Vo lumeneinstellung kann sich das Volumen aber während der Arbeit verändern. Achten Sie darauf, dass das Anzeigefenster auf der Vorderseite des Instruments auf einen Blick gut sichtbar ist. So lässt sich jederzeit überprüfen, ob die Einstellung korrekt ist. Darüber hinaus gibt es bei vielen hochwer tigen Instrumenten verschiedene Möglich keiten, die Volumeneinstellung zu blockie ren, um ein ungewolltes Verstellen zu verhindern. Beispielsweise fixieren präzise Einrastungen die Volumeneinstellung. Eine andere technische Lösung, um ein Verstel len zu verhindern, findet man am Einstell knopf. Dieser lässt sich frei drehen und macht somit die Handbewegungen beim

Pipettieren mit, wodurch die Volumenein stellung erhalten bleibt.

ten ist es wichtig, dass das Instrument und die Probe vor Kontamination durch Aero sole (Schwebeteilchen in der Luft) ge schützt sind. Gerade in der Molekularbio logie, Zellkultur oder auch Mikrobiologie ist ein solcher Schutz von grosser Bedeutung. Hierbei können sogenannte Filterspitzen weiterhelfen. Sie halten Aerosole zurück, die sonst sowohl die Mikropipette als auch die Probe in der Spitze kontaminieren wür Nurden. wenn die Spitze perfekt auf den Ko nus der Mikropipette passt und ihn somit komplett abdichtet, ist eine maximale Effi zienz gewährleistet. Es gibt Mikropipetten, die mit einem in der Höhe verstellbaren Spitzenabwurf ausgestattet sind. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass unter schiedliche Spitzen optimal auf den Konus passen. Das heisst, dass solche Pipetten kompatibel mit Spitzen verschiedener Marken sind.

Solche Filterspitzen halten Aerosole zurück, die sonst sowohl die Mikropipette als auch die Probe in der Spitze kontaminieren wür den. (Bild: Socorex Isba SA)

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Egal, mit welcher Technik die Pipette aus gestattet ist: Die Zuverlässigkeit des Instru ments bleibt der wichtigste Punkt für ein fehlerfreies Pipettieren.

Kontakt

Auf dem Markt gibt es unterschiedliche Pi petten-Ständer, die die Arbeit im Labor un terstützen. Sogenannte Universal-Ständer eignen sich besonders für Labore, die einen sehr vielfältigen Instrumentenpark haben. (Bild: Socorex Isba SA)

NMR-Spekroskopie

Kugel-und-Stab-Modell von Wassermolekülen, die durch Wasserstoffbrücken in eine hexago nale Struktur eingeschlossen sind, wenn Wasser zu Eis gefriert. (Bild: iStock)

In der Natur sind Wasserstoffbrücken, eine schwache Form der chemischen Bindung, sehr weit verbreitet. Sie haben eine stabi lisierende Wirkung auf grössere molekula re Systeme, beispielsweise auf die Struktur der DNA als Trägerin des Erbguts. Wasserstoffbrücken bestehen immer dann, wenn ein Wasserstoffatom eine Wechsel wirkung zwischen zwei Molekülen oder zwei Abschnitten eines sehr grossen Mole küls vermittelt. Entscheidend sind dabei die elektrostatischen Ladungen des Was serstoffatoms und der beiden Atome, wel che die gegenüberliegenden «Brückenköp fe» bilden. Von grossem wissenschaftlichen Interesse sind Strukturen, bei denen das Wasserstoffatom in der Mitte zwischen die sen Atomen liegt. Solche symmetrischen Wasserstoffbrücken gehen in vielen Fällen einher mit aussergewöhnlichen physikali schen Eigenschaften wie Supraleitfähigkeit oder BisherSuperionizität.wardieForschung noch nicht zu einem vertieften Verständnis der Ursa

Wasserstoffbrücken sind von grundlegendem Interesse für die Materialwissenschaft, die Physik und die Chemie. Ein internationales Team mit Forschenden der Universität Bayreuth hat mit einem neuartigen Verfahren, das die Anwendung der NMR-Spektroskopie in der Hochdruckforschung ermöglicht, überraschende Erkenntnisse zur Bildung von Wasserstoffbrücken erzielt.

Die NMR-spektroskopischen Daten zeigen, dass die Symmetrisierung der Wasserstoffbrücken – anders als in der Forschung gelegentlich angenommen – keine Elektrospin-Übergänge auslöst. (Bild: Shutterstock)

Neue Erkenntnisse zu Wasserstoffbrücken

menarbeit von Forschenden der Universi tät Bayreuth, der Universität Linköping und des Center for High Pressure Science &

chen und Funktionsweisen von Wasser stoffbrücken und ihrer Symmetrisierung gelangt. Aufgrund einer engen Zusam

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Wann sind sie symmetrisch?

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«Wir wissen jetzt erheblich mehr über die physikalischen Mechanismen, die der Symmetrisierung von Wasserstoffbrücken zugrunde liegen. Anwendungen der NMRSpektroskopie in der Hochdruckforschung ermöglichen neue Einblicke in spezielle und unerwartete Regelmässigkeiten im Aufbau von Materialien», erklärt Prof. Leo nid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoin stitut (BGI).

So konnten, in den Laboratorien des BGI, Wasserstoffbrücken mit einer zuvor uner reichten Präzision in sehr unterschiedli chen Materialien analysiert werden: in den Eisphasen VII und X, in Magnesiumsilikat der Phase D sowie in eisenhaltigen und eisenfreien Aluminiumoxyhydrid-Verbin dungen. In allen Fällen bildeten Sauerstoff atome die Brückenköpfe. Mit dem neuen Verfahren gelang es insbesondere, die räumliche Position der Wasserstoffatome zu identifzieren und die Voraussetzungen aufzuklären, unter denen eine Symmetri sierung der Wasserstoffbrücken zustande kommt.

Ein physikalischeseigenständigesPhänomen

Technology Advanced Research in Peking ist jetzt aber ein entscheidender Fort schritt gelungen: Erstmals wurde ein am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Univer sität Bayreuth entwickeltes Verfahren, das Materialproben in Diamantstempelzellen extrem hohen Drücken aussetzt und zeit gleich einer NMR-spektroskopischen Un tersuchung zugänglich macht, auf Wasser stoffbrücken angewendet.

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derheiten ihrer Umgebung unabhängig», resümiert Dr. Thomas Meier, Erstautor der neuen Studie. Am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth hat er in en ger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky und seinem Team das neue Verfahren zur Anwendung der NMRSpektroskopie in der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung entwickelt. Seit 2022 arbeitet er am Center for High Pres sure Science & Technology Advanced Re search in Peking.

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Die Ergebnisse haben die Forschenden überrascht: Obwohl die chemischen Be standteile und Strukturen der untersuchten Materialien sehr verschieden sind, zeigen die Wasserstoffbrücken zwischen Sauer stoffatomen ein sehr ähnliches Verhalten. Die Forschenden fanden heraus, dass die Symmetrisierung unter Druck genau dann stattfindet, wenn sich die beiden Sauer stoffatome in einem ganz bestimmten Ab stand zueinander befinden. Bei diesem Abstand bewirkt der Druck, dass sich das Wasserstoffatom in der Mitte zwischen den Sauerstoffatomen befindet. Darüber hinaus zeigten die NMR-spektroskopischen Daten, dass die Symmetrisierung der Was serstoffbrücken – anders als in der For schung gelegentlich angenommen – keine Elektrospin-Übergänge auslöst. «Symmetrische Wasserstoffbrücken haben sich bei unseren Untersuchungen als ein eigenständiges physikalisches Phänomen erwiesen. Sie bilden sich unabhängig von den chemischen und quantenmechani schen Eigenschaften ihrer Umgebung her aus und sind auch von strukturellen Beson

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Umlaufkühler

Herstellung von RNA-Chips deutlich vereinfacht

Gezielter Einsatz von Enzymen machts möglich

«Das Herausragende ist, dass die von uns aufHerstellungsmethodeentwickeltealleinkommerziellerhältlichenMaterialienundReagenzienbasiert.»

Fortschritt in der Bioanalytik

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Die kommerzielle Produktion von DNAChips basiert auf der schrittweisen Verket tung einzelner DNA-Bausteine. Obwohl diese Herstellungsmethode längst etabliert ist, lässt sie sich nur bedingt auf die Syn

these von RNA-Microarrays übertragen. Denn RNA-Moleküle sind deutlich instabi ler. Ebenso binden die einzelnen RNABausteine beim Aufbau des RNA-Strangs mit einer geringeren Effizienz aneinander als ihre DNA-Äquivalente. Dieser Effekt li mitiert die mögliche Länge des RNAStrangs. «Um insbesondere die noch unbe kannten Aufgaben von zellulären RNAMolekülen zu untersuchen, sind jedoch

Chips mit deutlich längeren RNA-Strängen erforderlich, als sie bisher mit der chemi schen Synthese von RNA-Microarrays er reichbar waren. Unsere neue Methode löst nun dieses Problem», erklärt Erstautorin Erika Schaudy, Wissenschaftlerin in der Gruppe von Mark Somoza am Institut für Anorganische Chemie der Universität Wien.

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Mit freiem Auge kaum sichtbar: Im Zentrum dieser Glasplatte sind mehr als 300 000 un terschiedliche RNA-Moleküle gebunden, hier aufgeteilt in vier örtlich voneinander ge trennte Abschnitte. (Bild: Erika Schaudy)

DNA und RNA sind Nukleinsäuren; ihre wohl bekanntesten Aufgaben in unseren Zellen sind die Langzeitspeicherung der Erbinformation in Form von DNA sowie RNA als Zwischenprodukt der Biosynthese von Proteinen. Kommerziell erhältliche DNA-Microarrays dienen standardmässig dazu, Genomanalysen im Hochdurchsatz durchzuführen. Sie finden zum Beispiel regelmässig Anwendung in der Diagnostik von verschiedenen Erbkrankheiten und Krebs. Sie bestehen aus einem festen Trä ger, beispielsweise einer kleinen Glasplat te, auf der eine grosse Anzahl verschiede ner DNA-Moleküle gebunden ist. Die Besonderheit liegt einerseits darin, dass für jede dieser Varianten ihre exakte Posi tion auf der Oberfläche bekannt ist. Ande rerseits können sie extrem dicht gepackt sein, so dass hunderttausende von unter schiedlichen DNA-Strängen auf der Fläche eines Daumennagels Platz finden.

bislangRNA-Chip-Produktionaufwendig

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«Das Herausragende ist, dass die von uns entwickelte Herstellungsmethode allein auf kommerziell erhältlichen Materialien und Reagenzien basiert. Eine spezialisierte Laborausstattung ist nicht nötig. Dies er möglicht nun Forschenden unterschied lichster Disziplinen selbst RNA-Microarrays herzustellen, die genau auf ihre wissen schaftlichen Fragestellungen zugeschnitten sind», freut sich Schaudy.

Biochips (Microarrays) sind moderne Analysewerkzeuge, die es erlauben, in einer geringen Menge von Proben material gleichzeitig tausende von Einzelnachweisen durchzuführen. Dank einer neuen Methode lassen sich kommerziell erhältliche DNA-Chips schnell und einfach in sonst deutlich schwerer herzustellende RNA-Chips umwandeln. Solche RNA-Microarrays tragen dazu bei, die noch unbekannten Funktionen von RNA-Molekülen in Zellen zu ergründen.

Wie das Wiener Forschungsteam nun zeigt, lassen sich die auf kommerziellen Chips vorhandenen DNA-Sequenzen durch den gezielten Einsatz von Enzymen längenunabhängig in ihre komplementä ren RNA-Stränge umschreiben. Weitere Enzyme bauen dann die DNA-Vorlagen selektiv ab, so dass schliesslich ein RNAChip entsteht.

Mark Somoza, der auch eine Arbeitsgrup pe am Freisinger Leibniz-Institut für Le bensmittel-Systembiologie an der Techni schen Universität München leitet, ergänzt: «Wir haben mit dieser schnellen und ein fach durchzuführenden Methodik zudem eine wichtige Grundlage für weitere An wendungsmöglichkeiten geschaffen. So könnte die RNA-Technologie zum Beispiel ebenso dabei helfen, den Einfluss von Le bensmittelinhaltstoffen auf zelluläre Pro zesse und damit die menschliche Gesund heit zu untersuchen.»

Erika Schaudy

Problematisch ist bei den bisherigen An wendungen der Kernspinresonanz vor al lem, dass die Geräte wegen der Magneten sehr schwer und auch teuer sind. Erschwe rend kommt derzeit eine Verknappung bei flüssigem Helium hinzu, das als Kühlmittel benötigt wird. «Mit der neuen Methode bewegen wir uns in Richtung einer mag netfreien Umgebung, auch wenn die vor uns liegenden Aufgaben noch eine Her ausforderung sind», beschreibt Barskiy die DamitPerspektive.starke

Magnetfelder überflüssig werden, nutzt der Wissenschaftler die Null- bis Ultraniedrigfeld-Magnetresonanz, kurz Zulf-NMR, und kombiniert sie mit ei ner speziellen Methode zur Hyperpolarisa tion von Atomkernen. Zulf-NMR ist eine neu aufkommende Technik, die auch ohne starke Magnetfelder umfangreiche spektroskopische Informationen liefert. Ein weiterer Vorteil gegenüber der HochfeldNMR ist, dass Signale auch in Gegenwart von leitfähigen Materialien wie Metallen gut nachweisbar sind. Die Sensoren, die

Eine Schwachstelle ist bisher allerdings noch das NMR-Signal. Die Methoden, die zur Erzeugung des Signals derzeit ange wandt werden, sind nur für einen begrenz ten Pool von Chemikalien geeignet oder mit unerschwinglich hohen Kosten verbun den. Barskiy nutzt daher die Hyperpolarisa tion von Atomkernen, bei der die Spins der Kerne in grosser Zahl ausgerichtet werden. Dazu sind verschiedene Techniken geeig net, die ein ausreichend starkes Signal für den Nachweis unter Zulf-Bedingungen lie fern. Die Methode «Signal Amplification by Reversible Exchange» (Sabre) hat sich als besonders günstig erwiesen: Im Zentrum der Technik befindet sich ein Iridium-Me tallkomplex, der den Transfer der Spinord nung von Parawasserstoff auf ein Substrat vermittelt. Nachteile dieser Technik, die aus der vorübergehenden Bindung der Probe

an den Komplex resultieren, hat Barskiy mithilfe von Sabre-Relay gelöst, einer noch recht jungen Weiterentwicklung: Die Polari sation erfolgt via Sabre und wird dann wei ter auf ein sekundäres Substrat übertragen.

An der Schnittstelle von Physik und Chemie

Forschungen an der Johannes GutenbergUniversität Mainz (JGU) und dem Helm holtz-Institut Mainz (HIM) zeigen neue Möglichkeiten auf, die zu einer Verkleine rung der Geräte und einer höheren Sicher heit beitragen können, weil sie auf starke Magnetfelder verzichten. Erreicht wird dies durch eine Kombination von Null- bis Ultraniedrigfeld-Magnetreso nanz mit einer speziellen Technik zur Hy perpolarisation. «Es ist eine konzeptionell neue, schöne Methode, die uns viele Ge legenheiten eröffnet und die bisherigen Nachteile überwindet», sagt Dr. Danila Barskiy, der an der JGU und am HIM auf diesem Gebiet arbeitet.

Mehr Sicherheit, weniger Kosten

Messungen ohne starke Magnetfelder

wirdSpinordnungweitergegeben

In der Publikation «Relayed Hyperpolariza tion for Zero-Field Nuclear Magnetic Reso nance» im Fachmagazin «Science Advan ces» beschreiben Barskiy, Erstautor Erik Van Dyke und ihre Co-Autoren, wie der SignalNachweis für Methanol und Ethanol in ei ner Probe gelingt, die aus Wodka extrahiert wurde. «Mit diesem einfachen Beispiel zei gen wir, wie der Anwendungsbereich der Zulf-NMR durch eine kostengünstige, schnelle und vielseitige Hyperpolarisations methode erweitert werden kann», fasst Barskiy die Ergebnisse zusammen. «Wir hoffen, dass wir unserem Ziel einen weite ren Schritt näherkommen, nämlich kom pakte und tragbare Geräte zur Untersu chung von Flüssigkeiten wie Blut und Urin, aber perspektivisch auch von Glukose und Aminosäuren zu entwickeln.»

NMR-Spektrometer werden immer kleiner

Die Kernspinresonanz (NMR) stellt die Basis für zahlreiche Anwendungen dar, beispielsweise die Magnetreso nanztomografie in der medizinischen Diagnostik. Allerdings werden bisher noch starke Magnetfelder benötigt, was den Einsatz der Messtechnik begrenzt.

259–10/2022 L ABOR

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Danila Barskiy beim Experiment. (Bild: Danila Barskiy)

für die Zulf-NMR verwendet werden, in der Regel optisch gepumpte Magnetometer, sind sehr empfindlich, einfach zu handha ben und im Handel erhältlich. Die ZulfNMR-Spektrometer sind damit relativ ein fach aufzubauen.

Die Suche nach geeigneten Oberflächen strukturen sowie die Kombination der Radionuklide mit den passenden BioMolekülen ist eine höchst anspruchsvolle und zeitintensive Aufgabe. Daneben müs sen aber auch Verfahren entwickelt wer den, welche eine saubere und sichere Produktion dieser Substanzen unter einer gesetzlich genau definierten, sogenann ten «Guten Herstellungspraxis» (GMP) gewährleisten, damit sie in der Klinik ein

Benjamin A. Senn ¹

Susanne Geistlich prüft eine Probe des Hygiene-Monitorings auf Sterilität. Die aseptische Herstellung von sterilen Arzneimitteln verlangt effektive Hygienemassnahmen in den Räu men und beim Personal. (Bild: PSI/Mahir Dzambegovic)

Radiopharmazeutika werden intravenös verabreicht. Um Verunreinigungen, bei spielsweise mit Keimen, zu verhindern, müssen die Medikamente steril sein. Ther mische Sterilisationsverfahren, wie sie

Das neue Pharmalabor zur Herstellung von Radiopharmazeutika am Paul-Scherrer-Institut (PSI) ist bereit zur Produktion. Mit seinen drei Produktionseinheiten lassen sich neuartige Medikamente schnell in die klinische Anwendung bringen.

Neue Aufgaben am Paul-Scherrer-Institut

Ein Institut wird zum Pharmaunternehmen Paul-Scherrer-Institut

standardmässig in der Arzneimittelproduk tion angewendet werden, sind jedoch zei tintensiv. Da Radiopharmazeutika nur ein sehr kurzes Verfallsdatum haben, das durch die sogenannte Halbwertszeit der Radionuklide von einigen Minuten bis hin zu wenigen Tagen bestimmt wird, wären sie nach einem solchen Verfahren meist unbrauchbar. Um sterile Produkte zu ge währleisten, muss deshalb bereits der Her stellungsprozess kontaminationsfrei verlau fen und das gesamte Labor muss hohen Hygienevorschriften genügen. Die Abfüll anlagen befinden sich zudem in asepti schen Zellen. Hier werden die Injektions flüssigkeiten über Sterilfilter direkt in die Produktfläschchen abgefüllt. Die feinen Poren des Filters entfernen dabei jegliche Keime aus dem Produkt.

gesetzt werden dürfen. «Bis zum zugelas senen Arzneimittel müssen sich die im Labor entwickelten Substanzen zuerst in klinischen Studien bewähren. Die Produk tion von qualitativ hochstehenden und reproduzierbaren Medikamenten ist uner lässlich, um die Sicherheit der Patientin nen und Patienten sowie die Zuverlässig keit der Studien zu gewährleisten», so Susanne Geistlich, Leiterin der klinischen Medikamenten-Versorgung am PSI.

Der Weg vom Labor in die Klinik

Besonders Keimfreiheitwichtig:

Am Paul-Scherrer-Institut (PSI) werden künftig mithilfe einer neuen Anlage kleine Chargen an hochspezifischen Medika menten produziert. Anschliessend wer den diese direkt in die Spitäler geliefert, wo sie bei der Behandlung von Tumorpa tientinnen und -patienten zum Einsatz Inkommen.Zusammenarbeit mit der ETH Zürich entwickeln Forschende am PSI bereits seit über 20 Jahren neue Medikamente zur Diagnose und Behandlung von Tumoren, sogenannte Radiopharmazeutika. Radio pharmazeutika bestehen primär aus zwei Komponenten, einer radioaktiven Subs tanz, dem sognannten Radionuklid, und einem Bio-Molekül, das als deren Träger fungiert. Das Bio-Molekül ist so gestaltet, dass es an bestimmte Oberflächenstruk turen von Krebszellen andocken und da durch das Radionuklid zielgerichtet zum Tumor bringen kann. Je nach Art des ra dioaktiven Zerfalls des Radionuklids kann die freigesetzte Strahlung den Tumor ent weder lokalisieren oder das Krebsgewebe gezielt bekämpfen.

26 9–10/2022 M EDIZIN

products solutions services

Die kurze Halbwertszeit der Radionuklide schliesst auch eine Pro duktion auf Vorrat aus. Die Radiopharmazeutika werden deshalb immer nur nach aktuellem Bedarf und auf den bestellten Zeit punkt produziert.

•Coriolis-Masse-Durchflussmess–gerätemitEntrainedGasManagement(EGMTM)

Gas-MessungKontinuierlicheauchbeiundLuft -

Der hohe Anspruch an eine schnelle und qualitativ hochwertige Arzneimittelproduktion erfordert nebst dem Know-how auch die nötige Infrastruktur. Das neue Pharmalabor, das nun die Betriebs bewilligung erhalten hat, bietet drei Produktionseinheiten, um den Ansprüchen der Guten Herstellungspraxis gerecht zu wer Dieden.drei Einheiten werden Radionuklid-spezifisch betrieben. Da durch lassen sich pro Einheit verschiedene Bio-Moleküle mit jeweils einem Radionuklid kombinieren. Zur Produktion der Ra dionuklide kann das Zentrum für radiopharmazeutische Wis senschaften auf die Teilchenbeschleuniger der Grossfor schungsanlagen am PSI zurückgreifen. Während Spitäler, wie beispielsweise das Universitätsspital Zürich, dafür kompakte, standardisierte medizinische Zyklotrons verwenden, benötigt die Entwicklung neuartiger Substanzen, wie sie am PSI betrieben wird, innovative Anlagen, die ein weites Spektrum an beschleu nigten Teilchen und Energien bieten. Hier zeigt sich das Poten zial der einzigartigen Laborinfrastruktur am PSI. «Die unmittel bare Nähe zu den Grossforschungsanlagen ermöglicht es uns, immer wieder neuartige Medikamente zu entwickeln und diese direkt vor Ort für die klinischen Studien zu produzieren», so Geistlich.

• Messung von Masse-, Volumen-Durchfluss, Dichte, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit sowie Konzentration mit einem Gerät

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Leiterin der klinischen Medikamentenversorgung am PSI, während der Arbeit an einer der Abfüllanlagen im neuen Pharmalabor. In einer solchen Zelle werden die Radiopharmazeutika in Injektionsflaschen gefüllt. Die aseptische Umgebung sowie ein spezielles Filtersystem sorgen für ein keimfreies Produkt. (Bild: PSI/ Mahir Dzambegovic)

Susannewww.psi.chGeistlich,

• Erhebliche Verbesserungen bei: – An- und Abfahren von Anlagen – Herstellung von lufthaltigen Produkten – Fehlersuche im Prozess

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279–10/2022 M EDIZIN

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Auf der Suche nach einer massgeschneiderten Behandlung

Schlaganfall – die Verstopfung im Gehirn

28 9–10/2022 M EDIZIN

Ein 15 Millimeter langes Blutgerinnsel, das ein Blutgefäss nicht ganz ausfüllt, hat andere mechanische Eigenschaften, als ein lediglich wenige Millimeter-kurzes Gerinnsel, das aber ein Gefäss komplett verstopft und die Blutzufuhr zu den dahinterliegenden Hirnarealen lahmlegt. (Bild: Envato)

Gehörs oder des Sehvermögens bis hin zur Bewusstlosigkeit. Immer aber ist eines klar: Es handelt sich um einen medizini schen Notfall und die Zeitspanne, bis die Gefässblockade behoben ist, muss so kurz

¹ Empa «Wir haben einzelne rote Blutkörperchen mittels 3 DMikro Tomographie bis auf den Mikrometer durchleuchtet.»genau

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Grausame Schönheit: Rund 1,5 Millimeter breites Blutgerinnsel in einer 3-D-Mikro-Com putertomographieaufnahme (nachkoloriert). (Bild: Empa)

Robert

Wenn ein Blutgerinnsel im Gehirn die Sauerstoffversorgung blockiert, erleiden Betroffene einen akuten Hirnschlag. Für die Behandlung zählt dann jede Minute. Ein Team der Empa, des Universitätsspitals Genf und der Klinik Hirslanden entwickelt derzeit ein Diagnoseverfahren, dank dem sich möglichst rasch eine massgeschneiderte Therapie einleiten lässt, wie sie im Fachblatt «Scientific Reports» schreiben.

Eben noch schien alles normal, und von einem Moment auf den anderen ist die Blutzufuhr in ganze Gehirnareale blockiert: Wenn ein Gerinnsel ein Blutgefäss ver schliesst, ist die Sauerstoffversorgung der Nervenzellen unterbrochen und die Be troffenen erleiden einen akuten Hirn schlag. Der lebensbedrohliche Zustand kann sich ganz unterschiedlichen äussern: Von Muskellähmungen über Ausfälle des

Richtige Behandlung oft schwierig

Welche Behandlungsmethode hierfür am besten geeignet ist, ist in der gebotenen Eile nicht immer leicht zu bestimmen. Ba sierend auf Röntgenanalytik und Elektro nenmikroskopie entwickelt ein Team der Empa, des Universitätsspitals Genf und der Klinik Hirslanden derzeit eine Metho de, mit der sich die optimale Therapie in

wie möglich sein, um so viele Nervenzel len wie möglich vor dem Absterben zu retten. Nur so können bleibende neurolo gische Schäden verhindert werden.

Weitere Technologien wie die Rasterelekt ronenmikroskopie und Röntgendiffrak tions- und Röntgenstreuungsverfahren lieferten zusätzliche Informationen bis hin zu atomaren Strukturen. Hier zeigte sich erstmals, dass ein Thrombus nicht nur aus Blutzellen und Fibrinfäden besteht, son dern sogar mit Mineralien wie Hydro xylapatit durchsetzt sein kann, wie man es von Gefässwänden bei der Arterienverkal kung Diesekennt.detaillierten Informationen zu den Eigenheiten eines Blutgerinnsels kommen jedoch zu spät, wenn der Thrombus bereits operativ entfernt worden ist. Zudem lassen sich die neu gewonnenen Daten nicht auf den ersten Blick mit den gewohnten Bildern und Befunden im Spital abgleichen. Die Di gitalisierung in der Medizin erlaubt indes, die Daten so zu modellieren, dass ein Algo rithmus in Zukunft die Detailinformationen auslesen könnte. «Hierzu müssen wir noch deutlich mehr Thromben untersuchen, da mit wir über «Machine Learning» neue Merkmale und Bildmuster bezüglich der Zusammensetzung der Gerinnsel erkennen können, die sich dann auf Spitalbilder über tragen lassen und damit die Identifizierung von verschiedenen Thrombustypen erleich tern», so Zboray.

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Risiken abschätzen und Worst-Case Szenarien simulieren

Verkalkte Thromben

nert kürzester Zeit bestimmen lassen soll. Eine erste Studie ist in der Fachzeit schrift «Scientific Reports» erschienen. Diese Daten sollen die Grundlage für eine massgeschneiderte Behandlung im Sinne der personalisierten Medizin schaffen. Der Grund: Blutgerinnsel ist nicht gleich Blutgerinnsel; je nach Typus können darin verschiedene Zellarten miteinander ver klumpen. Je nachdem, ob rote oder weisse Blutkörperchen dominieren oder wie stark der Anteil von eiweisshaltigen Fibrinfasern ist, weist der Thrombus ganz andere Eigen schaften auf. Zudem unterscheiden sich die Thromben in ihrer Gestalt stark vonei nander. Ein 15 Millimeter langer Thrombus, der ein Blutgefäss nicht ganz ausfüllt, hat andere mechanische Eigenschaften, als ein lediglich wenige Millimeter-kurzes Gerinn sel, das aber ein Gefäss komplett verstopft und die Blutzufuhr zu den dahinterliegen den Hirnarealen lahmlegt. Nach diesen Unterschieden richtet sich die optimale Behandlung, sei es die medikamentöse Auflösung des Gerinnsels oder das Ver wenden eines sogenannten Stent-Retrie vers, eine Art winzige Angel, mit der sich der Thrombus aus dem Blutgefäss «heraus fischen» lässt, und dessen Material je nach Thrombus anders gewählt werden kann.

In der Radiologie setzt man derzeit auf herkömmliche Computertomographien, um einen therapeutischen Entscheid zu fällen. Allerdings ermöglichen die Bilder vom Kopf der Betroffenen kaum Aussagen über die Details eines Gerinnsels, da sich Objekte aus ähnlichem Material zu wenig voneinander unterscheiden und räumlich auflösen lassen. Im Klinikalltag muss man sich zudem mit Details zufriedengeben, die auf ca. 200 Mikrometer beschränkt Anderssind. ist dies bei Laborverfahren, die die Forschenden innerhalb der neuen Studie einsetzten: Das Team unter Beteiligung von Robert Zboray, Antonia Neels und Somayeh Saghamanesh vom «Center for X-Ray Analytics» der Empa hatte verschie dene Blutgerinnsel, die bei neurochirurgi schen Eingriffen an Patientinnen und Pati enten entnommen worden waren, untersucht. Hierzu wurden verschiedene Labortechnologien kombiniert, wodurch

Dann, so das Ziel der Forschenden, liessen sich herkömmliche Spitalbilder in kürzester Zeit so interpretieren, als ob das Blutge rinnsel im Kopf in einem virtuellen Labor untersucht worden würde. Letztlich er möglicht dies für den Schlaganfall-Patien ten rasch eine genauere und personalisier te Therapie.

Kontakt: Bernhard CalorimetryDifferentialwww.netzsch.comrograz@netzsch.comSausengAcceleratingRateCalori-metry(ARC)Scanning(DSC) Mehr www.netzsch.com/mationenInfor-unter:processsecurity

299–10/2022

Heute bleiben Details verborgen

Sicheres Scale-up vom Labor zur Produktion

sich virtuelle 3-D-Befunde mit detaillierten und bisher unbekannten Eigenschaften von Blutgerinnseln ergaben. «Wir haben einzelne rote Blutkörperchen mittels 3-DMikro-Tomographie bis auf den Mikrome ter genau durchleuchtet», sagt Zboray. Derartige Tomographien mit Phasenkont rastverfahren erzeugen einen stärkeren Kontrast. Leicht zu durchdringende Objek te, wie etwa Muskeln, Bindegewebe oder Blutgerinnsel, können so in besonders feinen Nuancen und in ihrer räumlichen Ausbreitung dargestellt werden.

Vergiftungsfälle nehmen in der Schweiz zu

Peter Rüegg ¹

The FilterOriginalPapers since 1883 Protect what matters Food & FilterTheEnvironmentBeverageDiagnosticOriginalPaperssince 1883 Protect what matters Food & EnvironmentBeverageDiagnostic Gewerbestrasse 10 · CH-4450 Sissach Tel. +41 61 971 83 44 · Fax +41 61 971 83 45 info@sebio.ch · www.sebio.ch ¹ ETH

Forschende der ETH zeigen auf, dass die Vergiftungsfälle sowie die Verschreibungen von Opioiden in der Schweiz in den vergangenen 20 Jahren stark zugenommen haben. Die Situation ist nicht so dramatisch wie in Nordamerika, darf aber auch nicht unterschätzt werden.

Die Opioid-Krise hält die USA seit Anfang der 2000er- Jahre in Atem, und die Coro na- Pandemie hat die Situation noch ver schärft. 2021 starben dort mehr als 100 000 Menschen an einer Opioid-Über dosis. Allmählich mehren sich die Anzei chen, dass es auch Europa mit einer Opi oid-Krise zu tun bekommt. Erste Studien aus den Niederlanden und Dänemark machten auf den wachsenden Gebrauch von Oxycodon, ein starkes Opioid, auf merksam. Dieser Wirkstoff, der ursprüng lich unter dem Namen Oxycontin verkauft wurde, war ein wichtiger Treiber der Opio id-Krise in den USA.

Aus der Schweiz sind aus den vergange nen Jahren hingegen kaum Zahlen über die Verwendung von Opioiden bekannt, insbesondere in Bezug auf mögliche Schä den. Nun hat die Gruppe von Andrea Bur den, Professorin für Pharmakoepidemiolo gie an der ETH Zürich, erstmals Daten ausgewertet, um den Trend in der Schweiz einschätzen zu können.

Obwohl die Situation hierzulande nicht an nähernd so gravierend sei wie in den USA oder in Kanada, müsse die Lage beobachtet werden, sagt Forscherin Andrea Burden. (Bild: DanielTahar, CC BY-SA 4.0 , via Wiki media Commons)

Um sich eine Übersicht zu verschaffen, werteten die Forschenden aus, wie sich die Zahl der Notfallanrufe bezüglich Opio id-Vergiftungen bei Tox Info Suisse, der Schweizer Informationsstelle bei Vergiftun gen, in den Jahren 2000 bis 2019 entwi ckelt haben. Weiter nutzten sie Daten von IQVIA über die Opioid- Verkaufszahlen von Apotheken und Ärztinnen, die die Mittel abgeben dürfen. Diese Daten wurden von Pharmasuisse, dem Schweizerischen Apo thekenverband, zur Verfügung gestellt.

M EDIZIN

Auch die Verkaufszahlen haben sich fast verdoppelt (+92 %), von 14 300 verkauf ten Einheiten pro 100 000 Einwohner auf 27 400. Die Zunahme bei starken Opio iden war grösser als die bei schwachen,

Aus diesen Zahlen geht hervor, dass das Problem immer drängender wird. Die Zahl der Anrufe bei Tox Info Suisse aufgrund von Vergiftungsfällen mit Opioiden haben in diesem Zeitraum um 177 Prozent zuge nommen. Gingen im Jahr 2000 noch 1,4 Anrufe pro 100 000 Einwohner bei der Fachstelle ein, so waren es 20 Jahre später mehr als zweieinhalb Mal so viele.

Verkaufszahlen steigen an

Von den Fehlern anderer Länder lernen

sowohl in Bezug auf Anrufe bei Tox Info Suisse als auch bei den Verkaufszahlen. Absolut betrachtet trat 2019 das Schmerz mittel Tramadol am häufigsten in Erschei nung, sowohl bei Tox Info Suisse als auch bei den Verkäufen (40 Prozent). Tramadol ist ein schwaches Opioid, das bei mittel

Wie viele Personen derzeit in der Schweiz illegal Fentanyl konsumieren, kann Burden nicht sagen. Zahlen dazu sind nicht ver fügbar. Fentanyl gilt als Betäubungsmittel und untersteht in der Schweiz einer ver schärften Rezeptpflicht. Die Professorin gibt zu bedenken, dass eine plötzliche

LIQUID-HANDLINGPRÄZISESSTANDA26

Tramadol liegt auf Platz 1, doch Oxycodon wird immer mehr verkauft.

Fentanyl-Krise abwenden

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Oxycodon mit steigender Tendenz

starken und starken Schmerzen verschrie ben wird.

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Am zweithäufigsten in Umlauf ist ein star kes Opioid, mit steigender Tendenz: Oxy codon, auf welches sich mehr als ein Drit tel der Anfragen bei Tox Info Suisse beziehen. Fast ein Viertel der Verkäufe gehen auf das Konto dieses Mittels. Zwi schen 2009 und 2016 haben die Zahlen in Bezug auf Oxycodon markant zugelegt, sowohl bei den Vergiftungsfällen als auch bei den Verkaufszahlen: Sie haben sich mehr als verdoppelt.

Über illegalen Fentanyl- Konsum, ein bei sehr starken Schmerzen verabreichtes Opioid, sagt die Studie kaum etwas aus. Fentanyl wirkt etwa zehnmal so stark wie Oxycodon und hat ein hohes Potenzial für illegalen Konsum und tödliche Überdosen. Popstar Prince starb 2016 an einer Über Indosis.den USA, in Kanada und Australien ging der illegale Konsum von Fentanyl durch die Decke, nachdem Oxycontin vom Markt genommen wurde. Die Substanz ist ein wichtiger Treiber der aktuellen OpioidEpidemie in diesen Ländern.

Die Grafik stellt die Studienergebnisse vereinfacht dar. (Grafiken: Roger Bieri; Quelle: The Lancet Regional Health – Europe)

«Unsere Studie zeigt deutlich, dass in der Schweiz der Opioid- Konsum stark steigt», fasst Burden die Lage zusammen. «Die

Verkaufszahlen haben etwa gleich stark zugenommen wie in den Niederlanden und in Dänemark. Allerdings sind die ProKopf-Verkäufe in der Schweiz in den ver gangenen Jahren substanziell höher. Obwohl die Situation hierzulande nicht an nähernd so gravierend sei wie in den USA oder in Kanada, müsse die Lage beobach tet werden. «Die derzeit hohen Verkaufs zahlen von Oxycodon sind vergleichbar mit denjenigen in Kanada in den frühen 2000er- Jahren», sagt Burden.

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Für die Pandemie- Jahre 2020 und 2021 sind noch keine Daten bekannt. Ob sich

32 9–10/2022 M EDIZIN

Sie nimmt nun eine Folgestudie in Angriff, um diese Fragen zu klären.

Andrea Burden

Spitze des Eisbergs

der Aufwärtstrend bei den Opioiden wie in den USA massiv verstärkt hat, ist des halb unbekannt. Das Bild, das die Zahlen von Pharmasuisse und Tox Info Suisse bie ten, ist allerdings nicht vollständig.

Wachsam bleiben

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«Unsere Studie zeigt deutlich, dass in der Schweiz der Opioid Konsum stark steigt»

Bei den Verkaufszahlen lag Fentanyl in der vorliegenden Studie an dritter Stelle der verkauften Opioide. Es wird allerdings fast ausschliesslich in Pflegeeinrichtungen ein gesetzt, die Patienten mit Krebs im Endstadium betreuen.

Die Forscherin ist deshalb überzeugt: «Die in der Studie präsentierten Zahlen sind nur die Spitze des Eisbergs. Wir brauchen un bedingt mehr Daten, um die mit dem Opi oidkonsum in der Schweiz einhergehen den Schäden zu verstehen – dazu gehören die Zahl derer, die über ärztliche Verschreibungen eine Abhängigkeit entwi ckelt haben, und die Zahl der opioidbe dingten Todesfälle», erklärt Burden weiter.

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In den Tox- Info-Suisse-Daten sind nur wenige Anrufe, die diese Substanz betref fen, enthalten. Die Forscherin hält es für plausibler, dass sich Personen mit Opioidund insbesondere Fentanyl-Vergiftungen direkt an Notfalldienste wenden, um rasch ein Gegenmittel zu erhalten. Fälle von schweren Opioidvergiftungen werden deshalb von Tox Info Suisse kaum je fest gehalten.

Burden findet, dass man wachsam bleiben muss, unabhängig von weiteren Studien. «Von einer Opioid- Epidemie vom Aus mass Nordamerikas oder Australiens und Grossbritanniens sind wir in der Schweiz noch weit entfernt», betont die Forscherin. In der Schweiz fehlen bis jetzt Daten, die über den vollen Umfang der Opioid-Ver wendung und Abhängigkeiten Auskunft geben. «Wir müssen deshalb solche Daten sammeln, damit die Politik gut informiert entscheiden kann. In der Schweiz sind wir in der glücklichen Lage, dass wir aus der Situation anderer Länder noch etwas ler nen können und hoffentlich eine FentanylEpidemie verhindern können», sagt Bur den.

Einschränkung von starken Opioiden die jenigen Patienten, die von solchen Medi kamenten abhängig geworden seien, auf den Schwarzmarkt treibe. «Das müssen wir unbedingt verhindern.»

sie auch. Die App ist übersichtlich und be nutzerfreundlich gestaltet. User Experience wurde bei der Entwicklung dieses digitalen Hilfsmittels definitiv gross geschrieben. Die Applikation verfügt nur über Funktio nen, die man wirklich braucht: einen digi talen Messeplan, eine Ausstellerliste, ein Kongressprogramm, eine MatchmakingFunktion und einen «Was läuft gerade»Button, der immer wieder aktualisiert wird.

Während einer ganzen Arbeitswoche konnten sich Fachpersonen aus der Prozessindustrie auf der internati onalen Fachmesse auf dem Laufenden halten: innovative Produkte bestaunen, Kontakte knüpfen oder das Fachwissen vertiefen und Neues dazulernen. Eigentlich hätte die Achema im Sommer 2021 stattfinden sollen. Jetzt ist es August 2022 geworden. Die Messe verändert sich, aber sie ist darauf vorbereitet.

An der Eröffnung der Achema stellten sich Persönlichkeiten aus der Industrie den Fragen des Publikums: Martin Brudermüller, Vorsitzender der Cefic und CEO der BASF SE, Martijn Smit, Business Development Director von Nothern Lights, Ernst Rauch, Chief Climate und Geowissen schaftler bei Munich Re sowie Trosten Wintergerste, Präsident von Sulzer Chemtech. (Bilder: Roger Bieri)

Der Kongress erfreut sich grosser Beliebtheit. Ein interessiertes Fachpublikum während eines Vortrags im Saal Europa in unmittelbarer Nähe zu den Ausstellungshallen.

Roger Bieri

passt ihr Angebot entsprechend an. So hat sie den Kongress zum ersten Mal vollstän dig ins Messegeschehen integriert. Die Vorträge fanden in den Ausstellungshallen selbst oder ganz in ihrer Nähe statt.

Die Veranstalterin schaut dieser Entwick lung nicht tatenlos zu. Im Gegenteil – sie

Es ist kein Geheimnis. Jede Fachmesse, so auch die Achema, kommt anders daher, als es sich manch ein Aussteller oder Be sucher gewohnt ist. Normalerweise zählt die Leitmesse rund 4000 Aussteller. Die ses Mal haben sich etwa 2200 aus 51 Ländern angemeldet. Insgesamt nahmen laut der Veranstalterin über 70 000 Perso nen an der Veranstaltung teil. Zum Ver gleich: Auf der vergangenen Messe zählte die Organisatorin Dechema noch rund 145 000 Besucherinnen und Besucher. Die Gründe hierfür sind multifaktoriell. Die Corona-Massnahmen in bestimmten Län dern (z. B. China), die Tatsache, dass die Messe während der Ferienzeit stattfand und die generelle Entwicklung aufgrund der Digitalisierung sind sicherlich wesent liche Faktoren, die das Erscheinungsbild der Veranstaltung prägten.

Die Achema 2022 setzt neue Massstäbe

339–10/2022

Auch hat die Messe eine neue App lan ciert. Die Achema-App oder «Achema 2022». Sie soll die Besucherin oder den Besucher dabei unterstützen, sich im Mes segetümmel zurechtzufinden. Und das tut

Nach vier Jahren

Beliebte Fachvorträge und eine clevere App

Der Fokus der diesjährigen Achema lag aber definitiv auf der Klimaproblematik. Der Technologiekonzern GEA und Spezia list für Prozesstechnik widmete sich an

Diverse Mineralien am Stand von GEA.

Eine Virtual-Reality-Brille im Einsatz am Stand von Gemü.

Die unzähligen Hallen waren wie gewohnt nach den unterschiedlichen Produkten

Ein Schwerpunktthema der Messe war de finitiv die Digitalisierung. Die Dechema organisierte hierfür neu die Ausstellungs gruppe «Digital Hub». Hier konnten sich Fachpersonen rund um die Digitalisierung der Prozessindustrie austauschen und ihre Produkte und Ideen einem interessierten Publikum präsentieren. Generell – auch in den anderen Hallen – drückte die Digitali sierung immer wieder durch. Am offen sichtlichsten in Form von Virtual-RealityBrillen, die überall plötzlich zum Vorschein kamen.

und ihren Anwendungsbereichen geglie dert. Die Fachpersonen für Pumpen und Kompressoren stellten in einer anderen Halle aus als die Spezialisten für thermi sche Verfahren.

Von Pumpen über Glaswaren bis zum digitalen Zwilling

seinem Stand der Kreislaufwirtschaft – ge nauer der Batterie. Folglich präsentierte sich das Unternehmen als «Komplettan bieter für alle wichtigen Lithium-Prozess schritte». Das Portfolio startet bei der Mine bis zum getrockneten Batteriepulver und darüber hinaus.

Gelingt eine klimaneutrale chemische Industrie?

Die Eröffnungsveranstaltung der Achema drehte sich um die zentrale Frage, wie eine klimaneutrale chemische Industrie gelin gen kann. Vier namhafte Persönlichkeiten aus der Industrie stellten sich den Fragen des Fachpublikums und der anwesenden Journalisten. Mit dabei waren Martin Bru dermüller, Vorsitzender der Cefic und CEO der BASF SE, Martijn Smit, Business Devel opment Director von Nothern Lights, Ernst Rauch, Chief Climate und Geowissen schaftler bei Munich Re und Trosten Win tergerste, Präsident von Sulzer Chemtech. Laut den Industrievertretern gebe es im Wesentlichen zwei Hauptgründe, weshalb die Chemie noch nicht so weit sei, kli maneutral zu produzieren. Einerseits stün den die neuen klimaneutralen Produkte in Konkurrenz zu den eigenen günstigeren konventionellen Erzeugnissen. Hierzu meint BASF-CEO Brudermüller: «Die Pro dukte werden teurer. Wenn der Konsu ment Verantwortung zeigt, wird er den noch die teureren Produkte kaufen.» Andererseits spiele aber auch die Wettbe werbsfähigkeit generell eine entscheiden de Rolle, die die EU-Politik in Brüssel in ihren Lösungsansätzen immer wieder ig noriert habe.

nimmtDiskussionsbedarfrasantzu

Die Anwenderfreundlichkeit offenbart sich, wenn man erkennt, welche Möglichkeiten hinter diesen Funktionen stecken. Sitzt man beispielsweise in einem interessan ten Vortrag, kann man via Kongresspro gramm oder den «Was läuft gerade»-But ton nicht nur mehr Infos zur konkreten Veranstaltung raussuchen, man kann diese auch für seine eigenen Zwecke bearbei ten: Fotos und Notizen erfassen, seinen Standort angeben oder wenn der Vortrag erst ansteht, kann er in den Kalender hin zugefügt werden. Dabei werden die Infos sinnvoll zusammengebündelt und können so z. B. per Mail übersichtlich weitergelei tet Diewerden.Besucher sind aber nach wie vor nicht auf die App angewiesen. Sie können die App in diesem Masse gebrauchen, wie es für sie persönlich sinnvoll erscheint.

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Die chemische Industrie steht an einem Scheitelpunkt. Die Klimaproblematik schreit nach einer solchen Dringlichkeit, dass immer mehr Fachpersonen sich die ser Herausforderung stellen. Vorträge über neue Ansätze in der CO2-neutralen Produk tion wurden rege besucht. Die Dechema spricht von gesamthaft 20 000 Besuche rinnen und Besuchern am Kongress. «Das Feedback der Kongressbesucher ist posi tiv», wird der Geschäftsführer der Deche ma Dr. Andreas Förster in der Pressemittei lung zum Abschluss der Messe zitiert. «Wir werden das Konzept mit Blick auf die nächste Achema ausbauen.» Diese wird dann wieder regulär vom 10. bis 14. Juni 2024 in Frankfurt am Main stattfinden.

Farbenfrohe Silikondeckel für Bechergläser und andere Glaswaren im Labor.

Wasserstoff. Das wohl am meisten diskutier te Element in der Gegenwart.

Die Ausstellungsgruppe «Thermische Verfah ren» verteilte sich auf zwei grosse Hallen.

Der markante Messeturm in Frankfurt ist über 250 Meter hoch.

In den Fluren zwischen den Hallen verber gen sich überraschende Details. Wie hier ein Ausschnitt aus einer Modelllandschaft in ei nem Schaukasten. (Bild:Roger Bieri)

Die Messe in Frankfurt ist die zweitgrösste Deutschlands. Nur Hannover ist imposanter.

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Am Eingang «City».

Anschaulich: Bei welchen Temperaturen das Medium wo hindurchströmt, zeigen die Far ben.

Die ersten Besucherinnen und Besucher schnappen sich einen Bändel für ihr Ticket.

70 000 Personen aus 127 Nationen nahmen an der Fachmesse teil.

gibt es überall auf dem Messegelände.

Hier gab sich die Veranstalterin kreativ: Wo die Hallen nicht mehr ganz mit Ausstellern be setzt werden konnten, präsentierten sich an manchen Stellen Gemälde. Wer wollte, konnte sogar eines erwerben.

36 9–10/2022 V ERANSTALTUNGEN

Solche Fahrsteige verbinden die Hallen miteinander. Alternativ befördern die Besucherinnen und Besucher auch Busse auf dem Messegelände zur nächsten Halle.

Diese Verbindungen sind bei den neuen Power-to-X-Verfahren hoch im Kurs.

Links der internationale Fachpressestand. Auch die ChemieXtra lag auf.Sitzgelegenheiten im Freien. (Bild: Roger Bieri)Apparaturen der Büchi AG.

Ein Exoskelett für die Arbeitswelt: Schnell in die Sitzposition und schon sitzt man sicher und Solcheergonomisch.kleinenLäden

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Ein Kugelhahn von Böhmer für anspruchs vollste Aufgaben.

Im Vordergrund steht die Halle 3, im Hintergrund sind die Hochhäuser der Stadt zu sehen.

379–10/2022 V ERANSTALTUNGEN

Spontane Vorträge im Miniformat.

Das Herzstück der Chemie: das aktuelle Periodensystem der Elemente. ragt das «Torhaus» in die Höhe.

Frankfurt am Main liegt in Hessen und das künstliche Element Hassium ist nach diesem Bundesland benannt.

Eine Burg in einem Glaskasten.

Nutzer von Füllstandsmesstechnik in Industrien wie Chemie oder Öl und Gas wissen, wie wichtig die Steigerung der Anlagen- und Prozessproduktivität bei gleichzeitiger Gewährleistung der hohen Sicherheit ist. Oft kommt es dabei auf besonders individuelle Anforderungen und Bedürfnisse an. Der Fernzugriff per App, zahlreiche Assistenten machen die Benutzung der Messtechnik einfacher und sicherer. Neue Kommunikationstechnologien wie Ethernet-APL bereiten Anlagen auf die Zukunft vor. Heartbeat Technology steigert schon heute die Produktivität von Prozessen.

Hohe Sicherheit für Mitarbeiter, Anlagen und Prozesse

Die Leistung von Prozessen kann nur ge steigert, Unterbrechungen sowie Stillstän de und damit Folgekosten können nur vermieden werden, wenn die Füllstände in Grosstanks, Reaktoren oder Reaktorgefäs sen jederzeit genau im Blick behaltet wer den. Gleiches gilt für das rechtzeitige Er kennen und Beheben von Anomalien wie Schaum- und Ansatzbildung oder Verände rungen des Schleifenwiderstandes. Zusätz lich lassen steigende Anforderungen an die Sicherheit und Zukunftsfähigkeit von Anlagen und Prozessen keinen Spielraum für Kompromisse bei der Qualität und Leistungsfähigkeit von Lösungen. Hier kön nen Nutzer mit der neuen Radar-Familie Micropilot den oft notwendigen, immer zukunftsweisenden Schritt nach vorn ma chen: Die neue Radar-Generation liefert die Antworten bei Sicherheit, Produktivi tätssteigerung, Einfachheit und Zukunfts fähigkeit, die Anwender jetzt und in Zu kunft für genau ihre individuellen Anforderungen brauchen. Wenn es um die Sicherheit von Mitarbei tern, Anlagen und Prozessen geht, kommt es in Prozessindustrien auch auf die be währte Technik zur berührungslosen Füll standsmessung an – gerade bei wechseln den, herausfordernden oder gefährlichen Medien. Hier bietet Endress+Hauser mit über 20-jähriger SIL-Kompetenz, Bran chenwissen und Technik-Know-how schon seit vielen Jahren passende Lösungen für vielfältige Anwendungen. Mit den neuen, kompakten Radarsensoren Micropilot er weitert das Unternehmen das verfügbare Lösungsspektrum im Bereich der 80-GHzRadarsensoren um eine komplette Pro duktfamilie, die das Anlagengeschäft der Anwender sicherer, einfacher und effizien

Die neue 80-GHz-Radarfamilie

Durch die neue Generation der 80-GHz-Radarsensoren und die Monitoring Funktion von Heartbeat Technology wird die Ansatzbildung kontinuierlich aus der Ferne überwacht. (Bild: Endress+Hauser)

Hohe Sicherheit bei herausfordernden Prozessen

Systematische Fehler, unbeabsichtigte Fehlbedienung oder Prozessanomalien un ter harschen Bedingungen: Es gibt vielfäl tige Sicherheitsrisiken und jede Anlage hat ihre ganz eigenen Anforderungen. Mit der neuen Radarfamilie Micropilot werden sämtliche Anforderungen der chemischen Industrie an die Sicherheit erfüllt. Grundlage hierfür ist das neue Design der Die80-GHz-Radargeräte.neueGeneration wurde von Endress+ Hauser nach IEC 61508 entwickelt, so dass sie unmittelbar in SIL2-Kreisen zum Einsatz kommen kann. Auch der Einsatz in

SIL3-Kreisen beispielsweise in homogener Redundanz ist möglich. Störungen in Anla gen haben oft fatale Folgen für Umwelt, Menschen und Maschinen. Durch das tie fe SIL-Expertenwissen von Endress+Hauser lassen sich Sicherheitsrisiken systematisch senken und Prüfkosten effektiv reduzieren. Die einfache, gefahrlose Bedienbarkeit der neu entwickelten Bedienoberfläche ist ein weiterer wichtiger Faktor. Die intuitive Bedienung erfordert keine nennens werte Einarbeitungszeit. Bei sicherheitsre levanten Prozessen sorgen integrierte As sistenten (Wizards) für eine fehlerfreie und sichere Inbetriebnahme und SIL-Ver riegelung der Messgeräte. Auch bei Wie derholprüfungen wird dank der Assisten ten (Wizards) Zeit eingespart und Fehler werden vermieden. Unbeabsichtigte Fehl bedienung wird damit nahezu ausge schlossen, die optimale und sichere Funk tion der Messtechnik und damit ein sicherer Anlagenbetrieb sind zu jeder Zeit gewährleistet. Zusätzlich vermeidet eine

ter macht. Ausgestattet mit zahlreichen geführten Assistenten (Wizards), bieten die Lösungen einen besonders hohen Si cherheitsgrad in der Füllstandsmessung. Dank dem kleinen Abstrahlwinkel auch bei sich im Tank befindenden Rührwerken oder Heizschlangen.

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SmartBlue-App von Endress+Hauser durch geführt werden können – durch EthernetAPL erstmals schnell und einfach über den integrierten Webserver. Dies ist auch in schwer zugänglichen Bereichen von Vorteil. Auch der komfortable, drahtlose Fernzu griff selbst erfüllt hohe Sicherheitsanforde rungen. Zum Schutz von Passwörtern hat Endress+Hauser eine zusätzliche Sicher heitsebene für Bluetooth entwickelt, deren Kernkomponente CPace ist. CPace verhin dert Angriffe während des Bluetooth-Pai rings. Das Schutzniveau dieser Sicherheits erweiterung wurde vom Münchner Fraunhofer-Institut AISEC als «hoch» einge Instuft.explosionsgefährdeten Bereichen ist eine Kontrolle der Geräte im geschlosse nen Zustand über optische Bedientasten möglich. Hochbeständige Materialien schützen das Gerät vor extremen Prozess bedingungen und ermöglichen Einsätze bei hohen Temperaturen bis 450 °C. Eine keramische Prozesstrennung und eine zu

Automatische XPR-Waagen bieten eine Komplettlösung für das hochpräzise, reproduzierbare und sichere automatisierte Wägen von Pulvern und Flüssigkeiten.

Die 80-GHz-Micropilot-Familie bietet nicht nur hohe Sicherheit. Sie steigert durch die

sätzliche Glasabdichtung schützen Mensch und Umwelt vor gefährlichen Stoffen. Nur ein Messgerät mit den richtigen Para metern kann optimale Prozesse bei Pro duktion, Verarbeitung oder Lagerung si cherstellen. Beim Micropilot sind Parameter vor unbeabsichtigten Änderungen dadurch geschützt, dass immer automatisch eine Prüfsumme (CRC) aus den sicherheitsrele vanten Parametereinstellungen gebildet wird. Wird nur eine sicherheitsrelevante Einstellung geändert, wird die Änderung umgehend erfasst und protokolliert. Syste matische Fehler können so vermieden und Prüfprozesse beschleunigt werden. Wird einmal der Austausch des gesamten Ge räts nötig, können Parameter über die mo bile Dateneinheit HistoROM einfach und sicher übertragen werden.

Die Heartbeat Technology liefert umfassen de Geräteinformationen zur Prozessoptimie rung und Zustandsüberwachung – vor allem bei Schaumbildung. (Bild: Endress+Hauser)

C32 + C37

Unterspannungserkennung gefährliche An Typischelagenzustände.Gefahren durch gefährliche Stoffe, harsche Umgebungen oder Explosionsge fahr werden durch die Technik ebenfalls auf ein Minimum reduziert. So bleiben Mitar beiter bei Analysen, Steuerungen, Wartun gen und Kontrollen stets ausserhalb des Gefahrenbereichs, da sämtliche Arbeiten aus der Ferne über Blue tooth und die

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Die Messgeräte meistern problemlos hohe Prozessdrücke und Temperaturen, wie sie in Reaktoren oder Reaktorgefässen entste hen. Der enge Abstrahlwinkel und die her vorragende Signalfokussierung gewährleis ten präzise Messgenauigkeit auch in Grosstanks, bei Rührwerken oder Heiz schlangen. Einzigartige Messergebnisse in Bereichen bis zu 100 Meter sind für die neue Produktreihe Standard. Herzstück möglicher Produktivitätssteige rungen ist neben der Messperformance die von Endress+Hauser entwickelte Heartbeat Technology, die es bereits für eine Vielzahl von Messprinzipien wie Durchfluss, Druck, Grenzschalter, Tempe ratur und Flüssigkeitsanalyse gibt. Sie lie fert zuverlässige Diagnose- und Monito ringdaten und macht durch die konstante Überwachung von Anomalien wie Schaum- oder Ansatzbildung vorausschau ende Wartungen möglich. Der patentierte Radar Accuracy Index (RAI) ermöglicht in Kombination mit Heartbeat Verification

Entwickelt

nach IEC 61508, ist der Micropilot FMR62B mit neuer keramischer Prozesstren nung bis für SIL 3-Anwendungen geeignet. (Bild: Endress+Hauser) 28. und 29. September 2022 | Expo Beaulieu Lausanne Kostenloses Ticket: www.ilmac.ch mit PrioCode: welcome-ilmac22 Plateforme pour la chimie, la pharmacie et la biotechnologie

ausserordentliche Messperformance des neu entwickelten Radarchips auch die Pro duktivität von Industrieprozessen. Dazu tragen Technologien wie Heartbeat Tech nology, Ethernet-APL und das damit ver bundene Vorliegen von Echtzeitdaten bei. Sie minimieren Prozessunterbrechungen.

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Die neue Generation von 80-GHz-Radar sensoren wurde mit dem tiefreichenden Anwendungs- und Branchenwissen von Endress+Hauser zu Industrien wie Che mie, Öl und Gas oder auch Kraftwerke und Energie entwickelt. Sie bietet moder ne Technologien, die hohen Anforderun gen und Wünsche der Anwender nach noch mehr Sicherheit, Produktivität und einfacher Bedienbarkeit erfüllen. Entwi ckelt mit höchster SIL-Kompetenz, verbes serter Heartbeat Technology sowie neuen

Fazit: Hohe Sicherheit –auch für die Zukunft

pure – die Essenz eines

Life-Cycle-Phasen ermöglicht. Dank einfa cher Integration in Asset-ManagementSysteme und intelligenter Selbstdiagnose werden Anlagenstillstände weitgehend vermieden und die Produktionsleistung erhöht.

Die neue Micropilot-Familie macht Füll standsmessungen in jeglicher Hinsicht ein facher. Die Geräte sind intuitiv bedienbar und lassen sich per SmartBlue-App aus der Ferne bedienen. Um den Zustand des Messgeräts immer im Blick zu haben und die richtigen Massnahmen ableiten zu kön nen, wird der Zustand nach Namur NE 107 dargestellt.

digitalen Kommunikationsmöglichkeiten wie Ethernet-APL erhöht der Micropilot die Sicherheit für Mensch sowie System und bereitet jede Anlage auf die digitale Zu kunft vor.

Die neue Generation der 80-GHz-Radar sensoren zur Füllstandsmessung erweitert den Einsatzbereich der bewährten 80-GHzRadartechnologie. Das breite Produktport folio umfasst vielfältige Gehäusevarianten für verschiedene Einbausituationen. Dank ihrer kompakten Bauweise können EinKammer-Versionen aus Kunststoff oder Aluminium in beengten Einbausituationen eingesetzt werden. Zusätzlich kann auch eine abgesetzte Anzeige für schwer zugäng liche Orte verwendet werden. Die Be dienoberfläche ist portfolioübergreifend und toolunabhängig auf die Bedürfnisse der Anwender abgestimmt.

Die ausserordentliche Messgenauigkeit des 80-GHz-Sensors und das intelligente Designkonzept der Geräte steigern die An lagenproduktivität. Die bekannten Vorteile der 80-GHz-Technologie wie beispielweise die starke Fokussierung sind mit der neu en Generation in einem noch weiteren Anwendungsgebiet einsetzbar. Montage, Inbetriebnahme, Bedienung und Fehlerbe hebung der Geräte sind durch das neue, intuitive Interface sowie die vielen geführ ten Assistenten (Wizards) denkbar einfach und ohne grosse Einarbeitung möglich.

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Hereby, we are presenting some examples from a project done for MSD Animal Health, a subsidiary of Merck & Co., Inc., Rahway, NJ, USA. The stirring tanks were used in a production phase to mix some liquid ingredients and cells also being pre sent. The tanks do not have spargers for supplying the cells with air or oxygen. Therefore, the kLa and gas holdup were not investigated, while the impact on the

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Mixing Process Transfer and Scale-Up for Stirring Tanks by Using CFD Simulations

Fig.mixer.12.a:

Fig. 12.b.: New 100 liters tank with GM1 Nov Aseptic ® mixer. Aseptconn A.G. – Dietikon, Switzerland

MSD Animal Health – Boxmeer, The Netherlands

cells was considered, as it has some im portance in the process.

Two Practical MSD Animal Health Case Studies

Existing 100 liters tank with paddle mixer.

CASE no. 1: Comparison of an existing 500 liters tank with a paddle type mixer with a new 500 liters tank geometry equipped with a GM5 NovAseptic ® mixer

We are presenting hereby the analysis of the transfer of two mixing processes from tanks with paddle type mixers with slow movement, to ones with NovAseptic mix ers having pitched impellers.

CASE no. 2: Comparison of an existing 100 liters tank with a paddle type mixer with a new 100 liters tank geometry equipped with a GM1 NovAseptic ® mixer

Fig. 1.a: Existing 500 liters tank with paddle

The first criteria when you transfer or scaleup a mixing process from one geometrical configuration to another, is to check the turbulence regime and try to maintain the same average energy dissipation rate per mass unit. This is a good approach to assu re the same dissolving capacity for powders and gases. The second criterion is to check and compare the fluid streams, and internal flows. In case the tanks contain whole cells or microorganism, the third criterion is to check the impact of the new geometry on the cells or microorganisms. If the tanks have fermenter or bioreactor functionalities, the criteria become even more complex and should take into account the volumetric oxygen mass transfer coefficient (kLa) and the gas holdup, for which will be important the average value and the distribution through the whole liquid.

MSc. Dipl. Phys. Eng. Cosmin Vatră ¹, BSc. Richard Smits ²

Fig. 1.b.: New 500 liters tank with GM5 Nov Aseptic mixer.

Mixing processes in stirring tanks are involving nonlinear phenomenon due to which the transfer or scale-up from one specific geometry (tank and one or more mixers) to another is not possible based on simple proporti onality criteria. Comparison between the mixing with two different tank and mixer geometries should consider very complex criteria, and the data obtained with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are the perfect tool.

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Die Kautschukfliesen wurden mit dem Schnellverlegesystem nora nTx direkt auf die Bodenplatte in den Reinräumen instal liert. Die Vorteile: Im Vergleich zur konven tionellen Nassverklebung entfallen diverse Arbeitsschritte wie Trocknungs- und War tezeiten, auch Restfeuchte im Untergrund ist kein Problem. Der Boden ist direkt nach der Verlegung nutzbar.

Weitere Informationen: www.nora.com

Praxistest im Vorfeld überzeugt von höchster Funktionalität

norament grano nTx als sichere Lösung für Produktionshalle von KISICO

Ergonomie Umweltverträgundlichkeit

Ein grosses Plus war für KISICO auch der hohe ergonomische Komfort der nora ment Fliesen. «Schon in der Testphase waren unsere Mitarbeiter begeistert, wie angenehm es sich auf den nora Böden gehen und stehen lässt», berichtet Schmidt. Die Kautschukböden entlasten durch ihre hohe Dauerelastizität Rücken und Gelenke und beugen Ermüdungser scheinungen vor. Zugleich reduzieren sie die Gehgeräusche, was gerade in großen Gebäuden wie Produktionshallen zu einer guten Akustik beiträgt. Ein weiterer Vorteil: nora Bodensysteme sind frei von PVC und chlorhaltigen Polymeren.

Mitte 2019 eröffnete KISICO am Stammsitz im deutschen Oestrich-Winkel eine neue Produktionshalle mit Reinräumen auf 1600 Quadratmetern sowie einem Technikbe reich. Um einen geeigneten Boden für den Neubau hatten sich die Verantwortlichen schon Jahre zuvor Gedanken gemacht: «Auf der Reinraum-Messe Cleanzone ha ben wir KISICO 2015 das Schnellverlege system nora nTx vorgestellt», erläutert Frank Bähr, nora Marktsegment-Manager Indust rie. «Wir konnten KISICO überzeugen, dass damals gerade neu eingeführte System zu testen.» norament grano nTx wurde in den Sozialräumen des Bestandsgebäudes in stalliert und auf Belastbarkeit, Medienbe ständigkeit und Reinigungseigenschaften hin geprüft – mit überzeugendem Ergeb nis. «Der Boden hat alle Anforderungen an Widerstandsfähigkeit, Langlebigkeit, Chemi kalienbeständigkeit und einfache Reinigung sehr gut erfüllt», bestätigt Benjamin Schmidt, Manager Forschung & Entwick lung bei KISICO und Projektleiter für das Bauvorhaben. «Ein grosser Vorteil ist aus unserer Sicht aber auch die Möglichkeit, einzelne Fliesen im Bedarfsfall auszutau schen bzw. mit Reinigungspads wiederauf zuarbeiten, was bei dem Epoxidharzboden im Bestandsbau nicht möglich war.» Auf grund ihrer geschlossenen, unbeschichte

Widerstandsfähig, hygienisch, wirtschaftlich: Im Neubau des Verpackungs-Herstellers KISICO bildet norament grano nTx den sicheren Untergrund für eine anspruchsvolle Prozessumgebung. Der Boden musste aufgrund der in der Produktion eingesetzten schweren Spritzgussmaschinen extrem belastbar sein und zugleich die Reinraum anforderungen nach ISO 8 erfüllen. Die Wahl fiel auf norament grano.

Eine schnelle und sichere Bodenlösung auch für Reinräume – das bietet norament grano nTx. (Bilder: Markus Bachmann)

ten Oberfläche lassen sich Kautschukbö den einfach und wirtschaftlich reinigen und vollständig desinfizieren. norament grano nTx wurde im gesamten Neubau verlegt: In den Reinräumen in Hellgrau, in weiteren Funktionsbereichen wie Materialversor gung, Personalschleuse und Fluren in zwei kräftigen Blautönen. Auch von der Möglich keit, Intarsien in den Belag zu integrieren,

Bodenverlegung auf Bodenplatte im Reinraum

machte KISICO Gebrauch. Akzentstreifen in Blau markieren in der Produktionshalle die Laufwege.

Der Belag kann direkt auf der Betonplatte verlegt werden, eine aufwändige Untergrund vorbereitung entfällt.

Explosionsgeschützt und mit In-situ-Sonde

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Das TDLS8200 zeichnet sich durch niedri ge Installationskosten, hohe Messstabilität und hohe Zuverlässigkeit aus. Es kann gleichzeitig die Konzentrationen von zwei Gasarten direkt und mit hoher Geschwin digkeit messen. Verfügbar sind derzeit Mo delle, die Messungen in Umgebungen mit Temperaturen bis zu 600 °C und 850 °C durchführen können. Die neue Version sorgt für eine noch effizientere Verbren nungsregelung und einen sichereren Anla genbetrieb in einem breiteren Spektrum von Anwendungen.

Das Hauptmerkmal des TDLS8200 ist seine duale Laserlichtquelle und -optik, die eine gleichzeitige Messung von Sauerstoff- und entweder Kohlenmonoxid- oder Methankonzentrationen für eine effiziente Verbrennungsre gelung ermöglicht. Die neue explosionsgeschützte Version des durchstimmbaren Diodenlaserspektrometers TDLS8200 hat Yokogawa im Juli auf den Markt gebracht.

und zu gewährleisten. Der Einsatz digitaler Geräte in Bereichen, in denen brennbare Gase Konzentrationen erreichen, die eine Explosionsgefahr darstellen, wird jedoch durch örtliche Gesetze und Vorschriften eingeschränkt, da sie diese Gase entzün den können. Darum hat Yokogawa eine neue explosionsgeschützte Version des durchstimmbaren Diodenlaser-Spektrome ters TDLS8200 entwickelt.

Neue Version des Diodenlaserspektrometers

Das explosionsgeschützte TDLS8200 ent spricht dem IECEx-Explosionsschutzstan dard der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC), den FM-Explosions schutzstandards der Vereinigten Staaten und Kanadas sowie den ATEX-Explosions schutzrichtlinien der EU. Die Einhaltung dieser Vorschriften ermöglicht den Einsatz des Geräts in Zonen, in denen brennbare Gase Konzentrationen erreichen, die eine Explosionsgefahr darstellen. Yokogawa plant bereits die Zertifizierung gemäss den Richt linien und Normen für den Explosions schutz in weiteren Regionen und Ländern.

Durchstimmbares Diodenlaserspektrometer TDLS8200 mit In-situ-Sonde. (Bild: Yokogawa)

Kontakt

Überschüssige Luft, die bei der Verbren nungsregelung in Heizöfen zugeführt wird, nimmt im Ofen Wärme auf, bevor sie über den Abgasschacht austritt. Dies führt nicht nur zu Wärmeverlusten, sondern kann

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Das Direktmesssystem des TDLS8200 ba siert auf dem Einsatz von Lasern, die ein facher zu warten sind als herkömmliche Probenahmesysteme und robuster sind als katalysatorbasierte Sensoren. Das gewähr leistet eine stabile, simultane und verlust freie Messung. Zudem ist die Sonde leicht zu installieren und zu ersetzen, da sie ohne extraktive Probenahme auskommt.

Entwicklungshintergrund

auch grosse Mengen an Stickoxiden und Schwefeloxiden erzeugen, die eine Haupt ursache für Luftverschmutzung darstellen. Andererseits kommt es bei unzureichen der Luftzufuhr zu keiner vollständigen Ver brennung, was zu Energieverlusten, der Emission von Kohlenmonoxid und schwar zem Rauch sowie Restmethan führt. Koh lenmonoxid und Methan sind brennbare Gase, die leicht ein explosives Gemisch mit Luft bilden können, wenn sie sich in einem Brennraum ansammeln. Deshalb müssen in Öl- und Gas-, Petro chemie-, Elektrizitäts-, Eisen- und Stahlsowie Keramikwerken die Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlenmonoxid oder Methan in Öfen überwacht werden, um einen effizienten, umweltfreundlichen und sicheren Verbrennungsprozess zu steuern

Wie kann die Entstehung von Stäuben minimiert werden?

Nach der Bedarfsermittlung beginnt der kreativste Teil des Containment Designs, die Visualisierung des Containments am DerComputer.Prozess und die Geräte müssen mög lichst umfassend «eingehaust» werden und dennoch bedienbar bleiben. Zudem gilt es, sich auf den zur Verfügung stehen den Platz zu beschränken. Das Layout des Prozesses mit den Geräten muss so erfol

Die Arbeitgeber sind verpflichtet, den Ar beitnehmenden Schutzvorrichtungen zur Verfügung zu stellen, die dem Stand der Technik entsprechen und das Tragen von Vollschutzanzügen auf ein absolutes Mini mum reduziert.

Im Verlauf der Entwicklung von Medikamenten bis hin zur Produktion gibt es sehr viele Arbeiten und Prozesse, bei denen Mitarbeitende die Prozesse von Hand durchführen oder Maschinen bedienen müssen, die gewisse Prozessschritte übernehmen. Da die zu verarbeitenden Substanzen immer hochpotenter werden, wächst auch die Anforderung an die Sicherheit der Mitarbeitenden. Oft ist ein geeignetes Containment die einzig vernünftige Lösung, die Mitarbeiter vor Exposition gegenüber gefährlichen Stoffen schützt.

Kurt Waldburger 1

Wie wird das Produkt aus dem Contain ment entnommen und in welchen Ge binden wird das Produkt weiterverwen

Welche Regulatorien sollen zur Anwen dung kommen? (GMP, ATEX .)

DesignLösungsansätzebedarfsgerechter Containments

Studiensafetech)am

Woher und wie kommen Substanzen, Hilfsprodukte und Werkzeuge ins Con Mittainment?welchen Quellgebinden kann oder muss gearbeitet werden?

Bedarfsermittlung

steller des Containments zusammen zu arbeiten. Gemeinsam können grundlegen de Fragen geklärt werden:

1 Technischer Leiter der a1-safetech AG

Sehr oft sind Prozessschritte genau defi niert und können kaum noch angepasst werden. Ebenso werden Geräte und Ma schinen aus dem Bestand eingesetzt, wel che für die Herstellung der Produkte her vorragende Eigenschaften aufweisen, aber die Bedienperson in keiner Weise vor Kon takt mit der zu verarbeitenden Substanz Inschützt.diesen Fällen muss ein Containment für den Schutz der Bedienperson um das Ge rät und um den Arbeitsprozess herum ge baut werden. Dies sind in vielen Fällen sogenannte offene Containments, bei de nen Luft aus dem Aufstellungsraum durch Arbeitsöffnungen angesaugt wird und durch das Containment strömt. Auf diese Weise wird verhindert, dass luftgetragene Partikel vom Arbeitsraum nach aussen zur Bedienperson und in den Aufstellungs raum gelangen können. Die Bedienperson fasst mit geschützten Händen und Unter armen durch eine Arbeitsöffnung in den Arbeitsraum des Containments. Bevor die Hände wieder aus dem Containment zu rückgezogen werden, muss die persönliche Schutzausrüstung fachgerecht ausgezogen und im Containment entsorgt werden.

Resultat der Strömungsanalyse um die Un terarme in der Eingriffsöffnung. (Bilder: a1-

Istdet?es möglich, Andocksysteme im Be trieb zu vereinheitlichen?

Wir empfehlen dringend, schon bei der Formulierung des Bedarfs mit dem Her

Wie soll mit dem anfallenden Abfall verfahren werden?

Mock-Up Modell.

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. .

Lösungsansätze Prinzipkonstruktionund

Dies ist auch der Moment, in dem die Be dienpersonen zu einer Überzeugung ge langen können, dass das geplante System den Anforderungen entspricht.

Nicht selten wird anlässlich der mock-up Studie das ganze Konzept umgestellt. Da her ist es erst nach der Durchführung der mock-up Studie möglich, die Kosten für den Bau des Containments verlässlich zu berechnen. Alle Kosten, die vorher kom muniziert werden, können nicht mehr als Preis Schätzungen sein.

Überprüfung und Anpassung der Prinzipkonstruktion

Die 3D-Konstruktion kann noch so gut und anschaulich sein, aber sie wird nie das Handanlegen am Modell ersetzen können, denn die praktische Erfahrung kann durch nichts ersetzt werden.

Ein bedarfsgerechtes Containment kann nur in einer engen Zusammenarbeit von Betreiber, Bedienperson und Containment Lieferant entstehen. Nur durch das zurück legen des gemeinsamen Weges ist das, was der Kunde will auch das, was der Be treiber benötigt.

Nachdem die Prinzipkonstruktion bereinigt und gegebenenfalls revidiert ist, muss die se den Praxistest bestehen. Erst danach kann das Containment produziert werden. Für den Praxistest wird eine Attrappe, ein sogenanntes mock-up gebaut. Der Arbeits raum, die Arbeitsöffnung, Schleusen, Wan nen, Geräte, Werkzeuge und Störkanten werden 1:1 nachgebildet. Der Betreiber bereitet sich seinerseits vor und erstellt ein story book, welches beschreibt, welche Handlungen mit welchen Gegenständen und Materialien wann und wie erfolgt.

den Lüftungsaufwand gering zu hal ten, sind die Eingriffsöffnungen so gering wie möglich vorzusehen.

Die Luftführung im Containment muss so gestaltet werden, dass der Personenschutz jederzeit gewährleistet ist. Hier liegt die Herausforderung, qualifizierte Aussagen zu treffen über den Weg, der Luftströmung. Insbesondere dann, wenn Geräte oder an dere Gegenstände im Luftstrom stehen, muss nachgewiesen werden, dass die Strömung in der Arbeitsöffnung unter allen Umständen so ist, dass keine luftgetrage nen Partikel nach aussen dringen können. Dazu wird vom Containment selbst zu sammen mit den Geräten sowie der Bedienperson ein 3D-Modell erstellt. Dies bildet die Grundlage, um mittels Computer eine Strömungssimulation zu berechnen. Das Resultat, unter der Berücksichtigung der verschiedenen Kriterien, ist eine Prin zipkonstruktion, die nun zusammen mit dem Kunden besprochen und überprüft wird. Spätestens ab diesem Zeitpunkt ist es zwingend notwendig, dass auf der Sei te des Betreibers mindesten eine Person mit dabei ist, welche auch am geplanten Containment arbeiten wird. Durch die Ein bindung von Bedienpersonen in den Designprozess können unverzichtbare Er kenntnisse in die Gestaltung des Contain ments einfliessen.

Bei der Durchführung der mock-up Studie werden alle vorgesehenen Prozesse voll umfänglich «durchgespielt». Nur dadurch ist es möglich, dass die angedachte Prin zipkonstruktion in der Praxis auch optimal zu gebrauchen ist. Idealerweise sind vom Betreiber 2 bis 3 Bedienpersonen unter schiedlicher Körpergrösse beteiligt.

In dieser Phase eines Projektes kann es Matchentscheidend sein, dass mit einem Lieferanten zusammengearbeitet wird, der über einen reichen Erfahrungsschatz ver Umfügt.

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gen, dass die ergonomischen Grundsätze in einem möglichst hohen Mass umge setzt werden können.

Das Resultat einer guten Zusammenarbeit. Kontakt a1-safetech AG CH-4133 www.a1-safetech.chinfo@a1-safetech.chPratteln

www.asecos.ch mit dem Sicherheits-AssistenzSystem (SAS) SICHER ENTLÜFTET ››› SICHER – Überwachung der notwendigen Ablumengen von Sicherheitsschränken mit optischer Alarmierung bei Unterschreitung ››› NACHHALTIG – Kontrolle und energie-e iziente Nachregelung unnötig hoher Volumenströme Live erleben auf der ILMAC 28 – 29 SEPTEMBER 2022 Halle 7, Stand B440

Elektronen e

Die aktive Schicht

COMSOL Multiphysics GmbH

genieure und Wissenschaftler die grundle genden Transportphänomene, Elektroden kinetik, Thermodynamik, Elektrolytchemie und die katalytische Oberflächenaktivität verstehen, die an den Ladungsübertra gungsreaktionen beteiligt sind. Diese Fakto ren müssen zunächst auf mikroskopischer Ebene verstanden werden. Betrachten wir die Transport- und Reaktionsprozesse nä her, die in der aktiven Schicht einer Brenn stoffzellenelektrode ablaufen können. Es ist ausreichend, dies am Beispiel der IonenlaufElektrodenmaterialwerdenDieElektrofahrzeugenreichsten(PEMFC)nenaustauschmembran-BrennstoffzelleProtozuuntersuchen,demaussichtsKandidatenfürdenEinsatzin(Abb.1).anderAnodefreigesetztenElektronendurchdaselektronischleitendeindenäusserenKreisüberdieLastgeleitet.DieWasserstoff-(Protonen)werdenimElektrolyten

Abb. 1: Links: Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle mit Gaskanälen und elektrolyti schen Schichten. Rechts: Details einer Elementarzelle und deren Reaktionen. (Grafiken: COM SOL Multiphysics)

mitGasgefüllteelektronAnodenmaterialHElektrolyt,elektronKathodenmaterialH2O.Leiter2n.Leiter.LeiterPorenH2undH2O

Die Herstellungskosten werden durch den hohen Preis des dort befindlichen Kataly sators, Platin, bestimmt. Wird die Katalysa torlast verringert, fällt typischerweise auch die Leistungsdichte der Kathode. Die Le bensdauer wird durch verschiedene Ab bauprozesse und Degradationsmechanis men bestimmt, wie Protonenreduktion, Platinauflösung, Kohlenstoffkorrosion, Zer setzung des Porenelektrolyten durch Radi kale sowie Verunreinigungen der Katalysa torstellen und des Elektrolyten.

Gasgefüllte Poren mit O2 und

Dr. Sven Friedel ¹

50 9–10/2022 P UBLIREPORTAGE

Das Prinzip der Brennstoffzelle ist simpel und wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt. Auf der Su che nach der «Umkehrung der Elektrolyse» platzierte er zwei Platindrähte in verdünn ter Schwefelsäure und umspülte sie mit Wasserstoff und Sauerstoff. Als er zwi schen den Drähten eine elektrische Span nung nachweisen konnte, war die Idee der Gasbatterie geboren. Noch im 19. Jahr hundert setzte eine Euphorie ein, so schwärmte Jules Verne in seinem Buch «Die geheimnisvolle Insel», Wasser sei die Kohle der Zukunft und Wasserstoff und Sauerstoff würden «auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde si chern». Auf dem Weg in die Zukunft gab und gibt es aber noch einige Herausforde rungen. Bald nachdem 1959 das erste Fahrzeug (ein Traktor) durch Brennstoffzel len angetrieben wurde, flogen diese auch in Apollo-Missionen zum Mond. Mit der verschärften Umweltgesetzgebung seit den 1990er werden Wasserstoffantriebe noch intensiver erforscht.

Elektronen e Luft mitO2 H2

Ein Vorteil der Wasserstofftechnologie in der Elektromobilität besteht in der schnel len Ladung, der Nutzung bestehender Tankstelleninfrastruktur und der Vermei dung der Belastung des Stromnetzes. Die wichtigsten Gegenargumente von Brenn stoffzellen für Elektrofahrzeuge sind ihre hohen Herstellungskosten, die begrenzte Lebensdauer und relativ geringe Leistungs dichte im Vergleich zu Batterien. Alle diese Beschränkungen lassen sich auf ein zent rales Designelement der Brennstoffzelle

Neue BessereAntwortenBrennstoffzellen dank Simulation

KathodeElektrolytAnode

Um das Design der aktiven Schicht einer Brennstoffzelle zu verbessern, müssen In

¹ Physiker, Geschäftsführer

Am Wasserstoff scheiden sich die Geister. Die einen halten ihn für den Energieträger der Zukunft, andere hingegen, insbesondere in Verbindung mit Brennstoffzellen in der Elektromobilität, für ein Auslaufmodell und sehen Batterien klar im Vorteil. Welche Argumente führen Anhänger und Kritiker der Brennstoffzellentechnologie eigentlich ins Feld und welche Methoden nutzen Wissenschaftler und Ingenieure heute, um diese Technologie weiter voranzutreiben?

zurückführen – ihre Sauerstoffelektrode (Kathode), oder noch konkreter: das mik roskopische Design der aktiven Schicht in den Sauerstoff reduzierenden Gasdiffusi onselektroden.

Zunehmende

die

und im Separator zur Kathode transpor tiert, wo sie mit Sauerstoff (Kathodengas) reagieren. Die als Verbrennungsprodukt gebildeten Wassermoleküle können als Dampf oder flüssiges Wasser aus der Ka thode transportiert werden.

P UBLIREPORTAGE

Anodischer kathodischer Kreis separieren mehr, grösser Differenz der Austauschstromdichten in Anode und Kathode

Frequenz

sich um so

und

52 9–10/2022 P UBLIREPORTAGE

Abb. 3: Lamellenartige Struktur der Gaskanäle in einer Brennstoffzelle. Wasser kann nach unten Abfliessen und behindert nicht den Transport von Sauerstoff zur Elektrode [1].

Anode ElektrolytKathode

werden, die Herstellung verschiedener Kathoden ist extrem zeitaufwendig. Hier können moderne Simulationsprogramme punkten: Ohne Materialaufwand können verschiedenste Szenarien durchgespielt werden. Notwendig dazu ist die Lösung der reaktiven Transportgleichungen für alle beteiligten Spezies. Weitere Modellglei chungen können die Strömungen in den Fluidkanälen und in porösen Medien und den Wärmetransport beschreiben. Alle diese Prozesse sind gekoppelt und beein flussen sich gegenseitig. Modellrechnun gen können u.a. synthetische Messdaten liefern (z. B. Impedanzspektrogramme), welche dann mit realen Messungen vergli chen werden können. Durch Kombination von Parameterschätzungen anhand expe rimenteller Daten mit der Modellierung der Impedanzspektroskopie können die Transport- und Reaktionseigenschaften in Brennstoffzellen während des Betriebs bei verschiedenen Lasten beschrieben wer den. Dadurch kann man Ursachen für die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit aufdecken und Verbesserungen in Konst ruktion und Materialauswahl anregen.

und elektronische Leitung sind hingegen extrem schnelle Prozesse. Um die Qualität der Prozesse zu verstehen und zu optimie ren, verwenden Ingenieure heute neben Messungen zunehmend Simulationen. Experimentell untersucht man Brennstoff zellen typischerweise mit der Methode der Impedanzspektroskopie. Dabei wird an die Brennstoffzelle eine Gleichspannung angelegt, der eine kleine sinusförmiger Störung überlagert wird. Der fliessende Störstrom ist ebenfalls sinusförmig. Variiert man die Frequenz der Störung, ändern sich auch Amplitude und Phasenverschie bung, oder anders gesagt, die Impedanz. Auf diese Weise kann man die Intensität langsamer Prozesse (Massentransport durch Diffusion) von schnelleren (Reakti onskinetik, Stromleitung) unterscheiden (Abb. 2).

Das Verhalten einer Brennstoffzelle wird nicht nur durch deren Mikrostruktur be dingt, sondern auch durch konstruktive Details des gesamten Stapels. Die Einhei ten können zum Beispiel mit geraden pa rallelen oder schlangenförmigen Strö mungskanälen verbunden sein. Moderne Brennstoffzellen, wie die des Toyota Mirai [1], können auch eine komplexere Struktur für die Sauerstoff (Luft)-Gaszufuhr haben. Hier ermöglicht eine lamellenartige Struk tur, dass Wasser durch die Schwerkraft nach unten, weg von der Kathode fliessen kann, wo es den Sauerstofftransport be hindert, und Sauerstoff nach oben. Durch diese Veränderungen konnte Toyota die Leistung seiner Brennstoffzelle erheblich verbessern. Abbildung 3 zeigt eine sche matische Darstellung, wie diese LamellenStruktur aussehen Computergestütztekönnte.Simulation bietet eine sehr effektive und einzigartige Möglichkeit, komplexe Prozesse in Brennstoffzellen zu untersuchen, deren Platinlast zu verringern sowie Lebensdauer und Leistungsdichte zu erhöhen [2]. Numerische Methoden können auch helfen, Brennstoffzellen, Bat terien und Superkondensatoren optimal zu kombinieren, um Schadstoffemissionen von Pkws, Bussen und Lastwagen weiter zu reduzieren. Was für Jules Verne eine Vision war, rücken Wissenschaftler und In genieure in immer greifbarere Nähe.

[1] T. Yoshida and K. Kojima, «Toyota MIRAI Fuel Cell Vehicle and Progress Toward a Fu ture Hydrogen Society», The Electrochemi cal Society Interface, vol. 24, no. 45, 2015. [2] Ekström, H. and Fontes, E., 2022. Mo deling and Simulation in Fuel Cell Deve lopment. Verfügbar https://www.comsol.com/c/dpu3unter:COMSOLMultiphysicsGmbHTechnoparkstrasse1+41445157800info@comsol.chwww.comsol.ch

Was man aus diesen Messungen aller dings nicht ablesen kann, ist, welche kon kreten mikrostrukturellen Eigenschaften chemischen Parameter der aktiven Schich ten dieses Verhalten bedingen. Messun gen können immer nur an einer begrenz ten Anzahl von Samples durchgeführt

Von der Einheitszelle zum Brennstoffzellenstapel

www.aicos.compsolot@aicos.com76 Die Expertin für industrielle Statistik Data analysis without effort! 9.58.57.56.5678910 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 [%]contentWater Month Water content Increase over 48 months Punkte Regr. y=a+bx a=6.5491 b=0.0622 R=0.9625 25 Jahre AICOS Technologies ¹ AICOS Technologies AG Dr. Philippe Solot, CEO der AICOS Technolo gies AG. (Bild: zvg) SkillPak® - vorgepackte Säulen für die Methodenentwicklung • Eine Lösung für die Entwicklung von DSP-Methoden • Eine Technologie, die ein nahtloses Scale-up ermöglicht • Erhältlich in Säulenvolumen von 1 mL bis 200 mL variable Vakuumfiltrationsrampe Flex Vac Pro wird auf Kundenzusammengestellt. In erster Linie wird sie im Bereich der Mikrobio SEBIO GMBH | Gewerbstrasse 10 | CH-4450 Sissach Tel. +41 61 971 83 44 | Fax +41 61 971 83 45 | info@sebio.ch | www.sebio.ch

9–10/2022 P UBLIREPORTAGE

Seit 1997 hat AICOS Technologies mit ihrer Philosophie einer möglichst mühelosen Anwendung statistischer Methoden zahlreiche Chemie-, Pharma- und Biotech-Firmen unterstützt, sei es im Rahmen von Prozessopti mierungs- bzw. Produktentwicklungsprojekten, bei der Prozesskontrolle, Labordatenanalysen oder Stabilitäts studien. Zudem wurden unzählige Wissenschaftler und Laboranten aus Europa, Amerika und Indien in angewandter Statistik ausgebildet.

Philippe Solot ¹

Kontakt

Dr. Philippe Solot Chief Executive Officer AICOS Technologies AG Sandweg 46 CH-4123 Allschwil +41 61 686 98

nem schlankeren Arbeitsablauf, einer ganz neuen Benutzeroberfläche und übersicht licheren Grafikdarstellungen die Anwen dung dieser Methodologie nochmals deut lich. Andererseits wird das neue validierte Excel-Add-In EasyStat 5.0 eine vollständige Stabilitätsanalyse gemäss ICH Q1E und die Bestimmung von LOD und LOQ bei der Methodenvalidierung auf Knopfdruck er lauben.

Sein 25-Jahr-Jubiläum feiert das Unterneh men mit dem Abschluss zweier grosser Softwareentwicklungsprojekte. Einerseits erleichtert das neue STAVEX 6.0, die erste Web-Applikation für die statistische Ver suchsplanung (DoE) im Intranet, dank ei

54 9–10/2022

Ein Buchstabe des genetischen Alphabets

«Zu dem Eisensulfid gaben wir unter Stick stoff-Atmosphäre Kaliumcyanid, Phos phorsäure und Wasser und erwärmten die Mischung auf 80 Grad Celsius. Die Phos phorsäure wandelt das Kaliumcyanid in Blausäure um. Wir nahmen anschliessend Gas-Proben aus der Atmosphäre der je weiligen Gefässe und analysierten sie», beschreibt Weigand das Experiment. Da bei fanden die Forschenden Substanzen, die als Vorläufer heutiger Biomoleküle gedient haben können.

«Wir fragten uns: Was passiert, wenn Eisen sulfid in dieser vorzeitlichen Atmosphäre mit Blausäure in Kontakt kommt?», erklärt Prof. Dr. Wolfgang Weigand vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Jena. «Dabei half es uns, dass wir in einer erfolgreichen Kooperation mit meinem Kollegen Prof. Dr. Christian Robl zufällig eine besonders reaktive Form von Eisensulfid entdeckt hatten. Diese Form wurde schon zweimal in der Geschichte entdeckt und jeweils wieder vergessen: Einmal im Jahr 1700, dann 1920. Die bei den damaligen Doktoranden Robert Bol ney und Mario Grosch entdeckten sie dann quasi zum dritten Mal», fügt er hinzu. Die beiden Chemiker beobachteten im Labor, dass wenn man Eisenpulver mit Schwefel

Eine Wiederentdeckungzufällige

Sind so die ersten Biomoleküle entstanden?

Gensequenzen

Wie sind Biomoleküle sind sichtbar. (Bild: Envato)

Universität Jena

Marco Körner ¹

entstanden? Auf dem Bild

Die Erde ist rund 4,6 Milliarden Jahre alt und war nicht immer ein lebensfreundli cher Ort. In den ersten einhundert Millio nen Jahren bestand die Atmosphäre unse res Planeten vorrangig aus Stickstoff, Kohlendioxid, Methan, Schwefelwasser stoff und Cyanwasserstoff, auch bekannt als Blausäure. Freien Sauerstoff gab es nicht. Unter diesen Bedingungen ist Eisen sulfid stabil, das durch Sauerstoff zu Eisen oxid wird. An der Oberfläche von Eisensul fid können biologisch wichtige Reaktionen stattfinden, wie sie auch in bestimmten Enzymen geschehen, die ebenfalls auf Ei sen und Schwefel basieren, etwa den Nit rogenasen und Hydrogenasen.

Die berühmte «Ursuppe»

Die chemischen Vorstufen unserer heutigen Biomoleküle könnten nicht nur in der Tiefsee an hydrothermalen Quellen entstanden sein, sondern auch in warmen Tümpeln an der Erdoberfläche. Die chemischen Reaktionen, die in dieser «Ursuppe» möglicherweise stattgefunden haben, hat ein internationales Team unter Leitung der Friedrich-Schiller-Universität Jena erstmalig im Experiment nachvollzogen. Sogar eine der Nukleinbasen, die den Code unseres Erbguts darstellen, könnte demnach von der Oberfläche unseres Planeten stammen.

in Wasser rührt und leicht erwärmt, nach einer gewissen Zeit explosionsartig Eisen sulfid als Mackinawit entsteht. Dieses Mi neral diente im «Ursuppen»-Experiment als Katalysator.

Fantasie und Geduld –auch über Jahrzehnte

Besonders dankbar ist Weigand über die Kooperation des gesamten internationalen Teams: «Für so eine Arbeit braucht es wirk lich Fantasie und Geduld», fasst er zusam men. «Und das haben Robert Bolney und Mario Grosch bewiesen. Auch die Zusam menarbeit mit den Kolleginnen und Kolle gen an der University of California in Irvine und an der LMU München war beispiel Wiehaft.»wichtig

Biogeochemie Jena den Thüringer For Nunschungspreis.–fastzwanzig Jahre später – konnte Weigand auch zeigen, dass an der Erd oberfläche unter diesen Bedingungen aus

Cyanid erste Kohlenstoff-Verbindungen entstanden sein könnten, aus denen spä ter Leben erwachsen ist.

559–10/2022 F ORSCHUNGSWELT

in den gefundenen Molekülen wirklich aus dem markierten Kaliumcyanid stammen.»

Wolfgang Weigand

Fantasie und vor allem Geduld in der Wissenschaft sind, zeigt Wolfgang Weigand selbst. Denn im Jahr 2003 erhielt er für seine Arbeit «Eine mögliche präbio tische Bildung von Ammoniak aus mole kularem Stickstoff auf Eisensulfidoberflä chen» gemeinsam mit Prof. Dr. Günter Kreisel von der Universität Jena und Dr. Willi Brand vom Max-Planck-Institut für

«Besonders aufregend war, dass wir unter diesen milden Bedingungen sogar Adenin nachweisen konnten.»

Im Fachjournal «ChemSystemsChem» be stätigt das Team unter anderem den Fund von Thiolen, die als Lipide in Zellmembra nen vorkommen sowie von Acetaldehyd, das als Vorstufe für DNA-Bausteine (den sogenannten Nucleosiden) benötigt wird. «Besonders aufregend war, dass wir unter diesen milden Bedingungen sogar Adenin nachweisen konnten, das als Nukleinbase einer der fünf Buchstaben des geneti schen Codes ist», berichtet der Jenaer Chemiker begeistert. Dass das Cyanid wirklich den Kohlenstoff für die gefundenen Moleküle lieferte, konnte das Team mittels Isotopenmarkie rung nachweisen. Weigand erklärt: «In die sem Experiment enthielt das Kaliumcyanid nicht das Isotop Kohlenstoff-12, wie es zu 98,9 Prozent in der Umwelt vorkommt, sondern stattdessen das schwerere und ebenfalls stabile Isotop Kohlenstoff-13. Dieses Isotop fanden wir auch in den Re aktionsprodukten. So konnten wir eindeu tig nachweisen, dass die Kohlenstoffatome

www.uni-jena.de

Hergestelltes Protein kann PET zersetzen

Der Körper passt sich an die Umwelt an

Da die Menschen viele Nahrungsmittel konsumieren, die aus PET-Verpackungen stammen, könnten sich die Mikroben im Speichel oder Darm auf die Einfuhr von Mikroplastik angepasst haben, vermuteten die Forschenden. Sie entdeckten die neue Hydrolase, die sie MG8 nannten, beim Durchkämmen einer öffentlichen Daten

Um genügend Material für die Untersu chungen zu gewinnen, liessen sie das En zym von einem im Labor kultivierbaren Bakterium produzieren. Aus einer denatu rierten, also nicht korrekt gefalteten Form, die aber in grossen Mengen isolierbar war, gewannen sie mit Leichtigkeit eine aktive Form des Enzyms, die PET zersetzen konnte. Das seien gute Voraussetzungen für eine Kultivierung im grosstechnischen Massstab, setzen die Forschenden den Blick in die Zukunft.

¹ Vidyasirimedhi

bank, die neben Proben aus Meerwasser auch solche aus menschlichem Speichel umfasste, und ordneten sie Gram-negati ven Bakterien zu, die sich im menschli chen Speichel ansiedeln können. Diese Bakterien sind solchen Stämmen ähnlich, die nahe der riesigen Plastikstrudel in den Ozeanen gefunden wurden und die eben falls PET-Hydrolasen entwickelt hatten.

MG8 nicht nur PET zerlegen kann, sondern es mit einer Modifikation auch sehr gut bindet. Dafür tauschten sie in der Protein sequenz im aktiven Zentrum des Enzyms die Aminosäure Serin mit einer unnatürli chen Aminosäure aus. Das modifizierte Enzym heftete sich sofort an PET-Pulver an. Damit könnte es genutzt werden, um PET-Oberflächen zum Beispiel für die Me dizintechnik oder ein effektiveres Recyc ling zu funktionalisieren.

Neue PET-Hydrolase im Speichel gefunden Institute of Science and Technology (Thailand)

Noch eine weitere Verwendung von MG8 haben sie im Visier. Sie entdeckten, dass

Enzyme, die PET in kleine Moleküle zerset zen, könnten für das Plastikrecycling einge setzt werden. Allerdings müsste dafür MG8, ebenso wie andere PET-Hydrolasen auch, weiter optimiert werden. Bislang kön nen die PET-Hydrolasen das hochkristalline PET, wie es in Getränkebehältern verwen det wird, nicht zersetzen. Bis sich also eine ganze Wasserflasche in einer einfachen enzymhaltigen Waschlösung auflösen kann, sind weitere Forschungen nötig.

Chayasith Uttamapinant ¹

Wegen Plastikverpakungen

www.angewandte.de

Mülldeponien und Hafenbecken gelten als besonders vielversprechende Orte, um Bakterien zu finden, die sich auf die Ver wertung von Kunststoffen angepasst ha ben. Solche Bakterien haben Enzyme –PET-Hydrolasen genannt – entwickelt, die PET in kleinere Moleküle zerlegen können. Forschende um Chayasith Uttamapinant vom Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (Vistec) in Rayong und Worawan Bhanthumnavin von der Chula longkorn University in Bangkok (beide Thailand) haben nun das erste PET-abbau ende Enzym aus einer eher ungewöhnli chen Quelle entdeckt: dem Mikrobenge nom im menschlichen Speichel.

PET-Hydrolasen auf Mülldeponien

Weitere Forschung nötig

Wie Forschende in der Zeitschrift «Ange wandte Chemie» berichten, zerlegt diese im Speichel vorhandene Hydrolase PET aktiver in kleinere Moleküle als andere be kannte bakterielle Hydrolasen. Das Enzym lässt sich biotechnologisch produzieren und könnte für das Recycling oder die Funktionalisierung von Kunststoffmateria lien angepasst werden, schreiben die Au torinnen und Autoren.

Menschlicher Speichel könnte ein Enzym enthalten, das den Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET) zersetzen kann. Entdeckt hatten Forschende das Enzym in einer Datenbank für mikrobielle Genome, unter anderem aus menschlichem Speichel.

56 9–10/2022 F ORSCHUNGSWELT

Neue Erkenntnisse über den Sternenstaub

Spezial-Sonde, Computerpower und Massenspektroskopie

579–10/2022 F ORSCHUNGSWELT

www.mpic.de

Verständnis zum Ursprung der chemischen Elemente Aufgrund dieser charakteristischen Isoto penhäufigkeitsanomalien können sie in Meteoriten und Kometenmaterial aufge spürt werden. Präsolare Körner bieten die einzigartige Möglichkeit, die Prozesse der stellaren Nukleosynthese sehr detailliert im Labor zu studieren und die Sterntypen zu identifizieren, die Staub zum Sonnen system beigetragen haben. Dies liefert einen wichtigen Beitrag zum besseren Ver ständnis des Ursprungs der chemischen Elemente und der Entstehung unseres InSonnensystems.demerschienen Artikel in werden die jüngsten Erkenntnisse aus Studien dieser präsolaren Körner vorgestellt und die Auswirkungen auf zukünftige For schungen, interstellare Staubmodelle und die Interpretation astronomischer Beobachtungen von Staub im Auswurfma

Genauere Staubmodelle des interstellaren Mediums möglich Peter Hoppe, Gruppenleiter in der Abtei lung Partikelchemie des Max-Planck-Institut (MPI) für Chemie und Erstautor der Publi kation, erklärt: «Das Wissen, dass ein weit aus grösserer Teil des Sternenstaubs aus

Bis vor kurzem gingen Kosmochemiker und Astrophysikerinnen davon aus, dass Supernovae und ihre Vorläufer, die Überriesen-Sterne, nur wenig zum Sternenstaubgehalt unseres Sonnensystems beigetragen haben. Neuere Untersuchungen deuten aber darauf hin, dass ein erheblicher Teil des Sternenstaubs im Sonnensystem aus Supernova-Explosionen und deren Vorläufersternen stammt. Was bedeutet das nun?

Die chemischen Elemente von Kohlenstoff bis Uran entstehen ausschliesslich in Ster nen in der sogenannten stellaren Nukleo synthese. Am Lebensende eines Sterns werden sie als Wind oder in einer gewalti gen Explosion (Supernovae) an den um gebenden Raum, das sogenannte inter stellare Medium, abgegeben. Ein grosser Teil der nicht-flüchtigen Elemente konden siert dabei zu Sternenstaub, der aber im interstellaren Medium später zum Teil wie der zerstört wird. Der überdauernde Teil der Körnchen wurde vor etwa 4,6 Milliar den Jahren auch in die planetaren Körper unseres Sonnensystems eingebaut. Da diese Körner bereits vor der Bildung unse res Sonnensystems existierten, werden sie «präsolare Körner» genannt. Sie weisen für unser Sonnensystem untypische, also anomale, Isotopenmuster auf.

terial von Supernova-Explosionen disku tiert.

Supernova-Explosionen stammt, liefert der Forschung wichtige neue Parameter für Computermodelle über die Entwicklung des Staubs im interstellaren Medium. Dies gilt insbesondere, wenn man das Überle ben von frisch produziertem SupernovaStaub und altem, interstellaren Staub beim Durchgang von Supernova-Schockwellen beschreibt.» Letzteres sei von Interesse, da der Staub eine wichtige Rolle als Katalysator für chemische Reaktionen in interstellaren Molekülwolken spiele und als Baustein für die Entstehung neuer Planeten in protopla netaren Scheiben in jungen Sternsystemen gelte. Die Prozesse, die zur Vermischung von Sternenstaub im lokalen interstellaren Medium über ausgedehnte räumliche und zeitliche Skalen geführt haben, seien noch nicht ausreichend erforscht und sollten in zukünftigen Entwicklungsmodellen genauer untersucht werden, fasst der Astrophysiker zusammen.

Supernova-Explosionen

Möglich wurden die neuen Erkenntnisse dank verbesserten Analysemethoden mit der Nanosims-Ionensonde an Sternen staub sowie neuer Modellrechnungen. Mithilfe der Ionensonde wird im Submik rometerbereich die Verteilung der Häufig keit bestimmter Isotope gemessen. Dazu wird die Probe mit einem fokussierten Io nenstrahl abgerastert und die dabei aus der Probe herausgeschlagenen Teilchen massenspektrometrisch analysiert.

Eine Supernova-Explosion. (Bild: Shutterstock/Nasa)

Schweiz, nicht ausreichend strengen Vor schriften.» Beispielsweise werden in länd lichen Gebieten der Alpen noch viele Häu

Laura Hennemann ¹

Eine Topographie der besonderen Art

Holzscheite, Holzpellets, Kohle oder – in einigen Ländern – Torf zum Heizen von Wohnhäusern verwendet werden, wird viel Feinstaub in die Luft freigesetzt, der für die Lokalbevölkerung gesundheits schädlich ist», sagt Gang Chen, Aerosolfor scher am PSI und Erstautor der neuen Publikation. «Im Gegensatz zu Kraftwer ken, für die es strenge Vorschriften und Filtersysteme gibt, unterliegen die Emissi onen von Wohnheizungen in den meisten europäischen Ländern, so auch in der

Feinstaub: So verschmutzt ist Europa Paul-Scherrer-Institut

Forschende haben an 22 Standorten in Europa die Zusammensetzung von Feinstaub gemessen. Das Ergebnis dieser internationalen Studie unter der Leitung des Paul Scherrer Instituts PSI ist eine Europakarte der bedeutendsten Aerosolquellen. Die Forschenden haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift «Environment Inter national» veröffentlicht.

Wie ungesund Luft sein kann Mehreren Studien zufolge wird die ge sundheitliche Bedeutung der Luftquali tät stark unterschätzt. So sterben allein in Europa beinahe 800 000 Menschen im Jahr frühzeitig an Krankheiten, die von Luftverschmutzung mitverursacht werden. Die Luftverschmutzung senke die Lebenserwartung sogar stärker als Infektionskrankheiten (!). Zu diesem Schluss kommen die Autoren einer Stu die, die in der Fachzeitschrift «Cardiova scular Research» veröffentlicht wurde.

«Wir haben für Europa gezeigt, dass unser standardisiertes Protokoll der Datenauswertung funktioniert», sagt Gang Chen, der Chemieingenieurwesen studiert hat und jetzt als Aerosol forscher am PSI tätig ist. Er ist der Erstautor einer neuen wissenschaftlichen Veröffentlichung, deren Ergebnis eine Karte der Aerosolquellen an 22 Standorten in ganz Europa ist. (Bild: PSI/ Mahir Dzambegovic)

Wenngleich die Zusammensetzung des Feinstaubs von Ort zu Ort variierte, mach ten die Forschenden durchweg eine Hauptquelle der Aerosolverschmutzung aus: das Heizen von Wohngebäuden mit festen Brennmaterialien wie Holz oder WennKohle.

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Der Sündenbock

Gute Luftqualität ist entscheidend für un sere Gesundheit. Aerosole, auch Feinstaub genannt, können gesundheitsschädlich sein, unter anderem weil die Schwebeteil chen tief in die Lunge eindringen. Laut Weltgesundheitsorganisation WHO verur sacht Luftverschmutzung in Form hoher Aerosolkonzentrationen weltweit jährlich sieben Millionen Todesfälle. Um sinnvolle Massnahmen zur Luftverbesserung ergrei fen zu können, ist es wichtig, die haupt sächlichen Aerosolquellen zu ermitteln. Unter der Leitung des Paul-Scherrer-Insti tuts (PSI) haben Forschende nun eine Eu ropakarte der Aerosolquellen erstellt. Hier für haben sie Daten ausgewertet, die an 22 Standorten sowohl in Städten als auch in ländlichen Gebieten in ganz Europa er hoben wurden. Sie haben die wichtigsten Quellen für organische Aerosole – sowohl natürlichen als auch menschlichen Ur sprungs – und deren Schwankungen im Verlauf von Tagen, Monaten und Jahreszei ten «Fürermittelt.dieForschung im Bereich Luftqualität ist dies ein grosser Durchbruch», sagt Imad El Haddad, Leiter des Labors für Atmo sphärenchemie ad interim am PSI und Mitautor der Studie. «Unsere Daten kön nen nun benutzt werden, um Modelle zur Luftqualität zu verbessern.» Diese Modelle werden in der Epidemiologie genutzt, um zu bestimmen, welche Aerosolquellen die grösste Gesundheitsgefahr bergen. «Dar auf aufbauend könnten politische Ent scheidungsträger zielgerichtete Massnah men zur Reduktion der schädlichsten Aerosole vornehmen», so der Forscher.

www.psi.ch

Standardisiertes Protokoll für den weltweiten Einsatz

«Vielen Menschen ist nicht bewusst, wie gesundheitsschädlich die Verbrennung von Holz ist.»

Laborgerätewww.schmidlin-lab.chvonSCHMIDLIN Labor + Service AG CH-6345 Neuheim Telefon +41 41 757 51 51 info@schmidlin-lab.ch · www.schmidlin-lab.ch

effizienterRichtwerte gestalten

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funktioniert. Es kann nun von Forschen den überall übernommen werden», so Chen. «Das PSI ist weltweit führend in die ser Arbeit, mit der wir die gemessenen Aerosole ihren Quellen zuordnen können. Wir möchten unser Protokoll gerne aus weiten, um Aerosolkarten der ganzen Welt zu Ausserdemerhalten.»erhoffen sich die Forschen den, dass diese Art Daten bald in Echtzeit gesammelt und analysiert werden kann. «Damit liesse sich die Wirksamkeit von Massnahmen zur Feinstaubreduzierung unmittelbar feststellen», sagt Chen.

Die Forschenden hoffen, mit ihrer Arbeit die Öffentlichkeit stärker für die Auswir kungen von Gebäudeheizungen auf die Luftqualität zu sensibilisieren. Verkehr ist eine weitere wesentliche Fein staubquelle. Während die Abgasemissio nen des Strassenverkehrs seit den 1990erJahren strengen Vorschriften unterliegen, sollten zur Verbesserung der Luftqualität auch andere Emissionen wie Reifen- und Bremsenabrieb stärker beachtet werden, so die Wissenschaftler.

Institutionen jeweils ihre eigenen AerosolMessstationen betreiben. Die PSI-For schenden entwickelten ein standardisiertes Protokoll, mit dem die Daten ausgewertet und die Aerosolquellen ermittelt werden konnten. Die Studie ist das Hauptergebnis des internationalen Projekts «Chemical OnLine cOmpoSition and Source Apportion ment of fine aerosoL» (Colossal) und ent sprechend hat die Fachveröffentlichung eine gemeinsame Autorenschaft von 70 EntscheidendForschenden.

les Klima und die öffentliche Gesundheit relevant sind», sagt El Haddad. Diese In frastrukturen liefern nicht nur wichtige Informationen für politische Entschei dungsträger, sondern bilden auch die Grundlage für mehrere europäische For schungsprogramme wie beispielsweise das Programm «Research Infrastructures Services Reinforcing Air Quality Monitoring Capacities in European Urban & Industrial AreaS» (RI-Urbans).

ser mit festen Brennstoffen beheizt. «Holz ist ein natürliches Material. Wahrscheinlich ist deshalb vielen Menschen nicht be wusst, wie gesundheitsschädlich die Ver brennung von Holz ist», fügt Chen hinzu, der in der Forschungsgruppe für Gaspha sen- und Aerosolchemie am PSI unter der Leitung von André Prévôt arbeitet, der auch diese internationale Studie leitete.

Derzeit fordert die WHO, dass die Gesamt menge der Aerosole, die einen Durchmes ser von weniger als 2,5 Mikrometer haben, nicht mehr als 5 Mikrogramm pro Kubik meter Luft beträgt. Diesen Wert hat die WHO neu definiert, zuvor lag er bei 10 Mi krogramm pro Kubikmeter. «Allerdings werden beide Werte fast überall über schritten», sagt El Haddad. «Setzt man den neuen Wert von 5 Mikrogramm pro Kubik meter an, dann leben 99 Prozent aller Menschen in Gebieten, in denen dies der zeit nicht erfüllt ist. In der Schweiz wurde vor wenigen Jahren immerhin der Wert von 10 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft unterschritten – dank bisheriger Anstren gungen zur Reduktion von Feinstaub.» Damit die Verbesserung der Luftqualität effizienter voranschreitet, könnten in Zu kunft die Grenzwerte insbesondere für die gesundheitsschädlichsten Aerosole stärker gesenkt werden als für andere, argumen tieren die Forschenden. Chen fügt hinzu: «Letztlich geht es darum, Menschenleben zu retten. Unsere Daten helfen dabei, dass wir bei der Luftqualität gute Prioritäten set zen.»

Gang Chen

Die Forschenden hoffen, dass ihre Veröf fentlichung als Grundstein für einen globa len Auftrag verstanden wird. «Wir haben für Europa gezeigt, dass unser standardi siertes Protokoll der Datenauswertung

für die Studie waren auch mehrere langjährige EU-Forschungsinfra strukturen, darunter das «Aerosols, Clouds, and Trace gases Research Infra Structure Network» (Actris). «Actris und andere paneuropäische Forschungsinfra strukturen sind der Ausgangspunkt unse rer Forschung und liefern hochwertige Langzeitdaten über kurzlebige Bestandtei le der Atmosphäre, die für unser regiona

Grafik: «European Aerosol Phenomenology8: Harmonised Source Apportionment of Or ganic Aerosol using 22 Year-long ACSM/AMS Datasets» G. Chen et al., Environment Inter national (2022), envint.2022.107325,https://doi.org/10.1016/j.CCBY4.0

Die Daten für die neue Publikation stam men von 22 Messstationen in 14 Ländern, verteilt über den europäischen Kontinent, an denen verschiedene Universitäten und

Erde zukünftig auch aus dem All zu erken nen. Ziel ist, politische Massnahmen zum Artenschutz bzw. zur Milderung negativer Konsequenzen des Biodiversitätsverlusts auf Basis wissenschaftlicher Evidenz zu steuern», sagt Erstautorin Anna Schweiger. Bildspektrometer messen die Reflektion von Licht vom sichtbaren bis zum kurz

Bildspektroskopie

Um bedrohte Ökosysteme zu schützen, zerstörte Lebensräume wiederherzustellen und den globalen Verlust der Artenvielfalt zu stoppen, braucht es international ver gleichbare Daten zur biologischen Vielfalt. Doch das Biodiversitätsmonitoring ist ar beitsintensiv und kostspielig. Zudem gibt es weltweit viele nur schwer zugängliche Gebiete, was die Bestandesaufnahme der Artenvielfalt schwierig macht.

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60 9–10/2022 U MWELT

Biodiversitäts-Monitoring per Satellit aus dem All ist möglich Anna Schweiger vom Labor für Fernerkun dung am Geografischen Institut der Uni versität Zürich (UZH) und Etienne Laliber té von der Universität Montréal zeigen, dass die Pflanzen-Biodiversität in unter schiedlichen Ökosystemen mithilfe der bildgebenden Spektrometrie zuverlässig bestimmt werden kann. Die untersuchten Ökosysteme reichen von der arktischen Tundra bis in tropische Wälder. «Wir hof fen, mit unserer Studie einen Beitrag zu leisten, um Veränderungen in der Artenzu sammensetzung der Ökosysteme unserer

welligen Infrarot-Bereich des elektromag netischen Spektrums. Wie viel Licht die Pflanzen reflektieren, wird von ihren che mischen, anatomischen und morphologi schen Merkmalen bestimmt, die für die Interaktionen zwischen Pflanzen sowie mit ihrer Umgebung ausschlaggebend sind. «Deshalb besitzen Pflanzen mit ähn

Pflanzliche Artenvielfalt in vier unterschiedlichen Ökosystemen dargestellt als spektrale Vari ation. (Bild: Anna Schweiger, Etienne Laliberté)

Überwacht bald ein Satellit die Artenvielfalt?

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Um Massnahmen zum Schutz der globalen Artenvielfalt evidenzbasiert zu steuern, braucht es Daten, wie sich die Biodiversität von Pflanzen verändert. Forschende der Universitäten Zürich und Montréal zeigen, dass Pflan zengemeinschaften mithilfe der Bildspektroskopie zuverlässig überwacht werden können – in Zukunft auch per Satellit. Das ebnet den Weg für ein globales Monitoring der biologischen Vielfalt in beinahe Echtzeit.

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Zuerst entwickelten die Forschenden einen sogenannten spektralen Diversitätsindex. Dieser berechnet, wie stark sich einzelne Pflanzen innerhalb von Pflanzengemein schaften sowie einzelne Pflanzengemein schaften untereinander in einem bestimm ten Gebiet unterscheiden. Bei der Vielfalt innerhalb von Pflanzengemeinschaften spricht man von Alpha-Diversität, während die Vielfalt zwischen Pflanzengemeinschaf ten als Beta-Diversität bezeichnet wird. Für die Studie verwendeten sie Daten des National Ecological Observatory Networks (Neon). Das Netzwerk sammelt mit stan dardisierten Methoden Biodiversitäts- und Erdbeobachtungsdaten in Gebieten, die über die gesamten Vereinigten Staaten verteilt sind, und stellt diese der Wissen

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lichen Merkmalen sowie nahe verwandte Arten tendenziell auch ähnliche Reflekti onsspektren», so Schweiger.

schaft öffentlich zur Verfügung. Die NeonBildspektrometer-Daten, die anhand von Forschungsflügen gesammelt werden, ha ben eine Pixelgrösse von 1 × 1 Meter.

Mit reflektiertem Licht Pflanzen bestimmen

Weltweite biologische Vielfalt fast in Echtzeit überwachen

Die Berechnungen der spektralen Vielfalt ergaben, dass die Erfassung der AlphaDiversität von der Grösse der Pflanzen abhängt. Im Vergleich zum offenen Gras land, wo kleine, krautige Pflanzen und Gräser vorherrschen, stimmte in WaldÖkosystemen mit geschlossenem Kro nendach die anhand der Reflexionsspek tren berechnete Diversität besser mit der effektiv am Boden ermittelten Pflanzen vielfalt überein. Aggregierten die For schenden jedoch die Neon-Bildspektro meter-Daten zu einer Pixelgrösse von 20 × 20 Meter, so fanden sie in allen un tersuchten Ökosystemen Übereinstim mungen zwischen spektraler und pflanz licher Beta-Diversität. Diese Pixelgrösse entspricht der Grösse der Probeflächen, auf denen vor Ort Vegetationsaufnahmen gemacht werden.

Sowohl die Europäische Raumfahrtbehör de ESA wie auch ihr nordamerikanisches Pendant Nasa entwickeln derzeit satelliten gestützte Bildspektrometer. Diese sollen rund alle 16 Tage den gesamten Erdball mit einer Pixelgrösse von rund 30 × 30 Me ter abbilden und es ermöglichen, Verände rungen in Ökosystemen zu detektieren, währenddem sie stattfinden. «Unsere Stu die hilft, in absehbarer Zukunft Verände rungen in der Biodiversität von Pflanzenge meinschaften effektiv und zuverlässig per Satellit zu ermitteln. Mit gezielten Feldar beiten könnten dann Ursachen und Folgen analysiert und so hoffentlich negativen Folgen rechtzeitig entgegengewirkt wer den», sagt Anna Schweiger. Dies ebne, so Schweiger, den Weg für eine globale Über wachung der biologischen Vielfalt – nahe zu in Echtzeit.

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Mithilfe von über 25 000 Satellitenbildern konnten Andrew Tedstone und Horst Machguth, zwei Forscher der Universität Freiburg (CH), beobachten, dass der Abfluss von Schmelzwasser aus dem grönländischen Eisschild in den letzten Jahren deutlich zugenommen hat. Das Phänomen ist auf den Klimawandel zurückzuführen und trägt einen Millimeter pro Jahr zum Anstieg des Meeresspiegels bei.

Der Eisschild undurchlässigwird

Ein Grossteil der Eiskalotte ist mit Firn be deckt, also mit Altschnee, der sich nach und nach verfestigt und zu Eis wird. Die oberen Meter dieses Firns wirken wie ein

Eine Fläche so gross wie die Schweiz

Schwamm: Wenn die Oberfläche schmilzt, rinnt das Wasser in die darunterliegenden Poren. Dort gefriert es wieder und bildet dünne Eisschichten im Inneren des Schwamms, fliesst aber nicht ins Meer. Mit der Häufung der Schmelzphasen in der letzten Zeit ist die Wassermenge im Firn angestiegen, was wiederum dazu führt, dass diese Eisschichten deutlich grösser

Grönland von oben. (Bild: Shutterstock)

Multiphysik-Simulation spielt eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung lebensrettender medizinischer Geräte und Behandlungen. Mithilfe eines präzisen Modells können die Wechselwirkungen zwischen dem menschlichen Körper und dem Medizinprodukt simuliert werden. Dies hilft bei Designentscheidungen, beschleunigt die Herstellung sicherer und wirksamer Produkte und erleichtert die Zulassungsverfahren.

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Phänomen trägt einen Millimeter pro Jahr zur Erhöhung des Meeresspiegels bei.

Warum neue Flüsse durch Grönland fliessen

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Der grönländische Eisschild ist eine im mense Eismasse in der Arktis. Würde er völlig abschmelzen, hätte das einen An stieg des Meeresspiegels um sieben Meter zur Folge. Die Arktis hat sich in den letzten Jahrzehnten erwärmt, und die Wissen schaft konnte bereits feststellen, dass die Menge an Schmelzwasser, das vom Eis schild ins Meer fliesst, ansteigt. Dieses

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Aufgrund der Klimaerwärmung wird sich die Schmelze in den oberen Schichten des Eisschildes noch verstärken. Dies dürfte wiederum dazu führen, dass sich die Eis platten weiter ausbreiten und in der Folge neue oberflächliche Flüsse entstehen. Die Bereiche der Eiskalotte, aus denen Schmelzwasser ins Meer fliesst, werden folglich immer grösser.

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Wasser letztlich ins Meer mündet.» Die For scher gehen davon aus, dass 5 bis 10 Pro zent des aktuellen Verlusts des Eisschildes auf den Abfluss aus diesen hoch gelegenen Bereichen zurückzuführen sind.

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Die zugenommene Fläche der Abflusszone (brauner Kreis) im Vergleich zur Fläche Grön lands. Die Zunahme entspricht etwa der Grösse der Schweiz. (Grafik: Roger Bieri, erstellt mit Datawraper)

Mehr Schmelzwasser an der Oberfläche

Anstieg der Eisschmelze zu erwarten

Zwei Forscher von der Universität Freiburg, Andrew Tedstone und Horst Machguth, ha ben mehr als 25 000 Satellitenbilder ana lysiert und die Bildung von Flüssen an der Oberfläche der Eiskalotte Sommer für Som mer nachverfolgt. In ihrer aktuellen Studie, die in «Nature Climate Change» veröffent licht wurde, halten sie fest, dass die Ab flusszone mit oberflächlichen Flüssen zwi schen 1985 und 2020 um 29 Prozent zugenommen hat, was der gesamten Flä che der Schweiz entspricht. «Durch die star ke Schmelze und das erneute Gefrieren des Schmelzwassers haben sich die oberen Schnee- und Firnschichten in dickes, kaum durchlässiges Eis verwandelt. Dies begüns tigt sogar in kühleren Sommern den Ab fluss aus den hoch gelegenen Bereichen des Eisschildes», erklärt Andrew Tedstone. «Wasser, das früher an Ort und Stelle wie der gefror, muss jetzt nach unten abflie ssen. So entstehen grosse Flüsse, deren

639–10/2022 U MWELT

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«Die Satellitenbeobachtung zeigt, wie stark die Wiedergefrierprozesse von Wasser im Firn den Meeresspiegel beeinflussen», so Horst Machguth, der das vom Europäischen Forschungsrat ERC finanzierte Projekt der Universität Freiburg zum zunehmenden Schmelzwasserabfluss in Grönland leitet. «Zusammen mit unserer Feldarbeit auf der Eiskalotte sind diese Ergebnisse wesentlich, um die Eisschildmodelle zu verfeinern, an hand derer wir den künftigen Anstieg des Meeresspiegels abschätzen.»

werden. Mittlerweile sind sie mehrere Me ter dick, so dass das Wasser Schwierigkei ten hat, in die verbliebenen Poren des Firns einzusickern, und daran gehindert wird, an Ort und Stelle zu gefrieren. Die Frage ist also, wohin das Schmelzwasser jetzt fliesst.

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Künstliche Intelligenz für Nicht-Experten

für die Abweichung. Dies kann drei bis vier Wochen in Anspruch nehmen, doch mithilfe von Explainable AI lässt sich die Analyse auf ein paar Stunden reduzieren. Der Trick: Explainable AI ermöglicht es einem Prozessingenieur, der zwar über ein gutes technisches Verständnis und Verständnis für Statistik verfügt, aber keine dedizierte Ausbildung im Program mieren hat, Künstliche Intelligenz zu nutzen. Er gewinnt neue Einsichten über die Parameter bzw. Einstellungen im Pro zess. Daraus leitet er notwendige Anpas sungen ab und findet eine verbesserte Konstellation von Set-ups (z. B. Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Materialei genschaften).

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Auf diese Weise kann der Prozessingenieur Probleme mit Abweichungen unter AI-Nut zung beheben. Doch die Möglichkeiten sind grösser. Warum sollten sich nicht aus den

Künstliche Intelligenz arbeitet zurzeit vor allem dort effizient, wo sie mit vielen Bil dern trainiert wird und Muster wiederer kennt. So kann sie einen Chemiker bei der Auswertung von Spektren zuweilen in der Treffsicherheit, mindestens aber in der Schnelligkeit übertreffen. Im medizini schen Bereich kennt man diese Stärken von Röntgenbildern: Bilderkennungssoft ware liest viel aus ihnen heraus. Sie liefert zwar noch nicht die Diagnose, denn hier bleibt die ärztliche Erfahrung wichtig, und auch rechtliche Gründen (Verantwor

Abweichungen beheben –Prozesse optimieren

Künstliche Intelligenz zählt zu den grössten aktuellen Chancen für die Chemie- und Pharmabranche. Denn nun können auch Nicht-Experten gewinnbringend damit umgehen – dank «explainable Artificial Intelligence».

vonDigitalisierungspotentialProzessen

Diagnosestark in Medizin und Prozessindustrie

tungsübernahme) stehen einer Entschei dung direkt durch die AI entgegen. Aber die gute Vorauswertung kann dem Rönt genologen eine Menge Zeit sparen. Ähnlich verhält es sich mit der Diagnose von Prozessen und möglichen Abwei chungen in der Pharma- und Chemiein dustrie. Das Pharmaunternehmen Roche investiert nach eigener Aussage stark in den Ausbau digitaler Chemie- und Phar ma-Prozesse in der Schweiz. Dabei arbei ten Plattform-Architekten (IT-seitig) und Domain-Experten (Prozessingenieure) in einem Team und fungieren als «Überset zer» zwischen den verschiedenen Berei chen. Doch bleibt die Analyse von vielen Daten für Nicht-Informatiker nach wie vor ein Stückweit eine «Black-box». An dieser Stelle setzt «Explainable AI» an. In der traditionellen Ursachenanalyse von Prozessabweichungen geschieht Folgen des: Ein Team von Datenwissenschaftlern schaut sich die vorhandenen Daten genau an und testen verschiedene Hypothesen

Brücke zwischen Nerds und Chemie- und Pharma-Ingenieuren

In der Chemie- und Pharmaindustrie so wie im Lebensmittel- und Biotech-Bereich gehen viele hochqualifizierte Mitarbeiter ans Werk. Es ist aber kein Naturgesetz, dass sie auch noch geborene IT- oder gar AI-Experten wären.

Bild 1: Die Zukunft von Pharma- und Chemieproduktionen: Modelle des industriellen Prozesses werden als digitale Zweifachmodelle abgebil det («digital twin») und zunächst virtuell optimiert – Umsetzung in den realen Betrieb folgt. (Bild: Shutterstock)

gewonnenen Einsichten neue Tools für eine Prozessanalytik entwickeln lassen, die vor ausschauend Massnahmen initiiert («predic tive analytics»)? Beispielsweise so: Ist für die Temperatur ein Schwellenwert x erreicht, werden automatisch im Dominoeffekt Tem peratursenkungs-Mechanismen in Gang gesetzt. Der Prozess bleibt in der Balance. Für die Programmierung solcher Kaskaden von Gegenmassnahmen gibt es auch schon sogenannte Self-service-Apps. Für ihre erfolgreiche Nutzung stellen allerdings standardisierte Datensätze eine Vorausset zung dar. Eine Bereitstellung von Messwerten aus dem Prozess, zum Beispiel von Tempera turverläufen über die Zeit, von vibrations analytischen Daten zur Maschinendiagno se u. v. m. würde daher der Nutzung von Künstlicher Intelligenz in Form von Explai nable AI einen Schub geben. Wie weit der tragen könnte, wird klar, sobald man sich Folgendes vergegenwärtigt: Das Ziel ist in der Regel nicht (nur) die Problembehe bung, sondern darüber hinaus die kontinu ierliche Verbesserung von Prozessen.

Selbst ein Scale-up von der Produktent wicklung im Labor und einer experimen tellen Herstellung im Kleinstmassstab auf kommerzielle Produktion könnte mithilfe von Explainable AI viel schneller vonstat

tengehen als bisher. Zwar steht man bei Roche dabei noch am Anfang, so dass quantitative Aussagen nicht möglich sind. Aber die neue Arbeitsweise ist schon vor gezeichnet: Als digitale Repräsentanz für das neue Produkt und seine Fertigung er stellt man einen sogenannten «Digitalen Zwilling». Die hochvolumige kommerzielle Produktion existiert dabei zunächst nur virtuell, während für die Kleinstproduktion und später für das Technikum auch schon reale Werte vorliegen. Diese lassen sich aber nun durch Erfahrungswerte aus der bestehenden Fertigung vergleichbarer Pro dukte Entscheidendanreichern.ist

Intelligente Rückwärtssynthese für sechsstufige Reaktionen

Die ganze Bandbreite der Fortschritte der Künstlichen Intelligenz und ihrer Anwen dung in der betrieblichen Praxis erlebt der Besucher auf der diesjährigen Ilmac Lau sanne.

Ilmac Lausanne 2022

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Innovation kommt schneller in die kommerzielle Produktion

einmal mehr die Redu zierung der Komplexität des Programmie rens inmitten virtueller Welten: Bei Vorlie gen standardisierter Datensätze kann der Ingenieur die Vorteile Künstlicher Intelli genz nutzen. Er arbeitet mit Apps, die ihm die Welt der Digitalen Zwillinge in die Welt der Chemie- und Pharma-Prozesse über setzen helfen.

Bisher scheiterten die im Prinzip funktio nierenden quantenmechanischen Ab-ini tio-Vorhersagen in der Praxis an der schie ren Vielzahl der möglichen Synthesewege («kombinatorische Explosion»). Es ist wie bei der Berechnung eines Poker-Spiels: Es gibt so viele Möglichkeiten, dass man mit der Rechenkapazität nicht hinterherkommt oder die Kalkulation einfach zu teuer wird.

659–10/2022 V ERFAHRUNGSTECHNIK

Schon bei der Rückwärtssynthese vor den ersten Laborexperimenten hilft die Redu zierung von Komplexität. Sie kann auf den Input des gewünschten Produkts die benötigten Ausgangssubstanzen benen nen – jetzt sogar für bis zu sechsstufige Reaktionen.

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Im Falle der Rückwärtssynthese konnten Forscher aber jetzt mit Zusatzinformatio nen aus der Reaktionskinetik die überbor dende Fülle von Synthesepfaden einhegen können. Damit wird Künstliche Intelligenz für die Reaktionsplanung zugänglich –schon bevor der erste Rundkolben im La bor eingespannt worden ist.

Bild 3: «Explainable AI» bringt IT-Spezialisten mit Chemie- und Pharmaingenieuren zusam men und ermöglicht diesen über geeignete Apps selbständige Programmiererfolge –auch ohne spezielles IT-Know-how. (Bild: Shutterstock)

Bild 2: Bei Bilderkennung und Bildinterpretation spielt Künstliche Intelligenz ihre Stärken aus – zum Beispiel bei der Auswertung von IR-Spektren. (Bild: Shutterstock)

Produkt: Synthesegas

Erdgasersatz für die Chemieindustrie?

66 9–10/2022 V ERFAHRENSTECHNIK

Forschende entwickeln neues Verfahren

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Cyclize-Gründungsteam: Jan Stein, Dominik Novakovic, Maike Lambarth, Stephan Renninger (v. l. n. r.). (Bild: IPV/Universität Stuttgart)

Zusammen mit dem Abgas-CO2 wird der gemischte Kunststoffabfall oder anderem

Erfunden haben das neue Plasmaverfah ren die drei Nachwuchsforschenden Maike Lambarth, Stephan Renninger und Jan Stein vom Institut für Photovoltaik der Uni versität Stuttgart. Sie gründeten das Spinoff «Cyclize» und wollen drei zentrale Pro bleme in einem Verfahren lösen: Erdgas für die Chemieindustrie durch nicht-fossile Alternativen ersetzen, die jährlich steigende Menge an Kunst stoffabfall sinnvoll und ganzheitlich ver werten und eine sogenannte CO2-Senke etablieren. Das bedeutet, dass nicht nur grosse Mengen an CO2-Emissionen eingespart werden, sondern darüber hinaus CO2 aus Abgasströmen von Punktquellen wie zum Beispiel Zementwerken als Ressource, also als Kohlenstoffquelle, genutzt wird.

Fast alle Alltagsgegenstände werden auf Basis von Erdgas und Erdöl hergestellt. Den Erdgasbedarf zu reduzieren ist derzeit gerade mit Blick auf die globalen Herausforderungen sehr dringend. Das Spin-off «Cyclize» der Universität Stuttgart hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem in der Chemieindustrie in Zukunft Erdgas durch Kunststoffabfälle und Abgas-CO2 ersetzt werden kann. Damit können neue Produkte wie Kunststoffe, Schäume, Kleber, Farben oder Lacke ganz ohne fossile Ressourcen hergestellt werden. Und CO2 lässt sich dabei auch einsparen.

Umfangreiche Förderung

Wertschöpfung in der Kohlenstoffkreislaufwirtschaft und wie Cyclize diese ermöglicht. (Bild: IPV/Universität Stuttgart)

Maike Lambarth

679–10/2022

kohlenstoffhaltigen Abfall wie zum Bei spiel Restmüll oder Reststoffe aus der in dustriellen Herstellung verwertet und in den Kohlenstoffkreislauf zurückgeführt. «Damit wird die Chemieindustrie zwar nicht kohlenstofffrei, also dekarbonisiert, denn in den Produkten selbst sind jede Menge Kohlenstoffatome. Diese können jedoch durch nicht-fossile Kohlestoffquel len und die Elektrifizierung der Chemiein dustrie defossilisiert werden», erklärt Lam barth. Das Cyclize-Verfahren nutzt ein nicht thermisches Plasma, das durch eine selbstentwickelte und effiziente Elektronik erzeugt wird. Mit dem Plasma wird zu nächst der Kunststoffabfall vergast, und der daraus entstehende Kohlenwasser stoff-CO2 Gasstrom zu Synthesegas refor Ausmiert.Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, können Grundchemikalien oder Kraftstoffe er zeugt werden. Bisher wird Synthesegas aus Erdgas in einem Prozess namens Dampfreformierung gewonnen. «Unser Cyclize-Verfahren kann diesen Prozess gleichwertig ersetzen», sagt Lambarth.

triebswirt unter anderem seine Erfahrun gen in der Beratung von Deep Tech Star tups in das Gründungsprojekt mit einbringen wird, sowie von Professor Kai Peter Birke vom Institut für Photovoltaik mit dessen Gründungserfahrung. Insge samt forschen die drei Gründer schon seit drei Jahren an Plasmatechnologie für eine nachhaltige Zukunft. Ihr Bindeglied zur In dustrie ist die Stuttgarter Initiative Che mampere, die sich mit der Elektrifizierung der Chemieindustrie befasst. www.uni-stuttgart.de

ren und zur Industriereife zu bringen», sagt «UnserLambarth.Zielistes, unsere Technologie zur Marktreife zu entwickeln, um damit die ganzheitliche Kreislaufwirtschaft zu er möglichen. Wenn wir das wie geplant schaffen, wird davon nicht nur die Wirt schaft, sondern auch die Gesellschaft pro fitieren», so Lambarth.

«Wenn wir das wie geplant schaffen, wird davon nicht nur die Wirtschaft, sondern auch die profitieren.»Gesellschaft

treffen – das ist jetzt das Wichtigste für jedes Unternehmen. Detaillierte Reports, die aktuellsten Daten aus der Produktion, die Entwicklung der Auftragslage: Das CSB-System gibt Ihnen genau diese Transparenz auf Knopfdruck. Damit Sie auch in unsicheren Zeiten sicher entscheiden können.

Mein MachtERP.mir Dieleichter.EntscheidungendierichtigenEntscheidungen

Weil das Verfahren ein so grosses Poten zial haben soll, die Kreislaufwirtschaft für Kohlenstoff zu ermöglichen, erhält das Gründerteam seit Mai 2022 eine «Exist»Forschungstransfer Förderung durch das deutsche Bundesministerium für Wirt schaft und Klima. Die Förderung unter stützt herausragende forschungsbasierte Gründungsvorhaben, die mit aufwendigen und risikoreichen Entwicklungsarbeiten verbunden sind. «Wir werden die Förde rung nutzen, um das Verfahren zu skalie

Mehr über unsere Lösungen für Prozessindustrie:die www.csb.com

Dafür haben die drei Forschenden nun eineinhalb Jahre Zeit. Unterstützt werden sie von Dominik Novakovic, der als Be

Um in der Lage zu sein, Daten aus ver schiedenen unternehmensinternen und -externen Quellen zu analysieren, sollten sich Unternehmen darauf fokussieren, starre, monolithische Strukturen beim Da

«Chemie 4.0»

vonDigitalisierungspotentialProzessen

¹ Turbine Kreuzberg

umfangreichen digitalen Transformation ihres Unternehmens. Um die globale Marktführerschaft der Schweizer Chemieund Pharmaindustrie zu sichern, ist es da her unablässig, bei der digitalen Transfor mation nachzubessern. Also: Worin genau steckt das Potenzial?

Alexander Janthur ¹

Des Weiteren eröffnet eine digitale Infra struktur neue Wertschöpfungspunkte für Handel und Vertrieb. Während Hersteller vermehrt digitalen Direktvertrieb anbieten, sich also den unmittelbaren Kundenzu gang sichern, entwickeln sich Händler zu Serviceprovidern, die gemeinsam mit ih ren Kunden Produktentwicklungen voran treiben oder andere additive Services an bieten. Diese Services beinhalten zum Beispiel Logistiklösungen, damit die Ver

«Daten, der Treibstoff der Zukunft», Fotogra fie von Hunter Harritt. (Bild: von Hunter Har ritt, Unsplash)

Die Schweizer Chemie- und Pharmaindus trie ist weltweit führend. Gemessen am Global Industry Competitiveness Index (GICI) landet sie im internationalen Ver gleich hinter Irland, zusammen mit den Vereinigten Staaten (USA), auf dem zwei ten Platz. Dabei zeigt sich die hohe Wettbe werbsfähigkeit der Schweizer Chemie- und Pharmabranche nicht nur im hohen Pro duktivitätsniveau, sondern auch in der Inno vationskraft der Branche. Allein im pharma zeutischen Bereich investierte die Schweiz im Jahr 2020 sieben Milliarden Schweizer Franken für die Entwicklung und Forschung an neuen Medikamenten und medizini schen Therapien. Dadurch generierte die Schweizer Pharmaindustrie eine Wert schöpfung von über 37 Milliarden Franken. Zwar glänzt die Schweiz in der Entwicklung, an einer gleichartigen Innovationskraft der digitalen Prozess- und Produktionsoptimie rung fehlt es in der Chemie- und Pharma branche dennoch, liegt die Schweiz hier doch unterhalb des globalen Durchschnitts der digitalen Durchdringung von Innovati onsfähigkeit. Dieser Wert beschreibt, wie stark die Digitalisierung bereits zur Entwick lung neuer Technologien genutzt wird, die eine Wertschöpfung für Chemie- und Pharmaunternehmen genieren. Laut einer aktuellen Umfrage von Statista, geben 33 Prozent der Schweizer IT-Ent scheider an, dass die Digitalisierung in ih rem Unternehmen bisher lediglich be grenzt umgesetzt wird. Nur drei Prozent der IT-Entscheider sprechen von einer

Einerseits besteht eine enge Beziehung zwischen Händlern, Produzenten und Lie feranten in der Chemie- und Pharmabran che, die geradezu zur optimierten Prozess transparenz und Informationsaustausch einlädt. Der Vertrieb von chemischen Roh stoffen und Produkten ist sehr beratungs intensiv und erfordert ein hohes Mass an Expertise. Um die Erfassung von Kernin formation sicherzustellen und diese an die passenden Ansprechpartner zu über mitteln, bedarf es einer digitalen Transfor mation. Durch die digitale Erfassung von Dokumentationen, Prozessen, Produkti onsabläufen und Produktinformationen werden wertvolle Daten gewonnen, die für die Planung von Ressourcen und Transportwegen nutzbar sind – und zwar weltweit standardisiert.

sorgung mit Chemikalien vom Produzen ten zur Weiterverarbeitung reibungslos Allgemeinfunktioniert.geht der Trend klar dazu über, näher zusammenzurücken. So können Un ternehmen mit einem digitalen Customer Service Kundeninformationen gesammelt erfassen, auswerten und die gewonnenen Daten direkt in die Produktion einbinden und zur Optimierung der Beratung nutzen. Zugleich tragen auch externe Faktoren dazu bei, dass der Wandel hin zu datenge triebenen Prozessen für die Chemie- und Pharmaindustrie unabdinglich wird. Durch neue digitale Player, etwa Online-Markt plätze für Chemieprodukte, steigt der Digi talisierungsdruck zunehmend an.

Daten als Treibstoff der Chemieindustrie

68 9–10/2022 V ERFAHRENSTECHNIK

Daten als Erfolgstreiber

Von Künstlicher Intelligenz, die Produktions- und Logistikprozesse steuert, bis hin zur voll automatisierten Bedarfs planung mithilfe von Echtzeitüberwachung der Maschinen: Die Möglichkeiten der Digitalisierung erscheinen auch in der Chemiebranche grenzenlos. Doch wie genau können Chemie- und Pharmaunternehmen von einer digitalen Transformation profitieren? Im folgenden Gastbeitrag erklärt Alexander Janthur, Digitalisierungsexperte und CEO der Technologieagentur Turbine Kreuzberg, vor welchen Herausforderungen produzierende Unternehmen stehen und welche Ansätze zur technologischen Wertschöpfung führen.

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sieren und bündeln. In den vergangenen Jahren hat ihre Relevanz durch steigende Datenmengen und -quellen immer stär ker zugenommen. Vereinfacht fügen sich Data Hubs wie ein zentrales Nervensys tem in die Mitte von Systemschichten ein. Mit diesem Ansatz wird die Datenkom munikation von einer verzweigten Struk tur mit diversen Abhängigkeitsketten zu einer einheitlichen Standarddatenstruktur transformiert, die eine flexible Informati onsvermittlung zwischen allen Systemen ermöglicht. Ein solches Architekturkon zept kann eine geeignete Grundlage bie ten, um im Unternehmen intelligente Al gorithmen («KI») einzusetzen oder eine vollautomatisierte Bedarfsplanung zu ent wickeln.

Need to guarantee, but you do not have data?

(Bild: zvg)

The actual solution is not good, and you don’t know why?

Mixing process problems?

Lange schon gibt es das Paradigma von «Data Hubs», die Datenströme harmoni

699–10/2022 V ERFAHRENSTECHNIK

Alexander Janthur ist Gründer und CEO von Turbine Kreuzberg, einer Technolo gieagentur aus Berlin, die mit ihrer brei ten technologischen Expertise den ge samten Lebenszyklus von Applikationen abdeckt. Mit weitreichenden Erfahrungen in der Softwareentwicklung und im ECommerce unterstützt er in der strategi schen Begleitung von Grossprojekten und verantwortet vorrangig die strategi sche Weiterentwicklung der Agentur so wie den Bereich Finanzen.

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tekturen zu sein – geschweige denn, um notwendige Veränderungen anzutreiben. Dabei sind Unternehmen gerade darauf angewiesen, um beispielsweise Produkte zu tracken oder Produktionsanlagen effi zient zu steuern.

Über Alexander Janthur

Ein Data Hub kann zur Schatzkammer von chemischen Unternehmen werden, da dieser datenzentrierte Architekturansatz den Informationsaustausch sowie deren

Do not know how to scale-up or transfer a mixing process?

tenmanagement zu überwinden sowie neutrale, flexible Datenschichten einfüh ren. Aktuell dominieren ERP-Systeme die digitalen Infrastrukturen von produzieren den Chemieunternehmen. Diese erwei sen sich jedoch häufig als nicht flexibel genug, in der Datentransformation, um Dreh- und Angelpunkt von Systemarchi

You can successfully scale-up and transfer the mixing process.

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Architekturen neue Wertschöpfungsketten für Unternehmen. Zudem lassen sich in diesem Konzept Systeme problemlos aus tauschen und erweitern, ohne zusätzliche Risiken und Kosten zu verursachen. Daher bleiben die Aufwände für Integrationen erheblich niedriger. Ausserdem bildet das Data Hub die Grundlage, um moderne technologische Lösungen wie Künstliche Intelligenz oder Predictive Maintenance zu nutzen. Wer Daten schnell und sauber erfasst und versteht, kann nicht nur Kos ten sparen und effizienter arbeiten. Es er öffnet sich vielmehr ein neuer Wissens zweig, der das eigene Unternehmen modernisiert sowie den Nährboden für die Chemie 4.0 bildet.

Erfassung und Verwertung optimiert. Durch das Zusammenführen von Daten strömen lassen sich dieselben Daten an mehreren Anwendungspunkten gleichzei tig verarbeiten. In einer Hub-Architektur wird der komplette Informationsfluss ein schliesslich aller Änderungen von Daten sätzen, dem Rollenmanagement und Schnittstellen gebündelt, während sich alle Systeme über eine standardisierte Schnitt stelle mit ihm verbinden können. Anstatt einer Point-to-Point-Verbindung, die ein zelne Systempunkte verknüpft, profitieren alle Systeme des Unternehmens im Data Hub von einer schnelleren und effiziente ren Kommunikation miteinander. Ein gutes Beispiel für die Nutzung eines Data Hubs ist die Datenverarbeitung zur intelligenten Bedarfsplanung. Durch das zentralisierte Datensystem entstehen neue Verknüpfungen, die bislang nur schwer ab bildbar waren. Zum Beispiel könnte ein internationaler Medikamentenhersteller einen Data Hub zur Abbildung der gesam

ten Organisation nutzen. Vorhandene Da ten liegen im Data Hub zentral, harmoni siert und nicht redundant vor. So können Hersteller erfassen, in welchem Land, zu welchem Zeitraum und zu welcher Menge Kund:innen ein bestimmtes Medikament benötigt haben und welche Zutaten für die Produktion notwendig sind. Im Hub wer den diese Informationen ganz einfach zu sammengestellt und an das Sourcing-Sys tem weitergeben, um vorausschauend für die entsprechenden Monate bestimmte Inhaltsstoffe in höheren Mengen zu erwer ben.

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70 9–10/2022 V ERFAHRENSTECHNIK

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tischen Wirkstoffen für vorklini sche und klinische Studien und die Herstellung kommerzieller Produkte. Wir erbringen umfas sende integrierte und kun denspezifische Dienstleistun gen in einer vollständig cGMP-konformen Infrastruktur mit dedizierten Einrichtungen unter anderem für hochpoten te Arzneistoffe (API) und ei nem Reinraum für amvierCarbogenmin-D-Analog-ProduktewertigehinausÜberper-Wirkstoff-KonjugateAntikör(ADC).unsereDienstleistungenbietenwirauchhochCholesterol-undVitaan.AmcisoperiertanStandorteninderSchweiz:HauptsitzinBubendorf

(BL), Aarau (AG), Hunzenschwil (AG) und Vionnaz (VS). Die vier internationalen Standorte befinden sich in

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719–10/2022 VERBANDSSEITE

Im August 2020 startete der erste Lehrgang «Chemie- und Pharmatechniker/-in mit eidg. Fachausweis». Wir berichteten darüber. Nach fünf erfolgreich absolvierten Modulen folgte im Januar 2022 die Informations veranstaltung zur bevorstehen den Berufsprüfung. Die Prü fungsleitung informierte über die einzuhaltenden Fristen und Meilensteine. Neben einer Pro jektarbeit wurde auch auf das Fachgespräch und die Präsen tation hingewiesen sowie auf den zweiten Teil der Prüfung, in welcher es galt, eine Fallstu die zu bearbeiten, um diese dann in einem weiteren Fach gespräch mit Lösungen zu prä Alssentieren.Prüfungsteilnehmer war man sich nicht bewusst, wel che vorgängige Organisation notwendig war und welche Zeit dies in Anspruch nahm. Schon seit dem Start der ersten Mo dule begann sich die QSK mit der Prüfung auseinanderzuset zen, um auch den reglementa rischen Anforderungen seitens Prüfungsordnung und SBFI (Staatsekretariat für Berufsbil dung, Forschung und Innovati on) gerecht zu werden. Eine Roadmap wurde erstellt, wel che Termine es einzuhalten galt, die Prüfungsleitung wurde definiert und mit Sascha Bissig

und sie hatten eine Stunde Zeit, sich auf den Fall vorzubereiten und ihre Lösungen zu präsen tieren. Die Experten stellten im Nachgang Fragen zur Fallstudie und bewerteten die Antworten. Am nächsten Tag wurde die Prüfung weitergeführt, bevor gegen Abend die ganze QSK zusammenkam und die Noten sitzung abhielt. Das Resultat: Von dreizehn Teilnehmenden hatten elf die Prüfung ganz be standen. Zwei Kandidaten hat ten nur einen Prüfungsteil be standen und können den anderen Prüfungsteil nach ei ner Wartezeit als Teilprüfung wiederholen.

ErsteAPRENTASAbschlussprüfung

Der Weg zur Prüfung

Die Prüfung

spon begleitete Frau Stucki bei ihrem Audit an zwei Prüfungen und nahm im Nachgang zwei Empfehlungen von ihr entge gen, welche auf die nächste Prüfung umgesetzt werden. So hatte auch die QSK und Prü fungsleitung ihre «Prüfung» be standen.

Einige Absolventen der Berufsprüfung/Diplomprüfung bei der feierli chen Übergabe der Ausweise/Diplom im Tinguely Museum, Basel. (Bild: Daniel Müller, VHBCP)

Die Prüfung war aufgrund der Teilnehmerzahl auf zwei Tage geplant und so galt es am Frei tag, den 24. Juni, zum ersten Male ernst. Die Teilnehmenden wurde vorgängig informiert, wann und wo sie zur Prüfung antreten mussten, und die Ex perten hörten sich die Fachprä sentation zur bereits erstellten und eingegeben Projektarbeit an. Vorgängig wurde diese der Prüfungsleitung online zuge stellt, damit sich die Experten in die Thematik einlesen konn ten. Nach der Präsentation ging es in die Fragerunde. Hier wur den Fragen gestellt zur ge machten Projektarbeit. Damit war der erste Teil der Prüfung Imabgeschlossen.zweitenTeil der Prüfung ging es darum, eine Fallstudie zu bearbeiten. Der Fall wurde den Teilnehmenden ausgeteilt

auf Stufe Berufsprüfung

Der Freitag war nicht nur für die Prüfungsteilnehmer eine Prü fung, sondern auch für die QSK und deren Prüfungsleitung. Frau Stucki vom SBFI auditierte diese erste Prüfung und attes tierte eine saubere und regle mentskonforme Durchführung der Prüfung. Das QSK Quali tätsressort mit Richard Abgott

konnte ein Profichefexperte ge wonnen werden. In Frage kom mende Experten mussten an geschrieben und geschult werden. Dies nur um ein paar Punkte zu nennen. Ein Novum war auch, dass be reits ein Monat früher einer der letzten Prüfungen auf Stufe HFP zum eidg. dipl. Chemie technologen stattfand. So mussten «zwei Baustellen» gleichzeitig von der QSK be treut werden, die Diplomprü fung mit weniger Aufwand, da diese seit knapp 20 Jahren eta bliert ist und vom Chefexper ten Raymond Zufferey routi niert organisiert wurde. Der einzige Kandidat bestand die Prüfung.

und eine der letzten Diplomprüfungen auf Stufe höhere Fachprüfung

Besuch von staatlicher Stelle

Abschlussfeier im Tinguely Museum in Basel

72 9–10/2022 VERBANDSSEITE

13 Studierende absolvierten die Berufsprüfung «Chemieund Pharmatechniker/-in mit eidg. Fachausweis», eine Prü fung nicht nur für die Teilneh menden, sondern auch für die Prüfungsorganisatoren.

Die Abschlussfeier am 12. Au gust wurde organisiert vom Präsidenten des VHBCP und SCV Vizepräsident Daniel Mül ler und führte ins Tinguely Museum. Nach einer kleinen Führung nahmen die Prüfungs teilnehmenden zum Essen Platz und waren schon ganz gespannt auf das Kuvert mit den Zeugnissen, Verfügungen und natürlich dem Fachausweis resp. Diplom, welches ihren Namen trägt. Leider konnten ferientechnisch nicht alle Prü fungsteilnehmenden teilneh men. Ihnen wurde das Kuvert per Post versandt. Total wurden 11 Fachausweise und ein Dip

Georg Fischer JRG AG Piping Systems in Sissach

Teilnehmenden auf die Prüfung Amvorbereitete.19.August startete bereits der zweite Lehrgang auf Stufe Berufsprüfung mit maximaler Teilnehmerzahl. Einige Teilneh mer des ersten Lehrganges ha ben sich entschieden, die An schlusslösung auf Stufe HFP zum/r «Chemie- und Produkti onsleiter/in» in Angriff zu neh men, um den Fachausweis mit einem Diplom aufzuwerten. Auch hier gilt es dann wieder seitens QSK und Prüfungslei

per WhatsApp oder SMS: +41 (0) 78 799 64 90 oder via E-Mail felice.bertolami@gmx.chan:

Datum: Freitag, 21. Okto ber 2022

Für den SCV Sektion Nord westschweiz Felice Bertolami

Die QSK bedankt sich herzlich bei den Teilnehmenden für ihr

Vertrauen und gratuliert herz lich zum Abschluss als «Che mie- und Pharmatechniker/in mit Fachausweis» respektive zum «eidg. dipl. Chemietechno logen». Ein Dank gilt auch der ganzen QSK und VHBCP für ihre Arbeit im Hinter- und Vor dergrund, den Experten sowie den Trägerorganisationen SCV und scienceindustries für ihre Unterstützung. Ein spezieller Dank an Guido Hess, welcher die Vorbereitungsmodule zur Prüfung organsierte und so die

Marcel Dürr

9–10/2022 VERBANDSSEITE

Einladung zur Werkbesichtigung

Anmeldung: bis zum 7. Oktober 2022

Die markanten Gebäude der Georg Fischer JRG AG Piping Systems liegen inmitten des Industriegebietes am Rande von Sissach. (Bild: GF)

Teilnehmer: Mitglieder des SCV aus allen TeilnehmerzahlSektionen.begrenzt auf 20 Personen.

Beginn: 16 Uhr (Dauer ca. 2 Stunden)

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tung, die Diplomprüfung zu or ganisieren, um eine nahtlose Ablösung vom/von der «eidg. dipl. möchesGetreudieSBFIordnungzustellen.maproduktionsleiter/in»zum/rChemietechnologen/in»«Chemie-undPharsicherSobalddiePrüfungsaufStufeHFPvomgenehmigtwird,kannsichQSKandieArbeitmachen.demMotto:«Mernomol.»

lom verteilt. Mit einer kleinen Rede überreichte der QSK Prä sident die Grussworte, Guido Hess vom Lehrgangsanbieter aprentas versüsste dies mit ei nem kleinen Geschenk, bevor dann der Abend im Beisein von Partnerin und Partner, Experten und weiteren Involvierten zu Ende ging.

Dank, Gratulation und Ausblick

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PRODUKTE759–10/2022

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PRODUKTE76 9–10/2022

Zellenradschleusen werden oft als Standardkomponente betrachtet. Sie spielen jedoch in vielen Prozes sen der Schüttgutförderung eine wesentliche Rolle, oft sogar als Si cherheitseinrichtung. Daher ist es wichtig, dass der Betreiber einer Anlage auch die betrieblichen und konstruktiven Aspekte einer sol chen Zellenradschleuse berück Ausziehbaresichtigt.

Dies vereinfacht den Demontage prozess und erhöht die Sicherheit bei der Handhabung der Schleuse. Wenn die Anlagenumgebung eine äußere Reinigung erfordert, sind die Zellenradschleusen auch in insitu reinigbaren Ausführungen er hältlich. Diese Versionen sind auf Hochdruckreinigung der Aussen flächen ausgelegt.

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