DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes September/Oktober 2023 9–10/2023
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Künstliche Intelligenz kann keine kreative Originalität imitieren, sie tut sich schwer, menschliche Empfindungen und Emotionen zu verstehen und darzustellen. Als ambivalentes und sich fortlaufend veränderndes Wesen ist der Mensch nahezu unfassbar. Kein Wunder, gibt es KI-Forscher, die vor zu hohen Erwartungen warnen.
Doch überall, wo wiederkehrende Prozesse automatisiert, Dinge getestet oder ausgelotet, in einem BigData-Heuhaufen eine Nadel gesucht, Möglichkeiten oder Ausnahmen gefunden, Schwachstellen aufgedeckt werden sollen, hat KI grosses Potenzial. Um stereotype Muster herzustellen, sind Modelle, die auf vorausschauender Analyse, maschinellem Lernen und datengetriebenen Modellen basieren, ideale Helfer.
Zum Beispiel in der Arzneimittelforschung: An der Universität Zürich wurde kürzlich mittels KI ein Wirkstoff ausfindig gemacht und neue Erkenntnisse gewonnen über Cystinose, einer schweren Stoffwechselerkrankung, von der weltweit eines von 100 000 bis 200 000 Neugeborenen betroffen ist. Die häufigste Form führt bereits im frühen Kindesalter zu Nierenerkrankungen und oft zu Nierenversagen. Mit Hilfe von Modellsystemen wurden Signalwege identifiziert, welche die Krankheit verursachen, und mögliche Ziele für Therapien priorisiert. Dabei entdeckten die Forschenden einen Zusammenhang zwischen der Regulation eines Proteins (mTORC1) und der Krankheit. Auf einer Plattform, die zur Zielmolekül-Identifizierung Deep-Learning-Modelle anwendet, wurde nach Medikamenten gesucht, die zur Cystinose-Behandlung verwendet werden könnten. Dabei wurden die Struktur der Medikamente, ihre Ziele, mögliche Nebenwirkungen und ihre Wirksamkeit in den betroffenen Geweben analysiert. Als vielversprechenden Kandidaten wurde ein zugelassenes Medikament gefunden, das in Studien an Zellkulturen und Modellorganismen die Aktivität der Lysosomen wiederherstellen und die zellulären Funktionen retten konnte. Und jetzt steht man schon vor der klinischen Untersuchung.
Über weitere Einsatzgebiete des maschinellen Lernens geht es im Fokus dieser Printausgabe, in die wir auch eine Ilmac-Strecke mit sämtlichen Informationen und Highlights zur Veranstaltung gepackt haben. Seit mehreren Messeausgaben Hauptmedienpartnerin, ist ChemieXtra natürlich auch dieses Jahr mit einem Stand präsent: Unser Team freut sich auf Ihren Besuch in Halle 1.0, Stand E247! Freie Eintritte erhalten Sie auf der Ilmac-Website im Ticketshop (Gutschein-Code: «sigwerb-23») oder über folgenden QR-Code.
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FOKUS MASCHINELLES LERNEN
Neue NiedermolekulareWirkstoffe-ML-Allianz
Arzneimittel-Entwicklung: Für die Auswahl niedermolekularer Wirkstoff-«Lotsen» werden sogenannte DNA-kodierte MolekülBibliotheken zu einer wertvollen Schatztruhe.
CHEMIE
Photokatalyse für «neue Wasserstoffchemie»
Die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt unter der Triarylphosphin-Katalyse endlich unter milden Bedingungen. Dies eröffnet einen neuen Weg zu Hydrierungsreaktionen.
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BIOWISSENSCHAFT
PFAS verringern Aktivität von Immunzellen
PFAS können zu Leberschäden, Schilddrüsenerkrankungen oder Krebs führen. Gemäss einer neuen Studie setzen diese Chemikalien zudem die Aktivität menschlicher Immunzellen herab.
IMPRESSUM
Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche
LABOR
Im Tiefflug über gefärbte Zellverbände gleiten
Pathologie im Wandel: An der Universität Bern wurde ein futuristisch anmutendes Gerät erfunden, das den Mikroskopen in der Diagnostik Konkurrenz macht.
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MEDIZIN
Neues Impfstoffkonzept erfolgreich getestet
An der Universität Basel wurde ein neuer Ansatz für einen Impfstoff gegen Sars-CoV-2 entwickelt. Das Vakzin beruht auf abgewandelten Coronaviren, die sich im Körper nicht vermehren können.
VERANSTALTUNGEN
Ilmac 2023
Die Branchenplattform für Chemie und Life Sciences wird neu lanciert und erhält neue Highlights. Céline Futterknecht, Brand Director Ilmac, stand ChemieXtra für ein Interview zur Verfügung.
Vorstufe
Herausgeber/Verlag
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Jahrgang
13. Jahrgang (2023)
Druckauflage
8500 Exemplare
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6907 Exemplare Total verbreitete Auflage
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ISSN-Nummer 1664-6770
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Andreas A. Keller
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Redaktion
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Redaktionelle Mitarbeit
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INHALTSVERZEICHNIS 2 9–10 /2023
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FORSCHUNGSWELT
Zur Überbrückung von Dunkelpausen
Ein Forschungskonsortium entwickelt eine neuartige Zink-Batterie, die nicht nur als Langzeitspeicher von Energie, sondern auch zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann.
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UMWELT
Ölkatastrophen
Steigern Biotenside den mikrobiologischen Ölabbau in der Nordsee? Forschende sehen Potenzial für eine effektivere und umweltfreundlichere Bekämpfung von Ölkatastrophen.
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VERFAHRENSTECHNIK
Brustkrebs mit 3D-Röntgen früher erkennen
Ein Forschungsteam des PSI und der ETH Zürich will zusammen mit dem Kantonsspital Baden und dem Universitätsspital Zürich ein Verfahren zur Brustkrebsdiagnostik verbessern.
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NEUE MATERIALIEN
Neue Materialien für die industrielle Biokatalyse
Enzyme als Schäume herstellen: Am Karlsruher Institut für Technologie wurde eine neue Klasse von Materialien entwickelt, die eine enorme Haltbarkeit und Aktivität besitzt.
AUS DER FORSCHUNG 72
AUS DER BRANCHE 74
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PRODUKTE 82
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LIEFERANTENVERZEICHNIS
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Endress+Hauser ist ein global führender Anbieter von Mess- und Automatisierungstechnik für Prozess und Labor. Das Familienunternehmen mit Sitz in Reinach/Schweiz erzielte 2022 mit fast 16 000 Beschäftigten über 3,3 Milliarden Euro Umsatz. Endress+Hauser ist weltweit ein verlässlicher Partner. Eigene Vertriebsgesellschaften in mehr als 50 Ländern sowie Vertreter in weiteren 70 Staaten stellen einen kompetenten Support sicher. Produktionsstätten auf vier Kontinenten fertigen schnell und flexibel in höchster Qualität.
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INHALTSVERZEICHNIS 3 9–10 /2023
DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes September/Oktober 2023 9–10/2023
mit Biotensiden bekämpfen
VERBANDSSEITEN SCV-Informationen
Machine Learning beschleunigt Krebstherapeutika-Suche in Molekülbibliotheken
Neue Niedermolekulare-Wirkstoffe-ML-Allianz
Durch Zusammenarbeit mit Machine-Learning-Spezialisten bringen Pharmaunternehmen ihre ArzneimittelEntwicklung auf Trab. Insbesondere werden für die Auswahl von niedermolekularen Wirkstoff-«Lotsen» sogenannte DNA-kodierte Molekül-Bibliotheken zu einer noch wertvolleren Schatztruhe.
Hightech-Giganten übernehmen innovative Unternehmen aus dem Machine-Learning-Segment (ML). Ein Beispiel ist die Beteiligung von Microsoft an Open AI (Stichwort: Chatbot «Chatgpt»). Das überrascht kaum.
Dagegen lassen Beteiligungen von Pharma-Unternehmen an ML-Spezialisten in jüngster Zeit aufmerken. Unter anderem hat der bekannte Corona-Impfstoff-Hersteller Biontech die britische Instadeep übernommen. Mit Hilfe dieses ML-Startups sollen Impfstoffe und Biopharmazeutika gegen Krebs und Infektionskrankheiten schneller entwickelt werden. Neuen Schwung erhoffen sich nun auch Unternehmen, die sich auf das Gebiet der niedermolekularen Pharmazeutika spezialisiert haben. Dabei soll in Zukunft die MLgestützte Recherche in DNA-kodierten Molekül-Bibliotheken (DEL, DNA-encoded libraries) die Suche nach therapeutisch relevanten Kandidaten beschleunigen.
Mühsamerer Weg zu neuen Erfolgen
Niedermolekulare Wirkstoffe weisen eine Molmasse von weniger als 800 Gramm auf. Sie machen mehr als 90 Prozent der
verordneten Arzneimittel aus – vom Kopfschmerzmittel über Antibiotika und Betablocker bis zum Anti-Krebs-Mittel. Das theoretische Potenzial für Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet ist seit der Entschlüsselung des humanen Genoms sogar noch gestiegen. Denn dadurch wurden vor gut 20 Jahren insgesamt 3000 mögliche Angriffspunkte für nieder-
molekulare Wirkstoffe ausgemacht. Von ihnen wird zurzeit aber erst ein Bruchteil (weniger als ein Fünftel) als «Drug Target» ins Visier genommen.
Interessante Targets stellen zum Beispiel bestimmte Enzyme dar, deren Aktivität bei Krebserkrankungen und chronischen Entzündungen aus dem Ruder läuft. Sie sorgen dann für eine unkontrollierte Aktivierung (oder in seltenen Fällen auch für eine Deaktivierung) von Proteinen.
Bei den Enzymen handelt es sich um die Proteinkinasen; die entsprechenden Arzneistoffe heissen Proteinkinase-Hemmer. Einige werden bereits gegen Tumore oder Arthritis eingesetzt. Von anderen erhofft man sich zukünftig eine Therapie für die Alzheimer-Krankheit.
Allerdings schien in den letzten Jahren die Entwicklung neuer niedermolekularer Wirkstoffe ins Stocken zu geraten. Plötzlich galten sogar grosse Moleküle (Proteine, «Biologics») als die erfolgsträchtigeren Hoffnungsträger.
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Woran liegt das?
Niedermolekulare Wirkstoffe, hier bei der Bindung an einen Rezeptor, machen über 90 Prozent der verschriebenen Arzneimittel aus. (Bild: Shutterstock)
Das Anwendungsspektrum niedermolakularer Wirkstoffe reicht vom Kopfschmerzmittel (links: Paracetamol bzw. Acetaminophen) bis zur Krebstherapie. (Bilder: Shutterstock)
Mit Machine Learning lassen sich bildliche Darstellungen klassifizieren (z. B. Tumor oder kein Tumor auf Röntgenaufnahme oder MRT); nun soll ML in Moleküldatenbanken verborgene Strukturen erkennen und therapeutisch relevante Kandidaten zu identifizieren helfen. (Bild: Shutterstock)
Zeitaufwendig zur Leitstruktur
Die Entwicklung eines niedermolekularen Wirkstoffs ist mit einem hohen Aufwand verbunden. Denn er muss nicht nur wirken, sondern unter anderem in einer wasserlöslichen Form verfügbar sein, über eine ausreichende chemische Beständigkeit verfügen, möglichst selektiv an sein Zielmolekül binden, und er darf keine (bzw. allenfalls tolerierbare) toxischen Eigenschaften aufweisen.
Um wenigstens bis zu sogenannten Leitstrukturen («leads») zu gelangen, bedarf es üblicherweise mehrerer Jahre. In dieser Zeit werden Wirkstoff-Kandidaten gescreent und die erhofften biologischen Wirkungen in Laborexperimenten bestätigt. Dann folgen viele chemische Modifikationen und Labortests, um Effektivität, Selektivität und Pharmakokinetik (Verfügbarkeit im Organismus) zu optimieren. Jede Möglichkeit, diesen langwierigen Prozess zu beschleunigen, ist willkommen. Eine setzt bei der Auswahl der WirkstoffKandidaten an und nennt sich Hochdurchsatzscreening (HTS): Unter weitgehender Automatisierung werden viele chemische Verbindungen auf einmal synthetisiert und durchlaufen verschiedene Tests. Dem zugrunde liegt das Konzept der kombinatorischen Chemie: ein Mehrkomponentengemisch in einem einzigen Prozess zu synthetisieren und es auch in einem einzigen Prozess zu screenen. Am Anfang steht ein Pool von chemischen Verbindungen, eine sogenannte Molekül-Bibliothek, worin sich – so hofft man – therapeutisch interessante Substanzen oder deren Vorläufer verbergen.
Dabei kann es sich, über Wirkstoff-Kandidaten hinaus, auch um Moleküle mit einer anderen Funktion handeln. Ein Beispiel
stellen Liganden dar; sie wirken nicht selbst, doch binden sie an den eigentlichen Wirkstoff und lotsen ihn zum Wirkort, zum Beispiel zu einem Tumorgewebe. So wirkt ein Krebstherapeutikum viel schneller und verursacht weniger Nebenwirkungen als herkömmliche Therapien.
Potenziellen WirkstoffKandidaten mit Barcode
Zu den Pools von niedermolekularen Molekülen, aus denen therapierelevante Kandidaten ausgewählt werden können, gehören die DEL. Sie basieren auf chimären Molekülen. Diese bestehen aus einem niedermolekularen Molekül und einem kurzen DNA-Strang; beide sind miteinander übereinen sogenannten Linker fest verbunden. Jeder einzelne DNA-Strang fungiert dabei als Barcode für das mit ihm verbundene Molekül.
Insbesondere lässt sich nach chemischen Reaktionen das erhaltene Produkt über seinen DNA-Barcode zum Ausgangsstoff aus der DEL zurückverfolgen. Mit diesem Ausgangsstoff und den bekannten chemischen Reaktionen, wird sich in der Regel auch die chemische Struktur des Produkts erschliessen. Eine klassische Strukturaufklärung (z. B. durch Chromatographie/ Massenspektrometrie) erübrigt sich.
Zum Beispiel möchte man eine Antwort auf die Frage: Welche der Moleküle aus der DEL binden besonders gut an eine Zielstruktur (z. B. an eine Proteinkinase oder an ein Tumorgewebe)? Mit Hilfe der DNA-Codierung geht das ganz leicht: die gesamte Bibliothek mit der Zielstruktur mischen, um eine Bindung zu ermöglichen, nach dem Bindungs-Vorgang Moleküle, die nicht binden, auswaschen und mit der Zielstruktur und den daran gebun -
denen Molekülen eine DNA-Sequenzierung durchführen! Mit der DNA identifiziert man gleichzeitig auch das niedermolekulare Molekül («Barcode-Funktion») bzw. die niedermolekularen Moleküle, die an die Zielstruktur gebunden haben. Die anderen wurden ja zuvor ausgewaschen.
Mehr in silico-Vorarbeit –mehr ML
In der Praxis bleibt das Hochdurchsatzscreening aber nach wie vor mit aufwendiger Laborarbeit verbunden. Darum besteht eine Idee darin, das HTS vom Labor «in silicium» zu verlegen und komplett auf dem Computer durchzuführen. Ein zusätzlicher Impuls kommt jetzt aus dem Machine Learning. Beispielsweise setzen das italienisch-schweizerische Biotechnologie-Unternehmen Philogen, Siena, und sein Tochterunternehmen Philochem, Otelfingen, ein ETH-Spin-off zur Entdeckung neuartiger niedermolekularer Liganden, jetzt auf ML-Modelle von Google. Gemeinsam mit dem amerikanischen Technologieunternehmen will man das Screening von kombinatorischen DEL-Bibliotheken, die Milliarden von Molekülen enthalten, nochmals deutlich effizienter machen. Mit dem sogenannten «InstanceLevel Deep Learning Modeling» erhofft man sich, in den DEL-Bibliotheken von Philochem neue niedermolekulare Liganden zu entdecken, die vor allem gegen Tumore eingesetzt werden können. Eine erste Erfolgsmeldung konnte bereits vermeldet werden: Identifiziert wurde ein Kandidat gegen Carbonic Anhydrase IX (CAIX), einen klinisch validierten Marker für Sauerstoffmangel, der auch als Biomarker für das klarzellige Nierenzellkarzinom gilt.
Dieses Beispiel unterstreicht den Wert von Molekül-Bibliotheken mit therapeutisch relevanten Kandidaten im Allgemeinen und von DEL-Bibliotheken mit Wirkstoff-Liganden im Besonderen: Wer einen solchen Schatz hat, kann sich glücklich schätzen. Machine Learning macht ihn noch kostbarer.
ChemieXtra
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Genaue Berechnungen der elektronischen Struktur in grossem Massstab
Neue Ära in den Materialwissenschaften
Die Anordnung von Elektronen in Materie, die sogenannte elektronische Struktur, spielt nicht nur in der Grundlagenforschung eine entscheidende Rolle, sondern auch bei angewandter Forschung wie dem Arzneimitteldesign oder der Energiespeicherung. Lange Zeit fehlten jedoch Simulationsmethoden, die sowohl eine hohe Genauigkeit als auch Skalierbarkeit über verschiedene Zeit- und Längenskalen hinweg bieten.
Elektronen sind Elementarteilchen von grundlegender Bedeutung. Ihre quantenmechanischen Wechselwirkungen untereinander und mit den Atomkernen sind verantwortlich für eine Vielzahl von Phänomenen in der Chemie und den Materialwissenschaften. Verständnis und Kontrolle der elektronischen Struktur der Materie geben Aufschluss über die Reaktivität von Molekülen, die Struktur von Planeten und den Energietransport in ihnen sowie über die Mechanismen bei Materialversagen.
Wissenschaftliche Herausforderungen werden immer häufiger durch computergestützte Modellierung und Simulationen angegangen, wobei hier die Möglichkeiten des Hochleistungsrechnens voll zum Tragen kommen. Für realistische Simulationen mit Quantenpräzision fehlte allerdings ein vorhersagendes Simulationsverfahren, das hohe Genauigkeit mit Skalierbarkeit über verschiedene Längen- und Zeitskalen kombiniert. Klassische atomistische Simulationsmethoden können zwar grosse und komplexe Systeme handhaben. Da sie die elektronische Quantenstruktur nicht berücksichtigen, ist ihre Anwendbarkeit jedoch eingeschränkt. Umgekehrt bieten Simulationsmethoden, die im Gegensatz zur empirischen Modellierung ausschliesslich auf Grundlage analytischer Formeln arbeiten (ab initio-Methoden), eine hohe Genauigkeit. Sie sind aber rechenintensiv. Die Dichtefunktionaltheorie (DFT), eine weit verbreitete ab initio-Methode, skaliert beispielsweise kubisch mit der Systemgrösse. Das beschränkt diese Methode auf kleine Skalen.
Forschende des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Görlitz und der Sandia National
Momentaufnahme einer Deep-Learning-Simulation mit mehr als 10 000 Berylliumatomen: Die Verteilung der Elektronen im Material wird als rote (delokalisierte Elektronen) und blaue (Elektronen in der Nähe der Atomkerne) Punktwolken dargestellt. Die Simulation ist mit herkömmlichen DFT-Berechnungen nicht durchführbar. Dank MALA wurde sie in fünf Minuten mit nur 150 Zentralprozessoreinheiten durchgeführt. Um die Verständlichkeit der Simulation zu erhöhen, wurden grafische Filter eingesetzt. Die weissen Flächen an den Säumen sind ebenfalls auf die Filter zurückzuführen. Das Schema im Hintergrund deutet Deep Learning an. (Bild: HZDR/CASUS)
Laboratories in Albuquerque, USA, haben nun eine auf maschinellem Lernen basierende Simulationsmethode entwickelt, die herkömmliche Verfahren zur Simulation elektronischer Strukturen übertrifft.
Hybrider Ansatz basierend auf Deep Learning
Das Team hat nun ein neuartiges Simulationsverfahren vorgestellt: das «Materials Learning Algorithms (MALA) software stack». In der Informatik ist ein «software stack» eine Sammlung von Algorithmen
und Softwarekomponenten, die kombiniert werden, um eine Softwareanwendung zur Lösung eines bestimmten Problems zu erstellen. Lenz Fiedler, Doktorand und massgeblicher Entwickler von MALA am CASUS, erklärt: «MALA integriert maschinelles Lernen mit Ansätzen aus der Physik, um die elektronische Struktur von Materialien vorherzusagen. Es verwendet einen hybriden Ansatz, bei dem eine etablierte Methode des maschinellen Lernens, das sogenannte Deep Learning, zur genauen Vorhersage lokaler Grössen ein -
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gesetzt wird. Die Vorhersagen werden dann durch physikalische Algorithmen zur Berechnung relevanter Eigenschaften genutzt.»
Das Softwarepaket MALA nimmt die Anordnung der Atome im Raum als Eingabe und erzeugt Fingerabdrücke, sogenannte Bispektrumskomponenten, welche die räumliche Anordnung dieser Atome um einen Punkt im Raum kodieren. Das maschinelle Lernmodell in MALA wird trainiert, um die elektronische Struktur auf der Grundlage der Nachbarschaft der Atome vorherzusagen. Ein wesentlicher Vorteil der Software ist die Fähigkeit ihres maschinellen Lernmodells, unabhängig von der Systemgrösse zu sein. Es kann daher auf Daten von kleinen Systemen trainiert und danach in jeder Grössenordnung eingesetzt werden.
In ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift «npj Computational Materials» belegen die Wissenschaftler die bemerkenswerte Effizienz dieser Strategie. Im Vergleich zu herkömmlichen Algorithmen erreichten sie bei kleineren Systemen von bis zu einigen Tausend Atomen eine mehr als 1000-fache Geschwindigkeitssteigerung. Darüber hinaus demonstrierten sie, dass MALA in der Lage ist, elektronische Strukturberechnungen in grossem Massstab mit mehr als 100 000 Atomen durchzuführen. Letzteres gelang mit einem überschaubaren Rechenaufwand, was die Begrenzungen herkömmlicher DFT-Codes verdeutlicht.
Impulse für die angewandte Forschung erwartet
Attila Cangi, der kommissarische Leiter der CASUS-Abteilung Materie unter extremen Bedingungen, erklärt: «Mit zunehmender Systemgrösse und mehr beteiligten Atomen werden DFT-Berechnungen unpraktikabel, während der Geschwindigkeitsvorteil von MALA immer grösser wird. Der entscheidende Durchbruch bei MALA ist die Fähigkeit, mit lokalen Atomumgebungen zu arbeiten. Das ermöglicht genaue numerische Vorhersagen, die von der Systemgrösse nur minimal beeinflusst werden. Diese bahnbrechende Errungenschaft eröffnet Berechnungsmöglichkeiten, die früher als unerreichbar galten.»
Cangi hat sich zum Ziel gesetzt, durch den Einsatz von maschinellem Lernen die
Grenzen der elektronischen Strukturberechnung zu erweitern: «Wir verfügen nun über eine Methode, mit der wir wesentlich grössere Systeme mit einer beispiellosen Geschwindigkeit simulieren können. Ich erwarte, dass MALA einen Umbruch einleiten wird, wie elektronische Strukturen berechnet werden. Die Forschung wird künftig in der Lage sein, ein breites Spektrum gesellschaftlicher Herausforderungen auf Basis einer deutlich verbesserten Ausgangslage zu bearbeiten: von der Entwicklung neuer Impfstoffe und neuartiger Materialien für die Energiespeicherung über gross angelegte Simulationen von Halbleiterbauelementen und der Untersuchung von Materialdefekten bis hin zur Erforschung chemischer Reaktionen zur Umwandlung von klimaschädlichem Kohlendioxid in klimafreundliche Mineralien.»
Skalierbares maschinelles Lernen auf HPC-Ressourcen Darüber hinaus eignet sich der MALA-Ansatz besonders für das Hochleistungsrechnen (high-performance computing, HPC). Mit zunehmender Systemgrösse ermöglicht MALA eine unabhängige Verarbeitung auf dem von ihm genutzten Rechengitter, wodurch HPC-Ressourcen (insbesondere Grafikprozessoren) effektiv genutzt werden. Siva Rajamanickam, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Experte für paralleles Rechnen an den Sandia National Laboratories, erklärt: «Der MALA-Algorithmus für elektronische Strukturberechnungen lässt sich gut auf modernen HPC-Systemen mit verteilten Beschleunigern anwenden. Die Fähigkeit, Rechenprozesse zu zerlegen und sie auf verschiedenen Gitterpunkten über verschiedene Beschleuniger hinweg parallel auszuführen, macht MALA zu einer idealen Lösung für skalierbares maschinelles Lernen auf HPC-Ressourcen. Dabei werden eine beispiellose Geschwindigkeit und Effizienz bei der Berechnung elektronischer Strukturen erreicht.»
Ausser bei den Entwicklungspartnern HZDR und Sandia National Laboratories kommt MALA bereits bei Einrichtungen und Unternehmen wie dem Georgia Institute of Technology, der North Carolina A&T State University, Sambanova Systems Inc. und der Nvidia Corp. zum Einsatz.
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Halle A3 Stand 3007
Neuer Ansatz zur Wasserspaltung
Photokatalyse für «neue Wasserstoffchemie»
Die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kann unter der Triarylphosphin-Katalyse endlich unter milden Bedingungen erfolgen. Dies eröffnet unter anderem einen neuen Weg zu Hydrierungsreaktionen.
Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft und kann darüber hinaus für die Herstellung von Wirkstoffen und anderen interessanten Substanzen wichtig sein. Zu seiner Gewinnung lässt sich Wasser durch eine Folge chemischer Prozesse in Wasserstoff und Sauerstoff umwandeln. Da die Wassermoleküle jedoch sehr stabil sind, ist ihre Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff eine grosse Herausforderung in der Chemie.
Damit es überhaupt gelingt, muss das Wasser zunächst durch einen Katalysator aktiviert werden – dann reagiert es leichter. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Armido Studer am Institut für Organische Chemie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster hat ein photokatalytisches Verfahren entwickelt, bei dem Wasser unter milden Reaktionsbedingungen durch Triarylphosphine und nicht, wie bei den meisten anderen Verfahren, durch Übergangsmetallkomplexe aktiviert wird.
Wasserstoffatom als Reagenz in der Synthese
Diese jetzt in der Fachzeitschrift «Nature» vorgestellte Strategie wird nach Überzeugung des Teams eine neue Tür in dem
Grundlage für Wirkstoffe und viele andere wichtige Substanzen: Wasserstoff als Ausgangsmaterial für die chemische Synthese. (Bild: Adpic)
sehr aktiven Forschungsfeld der Radikalchemie öffnen. Radikale sind in der Regel besonders reaktionsfreudige Zwischenstufen. Das Team verwendet ein spezielles Zwischenprodukt – ein Phosphin-WasserRadikalkation – als aktiviertes Wasser. Von diesem lassen sich die Wasserstoffatome aus H2O leicht abspalten und auf ein weiteres Substrat übertragen. Die Reaktion wird durch Lichtenergie angetrieben (Photokatalyse).
«Unser System bietet eine ideale Plattform, um unerforschte chemische Prozes-
se zu untersuchen, die das Wasserstoffatom als Reagenz in der Synthese nutzen», unterstreicht Armido Studer, der bereits in seiner Zeit an der ETH Zürich (1987-2000) auf dem Gebiet neuer Syntheseverfahren in der Radikalchemie geforscht hat.
Das kann doch nicht so schwer sein!
Warum schaffen wir es nicht so einfach, das H2O-Molekül zu spalten? Eine differenzierte Betrachtung zeigt: Eine Deprotonierung ist sogar sehr leicht möglich – mit einer geeigneten Base. Im Gegensatz zu dieser heterolytischen Spaltung scheitert eine unmittelbare homolytische Spaltung unter Radikalbildung an der hohen Dissoziationsenergie der Sauerstoff-Wasserstoff-Bindung (118 kcal mol-1). Die Arbeitsgruppe um Prof. Armido Studer geht daher über das R 3P–OH-Radikal (R = Alkan-Rest). Diese Zwischenstufe imitiert ein freies Wasserstoffatom. So kann es direkt an π -Elektronen-Systeme mit gepaarten Elektronen übertragen werden. Solche «Closed-shell»- π -Systeme weisen zum Beispiel aktivierte Alkene, nicht-aktivierte Alkane, Naphthalin- und Chinolinderivate auf.
«Die Wasserstoff-Sauerstoff-Bindung in diesem Zwischenprodukt ist ausserordentlich schwach, sodass eine Übertragung eines Wasserstoffatoms auf verschiedene Verbindungen möglich ist», erläutert Dr. Christian Mück-Lichtenfeld, der die aktivierten Wasserkomplexe mit theoretischen Methoden analysiert hat. Dr. Jingjing Zhang, die die experimentellen Arbeiten durchgeführt hat, ergänzt: «Die Wasserstoffatome des aktivierten Wassers können unter sehr milden Bedingungen in sogenannten Hydrierungsreaktionen auf Alkene und Arene übertragen werden.»
Hydrierungsreaktionen sind in der Arzneimittelforschung, in der agrochemischen Industrie und auch in den Materialwissenschaften von grosser Bedeutung.
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Chemikalien aus Polystyrolabfällen rückgewinnen
Upcycling von Polystyrol
Polystyrol, der Grundstoff für Plastikgeschirr und Schäume, ist eines der am meisten verwendeten Polymere, kann aber bislang kaum recycelt werden. Ein amerikanisches Forschungsteam stellt nun in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie einen thermochemischen Recyclingansatz vor, bei dem aus Polystyrol in nur zwei Prozessschritten hochwertige Grundchemikalien hergestellt werden. Vor allem Pack- und Dämmstoffe könnten somit in eine chemische Kreislaufwirtschaft rückgeführt werden.
Mit der neuen «Degradation-Upcycling»Technik (kurz: «Deg-Up») könne aus Polystyrolabfällen eine Bibliothek aus hochwertigen aromatischen Chemikalien hergestellt werden, erläutern Guoliang Liu und seine Co-Autoren von der Virginia Tech in Blacksburg, USA. Das funktioniere über zwei Stufen: Zuerst wird Polystyrol zu Benzol abgebaut, das in einem zweiten Reaktionsschritt noch im gleichen Reaktor chemisch verändert wird. Dabei entstehen Benzolderivate, die wichtige Grundstoffe für die Kosmetikund Pharmaindustrie sind.
Ausserdem interessant ist ein anderer Ansatz von BASF: Bei der Herstellung eines neuen Styropor-Typs werden fossile Rohstoffe durch sogenanntes Pyrolyseöl ersetzt, das mittels eines thermochemischen Verfahrens – Pyrolyse genannt – Kunststoffabfälle in Sekundärrohstoffe umwandelt.Die ersten EPS-Fischboxen auf der Basis des chemisch recycelten Kunststoffes «Styropor Ccycled» wurden 2021 in Norwegen eingeführt. (Bild: Peter Tubaas, Vestland Media) – ChemieXtra
Pack- und Dämmstoffe könnten in eine chemische Kreislaufwirtschaft rückgeführt werden. (Bild: Envato)
Um Polystyrol in seine Komponenten abzubauen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die aber zumeist teure Katalysatoren erfordern oder sehr energieintensiv sind. Liu und seine Kolleginnen entwickelten nun ein thermochemisches Verfahren, das mit preiswertem Aluminiumchlorid als Katalysator funktioniert und bei moderaten 80 Grad abläuft. Ein weiterer Vorteil sei die intelligente Nutzung des Lösungsmittels Benzol. «Nur das aus dem Polymer abgebaute Benzol wird in das gewünschte chemische Produkt umgewandelt. Nicht ver-
wendetes Lösungsmittel wird in die Verarbeitung von mehr Polymerrohstoff recycelt», erklärt Liu.
Chemische Bausteine für Kosmetik- und Pharmaindustrie
Als Beweis für die Machbarkeit der Strategie löste das Team Polystyrolabfälle wie Verpackungsschaum oder Plastikgeschirr in Benzol auf und erwärmte die Mischung in einem Reaktor unter Luftausschluss mit Aluminiumchlorid als einzigem Reagenz. Das flüssige Produkt, hauptsächlich Ben -
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Eine Zufallserfindung
Styropor, ein expandierbares Polystyrol (EPS), wurde 1951 erfunden und ist heute aus unserem Alltag kaum wegzudenken. Dr. Fritz Stastny, Wissenschaftler bei BASF, vergisst 1949 bei der Suche nach einer effektiven Kabelisolierung einen chemischen Versuch mit einer Schuhcrèmedose im Trockenschrank – und entdeckt über Nacht das Wundermaterial. Ab 1957 wird es in Massen produziert. In der Schweiz auch unter dem Markennamen Sagex bekannt, beginnt die Sager AG in Dürrenäsch (AG) 1954 als erstes Unternehmen in der Schweiz mit der Fabrikation von expandierten Polystyrol-Dämmplatten.
Das geschäumte Material wird vom Rettungsring über Verpackungen bis hin zur Gebäudedämmung eingesetzt. Es zeichnet sich aus durch ein gutes Wärmedämmvermögen, eine hohe Druckfestigkeit, eine hervorragende Stossdämpfung, ein geringes Gewicht und ist unempfindlich gegen Feuchtigkeit.
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zol, konnte in hoher Ausbeute und Selektivität direkt zu höherwertigen Chemikalien umgesetzt werden.
Durch Zugabe des Reagenzes Acetylchlorid erhielt das Team zum Beispiel Aceto -
phenon, das eine wichtige Grundchemikalie für die Kosmetik- und Pharmaindustrie ist. Mit dem ähnlichen Reagenz Oxalylchlorid entstand Benzophenon, ein Bestandteil von Sonnenschutzmitteln und
wichtiges Kunststoffadditiv. Schwefelhaltige aromatische Produkte – zum Teil Hochleistungslösungsmittel für die Kunststoffindustrie – liessen sich ebenfalls mit einer hoher Selektivität aus den Polystyrolabfällen gewinnen.
Das neue Upcyling-Verfahren zielt darauf ab, grossvolumige Polystyrolabfälle zu hochwertigen Chemikalien zu recyclen und anderen Prozessen zur Verfügung zu stellen. Besonders Schäume und Dämmstoffe eignen sich kaum für ein profitables mechanisches Recycling durch Sortierung, Zerschreddern und Transport zur Erzeugung neuer Werkstücke. Der hier vorgestellte «Deg-Up»-Prozess sei hingegen robust, toleriere Kontaminationen und eigne sich als Plattform für chemisches Upcycling grossvolumiger Polystyrolabfälle.
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11 9–10/2023 C HEMIE
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Studie weist mit neuem Verfahren immunverändernde Wirkung nach
PFAS verringern Aktivität von Immunzellen
PFAS können zu Leberschäden, Schilddrüsenerkrankungen, Fettleibigkeit, hormonellen Störungen und Krebs führen. Jetzt hat ein Forschungsteam vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) gezeigt, dass diese Chemikalien zudem die Aktivität menschlicher Immunzellen herabsetzen und auf diese Weise die Gesundheit beeinträchtigen können.
Kosmetika, beschichtete Pfannen, OutdoorBekleidung – PFAS sind in vielen Alltagsprodukten verarbeitet. Der Grund: PFAS sind wasser- und fettabweisend, hitzebeständig und äusserst langlebig. Etwa seit den 1950er Jahren werden PFAS hergestellt, mittlerweile gibt es zirka 10 000 verschiedene Verbindungen dieser Stoffgruppe. «PFAS sind schwer bis kaum biologisch abbaubar – und das ist ein grosses Problem», sagt die Umweltimmunologin Dr. Gunda Herberth. «Sie reichern sich daher stetig in der Umwelt an, in Böden, in Flüssen und im Meer. Selbst in der Antarktis sind sie zu finden. Über Nahrungsmittel, Trinkwasser oder die Luft gelangen sie in den menschlichen Körper. Studien zeigen, dass nahezu bei allen Menschen rund um den Globus PFAS im Blut nachweisbar sind. Und man weiss noch nicht, was das langfristig für unsere Gesundheit bedeutet.»
Gezielter Blick in Immunzellen
Bekannt ist etwa, dass Belastungen mit PFAS beim Menschen zu Leberschäden, hormonellen Störungen und einem geringeren Geburtsgewicht bei Neugeborenen führen können. Viele epidemiologische Studien zeigen darüber hinaus einen Zusammenhang zwischen erhöhter PFASBelastung und einer verminderten Immunantwort nach Impfungen im Kindesalter. Beeinflussen PFAS womöglich unser Immunsystem? Und wenn ja, wie genau? Was passiert dabei in den Immunzellen? Diesen Fragen gingen Gunda Herberth und weitere Forschende in ihrer Studie nach, die im Fachmagazin Chemosphere erschienen ist.
Um herauszufinden, was unter PFAS-Belastung auf Zellebene genau geschieht, wandten die Forschenden ein spezielles immunologisches Messverfahren an, das
sie zuvor entwickelt hatten. «Mit der Multiparameter-Spektraldurchflusszytometrie können wir mithilfe unterschiedlicher Fluoreszenzfarbstoffe bis zu 30 Marker innerhalb einer Blutprobe bestimmen und somit viele unterschiedliche Immunzelltypen und deren Aktivierung identifizieren», erklärt der Umweltimmunologe Dr. Arkadiusz Pierzchalski, der das Verfahren gemeinsam mit Gunda Herberth etabliert hat. Für ihre Untersuchungen nutzte das Team Immunzellen aus dem Blut gesunder Spender. Zunächst wurden die isolierten Immunzellen im Labor 20 Stunden lang verschiedenen PFAS-Mischungen ausgesetzt. «Wir haben insgesamt sechs PFAS ausgewählt, die besonders häufig in der Umwelt vorkommen, und drei Mischungen hergestellt: Eine Mischung mit drei kurzkettigen PFAS, eine mit drei langkettigen PFAS und eine mit allen sechs PFAS», erklärt Ambra Mad -
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In den Alpen oder sogar in der Antarktis zu finden: PFAS gelangen über Nahrungsmittel, Trinkwasser oder die Luft in den menschlichen Körper. (Bild: Envato)
Multiparameter-Spektraldurchflusszytometrie: Mithilfe unterschiedlicher Fluoreszenzfarbstoffe wurden am UFZ bis zu 30 Marker innerhalb einer Blutprobe bestimmt und somit viele unterschiedliche Immunzelltypen und deren Aktivierung identifiziert. (Bild: Adpic)
dalon, Toxikologin an der Universität Mailand und gemeinsam mit Dr. Arkadiusz Pierzchalski Erstautorin der Studie. «Anschliessend wurden die Immunzellen mit gängigen Methoden stimuliert, um sie zu aktivieren.» Wie aktiv sie dann waren, haben die Forschenden mithilfe der Multiparameter-Spektraldurchflusszytometrie auf zellulärer Ebene bestimmt.
PFAS mindern Aktivität von T-Zellen signifikant
Das Ergebnis: Immunzellen, die zuvor PFAS ausgesetzt waren, zeigten eine signifikant geringere Aktivität als unbehandelte Zellen. Dies galt insbesondere für T-Zellen. «Die T-Zellen produzierten zum Beispiel weniger Botenstoffe, mit denen sie normalerweise untereinander kommunizieren
oder die Entzündungen auslösen, wodurch weitere Immunzellen rekrutiert werden», erklärt Gunda Herberth. «Die stärksten Effekte traten bei der Mischung mit allen sechs PFAS auf. Hier addieren sich offensichtlich die unterschiedlichen Wirkungen der PFAS-Verbindungen.»
Besonders stark verminderten PFAS die Aktivität bei zwei von insgesamt fünf Immunzelltypen, den MAIT-Zellen (Mukosaassoziierte invariante T-Zellen) und den T-Helferzellen. MAIT-Zellen kommen in den Schleimhäuten vor und bilden dort die erste effektive Abwehrriege. «Sind MAIT-Zellen in ihrer Aktivität eingeschränkt, haben Krankheitserreger ein sehr viel leichteres Spiel, in den Körper einzudringen», sagt sie. «T-Helferzellen sind in die Antikörperherstellung involviert. Werden sie durch PFAS gehemmt, ist es nicht unwahrscheinlich, dass dadurch letztlich auch weniger Antikörper gebildet werden – was eine mögliche Erklärung für die verringerte Immunantwort bei Impfungen sein könnte.»
Weitere Untersuchungen, die das UFZTeam auf genetischer Ebene durchführte, gingen mit den Ergebnissen auf Zellebene konform: Gene, die in der T-Zell-Aktivierung normalerweise eine Rolle spielen, waren nach PFAS-Exposition herunterreguliert. «Unsere Studie zeigt deutlich, dass PFAS die Aktivität von Immunzellen verringern», sagt Herberth. «Ist eine Person stark mit PFAS belastet, wird sich das aller Wahrscheinlichkeit zufolge gesundheitlich bemerkbar machen, etwa durch eine höhere Infektanfälligkeit.»
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Immunmodulierende
Wirkung ist nicht zu unterschätzen
Im Februar dieses Jahres hat die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) einen Vorschlag veröffentlicht, der die Verwendung von PFAS weiter beschränken soll. Mit einer Entscheidung der Europäischen Kommission kann voraussichtlich 2025 gerechnet werden. «Auch wenn PFAS künftig gänzlich verboten werden sollten, werden sie so schnell nicht aus der Umwelt verschwinden», sagt Gunda Herberth. «Es bleibt daher wichtig, besser zu verstehen, welche Auswirkungen diese Substanzen auf unsere Gesundheit haben können.» In weiterführenden Untersuchungen will das UFZ-Team PFAS-Mischungen und -Konzentrationen, wie sie «natürlicherweise» beim Menschen im Blut vorkommen, in vitro nachstellen und ihre Auswirkungen auf Immunzellen bestimmen. «Bislang sind Tests auf immuntoxische bzw. immunmodulierende Wirkungen nicht Teil behördlich vorgeschriebener Prüf- und Bewertungsverfahren von Chemikalien. Da aber viele Erkrankungen von Allergien bis hin zu Krebs auf ein dysreguliertes Immunsystem zurückgehen, wäre dies aus unserer Sicht dringend notwendig», sagt die Forscherin. «Wir hoffen, dass wir mit unserer Studie und unserem neuen und praxistauglichen Testverfahren den Weg dorthin ein Stück weit ebenen können.»
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Mechanismus ermöglicht es Hirnzellen, gemeinsam zu «feuern»
Schlafendes Gehirn nutzt «Super-Metronom»
Im Schlaf verfestigen sich die Erinnerungen an das, was wir tagsüber erlebt haben: Sie werden aus einem temporären Speicher ins Langzeitgedächtnis verfrachtet. Damit das klappt, müssen sich Neuronen in verschiedenen Teilen des Gehirns synchronisieren. Dazu nutzt unser Denkorgan eine Art «Super-Metronom» aus drei verschiedenen Taktgebern. Wie diese zusammenarbeiten, zeigt eine aktuelle Studie der Universitäten Oxford und Bonn.
Mal angenommen, Sie spielen ein Instrument in einem grossen Orchester: Um immer synchron zu den anderen Musikerinnen und Musikern zu bleiben, benötigen Sie einen Taktgeber. Diese Rolle übernimmt die Dirigentin: Sie gibt den rhythmischen Rahmen vor. Es reicht, wenn sie das relativ grob macht – die Sechzehntelnoten bekommen Sie dann selber so genau hin, dass sie im Gleichklang mit den anderen Instrumenten erklingen.
Im Gehirn gibt es einen ganz ähnlichen Mechanismus. Allerdings schwingen hier gleich drei Dirigenten den Taktstock, und zwar sehr unterschiedlich schnell. Zusammen bilden sie eine Art «Super-Metronom», das die Neuronen auf wenige hundertstel Sekunden genau synchronisiert.
«Damit das klappt, gibt es unter den Taktgebern eine Hierarchie», erklärt Prof.
Dr. Dr. Florian Mormann von der Abteilung für Epileptologie am Universitätsklinikum Bonn. «Sie geben einander gewissermassen rhythmische Leitplanken vor: Der langsame Taktgeber entscheidet, zu welchen Zeiten der schnellere Taktgeber loslegt. Und der wiederum bestimmt den Einsatz des schnellsten Taktgebers.» Im Ergebnis sorgt das dafür, dass verschiedene Nervenzellen exakt zur selben Zeit «feuern».
Gemeinsames Feuern stärkt die Verbindung
Warum aber ist das wichtig? Der kanadische Psychologe Donald Hebb hat bereits vor mehr als 70 Jahren einen wichtigen Zusammenhang erkannt: Wenn zwei Neurone gleichzeitig aktiv sind, stärkt das die Verbindung zwischen ihnen, die sogenannte Synapse. Im Englischen wird dieses Hebbsche Gesetz oft auf die griffige
Formel «Neurons that fire together wire together» gebracht, was übersetzt «Neuronen, die zusammen feuern, werden miteinander verdrahtet» bedeutet.
Dieser Mechanismus gilt als Grundlage des Lernens. Man vermutet, dass er auch bei einem Prozess eine wichtige Rolle spielt, der sich Gedächtnis-Konsolidierung nennt. Das, was wir tagsüber erleben, wird in einer Hirnstruktur im Bereich der Schläfen zwischengespeichert – dem Hippocampus. Nachts wird dort aufgeräumt und Platz für den nächsten Tag geschaffen.
Dazu werden die Erinnerungen in die Grosshirnrinde verfrachtet, den Sitz des Langzeitgedächtnisses. «Damit das funktioniert, müssen sich verschiedene Bereiche des Gehirns so synchronisieren, dass die Neuronen in ihnen gleichzeitig feuern», sagt Prof. Dr. Bernhard Staresina von der Universität Oxford.
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Welche Nervenzellen reagieren zum Beispiel auf wiederkehrende Bilder? Für die Studie wurde die Hirnaktivität von zehn Versuchspersonen im Schlaf ausgewertet. (Bild: Christian Burkert)
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Zeitfenster von wenigen hundertstel Sekunden
Gleichzeitig bedeutet: Sie dürfen maximal in einem Abstand von vier hundertstel Sekunden aktiv werden. Und dafür spielen die drei Taktgeber offensichtlich eine zentrale Rolle. Bislang war dieser Mechanismus nur eine Hypothese. «Wir haben nun erstmals nachweisen können, dass diese drei Rhythmen aneinander gekoppelt sind und zusammen die Aktivität der Neurone koordinieren», erklärt Staresina. Die Forschenden profitierten dabei von einer Besonderheit der Bonner Universitätsklinik für Epileptologie: Sie ist auf chirurgische Eingriffe im Gehirn von Epilepsiekranken spezialisiert. Bei manchen Betroffenen setzen die Ärzte den Patientinnen und Patienten mehrere Elektroden ein, um den Krampfherd zu bestimmen. «Nebenbei können wir darüber die Aktivität einzelner Neuronen messen, in diesem
Darstellung von Signalen der wissenschaftlichen Mikroelektroden mit Gruppen von Aktionspotenzialen auf Monitor: An den Hirnstromkurven lässt sich ablesen, wann die Neuronen feuern. (Bild: Christian Burkert)
Fall im Hippocampus», sagt Florian Mormann.
Beim Schlafen schwingen sich weite Hirnbereiche auf einen Grundrhythmus ein, die langsamen Oszillationen. In diesem Zustand werden die Nervenzellen etwa
einmal pro Sekunde in eine erhöhte Feuerbereitschaft versetzt. Exakt zu diesen Zeitpunkten lassen sich im EEG (also in Aufzeichnungen der Hirnströme) oft Muster identifizieren, die etwa zehnmal schneller schwingen – die Schlaf-Spindeln. Diese Spindeln wiederum regen die Erzeugung sogenannter «Ripple» an, die wiederum zehnmal schneller sind. «Und diese Ripple koordinieren offensichtlich, dass die Nervenzellen im Gehirn synchron feuern», erklärt Staresina.
Die Ergebnisse erlauben einen wichtigen Einblick in die Art und Weise, in der das Gehirn Erinnerungen abspeichert. Möglicherweise erlauben sie in Zukunft auch Rückschlüsse auf die Entstehung bestimmter Formen von Gedächtnisstörungen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift «Nature Neuroscience» publiziert.
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Ein Cockpit für die Gewebemedizin
Im Tiefflug über gefärbte Zellverbände gleiten
Wohl kein medizinisches Fach spürt den Wandel der Zeit so stark wie die Pathologie. An der Universität Bern wurde ein futuristisch anmutendes Gerät erfunden, das den Mikroskopen in der Diagnostik Konkurrenz macht.
Die Pathologie ist – wörtlich aus dem Altgriechischen übersetzt – die Lehre der Krankheiten. Früher führten die Fachpersonen oft Leichenschauen durch, um ihre Kenntnisse von den Krankheitsprozessen zu vertiefen. «Leider wird unser Fach auch heute noch mit Autopsien assoziiert», sagt Alessandro Lugli, Chefarzt für Gastrointestinale Gewebemedizin. «Doch diese Tätigkeit tritt aufgrund des höheren Wissensstands der Medizin und neuer Technologien immer mehr in den Hintergrund.»
Heather Dawson, Leitende Ärztin der Gewebemedizin, fügt hinzu: «Ich habe seit zehn Jahren keine einzige Autopsie mehr durchgeführt.»
Lugli und Dawson arbeiten beide am Institut für Gewebemedizin und Pathologie der Universität Bern, um den umfassenden Wandel zu unterstreichen, der das Fachgebiet der Pathologie zusehends transformiert. Im Unterschied zu ihren Kol -
legen, die kranke Menschen behandeln, stehen die Fachpersonen für Gewebemedizin nicht im direkten Kontakt mit Patientinnen. Sie erstellen – sozusagen hinter den Kulissen – anhand von Gewebeproben eine fundierte Diagnose.
Hauchfeine Scheibchen
Dawson schliesst mit ihrem Badge die Tür zu einem hellen und weitläufigen Raum auf, in dem gleichzeitig eine konzentrierte Ruhe wie auch ein emsiges Treiben herrschen. Ein gutes Dutzend Personen ist damit beschäftigt, den rund 700 verschiedenen Gewebeproben, die jeden Tag hier anfallen, mit chemischen Verfahren das in ihnen enthaltene Wasser zu entziehen, sie dann in Paraffinblöcke einzukapseln – und diese schliesslich in hauchfeine Scheibchen zu schneiden, die gut 30-mal dünner sind als ein menschliches Haar.
«Im Paraffin, einer Art Kerzenwachs, bleiben nicht nur die Strukturen, sondern
auch die biologischen Moleküle, wie die DNA und die Proteine, jahrzehntelang erhalten», führt Dawson aus. Vom Schneideblock aus werden die Gewebescheibchen vorsichtig in ein Wasserbad gelegt, wo sie obenauf schwimmen – und auf einen Objektträger aus Glas gelangen, wenn er im richtigen Winkel aus dem Wasser gezogen wird. «Dann kommen die Gewebeschnitte in den Färbebereich», sagt Dawson und zeigt auf den Maschinenpark, wo die gläsernen Objektträger von kleinen Roboterarmen nach exakt definierten Zeitabständen von einem Bad ins nächste überführt werden. «Wir haben die Abläufe optimiert und uns auch genau überlegt, wo wir die Maschinen hinstellen, damit sich die Proben immer nur in eine Richtung bewegen», erklärt Dawson. «Heute durchläuft eine Probe während ihrer Bearbeitung noch einen 50 Meter langen Weg, vor der Optimierung war der Weg wegen des Hin und Her zehnmal länger.»
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Ori Schipper
Wie im Gaming-Sessel: Heather Dawson f ü hrt eine Gewebeprobeuntersuchung mit dem Pathojet durch. (Bild: Dres Hubacher)
Mikroskopierräume im Diagnosetrakt
Am Schluss kommen die gefärbten Schnitte auf die Verteilstation, wo sie den verschiedenen Ärztinnen und Ärzten zugewiesen werden, die mit ihrer Expertise unterschiedliche Bereiche der Gewebemedizin abdecken. Und die sich in sechs verschiedenen Mikroskopierräumen im anliegenden Diagnosetrakt anschauen, ob eine Gewebeprobe zum Beispiel Krebszellen enthält (und falls ja, ob der Krebs auch schon Lymphgefässe besiedelt und also damit begonnen hat, Ableger in andere Körperregionen zu streuen).
Auf der Verteilstation steht ein rund zwei Meter hoher, unscheinbarer Kasten mit einer durchsichtigen Glaswand. «Das ist der Scanner: die Schnittstelle zur Digitalisierung – und zur künstlichen Intelligenz», sagt Lugli. Aktuell wird nur ein Teil der Gewebeschnitte eingescannt, weil die Kapazität der Maschine begrenzt ist. Doch das dürfte sich aufgrund der rasanten Fortschritte in der Technik schon in wenigen Jahren ändern, sieht Lugli voraus.
Verlust eines Statussymbols
Spätestens dann braucht es keine Mikroskope mehr. «Damit verlieren wir in der Pathologie unser Statussymbol», sagt Lugli mit einem verschmitzten Lächeln. Um seine Kolleginnen über diesen Verlust hinwegzutrösten – und um sie gleichzeitig bestmöglich für die Zukunft zu rüsten, hat er den «Pathojet» erfunden. Als Filmfan hat er sich dabei von ‹Top Gun› inspirieren lassen. Ähnlich wie Tom Cruise durch die Lüfte donnert, sollen auch Luglis Kollegen in die Lage versetzt werden, dank einer Art medizinischem Cockpit im Tiefflug über die gefärbten Zellverbände zu gleiten –und krankes Gewebe auszumachen. Dabei sollte der neue digitale Arbeitsplatz ergonomisch sein, damit die Fachpersonen ihre Konzentration möglichst auch über Stunden aufrechterhalten können.
«Die Idee hatte ich schon 2014, doch sie ist mehrere Jahre nicht vom Fleck gekommen, weil niemand von den Industriepartnern, die ich für die Umsetzung angegangen bin, an die Idee geglaubt hat», erzählt Lugli. Ins Rollen kam dann die Geschichte, als Miryam Blassnigg als Direktionsassistentin zum Institut für Gewebemedizin
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und Pathologie gestossen ist. Sie hatte
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Von der Gewebeprobe zur Diagnose:
1. Annahme der Gewebeproben am Institut für Gewebemedizin und Pathologie.
2. Mechanische Verarbeitung im Labor, bei der der Probe ein ultradünner Schnitt entnommen wird.
3. Dieser Schnitt wird jetzt zwischen Gläsern fixiert.
4. Dann wird der Schnitt gescannt – worauf digital weitergearbeitet wird.
5. Das digitale Bild wird mit dem «Pathojet» untersucht und diskutiert. (Sämtliche fünf Bilder: Dres Hubacher)
davor schon verschiedene Funktionen in der Privatwirtschaft ausgeübt – und nahm sich sofort dieser Herausforderung an. Weil Gewebemediziner einen grossen Teil ihrer Arbeit und viele Stunden damit verbringen, Bilder von Gewebeschnitten auf verdächtige Auffälligkeiten hin zu untersuchen, hat sich Blassnigg in anderen Branchen nach Stühlen umgeschaut, auf denen Menschen ebenso stundenlang – und möglichst beschwerdefrei – sitzen. «So bin ich auf Gaming-Stühle gekommen», sagt Blassnigg.
Gepolsterter Liegesessel statt verspannten Nacken
Vom Aussehen und von den Funktionalitäten her gefiel ihr ein Produkt aus Kanada besonders gut, dessen Hersteller unter anderem auch Flugsimulatoren und Arbeitsplätze für die Fernbedienung von selbstfahrenden Minenfahrzeugen verkauft. Nachdem Blassnigg und Lugli den Hersteller kontaktiert hatten, ging es plötzlich rasch. «Sie waren sehr motiviert und haben mit uns einen Prototypen entwickelt», blickt Blassnigg zurück. Heute stehen drei dieser futuristisch anmutenden Arbeitsplätze im Testdiagnostik-
raum des Instituts. «Ich fühle mich im Pathojet wie in einer Blase und kann mich sehr gut auf die Bilder fokussieren», sagt Lugli. «Ausserdem habe ich wegen der Digitalisierung auch mehr Möglichkeiten und kann bei der Bildanalyse zum Beispiel auch künstliche Intelligenz einsetzen.» Auch Dawson kann dem Arbeitsplatz der Zukunft viel Gutes abgewinnen: Anstatt mit gekrümmtem Rücken und zusehends verspannten Schultern- und Nackenpartien ins Okular eines Mikroskops zu starren, kann sich die Gewebemedizinerin in einen ergonomisch gepolsterten Liegesessel fläzen. Das abgerundete Stahlgerüst des Pathojets sticht wie ein Skorpionschwanz hoch über dem Sessel nach vorne – und präsentiert den Pilotinnen auf einem gekrümmten breiten Bildschirm alle Informationen, die sie zur visuellen Beurteilung der digitalisierten Gewebeschnitte brauchen. «Im Pathojet lassen sich unterschiedlich gefärbte Schnitte nebeneinanderstellen und miteinander vergleichen», sagt Dawson. «Und wir können unsere Schlussfolgerungen gleich mit den Kollegen besprechen, die auf unsere Resultate warten, um mit der Behandlung fortfahren zu können.»
Weltweit erstes Gerät seiner
Art
Nun schaltet sich per Videocall Reiner Wiest hinzu. Der Chefarzt der Gastroenterologie am Inselspital möchte mit Dawson den Befund des Patienten besprechen, bei dem er vorhin bei der Darmspiegelung den Polypen entfernt hat. Auf den gefärbten Schnitten des Darmpolypen erkennt Dawson rasch, dass es sich um einen Darmkrebs im Frühstadium ohne Risikofaktoren handelt. «Der Patient ist durch die vollständige Abtragung des Polypen geheilt», sagt Dawson.
Der als Markenzeichen der Universität Bern eingetragene Pathojet das weltweit erste Gerät seiner Art in diesem Fach. Im letzten Herbst haben Lugli und Blassnigg diesen am europäischen Pathologiekongress in Basel erstmals öffentlich präsentiert. «Das war ein riesiger Erfolg. Das Gerät überzeugte nicht nur wegen der Ergonomie und des Designs, sondern auch wegen der Kosteneffektivität», sagt Blassnigg.
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Neuartiger In-vitro-Diagnosetest
Präeklampsie früher und einfacher erkennen
MOMM Diagnostics hat eine innovative Point-of-Care-Lösung für die Präeklampsie-Diagnose entwickelt. Um den Einwegtest und das zugehörige digitale Auslesegerät auf den Markt zu bringen, arbeitet das Unternehmen mit dem CSEM zusammen. Der Schnelltest birgt ein immenses Potenzial mit erheblichen Vorteilen für den klinischen Bereich und wird voraussichtlich 2025 auf den Markt kommen.
Unter den verschiedenen Schwangerschaftskomplikationen ist eine der schwerwiegendsten und potenziell lebensbedrohlichen Erkrankungen die Präeklampsie, von der drei bis acht Prozent der Schwangeren betroffen sind. Sie ist gekennzeichnet durch hohen Blutdruck und den Übergang von Eiweiss in den Urin, was zu Nierenversagen, Leberversagen, Krampfanfällen, Schlaganfall und letztlich sogar zum Tod führen kann. Frauen mit einer familiären Prädisposition für Präeklampsie, Mehrlingsschwangerschaften, bereits bestehendem Bluthochdruck, Übergewicht oder Diabetes haben ein erhöhtes Risiko.
Die Bedeutung der Früherkennung
Die genaue Ursache der Präeklampsie ist noch nicht bekannt, aber es wird vermutet, dass sie auf eine Unterentwicklung der Plazenta zurückzuführen ist, die den sich entwickelnden Fötus mit lebenswichtigem
Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Wenn die Plazenta nicht optimal funktioniert, kann dies zu einer eingeschränkten Blutversorgung führen, welche die Blutgefässe und Organe der Mutter schädigt. Präeklampsie ist eine behandelbare Erkrankung und in den meisten Fällen erholen sich Mutter und Kind vollständig. Regelmässige Schwangerschaftsvorsorge und Früherkennung sind der Schlüssel, um die schweren Komplikationen einer Präeklampsie zu vermeiden. Traditionell wird Präeklampsie durch die Überwachung des Blutdrucks, Urin-Protein-Tests und Bluttests zur Untersuchung der Organfunktionen diagnostiziert. Diese Verfahren sind aber oft sehr zeitaufwändig, erfordern mehrere Arztbesuche und können deshalb bei werdenden Müttern Ängste auslösen. Ausserdem wird die invasive Art der Testverfahren manchmal als unangenehm empfunden, was den Stress zusätzlich fördert. Die Wartezeit auf die Testergebnisse
Über MOMM Diagnostics
MOMM entwickelt hochempfindliche Diagnose-Schnelltests. Die Technologie des in Basel ansässigen Unternehmens kombiniert die wirtschaftlichen Vorteile der Lateral Flow Immunoassays, die Empfindlichkeit der Elisa-Tests und eine einfache Auslesbarkeit wie bei Blutzuckermessgeräten – und öffnet damit die bisher Laboren vorbehaltenen Märkte für Praxis- und Selbsttests.
kann emotional belastend sein, weil sie die Sorge und Angst erhöht. Die Möglichkeit von falsch-negativen oder verzögerten Befunden stellt sowohl für die Mutter als auch für das Baby ein Risiko dar. Falschpositive Befunde hingegen können die Gesundheitskosten durch unnötige Massnahmen und möglicherweise Krankenhausaufenthalte erhöhen.
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Die Schwangerschaft ist eine Zeit der Freude und des Glücks, aber sie kann wegen der Risiken für Mutter und Kind auch viel Stress und Ängste verursachen. (Bild: Envato)
Hoffnung für Schwangere
MOMM Diagnostics ist auf die Entwicklung hochsensibler Diagnose-Schnelltests spezialisiert. Der erste in der Entwicklung befindliche Test ist ein neuartiger In-vitroDiagnosetest zur Früherkennung von Präeklampsie, der in Zusammenarbeit mit Medizinern entwickelt wurde. Die multiplexe Point-of-Care-Testmethode ist schnell, genau und minimalinvasiv und kann die Krankheit in einem frühen Stadium erkennen. Also dann, wenn eine Behandlung am wirksamsten ist.
Ein Multiplex-Sensorgerät erkennt gleich zeitig zwei wichtige Biomarker, die mit die ser weit verbreiteten Krankheit in Verbin dung gebracht werden. Die Lösung arbeitet mit enzymbasierten Lateral-FlowImmunoassays (Ellfia) und ionensensitiven Elektroden in einer Einweg-Testkartusche.
Neben der Entwicklung des Einwegtests wurde auch ein spezielles digitales Ausle segerät entwickelt. Mathias Wipf, CEO und Mitbegründer des Empa-Spin-offs. «Der Test ist 50-mal empfindlicher als her kömmliche Schnelltests und weist die bei den Biomarker mithilfe von Antikörpern in winzigen Konzentrationen von mehreren Pikogramm pro Milliliter nach. Die Spezifi tät und Sensitivität der in unserem Test verwendeten Biomarker sind deutlich hö her als die der derzeitigen klinischen Dia gnose.»
Schnelltest für Diagnose in Arztpraxen
«Das System ähnelt einem Schwanger schaftstest, aber mit elektronischer Ergeb nisauswertung», erklärt Wipf. «Dies ist ein weiterer Vorteil des neuen Tests: Der Papierstreifen kann mit einem kompakten Lesegerät ausgewertet werden, das auch
eine quantitative Auswertung liefert.» Der Test kann im Rahmen der regelmässigen Besuche der Schwangeren bei ihren Gynäkologinnen und Gynäkologen direkt in der Praxis durchgeführt werden, der Versand von Blutproben an Speziallabors entfällt. Das spart wertvolle Zeit – Zeit, in der bereits mit der Behandlung begonnen werden kann.
«Die interdisziplinären Kompetenzen des CSEM waren ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung innovativer Point-ofCare-Lösungen», erklärt Samantha Paolet
Experten für Reproduzierbarkeit
ti, Head of Research and Business Development, Life Science Technologies des CSEM. Das Institut und MOMM Diagnostics arbeiten darüber hinaus im Rahmen des europäischen Projekts «NewLife» zusammen, dessen Ziel die Entwicklung einer Reihe innovativer Technologien zur Überwachung der Gesundheit von Frauen und Babys während der Schwangerschaft und der frühen Kindheit ist.
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Christopher Wood und Mathias Wipf von MOMM Diagnostics zeigen Muster des Präeklampsie-Tests. (Bild: CSEM)
Neue Wirkstoffe gegen resistente Bakterien
Hochwirksame Antibiotika-Klasse entwickelt
Die Medizin benötigt dringend neuartige Antibiotika zur Bekämpfung resistenter Bakterien. Forschende der Universität Zürich haben nun in Zusammenarbeit mit der Firma Spexis Wirkstoffe entwickelt, die an einem neuen Angriffspunkt im Stoffwechsel der Bakterien ansetzen. Hierfür wurde eine natürlich vorkommende antibakterielle Substanz gezielt chemisch modifiziert.
Pro Jahr sterben weltweit mehr als fünf Millionen Menschen aufgrund von Bakterien, die gegen verfügbare Antibiotika resistent sind. Um die erfolgreiche Behandlung bakterieller Infektionen weiterhin zu gewährleisten, braucht es deshalb so schnell wie möglich neuartige Wirkstoffe. «Unglücklicherweise ist die Pipeline für neue Antibiotika ziemlich leer», sagt der Chemiker Oliver Zerbe, Leiter des NMRLabors der Universität Zürich. «Seit mehr als fünfzig Jahren sind keine Antibiotika gegen bisher nicht verwendete Zielmoleküle zugelassen worden.»
In einer in der Fachzeitschrift «Science Advances» publizierten Studie berichtet Zerbe nun über die Entwicklung einer hochwirksamen Antibiotika-Klasse, die Gram-negative Bakterien auf neuartige Weise bekämpft. Die WHO stuft diese Gruppe von Bakterien − die aufgrund einer doppelten Zellmembran besonders widerstandfähig sind – als äusserst gefährlich ein. Dazu gehören beispielsweise Carbapenem-resistente Enterobakterien. An der Arbeit beteiligt waren neben dem UZH-Team auch Forschende der Pharmafirma Spexis AG im Rahmen einer durch Innosuisse mitfinanzierten Zusammenarbeit.
Chemische Optimierung eines Naturstoffs
Ausgangspunkt für die Entwicklung der neuen Wirkstoffe war das natürlich vorkommende, winzige Eiweiss Thanatin, das Insekten zur Abwehr von Infektionen dient: Thanatin unterbricht eine wichtige Transportbrücke für eine essentielle LipidZuckerkomponente zwischen der inneren und äusseren Membran von Gram-negativen Bakterien, wie der inzwischen emeritierte UZH-Professor John Robinson vor einigen Jahren zeigen konnte. Dadurch
stauen sich diese Stoffwechselprodukte im Zellinnern an und das Bakterium stirbt ab. Allerdings eignet sich Thanatin nicht als Antibiotikum – unter anderem, weil es zu schwach wirkt und sich rasch Resistenzen dagegen bilden.
Die chemische Struktur von Thanatin wurde nun gezielt verändert, um dessen Eigenschaften zu verbessern. «Hierfür waren unsere Strukturuntersuchungen essentiell», so Zerbe. Sein Team setzte die verschiedenen Komponenten des bakteriellen Transportwegs synthetisch zusammen und konnte dann durch Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) bildlich darstellen, wo und wie sich Thanatin anlagert und den Transport unterbricht. Anhand dieser Informationen planten Mitarbeitende von Spexis die chemischen Modifikationen, die notwendig waren, um eine stärkere antibakterielle Wirkung zu erzielen. Weitere Abwandlungen der ursprünglichen Struktur dienten unter anderem dazu, die Stabilität zu erhöhen.
Die synthetisch hergestellten Substanzen wurden dann in Mäusen mit bakteriellen Infektionen getestet – mit ausgezeichneten Resultaten. «Vor allem bei Lungeninfektionen erwiesen sich die neuartigen Antibiotika als sehr wirksam», so Zerbe.
«Insbesondere sind sie hocheffektiv bei Carbapenem-resistenten Enterobakterien, gegen die fast alle erhältlichen Antibiotika machtlos sind.» Zudem waren die Wirkstoffe nicht toxisch, fügten den Nieren keinen Schaden zu und blieben im Blut über lange Zeit stabil – alles Eigenschaften, die Voraussetzung für eine Zulassung als Medikament sind. In Zukunft stehen aber noch weitere präklinische Untersuchungen an, bevor erste Tests in Menschen beginnen können.
Sicher und gegen Resistenzbildung gefeit
Bei der Auswahl der vielversprechendsten Wirkstoffkandidaten stellten die Forschenden zudem sicher, dass diese auch gegen Bakterien wirken, die bereits eine Resistenz gegenüber Thanatin entwickelt haben. «Wir sind zuversichtlich, dass dies die Ausbildung von zukünftigen Resistenzen massgeblich verlangsamen wird», sagt Zerbe. «Jetzt besteht die Aussicht, dass bald eine neue Klasse von Antibiotika auf den Markt kommt, welche auch gegen resistente Bakterien wirksam ist.»
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22 9–10/2023 M EDIZIN
Testen von Antibiotika: Wie resistent sind sie gegen Bakterien? (Bild: Envato)
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23 9–10/2023 M EDIZIN
Arbeitsteilung von Bakterien entschlüsselt
Über die Doppelstrategie eines Spitalkeims
Infektionen zählen zu den häufigsten Komplikationen während eines Spitalaufenthaltes. Forschende der Universität Basel haben nun aufgeklärt, warum ein gefährlicher Spitalkeim so schwer zu bekämpfen ist. Er fährt eine zweigleisige Strategie: Einige Bakterien setzen sich auf Gewebeoberflächen fest, andere breiten sich im Körper aus. Die Studie liefert wichtige Einblicke in das Infektionsgeschehen und damit zur Bekämpfung des Erregers.
Katrin Bühler
In der Schweiz ist es kein Einzelfall, dass sich Patienten im Spital mit einem Keim infizieren. Ein Grund sind Hygienemängel, wie kürzlich eine Studie von Swissmedic zeigte. Jährlich sterben geschätzt 6000 Patienten an einer Spitalinfektion. Ein gefürchteter Spitalkeim ist Pseudomonas aeruginosa. Dieses widerstandsfähige Bakterium besiedelt Hautoberflächen und Schleimhäute und kann insbesondere bei immungeschwächten Patienten lebensbedrohliche Lungenentzündungen hervorrufen. Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Urs Jenal vom Biozentrum an der Universität Basel hat nun herausgefunden, warum P. aeruginosa so erfolgreich im Besiedeln von Oberflächen ist: Es setzt auf Arbeitsteilung. Während ein Teil der Bakterienpopulation sich auf der Schleimhaut in Form eines Biofilms festsetzt, schwärmt der andere Teil aus, um weite Bereiche des Gewebes zu besiedeln. Durch die Job-Aufteilung gelingt es den Bakterien, sich erfolgreich auf Gewebeoberflächen niederzulassen. Im Schutz des Biofilms trotzen sie sogar Antibiotika-Therapien.
Bewegliche und sesshafte Bakterien
In ihrer in der Fachzeitschrift «Nature Microbiology» erschienen Studie berichten die Forschenden von einem genetischen Zufalls-Schalter, der für die Aufgabenverteilung zuständig ist und damit über die Lebensweise der Bakterien – beweglich oder sesshaft – entscheidet. Nach der Erstbesiedlung der Schleimhaut vermehren sich die Keime also nicht einfach aufs Geratewohl, sondern bilden zwei verschiedene Typen von Nachkommen.
Der Grund dafür sind unterschiedliche Mengen des bakteriellen Botenstoffs c-di-GMP. Bakterien mit einem hohen c-di-GMP-Spiegel setzen sich fest und leben in einer Biofilm-Gemeinschaft. Diejenigen mit geringen Spiegeln sind mobil und schwärmen in das umliegende Gewebe aus, um sich an anderer Stelle in der Lunge anzusiedeln. Die Konzentration von c-di-GMP und damit das Verhalten der Bakterien, regelt dieser Schalter rein nach dem Zufallsprinzip.
«Stick and run»-Mechanismus
«Die Arbeitsteilung erlaubt es den Bakterien rasch auf verschiedenste Arten von Stress oder widrige Lebensbedingungen zu reagieren, denn zu jeder Zeit gibt es einige unter ihnen, die optimal angepasst sind und überleben», erklärt Dr. Christina Manner, Erstautorin der Studie. Bakterien in der Biofilm-Gemeinschaft sind beispielsweise vor Angriffen durch Immunzellen geschützt, zugleich können alle beweglichen Bakterientypen neues Terrain erobern. Diese Aufgabenteilung wird auch als «stick and run»-Mechanismus bezeichnet: bleiben und gehen.
«Wir verstehen jetzt besser, wie es Pseudomonas aeruginosa gelingt, auf der Lungenschleimhaut so gut zu gedeihen und sich dort dauerhaft einzunisten», sagt Projektleiter Urs Jenal. «Mit der Identifizierung des genetischen Schalters haben wir eine Achillesferse des Erregers entdeckt.» Die Studie liefert somit wertvolle Einblicke in das Infektionsgeschehen und zeigt neue therapeutische Möglichkeiten auf, um Infektionen mit dem gefährlichen Spitalkeim in den Griff zu bekommen. «Wir haben zeigen können, dass der kürzlich entdeckte Anti-Biofilm-Wirkstoff Disperazol über denselben Mechanismus wirkt und den Schalter so umlegt, dass nur bewegliche Pseudomonas-Typen entstehen. Dadurch löst sich der Biofilm komplett auf», fügt Jenal hinzu. «Das ist ein grosser Fortschritt, denn mit solchen Verbindungen eröffnen sich neue Möglichkeiten, gefährlichen und schwer zu bekämpfenden Biofilmen auf den Leib zu rücken.»
www.unibas.ch
24 9–10/2023 M EDIZIN
Der Spitalkeim Pseudomonas aeruginosa besiedelt die Schleimhaut der Lunge (blau), indem er zwei verschiedene Populationen bildet – sesshafte (rot) und bewegliche (grün) Bakterien. (Bild: Benoit-Joseph Laventie, Universität Basel)
An der Schnittstelle von Biotechnologie und modernen Therapeutik-Ansätzen
Die Dosis macht die Erfolgsmaximierung
Die Biotechnologie erlebt zurzeit in ihrer vollen Breite einen grossen Aufschwung. Dazu trägt im Gefolge der Corona-Pandemie eine Renaissance der Impfstoffforschung ebenso bei wie neue Ansätze für Gen- und Zelltherapien. Wachstumstreiber Nr. 1 ist die Onkologie. Es bleibt eine Herausforderung, die eigenen Kräfte inmitten der vielen Chancen klug zu dosieren und erfolgsmaximierend einzusetzen.
Eine Schlüsselerkenntnis lautet: Jeder Patient hat seine eigenen Krebszellen. Darum ist es wünschenswert, Therapien auf die Merkmale jedes speziellen Tumors zuzuschneiden. Ermöglichen könnte diese die mRNA-Technologie, deren Potenzial uns von der Anti-Covid-Impfung bekannt ist.
Dafür werden dem Patienten Tumorzellen entnommen und mit Hilfe einer Gensequenzierung untersucht. Auf der Basis der entschlüsselten Krebszellen stellt man nun einen patientenspezifischen Impfstoff her. Dieser bringt das Immunsystem des Patienten dazu, seinen Tumor zu erkennen und zu bekämpfen. Wie dies genau geschieht, dafür liefert die vermimpfte patientenindividuelle mRNA den Bauplan.
Das ist die Zukunft – Gegenwart ist bereits die so genannte CAR-T-Zelltherapie. Gezielt programmierte Zellen erkennen und zerstören Krebszellen. Dazu werden dem betreffenden Patienten bestimmte Abwehrzellen (T-Zellen) entnommen, ausserhalb des Körpers unter Einsatz von Zytokinen vermehrt und gentechnisch verändert. Sie bilden schliesslich tumorspezifische Oberflächenproteine. Solche Wirkstoffe werden in der Krankenhausapotheke oder in sogenannten Compounding-Zentren hergestellt. Ein Nachteil ist (noch) der hohe Preis.
Grosse Hoffnungen ruhen daneben auf der Zellfusion. Dabei werden B-Lymphozyten und Myelomzellen verschmolzen, um «ewig» lebende Hybridomzellen zur zeit-
lich unbegrenzten Produktion monoklonaler Antikörper zu gewinnen. Diese bringen wiederum das Immunsystem zur Bekämpfung des Tumors. Das dreitägige Ilmac Branchenevent am Standort Basel präsentiert dazu in der «Startup-Area» an allen drei Messetagen vielversprechende Newcomer und Innovatoren der Chemie- und Life-Science-Branche. Am dritten Tag lädt ein attraktives Programm in Zusammenarbeit mit der Schweizerischen Chemischen Gesellschaft zur Ilmac Conference ein –Gegenwart und Zukunft an der Schnittstelle von Biotechnologie und modernen therapeutischen Ansätzen.
www.ilmac.ch
25 7–8/2023 M EDIZIN
Heute schon Realität: die CAR-T-Zelltherapie. (Bild: Shutterstock)
Die mRNA-Technologie ist für ihre Erfolge gegen das Corona-Virus bekannt und könnte nun auch gegen Krebs helfen. (Bild: Envato)
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Ilmac 2023
«Über die Messe hinaus verbunden»
Die Schweizer Branchenplattform für Chemie und Life Sciences wird neu lanciert und erhält diverse neue Highlights. Céline Futterknecht, Brand Director Ilmac, stand der Redaktion von ChemieXtra für ein Interview zur Verfügung.
Zeit für Ilmac – in Basel kommen ab dem 26. September führende Anbieter der Branche und Start-ups zusammen, um ihre Lösungen, Innovationen und Produktneuheiten zu präsentieren. Mit ihrem «Relaunch» wird die Fachmesse jetzt umso stärker zu einer effizienten Wissens- und Networkingplattform für die Chemie- und Life Science-Branche. «Als wichtiger Standort der laborbasierten Forschung in der Schweiz bietet Basel optimale Voraussetzungen für eine erfolgreiche Messe», sagt David Spichiger, Geschäftsführender Direktor der Swiss Chemical Society.
Neuste Insights aus Forschung und Business
Das Programm des wissenschaftlich getriebenen Kongressformats «Ilmac Conference» will die Teilnehmenden fit für die Zukunft machen. Der dreitägige Kongress ermöglicht einen effizienten Wissenstransfer und überzeugt mit einer grossen Themenvielfalt und hochkarätigen Speakern. Im Fokus stehen dieses Jahr wichtige Themen wie «Lab Digitalization», «Chemical Technologies» und «New Biotech Methods». «Ilmac Conference» wird in Zusammenarbeit mit der Swiss Chemical Society
(welche die Veranstaltung seit über 60 Jahren begleitet), der Swiss Biotech Association und dem Schweizerischen Verband Diplomierter Chemiker FH (SVC) organisiert.
Smart und nachhaltig: Das Labor der Zukunft
Die Laborlandschaft befindet sich in einer Transformationsphase. Angesichts der wachsenden Digitalisierung werden im zukünftigen Labor verschiedene Prozesse und Strukturen einer umfassenden Neubetrachtung unterzogen. Der Ausstellungsbereich «Labor der Zukunft» bietet den Ilmac-Besucherinnen und -Besuchern ein interaktives Erlebnis eines Labors von mor-
gen mit Hilfe von Augmented und Virtual Reality. «Als Partnerin von Ilmac lassen wir die diesjährigen Teilnehmenden in das Labor der Zukunft eintauchen. Inspiriert durch die Zusammenarbeit im Basler Life Science Cluster, zeigen wir die Vorzüge, die technologischen Fortschritte und die Nachhaltigkeit eines digitalen, integrierten Labors auf», so Dr. Sadiya Raja von Arcondis. Green Lab, ein Cluster des Vereines Green Building Schweiz, initiiert und moderiert die Zusammenarbeit aller Beteiligten und unterstützt die Verbreitung von technischen Innovationen und die Anwendung von neuen oder wenig bekannten Geschäftsmodellen für Green Labs, welche sicher, nachhaltig und wettbewerbsfähig sind. Hierzu werden in Workshops BestPractice-Beispiele ausgetauscht.
Am Puls der Pharmalogistik
Ilmac Basel 2023
Messedaten Dienstag, 26. bis Donnerstag, 28. September 2023, 9.00 bis 17.00 Uhr (Mittwoch: 9.00–19.00 Uhr)
Veranstaltung Ilmac Networking Apéro (27. September, 17.00 bis 19.00 Uhr)
Ort Messe Basel, Halle 1.0
Veranstalterin MCH Messe Schweiz (Basel) AG
E-Mail info@ilmac.ch
Website www.ilmac.ch
Kostenloses Ticket https://ticket.ilmac.ch/MCH/1A/Register/sigwerb-23
Die Chemie- und Life Science-Branche hat sowohl sehr hohe wie sehr spezifische Anforderungen an den Transport ihrer Waren. An den Pharma Logistics Days in Halle 2.0 finden Unternehmen Trends, Innovationen und die richtigen Partner für ihre Transportherausforderungen. Rund 40 der führenden Logistikdienstleiter präsentieren am Mittwoch, 27. und Donnerstag, 28. September neue Lösungen und innovative Dienstleistungen.
26 9–10/2023 V ERANSTALTUNGEN
Ilmac: Über 10 000 Besucherinnen und Besucher werden in Basel erwartet. (Bild: MCH Group)
ChemieXtra: Frau Futterknecht, Sie waren zuvor Brand-Managerin in einem Pharmaunternehmen und haben einen umfangreichen «Relaunch» von Ilmac durchgeführt. Was waren die Gründe dafür?
Céline Futterknecht: Das Rebranding war für mich wichtig und nötig. Ilmac ist die führende Branchenplattform einer sehr progressiven und zukunftsorientierten Industrie. Die Marke transportierte dies nicht mehr, der Auftritt war in die Jahre gekommen. Wir haben nicht nur neue Inhalte und Formate lanciert, sondern vor sechs Jahren auch Ilmac in Lausanne eingeführt. Die Modernisierung und Weiterentwicklung der Marke Ilmac spiegelt sich nun auch im neuen visuellen Auftritt wider. Der Markenauftritt lässt sich für mich mit der Visitenkarte eines Unternehmens vergleichen – nun vermittelt unsere Marke Stärke und Fortschritt und unterstützt unsere Glaubwürdigkeit auf dem Markt. Mit unserem neuen Leistungsversprechen «Inspiring the Future of Chemistry and Life Sciences» setzen wir fortan noch stärker auf das, was Ilmac besonders macht. Das Rebranding wurde über alle Kanäle hinweg umgesetzt.
In Ihren Worten zusammengefasst: Was ist Ilmac?
Ilmac ist der grösste und älteste Branchentreffpunkt der Chemie und Life Science in der Schweiz. Wir bilden bei Ilmac über 20 Industriezweige aus über 20 Nationen ab. Namenhafte Aussteller treten auf und präsentieren ihre Trends und Innovationen. Es ist ein idealer Ort, um bestehende Kontakte zu pflegen und neue kennenzulernen.
Ilmac ist thematisch sehr breit aufgestellt. Labor-, Prozesstechnologie, Analytik und Biotechnologie stellen nach wie vor die Schwerpunkte von Ilmac dar.
Welche Neuheiten erwarten die Besucher in Basel?
Neu bieten wir einen Startup-Bereich mit Networking-Zone an, speziell für Jungunternehmen. Zudem haben wir eine neue interaktive Sonderschau zum Thema «Labor der Zukunft» ins Leben gerufen. Im neuen Speakers Corner und auf der Innostage werden Innovationen und aktuelle Trends präsentiert. Der Dialog in Form von parallel organisierten Workshops wird verstärkt gefördert.
Im Bereich «Job Connect» präsentieren Unternehmen Stellenangebote und spannende Karrieremöglichkeiten. Hier können Arbeitgeber und angehende sowie berufstätige Fachkräfte in persönlichen Gesprächen unverbindliche Informationen einholen und wertvolle Kontakte knüpfen. Inhaltlich gesehen, nimmt die hochkarätige, wissenschaftlich getriebene Ilmac Conference einen immer grösseren Stellenwert ein. In den letzten Jahren hat die Teilnehmerzahl kontinuierlich zugenommen. Internationale Referenten thematisieren aktuelle Problemstellungen aus der Wissenschaft und Forschung.
Parallel zur Ilmac finden wie in den letzten Jahren an zwei Tagen die Pharma Logistics Days separat in der Halle 2.0 statt. Die Sonderschau hat aktuelle Themen wie Nachhaltigkeit und Sicherheit in der Logistikbranche, aber auch Neuigkeiten rund um das Thema Verpackung und Transport im Fokus.
Was sind die Vorteile der neuen App «Ilmac 365»?
Der Markt und die Bedürfnisse der Besucher und Aussteller entwickelt sich konstant weiter. Dadurch wollte ich nicht noch lange warten und habe mich letztes Jahr entschieden, eine neue digitale Plattform inklusive App für Ilmac zu lancieren, angepasst auf die Bedürfnisse der Branche. Neu haben jetzt Aussteller und Besucher Zugriff auf Ilmac 365. Die App verbindet die Chemie- und Life Science-Branche weit über die Events hinaus. Mit der offiziellen Ilmac 365 App haben Sie das Community Netzwerk digital immer dabei. Alle wichtigen Informationen sind integriert:
– Interaktiver Geländeplan, Vortragsprogramm, Ausstellerverzeichnis, EventHighlights
– Gezielte Suche nach Unternehmen, Anwendungsgebieten, Produktgruppen und Innovationen anhand ausführlicher Such- und Filtermöglichkeiten
– Direkte Chat-Funktion
– Termine und Vorträge können gespeichert werden
– Die Matchmaking-Funktion schlägt auf Basis der Interessen passende Experten vor.
Wie viele Aussteller und Besucher erwarten Sie in Basel?
Wir erwarten zirka 400 Aussteller und über 10 000 Besucherinnen und Besucher.
ChemieXtra
27 9–10/2023 V ERANSTALTUNGEN
Céline Futterknecht, Brand Director Ilmac. (Bild: MCH Group) Ilmac bietet diverse neue Networking-Möglichkeiten sowohl live an der Messe als auch digital über die Messe-App. (Bild: MCH Group)
28 9–10/2023 ILMAC.CH/FREE-TICKET 26. – 28. SEPTEMBER 2023 MESSE BASEL Inspiring the Future of Chemistry and Life Sciences. Jetzt kostenfreies Ticket sichern! PrioCode: media-ilmac23
Die Probe formt das LIMS wie der Fluss das Tal
Der schnellste Muffelofen der Welt: Phönix Black
Raman Bio-MultiOptik und Bio-Hülle
Wenn die Proben das LIMS formen, wie der Fluss das Tal, ist die zentrale Grundvoraussetzung für die Weiterentwicklung eines Labors vorhanden. Ein gutes LIMS muss in der Lage sein, die Dynamik der Beziehung zwischen Labor und Kunde mitzugehen und Änderungen der Laborprozesse abzubilden, da sonst die Weiterentwicklung des Unternehmens von der Software behindert wird. Die häufigsten Gründe, die zu einer Änderung der Laborprozesse führen, sind die Skalierung der Probenanzahl, die Einführung neuer Analytikverfahren und die Integration der Kunden in die Laborprozesse. Limsophy LIMS hat sich die Flexibilität der Natur zum Beispiel genommen und verfolgt konsequent einen modularen Architekturansatz – so wählt der Kunde genau die Limsophy-Module aus, die das passende Informationsmanagementsystem bilden und welche für die Unterstützung, Optimierung und Weiterentwicklung seiner Laborprozesse benötigt werden.
Unter Veraschungen in einem Muffelofen versteht man die thermische Zersetzung kohlenwasserstoffhaltiger Produkte, wobei die anorganischen Bestandteile zurückbleiben.
Im Phönix Black Muffelofen geht alles viel einfacher und schneller. Neben der drastischen Zeitreduktion im Phönix Black wird ein «sauberes» Arbeiten ermöglicht. Das eingebaute Abluftsystem entfernt Rauch und Dämpfe selbstständig. Was mit der konventionellen Technik früher Stunden benötigte, wird mit der Phönix-Technik nun in wenigen Minuten erreicht.
Das Abkühlen der Porzellantiegel in Exsikkator entfällt. Die CEM Tiegel kühlen nach 10 s ab und können somit unmittelbar auf der Waage zurück gewogen werden.
Auch Sulfatveraschungen nach den Arzneibücher Vorschriften können im Phönix Black Muffelofen automatisiert, schnell, einfach und sicher durchgeführt werden.
Das System besteht aus zwei Teilen - einer wiederverwendbaren Bio-Multi-Optic und einer Armatur für single-use Bioreaktoren (SUB). Die Bio-Multi-Optic und der BioSleeve bilden ein zweiteiliges optisches Immersionssystem, dass mit der Rxn-10Sonde kombiniert werden kann. Die Verwendung von Einwegteilen bietet ein Höchstmass an Flexibilität für wiederverwendbare oder single-use Bioreaktorsysteme.
Die Sonde besteht aus den folgenden Komponenten:
Eine wiederverwendbare Bio-MultiOptic, die den Prozess/die Probe nicht berührt.
Ein Bio-Sleeve, die mit der Mehrfachoptik verbunden ist und Kontakt mit dem Prozess/der Probe hat.
Der modulare Aufbau der Mehrfachoptik und des Bio-Sleeve ermöglicht die Kalibrierung der Optik, ohne dass der Sleeve aus dem Bioreaktor entfernt werden muss. Dieses gemäss Industriestandards für single-use Sensorik entwickelte optische Raman-System ist cGMP-qualifiziert und Gamma-sterilisierbar.
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Spinsolve NMR Tischgeräte im Chemielabor
a1-safetech AG wird zu Safecontech AG
Nachhaltige Kunststoffprodukte
Die Spinsolve NMR Spektrometer von Magritek sind bei den NMR Frequenzen 60, 80 und 90 MHz verfügbar. Spinsolve Geräte können beliebig viele NMR Kerne messen –oft werden die Spektrometer für 6–8 Kerne konfiguriert, wie zum Beispiel 1H, 19F, 13C, 31P, 7Li, 23Na, 11B und 29Si. Bei Anwendungen mit Lösungsmittelunterdrückung wird das Spinsolve Ultra mit besonders hoher Auflösung empfohlen. Jedes Spinsolve System kann mit Standard 5 mm NMR Röhrchen und mit Durchflusszellen zum sog. Reaction Monitoring verwendet werden. Deuterierte Lösungsmittel sind zum Betrieb der Geräte nicht erforderlich (NoD NMR). Die Spinsolve Systeme sind kompakt / mobil und können auch in einem Abzug eingesetzt werden. Ein Autosampler (Karussell) für 20 Proben ist optional erhältlich.
Alle Geräte verfügen über eine grosse Bibliothek an 1D und 2D (homo- und heteronuklearen) NMR Messsequenzen.
Kunden können auf grosse Spektren-Datenbanken zugreifen und Spektren gegen die Datenbank(en) abgleichen oder eigene Datenbanken anlegen bzw. mitgelieferte Datenbanken erweitern. qNMR Methoden können ebenfalls auf den Spinsolve Geräten eingerichtet werden. Die Software unterstützt den Einsatz der NMR Spektrometer in regulierten Bereichen.
Halle 1.0
Stand D217
a1-safetech AG steht für das sichere Arbeiten mit hochaktiven Substanzen und Gefahrstoffen. Nach fast 20 Jahren unter dem Namen a1-safetech AG wird sich die Firma aus Pratteln, Baselland, im September 2023 zu Safecontech AG umbenennen. Der neue Name Safecontech AG hebt den Geschäftszweck des Unternehmens hervor: hochwirksame Substanzen und Gefahrstoffe in Containment Systemen sicher handzuhaben. Mit der Vergrösserung des Teams und die enge Zusammenarbeit mit unseren zwei Partnerfirmen BLOCK Technology a.s. (Isolatoren) und CTS (Containment Systeme) geht auch eine Kompetenzausweitung einher.
Safecontech ist in der Lage für das gesamte OEB 1-6-Spektrum geeignete Containment Lösungen anzubieten.
Frei nach unserem Firmenmotto: «Alles, was nicht der Physik wiederspricht, können wir umsetzen».
Unser Ziel, das Arbeiten im Labor und Technikum ergonomisch und sicher zu gestalten, wird uns auch unter neuem Namen leiten.
Die Highlights der Glassicherheitswägekabinen können an unserm Stand an der Ilmac in Basel bestaunt werden.
Wir freuen uns, Sie an der Ilmac in Basel an unserem Stand D213 persönlich zu begrüssen
Halle 1.0 Stand D213
Semadeni ist ein erfahrener Partner sowohl für standardisierte als auch für individuelle Produkte aus Kunststoff, der sich gezielt für die Nachhaltigkeit einsetzt und Lösungen für die Kreislaufwirtschaft vorantreibt.
An der diesjährigen ILMAC in Basel widmet sich der Kunststoffspezialist der nachhaltigen Transformation mit Ausrichtung auf die 17 Nachhaltigkeitsziele der Agenda 2030. Dabei stehen vier Themen im Vordergrund: Produkte im Kreislauf halten, Einsatz von Sekundärmaterial, biobasierte Kunststoffe als Alternative und die Frage, wann Mehrweg- oder Einweg-Produkte ökologisch sinnvoll sind.
Passend zu diesen Themen zeigt Semadeni verschiedene Standardartikel aus ressourcenschonenden Materialien, sowie zahlreiche Mehrweg-Alternativen, die sich für viele Laboranwendungen eignen.
Neben standardisierten Artikeln werden bei Semadeni in zwei europäischen Werken individuelle Laborprodukte im Blasform- und Spritzgussverfahren entwickelt und produziert - insbesondere auch aus Sekundärmaterial. Dabei werden Qualitätsanforderungen aus dem Medical- und Food-Bereich beherrscht.
Semadeni freut sich auf den persönlichen Austausch an der ILMAC in Basel.
Magritek GmbH
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Safecontech AG
Im Wannenboden 9
CH-4133 Pratteln
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Semadeni AG
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EXPONAT
Halle 1.0 Stand B101
Präzise Pipetten & anerkannter Service
Eine neue Dimension in der Fluidverbindung
Wie gut ist der Schutz an Ihrem Arbeitsplatz? Bei Tätigkeiten im Labor und Reinraum ist diese Frage zentral. Denn neben der Sicherstellung optimaler Produkt-Qualität, geht es vor allem um die eigene Gesundheit.
Ob Standard-Reparatur oder Service gemäss GLP-Anforderungen, das Socorex Service Center bietet zuverlässige Wartungsarbeiten und Kalibrationen für Mikropipetten und Dispenser aller Marken an.
CONNECTORS
Sicherheit ist für uns ein ganzheitlicher Ansatz und ein Zusammenspiel unterschiedlicher Massnahmen und technischer Lösungen. Unser Bestreben nach optimalem Schutz endet also nicht an der Scheibenkante der Sicherheitswerkbank. Das erleben Sie an der ILMAC hautnah:
• Der Ausbruchstest «SKAN conttest» liefert eine praxisnahe Aussage darüber, ob ein Anwender bei Arbeiten am Laborabzug geschützt ist
• Der Remote-Service SKAN connect macht jede Anlage zum «smart connected product» und bietet schnelle Hilfe bei Störungen
Das akkreditierte Socorex Service Center bietet sieben verschiedene Service-Levels für Mikropipetten und Dispenser aller Marken an. Jedes Level kann kundenspezifischen Bedürfnissen angepasst und mit anderen kombiniert werden. Die Wartungs- respektive Kalibrierungsarbeiten werden in drei bis fünf Werktagen – oder in nur 48 Stunden beim «Express Service» – effizient am Firmensitz in Ecublens (VD) durchgeführt.
The key link in the pharmaceutical industry Stäubli’s technology and expertise in the pharmaceutical industry offers safe, reliable and quick connection solutions ensuring product integrity, easy cleaning and safety of installations and operators.
• Unsere Dienstleistungen begleiten durch den Lebenszyklus einer Anlage von der Inbetriebnahme bis zur korrekten Entsorgung
Stäubli entwickelt innovative Verbindungslösungen speziell für die hohen Anforderungen der Bereiche Pharma, Bio-Tech, Kosmetik, Chemie, Medizin und Lebensmittel.
Ob Monokupplungen für Flüssigkeiten und Gasen, elektrische Steckverbinder, Multikupplungssysteme für alle Energiequellen: Unsere Lösungen verbessern die Zuverlässigkeit, Effizienz, Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit der Maschinen, steigern damit die Produktivität und garantieren die Sicherheit der Anwender und Gütern.
Wir freuen uns auf Sie an der ILMAC! Ihr Stäubli-Team
Tanks temperature control, gas and liquids supply of laboratories, control of filters integrity: Reliability. Efficiency. Safety. Stäubli.
• Auch die richtige Schutzkleidung (PSA) ist Teil unseres Verständnis von Sicherheit. Wir bieten unsere Expertise beim Prüfen und Erstellen von Bekleidungskonzepten
• Die Sicherheitswerkbank claire neo setzt neue Massstäbe und bietet maximale Flexibilität
Geniessen Sie auch eine kühle, frische, regionale Köstlichkeit an unserem Stand.
Halle 1.0
Stand A190
Kalibrationen werden gemäss ISO 8655 und 17025 (akkreditiertes Zertifikat) durchgeführt. Das Socorex Service Center kalibriert, revidiert und retourniert schnellstmöglich die Instrumente, um dauerhaft bestmögliche Resultate im Labor zu garantieren.
Präzise und zuverlässige Pipetten
Die Acura® manual Pipetten vereinen Hightech-Materialien mit aussergewöhnlichem Anwenderkomfort. Die zuverlässigen und beständigen Mikropipetten sorgen selbst bei den anspruchsvollsten Pipettierprozessen für zuverlässige Resultate. Autoklavierbar komplett zusammengesetzt, drei Jahre Garantie.
SKAN AG
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«What if there is more?»
Stäubli AG Seestrasse 280 CH-8810 Horgen +41 43 244 22 33 connectors.ch@staubli.com FLUID CONNECTORS We will get you connected The key link in the pharmaceutical industry Stäubli’s technology and expertise in the pharmaceutical industry offers safe, reliable and quick connection solutions ensuring product integrity, easy cleaning and safety of installations and operators. Tanks temperature control, gas and liquids supply of laboratories, control of filters integrity: Reliability. Efficiency. Safety. Stäubli. Visit us Hall 1 Booth E169. www.staubli.com AP ILMAC A4 sept 2021.indd 20/09/2021 15:37:35
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Innovative Messtechnik aus dem Schwarzwald
Der neue Wasserstoffgenerator Multi-Liter
Sterile, GMP-konforme Fluid-Path-Lösungen
VEGA beschäftigt über 2100 Mitarbeiter weltweit. Am Hauptsitz im Schwarzwald entstehen seit mehr als 60 Jahren Lösungen für anspruchsvolle Messaufgaben in chemischen und pharmazeutischen Anlagen, in der Lebensmittelindustrie sowie in der Trinkwasserversorgung, in Kläranlagen und auf Deponien, im Bergbau und bei der Energieerzeugung, auf Bohrinseln, Schiffen und in Flugzeugen.
Produktionsprozesse werden immer komplexer. Umso verständlicher sollte die Messtechnik sein, die zur Steuerung und Überwachung der Prozesse eingesetzt wird. VEGA hat es sich zum Ziel gesetzt, innovative Messtechnik zu entwickeln, die in Sachen Bedienbarkeit einfach zu handhaben ist und ein Maximum an Sicherheit und Zuverlässigkeit bietet.
Der Multi-Liter ist ein hochmodernes System, das ein sicheres, bedarfsgerechtes und hochreines Wasserstoffgas mit bis zu 18 lpm bei 20 bar und 99,99997 % Reinheit liefert. Ganz gleich, ob Sie Ihr GC-Labor mit Träger- und Detektorgas versorgen oder Ihre Forschungsprojekte verbessern möchten – der Multi-Liter ist die ultimative Antwort. Er ist so konzipiert, dass er den höchsten Anforderungen an Qualität, Sicherheit und Effizienz entspricht.
Das System ist mit fortschrittlichen Funktionen wie automatischer Abschaltung, Druckregelung, Übertemperaturschutz und Sensoren ausgestattet, die ständig auf gefährliche Atmosphären prüfen, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Was den Multi-Liter wirklich einzigartig macht, ist die Fähigkeit, Wasserstoff in grossen Mengen auf Abruf zu produzieren, wodurch die Notwendigkeit der Lagerung oder des Transports entfällt.
Der Multi-Liter ist ausserdem unglaublich einfach zu bedienen und zu warten. Das System ist vollautomatisch und verfügt über intuitive Bedienelemente und eine benutzerfreundliche Schnittstelle. Es erfordert nur einen minimalen Wartungsaufwand und kann problemlos in fast jeder Umgebung installiert werden.
Halle 1.0
Stand C153
VEGA Messtechnik AG
Barzloostrasse 2
8330 Pfäffikon ZH
Telefon +41 44 952 40 00
info.ch@vega.com www.vega.com
VICI SLS AG
Sarbachstrasse 5
CH-6345 Neuheim
Telefon: +41 41 757 51 51 info@vicisls.ch www.vicisls.ch
Watson-Marlow Fluid Technology Solutions ist der weltweit führende Hersteller von Schlauchpumpen und der Partner für Komplettlösungen für die Verarbeitung von Flüssigkeiten in den Life Science Industrien.
In Basel liegt der Fokus auf den Single-Use Fluid-Path-Lösungen von Watson-Marlow: Neben Abfülllsystemen der Marke Flexicon und Präzisionsschläuchen von WatsonMarlow Tubing, präsentiert das Unternehmen BioPure Single-Use Verbinder und Transferschläuche, sowie mit der Marke Aflex Hose die fortschrittlichsten PTFE-beschichteten Schläuche auf dem Markt. Aflex Schläuche bieten hohe Beständigkeit gegen Chemikalien, Drücke und Vakuum, glatte Innenflächen und maximale Flexibilität und Knickbeständigkeit.
Mit BioPure puresu® präsentiert WatsonMarlow eine Auswahl flexibel auf die jeweilige Anwendung massgeschneiderter Schlauchsets. puresu werden in einem Open-Architecture-Design aus einer umfangreichen Bibliothek von eigenen Schläuchen, Clamps, Verbindern und Bags mit Fremdprodukten zu einem Ready-to-Use Fluid-Path kombiniert. Hergestellt und montiert in einem Reinraum der ISO-Klasse 7, garantieren puresu Sterilität, GMP-Konformität und Prozessstabilität für alle Prozessschritte.
Watson-Marlow AG
Hardturmstrasse 253
8005 Zürich
Telefon: +41 (0) 44 552 17 00
info.ch@wmfts.com
www.wmfts.com
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Halle 1.0
Stand A101
Halle 1.0 Stand B196
Pharma-Logistik der Zukunft
Die Anforderungen an moderne Pharmalogistik nähern sich an die scharfen Vorgaben für die personalisierte Medizin an –Zeit für einen umfassenden Review bei den Pharma Logistic Days der Branchenmesse Ilmac Basel 2023.
In der dreijährigen Corona-Hochphase haben breite Bevölkerungsschichten ein Bewusstsein für den hohen Stellenwert der Impfstoff-Logistik gewonnen. Indessen denken Fachleute bereits über Schutzverpackungen, trimodalen Transport und adäquate Lagerung vor der Verabreichung hinaus.
Wie wollen wir in Zukunft lebensrettende, aber komplexe und internationale klinische
Studien unter Pandemiebedingungen durchführen? Wie kommen bei hoher Gefährdungsstufe überhaupt potenzielle Wirkstoffe zu den Teilnehmern?
Die Lösung: Die Wirkstoffe werden nach Hause geliefert wie mit dem Pizza-Express, nur krasser: kontaktlose Übergabe, überprüfbare Bedingungen, Rückverfolgung im Sinne von «Track & Trace». Eine ähnlich kritische Anforderung an moderne Pharma-Logistik stellt generell die End-to-End-Verifizierung vom Hersteller bis zu Apotheke dar. Oder fälschungssichere Verpackungen. Oder Organtransporte, Gefahrstofftransporte oder das Handling von Mehrwegbehältern – alles auf der Branchenmesse Ilmac Basel 2023 in Halle 2.0.
Die geballte Information wird durch die Pharma Logistics Days Conference flankiert. Hier haben die Besucher die Gelegenheit, spannende Einzelthemen zu vertiefen.
www.ilmac.ch
Prozessoptimierung im Fokus
Hohe Energiepreise, Lieferkettenprobleme, aber auch der Fachkräftemangel zwingen Unternehmen dazu, ihre Effizienz zu verbessern. Lösungen finden sie am 25. und 26. Oktober an der Pumps & Valves an der Messe Zürich.
Technologien im Bereich Pumpensysteme und Ventiltechnik, die den Energieverbrauch reduzieren und auch die Umweltauswirkungen minimieren, sind gefragter denn je. An der Messe für industrielle Pumpen- und Ventiltechnik, präsentieren rund 60 Aussteller ihre Produkte und Dienstleistungen zur Optimierung von Anlagen, Automatisierung von Planungsprozessen, Leckageortung, Steigerung von Fördermengen und weitere Themen.
Die Sonderzone «Pumps & Valves Talks» informiert über bewährte Praxislösungen oder Erfolgsgeschichten und vermittelt Expertenwissen zu aktuellen Fragen. Das Programm findet sich auf der Website, wie auch der Messeblog: Auf diesem können
DAMPFSTERILISATOREN
• Instrumentenaufbereitung im Krankenhaus
• Infektiöse Labor- und Klinikabfälle
• Für das mikrobiologische Labor
• Steril-, Pharma- und Medizinprodukte
• Gentechnisch veränderte Stoffe
(Bild: Easyfairs)
sich Besucherinnen und Besucher bereits im Vorfeld informieren über neue Entwicklungen, Trends und Fachbeiträge über Pumpensysteme, Ventile, Antriebstechnik, Industriearmaturen, Anlagentechnik, Dichtungen, Dichtungssysteme, Filter, Filtersysteme und Rohrleitungssysteme.
Wissenswert: Das Messeticket kann auch für die drei Parallelveranstaltungen Aqua Suisse, Flow und Maintenance Schweiz genutzt werden.
www.pumps-valves.ch
EXCELLENCE IN AUTOCLAVES
• Schnellkühlen von Flüssigkeiten
• Kammervolumina 25 - 200 Liter
• Integrierter Doppelmantel
• Kondensatsterilisation
• Vor-/Nachvakuum
• Abluftfiltration
• Stand- und Tischgeräte
MAGNETRÜHRER
• 100% verschleiß- und wartungsfrei
• Entwickelt für den Dauerbetrieb
• Rührvolumen von 1 ml bis 1.000 Liter
• Mehrstellenrührer bis 96 Rührstellen
• Tauchbare Magnetrührer
• Heizbar bis +200 °C
• Sonderanfertigungen
auf Anfrage
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sterico AG
www.sterico.ch info@sterico.ch Tel. 043 255 99 09 Fax 043 255 99 08
(Bild: MCH Group)
Wasser-Messe erhält Begleitveranstaltung
Neues rund um die Wasserversorgung, Wasseraufbereitung, Abwasser- und die Prozesswasserbehandlung gibt es an der Aqua Suisse zu sehen, der Messe für kommunales und industrielles Wassermanagement.
Die noch junge Plattform findet in ihrer zweiten Ausgabe am 25. und 26. Oktober an der Messe Zürich statt und widmet sich den Themen Nachhaltigkeit, Digitalisierung, Abwasser, Kläranlagen und Trinkwasser. Über 90 Aussteller präsentieren ihre Produktneuheiten und Lösungen in den Bereichen Abwasserbehandlung, Dosierungs-, Mess- und Regeltechnik, Engineering und Beratung, Filtertechnik, Ma -
schinen- und Anlagentechnik, Prozessautomatisierung, Pumpen und Armaturen, Reinigung und Instandhaltung sowie Rohrleitungssysteme.
Partikeltechnologie-Kongress erweitert Fokus
Die Partec widmet sich 2023 auch neuen Forschungs- und Anwendungsfeldern der Partikeltechnologie, die bei der Bekämpfung des Klimawandels relevant sind. So liegen die Schwerpunkte auf der Maximierung der Materialausnutzung, der prozessualen Energieeffizienz und Batterien. Auf dem internationalen Kongress für Partikel- und Pulvertechnologie präsentieren und diskutieren Experten aus Wissenschaft und Industrie die neuesten technologischen Entwicklungen. Neben den Hauptvorträgen und Podiumsdiskussionen des siebenteiligen Programms hält auch der wissenschaftliche Nachwuchs zahlreiche
Referate: Das dreitägige Programm mit dem Motto «Particle Technology for Sustainable Products» umfasst über 300 Vorträge und mehr als 150 Posterpräsentationen, die von knapp 300 Referenten aus 25 Ländern gehalten werden.
Als messebegleitender Kongress bietet die Partec allen wissenschaftlich interessierten Powtech-Besuchern eine ideale Ergänzung. So können Messebesucher und Aussteller von den Erkenntnissen der Wissenschaftler und Industrieexperten ebenso profitieren wie die Forscher, die neue wissenschaftliche Ansätze direkt mit Praktikern ihrer Zielgruppe diskutieren können.
Verfahrenstechnik-Messe elektrisiert Besucher
Dutzende neue Batteriefabriken in Europa und USA, Milliardeninvestitionen in Produktionsprozesse – einen Überblick über das Marktgeschehen und die technischen Entwicklungen gibt die Verfahrenstechnik-
Messe Powtech. Die E-Mobilität, aber auch das Speichern überschüssiger erneuerbarer Energie in Batterien elektrisiert derzeit die ganze Gesellschaft. Doch wie werden Batterien überhaupt hergestellt? Mischen, Beschichten, Montieren, Verpacken – fertig. Eigentlich ist die Herstellung einer Batterie ganz einfach. Doch der Teufel steckt im Detail: Denn um möglichst viel Energie auf möglichst engem Raum speichern zu können, sind enorme technologische Klimmzüge notwendig. Speziell auf die Anforderungen der Batterieproduktion angepasste Maschinen wie
An der neuen Partnerveranstaltung «Flow» stehen nachhaltige Lösungen für die Schweizer Fernwärme- und Gasversorgung, Wasserstofftechnologie sowie Prozesswärmetechnik im Fokus. Es geht sowohl um den Neubau, Umbau, Erhalt und Betrieb der Netzinfrastruktur für thermische Netze und Gas als auch um die Anlagentechnik für eine ressourcensparende Wärmeerzeugung. Zusammen mit der Pumps & Valves und der Maintenance Schweiz sollen die Aqua Suisse und Flow Synergien schaffen – alle Events sind mit dem gleichen Ticket zugänglich.
www.aqua-suisse-zuerich.ch
Die Partec findet vom 26. bis am 28. September in Nürnberg statt. Das Programm mit allen Plenarvorträgen und Keynotes ist auf der Kongress-Website ersichtlich.
www.partec.info
Pumpen und Transportsysteme, die abrasive Slurrys fördern, Maschinen und Schnittstellen, die sicher die geforderten Arbeitsplatzgrenzwerte (OEB 4 und 5) erreichen, aber auch Testsysteme und Analysengeräte für diese speziellen Anforderungen gehören zu den Herausforderungen, denen sich viele Ausrüster stellen. Und das wird auch auf der kommenden Powtech in Nürnberg, der Leitmesse für Experten der Verfahrenstechnik, vom 26. bis zum 28. September 2023 zu sehen sein.
www.powtech.de
36 9–10/2023 V ERANSTALTUNGEN
(Bild: NürnbergMesse)
(Bild: NürnbergMesse)
(Bild: Easyfairs)
Fluidik-Komponenten für Brennstoffzellen-Prüfstände
Flexible Prüfstände, sichere Systeme
Auf Prüfständen von Antriebssträngen müssen Durchflussregler, Ventile und Co. nicht nur präzise und zuverlässig arbeiten, sondern auch auf den speziellen Einsatzbereich abgestimmt sein. Bei Wasserstoff beispielsweise dürfen die eingesetzten Werkstoffe nicht verspröden und beim Einsatz mit deionisiertem Wasser nicht korrodieren.
Vor dem Serieneinsatz werden Brennstoffzellen-Systeme unter unterschiedlichsten Bedingungen und mit einer Vielzahl an Parametern getestet. Anhand der Prüfergebnisse lassen sich Leistung, Reichweite oder Lebensdauer der BrennstoffzellenStacks evaluieren und optimieren.
In Rüsselsheim hat die Segula Technologies GmbH nach der Übernahme grosser Teile des ehemaligen Opel-Entwicklungszentrums ihre Voraussetzungen geschaffen, um die Mobilität von morgen mitzugestalten. Die Ingenieure und Fachkräfte können hier als Dienstleister mit OEM-
DNA komplette Fahrzeuge inklusive Antriebsstrang entwickeln, testen und zur Serienreife bringen. Für Hersteller von Brennstoffzellen sind sie heute ein kompetenter Ansprechpartner, da es in Rüsselsheim mittlerweile auch für Stacks massgeschneiderte Prüfeinrichtungen gibt. Das Verhalten dieser BrennstoffzellenStacks lässt sich hier sehr flexibel bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen testen und evaluieren.
Flexible Testmöglichkeiten für die Stacks
Leistungsfähige Brennstoffzellen-Prüfstände: Hier lassen sich die Stacks und Systeme auf Herz und Nieren testen. (Bild: Bürkert Fluid Control Systems)
Unsere Kompetenz:
Einweg-Schutzbekleidung
- Vlieskittel
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CH - 4132 Muttenz
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- Mundschutz
Dr. Stephan Wagner, Lead Hydrogen Systems bei Segula, berichtet: «Wir konstruieren unsere Prüfstände für die Stacks selbst. So können wir sie hinsichtlich Leistung, Grösse und Skalierbarkeit perfekt auf die Erfordernisse unserer Kunden betreiben und bei den Testabläufen flexibel auf deren Wünsche reagieren. Ausserdem lassen sie sich gut in unsere vorhandene Betriebsstruktur einbinden, zu der insgesamt mehr als 50 Prüfstände gehören.» Das Resultat sind leistungsfähige Brennstoffzellen-Prüfstände, mit denen sich die Stacks und Systeme auf Herz und Nieren testen
Flexible Verpackungen
- Food / Non Food
- Pharma / Chemie
- Agro
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Acht elektromotorische Prozessregelventile regeln die Gaszufuhr vor den Befeuchtereinheiten präzise und reaktionsschnell. (Bild: Bürkert Fluid Control Systems)
lassen. Die Anstrengungen für die Anpassung der Prüfstandstechnik sind derzeit gross, um den aktuellen Entwicklungen in der Wasserstofftechnik folgen zu können. Möglich sind beispielsweise Dauerläufe etwa für Degradationsuntersuchungen, Funktionstests sowie die Charakterisierung und Auslegung des Brennstoffzellensystems inklusive unterschiedlicher Betriebsarten.
Der Regelaufwand, der dahintersteckt, ist beachtlich: Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Spurengase, die zur Simulation von Umwelteinflüssen dienen, müssen zunächst konditioniert werden. Die jeweiligen Durchflussmengen auf den einzelnen Gasstrecken gilt es feinfühlig zu regeln. Dabei sind bestimmte Temperaturen und Feuchtegrade einzuhalten. Hinzu kommen Sicherheitsanforderungen. Bei einem Fehler beispielsweise lässt sich das komplette System mit Stickstoff fluten.
Im Prüfstand sind acht elektromagnetische Proportionalventile, acht elektromotorische Prozessregelventile, vier Massendurchflussregler (MFC) sowie zehn Füllstand-Schwimmerschalter von Bürkert in Betrieb. Durch den Einsatz von positionierbaren Stellventilen mit jeweils integrierter Absperrfunktion wird die Anlage flexibel für jeden Kundenwunsch. Dichtungen und Materialien der Ventilkörper sind auf die Betriebsbedingungen im BrennstoffzellenPrüfstand ausgelegt, haben alle notwendigen Konformitäten und bei Bedarf auch Zulassungen. Bei den Ventilen für Wasserstoff ist die Eignung genauso nachgewiesen wie bei Ventilen für Sauerstoff.
Schnell, präzis und zuverlässig
Auf stellbare Ventile legten die Konstrukteure Wert, weil die Prüfstände flexibel betreib- und skalierbar sind, damit sich Stacks von 10 bis 150 Kilowatt prüfen lassen. Dabei regeln zwei elektromotorisch betätigte Prozessregelventile vom Typ 3361 die Gaszufuhr der Befeuchtereinheiten. Der Antrieb mit Kugelumlaufspindel positioniert dabei den Regelkegel sehr präzise und mit hoher Stellgeschwindigkeit von 6 Millimeter pro Sekunde bei einem maximalen Hub von bis zu 27 Millimeter, kann also quasi verzögerungsfrei auf Prozesssignale reagieren. Druckschwankungen oder -stösse im Medium übertragen sich nicht auf die Ventilstellung und werden automatisch ausgeregelt. Durch die bewährte selbstnachstellende Spindelpackung mit austauschbaren Dachmanschetten wird eine hohe Lebensdauer und Dichtheit erreicht. Zudem bietet das Regelventil dem Betreiber viele hilfreiche Funk-
tionen zur Prozessüberwachung, Ventildiagnose und vorbeugenden Wartung. Vor Ort informiert ein LED-Ring über den jeweiligen Betriebszustand. «So sehen auch unsere Kunden auf den ersten Blick, dass der Prüfstand arbeitet», schmunzelt Dr. Wagner. Die direktwirkenden Proportionalventile, die praktisch überall im Prüfstand zu finden sind, arbeiten als elektromagnetisch angetriebene Stellventile. Sie sind stromlos schliessend. Durch ihre Elastomer-Sitzdichtung sind die Ventile im Bereich des auf die Nennweite bezogenen Nenndruckes dichtschliessend, haben also eine integrierte Absperrfunktion. Der Betätigungsanker des Ventils ist reibungsarm gelagert, was zu einem optimierten Stellverhalten führt. Durch das gute Ansprechverhalten sind die Ventile für die anspruchsvollen Prüfstandanwendungen also bestens geeignet, insbesondere auch für die präzise Regelung des Stackdruckes, sowohl auf
Insgesamt acht dieser elektromagnetischen Proportionalventile des Typs 2875 sind am Brennstoffzellen-Prüfstand im Einsatz. (Bild: Bürkert Fluid Control Systems)
Verpackungen zur Mehrfachverwendung aus Rezyklat oder biobasiertem Kunststoff im Semadeni Webshop
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ILMAC Halle 1.0 Stand B101
Anoden- als auch auf Kathodenseite. Während typischerweise der Drucktransmitter auf der Eingangsseite platziert wird, erzeugt das Proportionalventil einen Rückdruck auf der Ausgangsseite des Stacks, um so den Stackinnendruck zu regeln. Alternativ zu elektromagnetischen Proportionalventilen der Typen 2875 kommen bei grösseren erforderlichen Nennweiten kompakte elektromotorische Ventile der Typen 3280 oder 3285 zum Einsatz.
Durchfluss regeln und Füllstand erfassen
Fluidische Herzstücke der Brennstoffzellen-Prüfstände sind die Massendurchflussregler der Typen 8742 und 8746. Sie übernehmen die «intelligente» Regelung und Dosierung der Luft- und Wasserstoffmenge. Der direkt im Gasstrom befindliche, thermische Durchflusssensor in MEMS-Ausführung (mikroelektromechanisches System) erreicht sehr kurze Reaktionszeiten und eine hohe Messgenauigkeit bei langzeitstabiler Kalibrierung. Hochauflösende, direktwirkende Proportionalventile als Stellglieder und der integrierte Regler sorgen für hervorragende Regeleigenschaften. Damit gewährleisten die Geräte eine feinfühlige und präzise Regelung unabhängig von Störgrössen wie Druckschwankungen oder temporär auftretenden Strömungswiderständen. Die magnetischen Füllstand-Schwimmerschalter des Typ 8181 unterstützen an beiden Back-Pressure-Units des Prüfstands die Kondensat-Ausleitung. «Einer davon arbeitet als Sicherheitsschalter, um bei der automatischen Entleerung ein Ausgasen über die Abwasserleitung zu verhindern», ergänzt Dr. Wagner. Die weiteren Schwimmer sind in den Befeuchtereinheiten integriert und regeln die automatische Befüllung. Die Füllstand-Schwimmerschalter haben im feststehenden Schalterteil hermetisch gekapselte, als Wechsler oder Öffner/Schliesser ausgelegte Reed-Kontakte. Im beweglichen Schalterteil wird der Schaltvorgang über Magnete ausgelöst. Ein zylindrisches Gewinde erleichtert den Einbau im Behälter. «Segula will in Zukunft auch bei Prüfaufbauten für Elektrolyseure auf die wasserstofferprobten Komponenten von Bürkert setzen und vom Know-how der Fluidikexperten profitieren», resümiert Dr. Wagner.
Booth B139
Date 26. – 28. September 2023 Location Messe Basel
39 9–10/2023
www.buerkert.de
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Dr. Stephan Wagner, Segula Technologies: «Wir legen die Prüfstände für die Stacks hinsichtlich Leistung, Grösse und Skalierbarkeit perfekt auf die Kundenerfordernisse aus.» (Bild: Bürkert Fluid Control Systems)
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Flexible Puffer-Herstellung bei stark variierenden Volumenströmen
Anspruchsvolle Oligonukleotid-Produktion
Um die Produktionskapazitäten für aktive pharmazeutische Wirkstoffe zu erweitern, hat Bachem am Hauptstandort Bubendorf eine neue Inline-Verdünnungsanlage mit Membrandosierpumpen von Lewa installiert. Das ermöglicht es dem Pharmazulieferer, Verdünnungslösungen präzise und flexibel zu dosieren. Ein grosser Stellbereich gewährleistet eine automatisierte und kontinuierliche Bereitstellung wechselnder Pufferlösungen während des nachgeschalteten Aufreinigungsprozesses.
Von seltenen Krankheiten bis hin zu chronischen Indikationen: Der Bedarf an Medikamenten auf Oligonukleotid-Basis nimmt laufend zu. Die Hersteller aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe (API) sehen sich daher mit der Aufgabe konfrontiert, die eigenen Produktionsprozesse besser und robuster skalierbar zu machen, ohne dabei Einbussen in puncto Qualität und Wirtschaftlichkeit zu riskieren.
Präzise Kontrolle der Durchflussmengen essenziell
Bei der Herstellung von Feinchemikalien (für die Biopharmazie) und pharmazeutischen Wirkstoffen ist die Aufreinigung im sogenannten Downstream-Processing von Stoffen durch Chromatographie- und Filtrationsverfahren von entscheidender Bedeutung. Dazu ist die Herstellung von Pufferlösungen mit hoher Genauigkeit der Mischverhältnisse entscheidend, und die jeweilige Rezeptierung der einzelnen Lösungen muss sehr variabel sein.
Da der Bedarf an APIs eine steigende globale Nachfrage erfährt, müssen diese Prozessschritte zunehmend automatisiert und in komplette Produktionslinien integriert werden. Auf diese Weise lassen sich Lösungen direkt am Ort der Verwendung und je nach Bedarf an spezifischen Verdünnungen aus bereitgestellten Konzentraten mischen, sodass der gesamte Herstellungsprozess bei gleichzeitig reduziertem Platzbedarf beschleunigt wird. «Eine der grössten Herausforderungen bei der Inline-Verdünnung ist das Aufrechterhalten konstant reproduzierbarer Qualität des jeweils benötigten Puffers», weiss Pietro Pettoruto, Managing Director der Lewa Switzerland AG. Dafür sind, unter anderem die präzise Kontrolle der Durchfluss -
mengen und der daraus resultierenden Verdünnungsverhältnisse essenziell. Die eingesetzten Pumpen müssen dabei hygienegerecht und robust sowie für den Dauereinsatz ausgelegt sein.
Flexibler und fortlaufender Medientransport
Um detailliertes Wissen und Erfahrung beim hoch genauen Dosieren und Mischen zu nutzen, hat Bachem den Pumpen- und Anlagenhersteller Lewa mit der Bereitstellung einer entsprechenden Anlage für das neue Produktionsgebäude in Bubendorf beauftragt. Fünf robuste und für den Einsatz in Pharma-Anwendungen ausgelegte Membrandosierpumpen vom Typ «Lewa ecodos hygienic» sorgen dafür, dass der gesamte Aufreinigungsprozess für die Wirkstoffherstellung absolut zuverlässig und reproduzierbar erfolgt.
«Bei dem innovativen Anlagenkonzept handelt es sich um eine kundenspezifi -
sche Inline-Verdünnungsanlage, die als Package Unit (PU) für den DownstreamProzess in der komplexen OligonukleotidHerstellung konzipiert wurde», ergänzt Roland Schwab, verantwortlich für Systeme im Bereich Sales Process Industry & Downstream bei Lewa. Die Anlage verfügt über jeweils fünf Prozesseingänge und -ausgänge sowie vier Ableitungen, um ein flexiblen und fortlaufenden Medientransport zu gewährleisten. Aufgrund spezieller Kundenanforderungen ist die Anlage für den Einsatz in Ex-Zone 2 ausgelegt. Die Inline-Verdünnungsanlage stellt Pufferlösungen von hoher Genauigkeit für eine semi-kontinuierliche arbeitende Chromatographie-Anlage bereit.
Hohe Produktionssicherheit mit Membrandosierpumpen
«Da bei der Herstellung der Verdünnungslösungen sehr unterschiedliche Volumenströme benötigt werden, hat Bachem in
40 9–10/2023 F IRMEN BERICHTEN
Bachem hat bereits Pumpen im «Hygienic-Design» vom Hersteller Lewa im Einsatz. (Bild: Bachem)
Aufgrund der GMP-Umgebung wurden «Hygienic»-Ausführungen mit durchgängig zertifizierten Konstruktionsmaterialien (FDA, USP) gewählt, bei denen alle fluidberührten metallischen Teile elektropoliert sind und eine Oberflächenrauigkeit von Ra ≤ 0,5 µm besitzen. (Bild: Bachem)
seiner Spezifikation (URS) vorgeschrieben, dass Volumenströme von minimal 40 Liter pro Stunde und maximal 2500 Liter pro Stunde umsetzbar sind», bestätigt Pettoruto. Um diesen grossen Stellbereich flexibel abdecken zu können, sind fünf Lewa-Pumpen vom Typ «Ecodos hygienic» integriert, die über mechanisch angelenkte mehrlagige Sandwich-Sicherheitsmembranen angetrieben werden. Dadurch wird ausgeschlossen, dass es zu Kontamination mit zum Beispiel Hydrauliköl kommt.
Aufgrund der GMP-Umgebung wurden die Hygienic-Ausführungen mit durchgängig zertifizierten Konstruktionsmaterialien (FDA, USP) gewählt, bei denen alle fluidberührten metallischen Teile elektropoliert sind und eine Oberflächenrauigkeit von Ra kleiner gleich 0,5 Mikrometer besitzen. Dank des hygienegerechten Designs, das nahezu vollständig Toträume vermeidet, lassen sich die Pumpen sehr leicht – ohne vorige Demontage – im CIP-Prozess (Cleaning in Place) reinigen. Darüber hinaus wurden Edelstahl 1.4435 mit geringem Deltaferritgehalt und der sehr korrosionsbeständige Edelstahl 1.4529 (äquivalent zu AL-6XN) als Werkstoffe verwendet. Dadurch sind die Pumpen auch für die Förderung von hochkorrosiven und entzündlichen Fluiden bei der Oligonukleotid-Herstellung langfristig geeignet. Einen grossen Anteil daran hat auch die patentierte vierlagige PTFE-Sandwichmembran: Sie ist extrem stabil und sorgt dafür, dass selbst im Fall eines Membranbruches ein Weiterbetrieb möglich und somit eine hohe Prozesssicherheit gegeben ist. Die eingebaute Membranbruchsignalisierung
meldet sofort im Betrieb eine entsprechende Störung, ohne dass die weitere Prozesslinie kontaminiert wird. Somit ist eine Produktionssicherheit gegeben, die im Pumpenbereich ihresgleichen sucht. Die Herstellung der Pufferlösungen im chromatographischen Umfeld erfordert die genaue Einhaltung von Flussmengen der einzelnen Pumpenstränge. Die Volumenströme werden mit hochgenauen Massedurchflussmessern ermittelt und über die Drehzahlregelung der Dosierpumpen exakt auf den spezifizierten Sollwerten gere -
gelt. Zur Kontrolle der Prozessbedingungen werden zusätzlich der pH-Wert und die Leitfähigkeit online überwacht. Auch Chromatografie-Anlagen an anderen Bachem-Standorten arbeiten mit gleicher Technik: Ecodos-Pumpen im Hygienic-Design. Für Anwendungen im klassischen Pharmabereich mit höheren Druckstufen kamen hingegen Ecoflow-Modelle zur Anwendung.
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41 9–10/2023 F IRMEN BERICHTEN
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Modern mischen und dispergieren
Neue Verfahrensprozesse in der Lack- und Farbherstellung reduzieren nicht nur den Energieverbrauch und nutzen Rohstoffe effizienter, sie eröffnen auch bedeutende Potenziale zur Kostensenkung.
Ein zentrales Problem beim Einsatz konventioneller Technologien in der Farbenund Lackherstellung sind Agglomerate. Pulver liegen in den allermeisten Fällen agglomeriert vor – und je feiner ein Pulver ist, desto stärker neigt es zum Agglomerieren. Werden diese Agglomerate nicht bereits beim Pulvereintrag aufgebrochen oder werden sogar weitere Agglomerate bei der Zugabe in die Flüssigkeit gebildet, dann müssen diese Agglomerate im Nachgang durch langes, aufwendiges Nachdispergieren oder Mahlen abgebaut werden.
Vermeidung von Agglomeraten
Beim Dissolver kommen die Pulverpartikel als kompakte Schüttung mit der Flüssigkeit
in Kontakt. Die Flüssigkeitsoberfläche, die dem Pulver für die Benetzung zur Verfügung steht, ist um Grössenordnungen kleiner als die zu benetzende Partikeloberfläche. Pulver haben spezifische Oberflächen zwischen eintausend und einigen hunderttausend Quadratmetern pro Kilogramm. Beim Dissolver stehen zur Benetzung nur etwa 100 Quadratmeter pro Minute zur Verfügung. Deshalb werden die Partikel nicht sofort vollständig benetzt und es entstehen Agglomerate. Ein Nachdispergieren zum Abbau der Agglomerate macht Fertigungsprozesse nicht nur energie- und zeitintensiv, sondern mindert auch die Produktqualität. Moderne Inline-Dispergiertechnologien auf Basis der Vakuumexpansion beim Pulvereintrag erzielen demgegenüber eine vollständige Desagglomeration und Benetzung der Pulverpartikel innerhalb von Mikrosekunden. Mühlen werden nur noch im Ausnahmefall benötigt.
Bei der Vakuumexpansionsmethode wird die im Pulver enthaltene Luft durch das Saugvakuum direkt in der Benetzungsund Dispergierzone um ein Vielfaches expandiert, wodurch sich die Abstände zwischen den Partikeln enorm vergrössern.
Die Partikel werden vereinzelt und fluidisiert. Die Maschine erzeugt eine spezifische Flüssigkeitsoberfläche von etwa einer Million Quadratmetern pro Minute. Das ist mehr als die zu benetzende Pulveroberfläche und etwa 10 000 mal so viel wie bei einem Dissolver. Pulver und Flüssigkeit kommen erst in der Benetzungskammer miteinander in Kontakt – unter maximalem Vakuum und maximaler Turbulenz. In der Dispergierzone haben die Pulverpartikel den grösstmöglichen Abstand zueinander und können so vollständig einzeln benetzt und dispergiert werden.
Kreislaufprozess mit Inline-Dispergierer und Prozessbehälter mit darin verbautem Leitstrahlmischer. (Bild: Ystral)
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Hans-Joachim Jacob 1
Die Inline-Pulverbenetzungs- und -Dispergiermaschine «Ystral Conti-TDS». (Bild: Ystral)
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1 Senior Expert Process and Applications, Ystral
Bei Inline-Dispergiermaschinen wie der «Ystral Conti-TDS» konzentrieren sich die Prozesse des Benetzens und Dispergierens in einer Dispergierzone mit einem effektiven Volumen von nur etwa einem viertel Liter. Verglichen mit einem im Behälter betriebenen Dissolver erzeugt ein solcher InlineDispergierer eine etwa 30 000-fach höhere volumenspezifische Leistung. Über ein Rotor-Stator-System baut der Inline-Dispergierer zugleich tausendfach höhere Scherkräfte auf. Die Verweilzeit ist extrem kurz, sodass nur ein Bruchteil der Energie im Vergleich zum Dissolver benötigt wird.
Keine Tromben, kein zusätzlicher Lufteintrag
Ein weiteres Problem der Dissolvertechnologie ist der Lufteintrag. Dieser erfolgt zum einen durch die Pulverstoffe selbst, denn Pulver enthalten sehr viel Luft. Selbst schwere Pulver wie Titandioxid kommen auf einen Volumenanteil von über 75 Prozent Luft. Bei leichten Pulvern liegt der Anteil bei über 90 Prozent. Wird diese Luft nicht vollständig durch Flüssigkeit substituiert und abgeschieden, sondern zusammen mit den Pulverpartikeln dispergiert, führt dies zu Mikroschaum – dies ist bei einem Dissolverprozess der Fall. Wird das Pulver von oben in einen offenen Behälter zugegeben, entstehen zudem Tromben, über die grosse Mengen zusätzlicher Luft eingetragen werden. Luft ist elastisch und behindert dadurch ein effektives Dispergieren. Die Leistung einer Maschine, die für das Komprimieren, Ausdehnen und Zerteilen von Luftbläschen verwendet wird, steht für das Dispergieren und Mischen nicht zur Verfügung. Beim Einsatz moderner Technologien wird das Pulver deswegen extern im Kreislauf direkt in die Flüssigkeit eingesaugt. Es entstehen keine Tromben und es erfolgt während des gesamten Prozesses keinerlei zusätzlicher Lufteintrag. Bei einer Pulverbenetzung im Vakuumexpansionsverfahren mit einem Rotor-Stator-System wird die im Pulver enthaltene Luft durch die Zentrifugalwirkung des schnell laufenden Rotors von der deutlich schwereren Dispersion abgetrennt und koalesziert zu grossen Luftblasen. Diese werden dann zusammen mit dem Flüssigkeitsstrom zum Prozessbehälter gefördert, wo sie leicht entweichen können.
Kürzere Mischzeiten
Für den Energiebedarf eines Fertigungsprozesses ist die benötigte Prozesszeit relevant – und diese ist bei einer konventio nellen Technologie mit konventionellem Rührwerk sehr lange.
Moderne Leitstrahlmischer setzen auf die Kombination einer turbulenten Mikro mischzone in ihrem Mischkopf mit einer nahezu turbulenzfreien vertikalen Makro vermischung des gesamten Behälterin halts. Aufgrund der in dieser Mikromisch zone erzeugten Turbulenz benötigen solche Mischer zunächst mehr Leistung als ein einfacher konventioneller Rührer, der keine Turbulenz erzeugt. Weil die Misch zeiten jedoch je nach Produkt um bis zu 90 Prozent reduziert werden, beträgt der Energiebedarf weniger als ein Drittel. An ders als bei der Verwendung eines her kömmlichen Rührwerks ist das Produkt am Ende des Mischprozesses dann auch tat sächlich vollständig homogen durch mischt und es werden unabhängig von der Batchgrösse und dem Füllstand im Behäl ter gleichbleibende Ergebnisse erzielt. Im Durchschnitt sparen Prozesse mit InLine-Dispergierern zum Pulvereintrag und Leitstrahlmischern etwa zwei Drittel der bisher benötigten Energie. Bei der Herstel lung von Pigmentpasten, bei denen auf den Einsatz einer Mühle verzichtet werden kann, fallen die Einsparungen sogar noch deutlich höher aus. So liegt bei weisser Pigmentpaste die Energieeinsparung ge genüber einem konventionellen Prozess bei 85 Prozent, bei schwarzer Pigmentpas te wird der Energiebedarf sogar um 90 Prozent reduziert.
Effizientere
Rohstoffausnutzung
Moderne Technologien eröffnen noch weitere Potenziale zur Kostensenkung. So können im Vakuumexpansionsverfahren Pulverstoffe staub- und verlustfrei verarbeitet werden, während bei einer Zugabe des Pulvers über eine Schütte mit Absauganlage immer ein Teil der Feststoffe verloren geht. Zudem kann aufgrund des besseren Partikelaufschlusses die Menge der eingesetzten Rohstoffe reduziert werden. Bei Wandfarben kann beispielsweise die Titandioxidmenge um bis zu acht Prozent reduziert werden, bei Druckfarben liegen die Einsparungen sogar noch höher.
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Hinzu kommt, dass bei einem Dissolverprozess aufgrund der dabei erforderlichen hohen Viskosität zunächst einmal das Verdickungsmittel eingetragen werden muss. Hierdurch wird nicht nur die Benetzung
sehr feiner Pulver behindert. Weil Verdickungsmittel im Lack- und Farbbereich häufig scherempfindlich sind, werden zu Beginn des Prozesses eingetragene Verdicker während des Prozesses unkontrolliert abgebaut, weshalb das Verdickungsmittel überkonzentriert werden muss. Bei einer Inline-Dispergierung per Vakuumexpansion ist ein Pulvereintrag in Flüssigkeiten hingegen sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Viskositäten möglich. Das Verdickungsmittel wird hier erst am Ende hinzugegeben.
Stark reduzierte Kosten und Batchzeiten
einem Fünfzigstel der Zeit gelöst und die Produktionszeiten insgesamt um mehr als 80 Prozent gesenkt werden. Bei der Herstellung von Pigmentpasten, bei denen auf eine Mühle verzichtet werden kann, liegen die Fertigungszeiten sogar noch deutlich darunter: Bei gelben Pigmentpasten werden Zeiteinsparungen von 88 Prozent erreicht, bei weissen und schwarzen Pigmentpasten ist sogar eine Batchzeitverkürzung um 94 Prozent möglich.
Leitstrahlmischer realisieren Mischprozesse mit einer turbulenten Mikromischzone im Mischkopf und einer nahezu turbulenzfreien Makrovermischung des gesamten Behälterinhalts. Sie können an der Behälterwand (wie im Bild), am Boden oder der Behälter decke eingebaut werden. (Bild: Ystral)
In Summe bringen moderne Technologien in der Farb- und Lackherstellung enorme wirtschaftliche Vorteile. Die Fertigungszeiten werden bei einem Inline-Dispergierer, der im Kreislauf an einem Prozessbehälter mit verbautem Leitstrahlmischer betrieben
Auf der Kostenseite ist eine Reduzierung der Produktionskosten um 90 Prozent und mehr möglich. Bei der Herstellung von Automobillacken sinken die Kosten mit den neuen Technologien auf unter acht Prozent, bei lösemittelbasierten Flexodruckfarben sowie Primern und Füllern zur Möbelherstellung sogar auf unter fünf Prozent.
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Dialystkonzentrat-Spezialist setzt auf ERP-/LIMS-Software für «Small Pharma»
MTN arbeitet profitabel trotz geringer Margen
Bei der Produktion kleiner Chargen spielt Effizienz eine entscheidende Rolle. Hier hilft beim DialysekonzentratSpezialisten MTN Neubrandenburg die IT. Sie bildet die gesamte Wertschöpfungskette ab und sorgt so für mehr Flexibilität, weniger Fehler und sichere Entscheidungen.
MTN gehört in Europa zu den Top-3-Herstellern von Dialysekonzentraten. Auch international ist das Unternehmen sehr erfolgreich, der Exportanteil liegt bei 50 Prozent. Das Erfolgsrezept: Während die Konkurrenz ihre Prozesse weitgehend automatisiert hat und auf Massenproduktion setzt, können Kunden bei MTN auch kleine Mengen für patientenspezifische Zusammensetzungen bestellen.
«Wir beliefern mehr als 200 Debitoren regelmässig auch mit kleinen Mengen. Damit das bei margenschwachen Produkten wirtschaftlich und sicher funktioniert, haben wir mit dem CSB-System fast alle Geschäftsprozesse optimiert», so die Geschäftsführerin Irmtraud Steinert.
IT sorgt für Effizienz und Sicherheit
Moderne Technik statt Papierberge, Echtzeitinformationen statt manueller Datenerfassung: Mit dem CSB-System hat MTN die Zeichen auf digitale Zukunft gestellt. Im Rohstofflager und bei der Containerverwaltung arbeiten die Mitarbeiter heute mit mobilen Datenerfassungsgeräten, die mit dem ERP-System kommunizieren. Das
geht schneller und ist weniger fehleranfällig, da es keine Medienbrüche gibt. Besonders deutlich werden die Vorteile in der Kommissionierung, wo es heute laut Projektleiterin Doris Wenselowski praktisch fehlerfrei zugeht. Basis des Ganzen sind Barcodes mit Losnummern, die schon am Wareneingang vergeben werden und die den Rohstoff während des Herstellungsprozesses bis zum fertigen Produkt begleiten.
Integriertes
Laborinformationssystem
Als validierte ERP-Software dokumentiert das CSB-System bei MTN alle operativen Prozesse, die regulatorisch wichtigen Aufzeichnungen werden im Dokumentenmanagement revisionssicher archiviert. Die
«Wir beliefern mehr als 200 Debitoren regelmässig, auch mit kleinen Einheiten. Damit das wirtschaftlich und sicher funktioniert, haben wir mit dem CSB-System fast alle Geschäftsprozesse optimiert.»
Geschäftsführerin Irmtraud Steinert
strengen Qualitätskontrollen nach «Good Manufacturing Practice» (GMP) und deren Dokumentation wickelt MTN produktionsbegleitend mit dem integrierten Qualitätsmanagement und Laborinformationssystem ab.
Lösung im Überblick
– Beschaffung, Disposition, Produktion, Lager, Absatz, Rückverfolgung, Qualitätsmanagement, Instandhaltungsmanagement, EDI, Mobile ERP, BI, DMS, Tourenverwaltung, Finanzbuchhaltung
Top-Kundennutzen
– validierte ERP-Software
– Erfüllen aller regulatorischen Anforderungen in der pharmazeutischen Herstellung
– digitale Prozesse ermöglichen profitables Wirtschaften auch bei geringen Margen
– einfache Administration, zum Beispiel bei der Erstellung von Drucklayouts für Etiketten, Belege und Reports
– Auswertungen sorgen für schnelle Entscheidungen
Ein typischer Vorgang ist die Prüfung im Labor. Hier finden sowohl die Wareneingangs- als auch die Inprozess- und Endkontrollen statt. Für jede Probe erzeugt die Software Prüfpläne, Prüfparameter, Toleranzen etc. Eine Authentifizierung durch den Mitarbeiter ist zwingend notwendig. Bei eventuellen Abweichungen bleibt die betroffene Charge gesperrt.
CSB-System AG Schweiz
CH-4703 Kestenholz
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www.csb.com
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Labor des Dialysekonzentrat-Spezialisten MTN Neubrandenburg: Ein integriertes LIMS sorgt für GMP-gemässe Prozesse im Labor und ihre Dokumentation. (Bild: MTN Neubrandenburg)
Für pH, Leitfähigkeit und Sauerstoff
Mobiles Mess- und Kalibriersystem
Endress+Hauser stellt mit der Memobase Pro App eine perfekte Ergänzung zum beliebten Handmessgerät Liquiline Mobile CML18 vor. Die Verbindung von hochwertiger Messtechnik mit mobiler App-Technologie bietet Anwendern eine digitale Erfahrung beim Messen, Kalibrieren und Dokumentieren, die ihresgleichen sucht.
Als Endress+Hauser vor etwa drei Jahren ein aussergewöhnliches Handmessgerät, das Liquiline Mobile CML18, auf den Markt brachte, war die Resonanz darauf überwältigend: Fachleute aus verschiedensten Industrien lobten das kleine Multitalent, mit dem pH, Leitfähigkeit, Sauerstoff und Redox gemessen werden können, als besonders praktisch. Es passt in jede Hemdtasche und kann im Labor sowie im Produktionsprozess eingesetzt werden, um z. B. genommene Proben zu analysieren, die installierte Messtechnik zu überprüfen oder um Messungen an Orten vorzunehmen, an denen keine Messstelle vorhanden ist.
Komfortable Bedienung
Mit der bahnbrechenden Memobase Pro App lassen sich über eine sichere Bluetooth-Verbindung zwei Liquiline Mobile CML18 Geräte gleichzeitig verbinden –und bedienen. Über das SmartphoneDisplay ist die Bedienung des Handmessgeräts noch komfortabler und besonders
intuitiv. Memobase Pro bietet darüber hinaus hilfreiche Dashboards und ansprechende Visualisierungen. Die Anwender können flexibel zwischen Trendkurven und tabellarischen Darstellungen aller Messun -
gen und der dazugehörigen Proben wechseln.
Besonders alltagstauglich: Damit sich die Nutzer beim Messen und Kalibrieren voll auf ihre Tätigkeit konzentrieren können, funktioniert Memobase Pro auch, wenn das Smartphone in der Hosentasche bleibt – die App lässt sich sogar vom Handmessgerät aus bedienen, um z. B. Messwerte direkt zu speichern und zu dokumentieren.
Clevere Probenverwaltung
Für Anwender, die dem Produktionsprozess eine Probe entnehmen, um diese vor Ort oder im Labor zu analysieren, bietet Memobase Pro eine Besonderheit: Für jede Probenentnahme lässt sich eine eindeutige ID generieren, die mit GPS-Koordinaten des Entnahmeortes, einem Foto und Kommentaren angereichert werden kann. Auf diese Weise lassen sich alle Probenahme-Standorte und die zugehörigen Messdaten schnell wiederfinden.
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Mit der Memobase Pro App können zwei Liquiline Mobile CML18 Handmessgeräte parallel verwendet werden. (Bild: Endress)
Ein schneller QR-Code Scan mit der Smartphone-Kamera importiert die Daten der verwendeten Referenzlösung für eine rückführbare Kalibrierdokumentation. (Bild: Endress)
Die Memobase Pro App führt die Nutzer Schritt für Schritt durch die Sensorkalibrierung. (Bild: Endress)
Vertrauenswürdige Messwerte
Liquiline Mobile CML18 basiert auf der Memosens-Technologie, der weltweit verbreitetsten Sensortechnologie im Bereich der Flüssigkeitsanalyse. Sensoren mit dieser Technologie sind mit einem integrierten Mikroprozessor im Kopf ausgestattet, der alle Sensorsignale in ein robustes digitales Signal umwandelt. Dies macht sie unempfindlich gegen Feuchtigkeit oder
andere Umwelteinflüsse, die den Messwert verfälschen könnten. Darüber hinaus können an das Handmessgerät dieselben Sensortypen angeschlossen werden, die auch im Produktionsprozess installiert sind. Dadurch erreichen die Anwender die grösstmögliche Datenkonsistenz zwischen Labor- und Prozessmessung und vermeiden Messabweichungen durch die Verwendung unterschiedlicher Messtechnik. Mit dem Wissen um absolut zuverlässige Messwerte können die Nutzer bei Bedarf schnell die richtigen Massnahmen ergreifen und den Prozess unter optimierten Bedingungen am Laufen halten.
Rückführbare Sensorkalibrierung
Memobase Pro App
Die Endress+Hauser Memobase Pro App und das Liquiline Mobile CML18 Handmessgerät eignen sich für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen, darunter Chemie, Pharma, Lebensmittel und Getränke, Energieerzeugung und Wasseraufbereitung. Die App ist kostenlos sowohl für iOS- als auch für Android-Geräte verfügbar und kann auf Smartphones und Tablets gleichermassen genutzt werden.
Status und Betriebsdaten von installierten Memosens-Sensoren werden mit dem Liquiline Mobile CML18 Handmessgerät und der Memobase Pro App überprüft. (Bild: Endress)
Wichtig für zuverlässige Messwerte sind ausserdem regelmässige Sensorkalibrierungen, insbesondere von pH-Sensoren. Führen Anwender die Sensorkalibrierung mit Hilfe eines Liquiline Mobile CML18 aus, können sie sich von der Memobase Pro App Schritt für Schritt durch den Kalibierprozess führen lassen. Gleichzeitig dokumentiert die App alle Kalibrierungen lückenlos und rückführbar – inklusive der verwendeten Referenzlösungen. In Memobase Pro wurde der Import der Referenzlösungsdaten, die von Endress+Hauser hergestellt wurden, sehr elegant gelöst: Auf den Flaschen ist ein QR-Code abgedruckt, den die Anwender mit der Smartphone-Kamera scannen können. So werden in Sekundenschnelle alle Daten, wie Seriennummer, Zielmesswert, Haltbarkeit usw. in die App importiert. Über eine ma -
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nuelle Eingabe können selbstverständlich auch die Daten von Referenzlösungen anderer Hersteller in Memobase Pro hinzugefügt werden. Interessierte, die aus ihrem Smartphone ein smartes Messsystem machen wollen, finden hier weitere Informationen sowie die Links zum Google Play Store und zum Apple App Store, um die Memobase Pro App kostenfrei herunterzuladen: https:// eh.digital/3EcSjzT
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BIS ZU
Entwicklung von Anlagen: Maximale Effizienz, minimale Fehlerquote
Prozessdesign beschleunigen
Die Entwicklung von Prozessanlagen in der Chemie-, Pharma-, Biotech- und Lebensmittelbranche ist zeitintensiv und fehleranfällig. Mit der neuen Software «AseptSoft» kann das Prozessdesign einfacher, flexibler und viel schneller ausgelegt werden. Das Add-on digitalisiert sämtliche Designschritte und erleichtert die Arbeit von Prozessdesignern und -ingenieuren stark.
Hunderte ausgedruckte Seiten mit Notizen und bemalten Flussdiagrammen, über Monate andauernde Entwicklungsphasen: Verfahrenstechniker legen Prozesse weitgehend noch von Hand aus. Mitunter, da Rohrleitungs- und Instrumenten-Diagramme (P&ID) oft mit verschiedenen Software-Tools erstellt werden und mehrere Akteure involviert sind wie zum Beispiel Anlageningenieure und Designmanager, die nicht über gemeinsame Tools verfügen.
Die manuelle Auslegung kann bei Anpassungen oder Änderungen – insbesondere in fortgeschrittenen Projektphasen – zum Albtraum führen. So müssen alle Prozessschritte von Neuem durchgegangen werden, was die Fehlerquote steigert und exponentielle Verzögerungen herbeiführt.
Fluid-Stream-Simulation in Echtzeit
Aseptconn setzt dieser Ineffizienz jetzt ein Ende. Das Unternehmen hat eine Spezialsoftware entwickelt, mit der die Prozessbeschriebe (nach Erstellung der P&ID’s) einfach und digital per Mausklick erstellt und Medienströme automatisch simuliert werden. Damit verleiht «Aseptsoft» (www.aseptsoft.ch), ein intelligentes Add-on für Autocad und Microsoft Visio, der Prozessentwicklung einen Schub.
Mithilfe der intelligenten Lösung werden Prozesse und Phasen, der Status von Ventilen und Instrumenten, Prozessvariablen und -parameter sowie Automationsalgorithmen definiert. In anderen Worten: Aseptsoft erkennt zum Beispiel den Status der Komponenten und berechnet darauf basierend automatisch die Flüssigkeitspfade. So sehen User, wo das Medium in Abhängigkeit der geschalteten Ventile durchfliesst und wo Systemfehler vorliegen – alles per Mausklick. Damit können verschiedene Fluid-Stream-Szenarien wie zum Beispiel eine Sterilisation je nach Ventilpositionen in vordefinierter Farbe dargestellt und vorab geprüft werden.
Anstelle eines einfachen P&ID sehen Sie drei Flüssigkeitsströme (blau, lila und grün), einen gefüllten Tank und einen hervorgehobenen (roten) Sensor, der zur Bestimmung der nächsten Phase verwendet wird. Alle Ventile im Flüssigkeitsstrom sind offen (grün) oder geschlossen (rot). (Screenshot: Aseptconn)
Da Modifikationen einen Einfluss auf vorher- und nachhergehende Prozessschritte haben, verursachten diese bis anhin bei von Hand erstellten Prozessbeschreibungen enorme Änderungsaufwände.
Prozessmodifikation leicht gemacht
Das geniale an Aseptsoft: Mit der Lösung lassen sich jetzt Anpassungen und Änderungen in jeder Phase bequem und ohne aufwändigen «Rattenschwanz» an Korrekturen durchführen. Die Software führt im Hintergrund alle Änderungen automatisch mit dem bestehenden Projekt zusammen, wodurch auch die Fluid-Stream-Simulation aktualisiert wird. Dies schafft nicht nur Übersicht über den aktuellen Entwicklungsstand, sondern ermöglicht einen dynamischeren Entwicklungsprozess, der dank minimiertem Papierverbrauch auch ökologischer ist.
«Mit AseptSoft können Anwender die Prozessalgorithmen, Parameter und Variablen definieren, Bedingungen auf Basis von Instrumenten definieren und die Betreiber- und Prozessanforderungen (URS) für die Automatisierung generieren.»
Sergio Cerenzia, COO und Inhaber von Aseptconn
Automatische Dokumentenerstellung
Ein schnelles und intuitives Interface unterstützt die Entwickler und Ingenieurinnen während jedem Projektschritt. Dazu gehören die Erstellung der Technischen Dokumentation und die Qualifizierung der Technischen Einrichtungen: Sowohl IQ- als auch OQ-Dokumente (Installation Qualifi -
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cation / Operation Qualification) werden automatisch generiert. Alle Prozessdaten werden in einer vom Benutzer modifizierbaren Tabelle gespeichert.
Unter dem Strich beschleunigt Aseptsoft die Designprozesse bedeutend Ein Projekt
One-Stop-Shop für Pharma und Biotech
Aseptconn verfügt über eine langjährige Erfahrung in der flüssigen Steriltechnik und beliefert die Prozessindustrie mit Komponenten, Systemen, Software und Dienstleistungen. Die Kombination eines umfassenden Portfolios in Verbindung mit gezielter Beratung und massgeschneiderten Services macht das Unternehmen mit Sitz in Die
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Eine neue Generation weichdichtender, zentrischer Ausführungsformen
Kosten- und energieeffiziente Absperrklappen
Der Ventilspezialist Gemü hat die bewährte Absperrklappe überarbeitet und bietet diese ab sofort als Redesign Gemü R480 Victoria an.
Ein spezialisiertes Team aus den Bereichen Konstruktion, Produktmanagement, Qualitätsmanagement und Produktion hat mit der Überarbeitung der Baureihe Gemü R480 Victoria eine Vielzahl technischer Details verfeinert und gleichzeitig die Gemü -Fertigungskompetenz weiter ausgebaut. Dank der Investitionen in die Inhouse Bearbeitungs- und Beschichtungskompetenz hat Gemü nun noch mehr Kontrolle über qualitätsentscheidende Produktionsprozesse.
Eigene Produktion für exakte Form- und Lagetoleranzen
In der hochautomatisierten Klappenproduktion bei Gemü Valves China werden die Klappenkörper in einer Aufspannung gefräst. So werden exakte Form- und Lagetoleranzen erreicht. Weiterhin besteht mehr Kontrolle über die Qualität der Absperrklappe, da diese im Unternehmen bearbeitet wird. Ein weiterer Vorteil der eigenen Fertigung ist, dass die Lieferzeiten flexibler sind und dadurch die Verfügbarkeit besser gesteuert werden kann.
Gemü ist mit seiner neuen Generation von Absperrklappen und zahlreichen weiteren bewährten und innovativen Produkten auf der Messe Pumps & Valves in Zürich vertreten. Besucher steuern am 25. und 26. Oktober 2023 Stand J37 in Halle 4 an.
Schlankes Scheibendesign für bessere Kv-Werte
Aufgrund der strömungsoptimierten und schlanken Scheibenkonstruktion erreicht die überarbeitete Gemü R480 Victoria Absperrklappe höhere Durchflussfaktoren. Damit wird der Druckverlust reduziert und die Absperrklappe ist energieeffizienter. Durch die gleichmässige Flächenpressung auf Achsen- und Wellenlagerung, erweisen sich die Absperrklappen als äusserst betriebskostensparend, da ein geringeres Drehmoment zur Betätigung nötig ist. Darüber hinaus reduzieren PTFE-beschichtete Stahlbuchsen im Achsen- und Wellenbereich die Drehmomente zusätzlich und helfen so, Kosten zu sparen.
Hochwertige Beschichtung für robuste Armaturen
Eine hochwertige Beschichtung fängt nicht erst mit der Auswahl oder dem Auftragen der Beschichtung an. Die Vorbehandlung, wie Sandstrahlen, Erwärmen und die Robotertechnologie sind weitere entscheidende Kriterien im gesamten Beschichtungsprozess. Im Wirbelsintern-Verfahren werden die Klappenkörper in ein Becken mit Epoxidpulver eingetaucht. Das Pulver schmilzt auf dem vorgeheizten Klappenkörper und vernetzt sich so zu einer robusten und beständigen Oberfläche. Mit einer Schichtdicke von mindestens 250 µm ist der Korrosionsschutz gemäss ISO 12944-6 C5M durchgängig – auch im
Manschettenbereich – gewährleistet. Die Haftung der Beschichtung auf dem Metall wird durch den Einsatz des WirbelsinternVerfahrens im Vergleich zur statischen Pulverbeschichtung deutlich verbessert.
Fortschrittlich in die Zukunft: vorbereitet für Industrie 4.0!
Ein weiteres Feature der Gemü R480 Victoria-Baureihe ist die technische Optimierung der Manschette für bessere Dichtheit. Zusätzliches Material im Sitz-, Achsen- und Wellenbereich sowie eine Nut in Durchflussrichtung zur formschlüssigen Fixierung verbessern die Rutschfestigkeit und Abdichtung der Absperrklappe. Ein Fixpunkt der Manschette am Klappenkörper ermöglicht einen einfachen Manschettenwechsel und das Ablesen des Manschettenwerkstoff auch in eingebautem Zustand. Zusätzlich ist, durch die Einführschräge an der Manschette, ein einfacher und fehlerfreier Austausch bei Instandhaltung oder nachträglichem Armaturenwechsel möglich. Die Baureihe Gemü R480 Victoria kann durch den identischen Antriebs -
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GEMÜ TYP R481 mit pneumatischem Antrieb, Pilotventil Typ 8500 und Endschalterbox Typ LSC. (Bild: Gemü)
GEMÜ TYP R487: manuell betätigte Absperrklappe mit solidem Handhebel. (Bild: Gemü)
flansch und die gleichen Einbaulängen eins zu eins die vorherige Baureihe Gemü 480 Victoria ersetzen.
Insgesamt überzeugen die neuen GemüAbsperrklappen durch servicefreundliche und austauschbare Komponenten, aber vor allem auch durch mehr Sicherheit und Effizienz. Gemü geht durch die Integration eines RFID-Chips allerdings noch einen
Schritt weiter und ist für Industrie 4.0 vorbereitet.
Mit Conexo bietet Gemü eine RFID-Systemarchitektur zur eindeutigen Identifikation von Verschleissteilen sowie der papierlosen Wartung und Prozessdokumentation. Dabei führt die Conexo App Monteure und Wartungstechniker Schritt für Schritt durch frei definierbare Wartungsworkflows.
Die neue Baureihe Gemü R480 Victoria gibt es in den unterschiedlichsten Nennweiten von DN50 bis DN 300 bzw. DN600 mit ihren zahlreichen Neuerungen kann ab sofort bei Gemü bestellt werden. Die neue Baureihe gibt es in folgenden Ausführungen:
• GEMÜ R480 Victoria mit freiem Wellenende
• GEMÜ R487 Victoria mit Handhebel oder Handgetriebe
• GEMÜ R481 Victoria mit pneumatischem Antrieb
• GEMÜ R488 Victoria mit elektromotorischem Antrieb
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Robuster Hand-Rasterhebel aus Aluminium-Druckguss und Sichtanzeige. (Bild: Gemü)
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Kompaktes System für das Labor und darüber hinaus
Mehr als ein Etikettendrucker
Ein System bestehend aus einem Drucker, speziell ausgelegten Etiketten und einer intuitiven Software –einschliesslich App – erleichtert die Arbeit im Labor, Büro und Feld. Das Beschriften und Verwalten von Proben und Reagenzien wird damit effizienter, übersichtlicher und rückverfolgbar.
«Wo stecken meine Proben? Vorgestern waren sie noch in diesem Fach.» Während ihre Finger kälter und kälter werden, sucht die Laborantin im Kühlschrank weiter «Endlich, da sind sie. Oder doch nicht? Nein, da sind keine Etiketten mehr dran!» – ein bekanntes Szenario. Oft erschwert der gemeinsame Gebrauch von Kühlschränken und Tiefkühlern das Auffinden von Proben. Diese wanderten im Fach an einen anderen Platz, landeten in einer anderen Box oder einem anderen Rack. Ein damit verbundenes Problem: Unlesbare Etiketten auf Reagenzien. Entweder sind sie zu klein, um alle Infos anzubringen, oder sie haben sich wegen Kälte oder Kondensation abgelöst.
Datenbank, QR-Codes und App
Eine kleine, aber feine Betriebsumgebung bestehend aus Drucker, Spezialetiketten und Datenbank schafft jetzt Abhilfe: Mit FLUICS erhält das Laborpersonal eine ef-
fiziente Verwaltungslösung für das Etikettieren und vereinfachte Auffinden von Beständen. Mit dem einfach zu installierenden und intuitiv zu bedienenden System werden auch smarte QR-Codes erstellt. Dies macht insbesondere Sinn bei Behältern mit Gefahrenstoffen, um Fehlidentifikationen zu vermeiden, oder bei Proben, die mit viel Aufwand hergestellt wurden oder teure Feinchemikalien oder Moleküle enthalten. Produzierende Einheit ist ein kompakter Etikettendrucker (15 x 20 x 24 cm), der via Desktop über den Browser oder mobil via Smartphone-App gesteuert wird. Zwei speziell dafür entwickelte Etikettentypen werden mithilfe der Etikettier-Lösung FLUICS Rapid Label oder der Verwaltungssoftware FLUICS Connect rasch an die eigenen Bedürfnisse angepasst. Die FLUICS Rapid Label Software bedarf keiner Registrierung und kann von jedem Labormitarbeiter über den Browser oder die App genutzt werden.
Live an der Ilmac
Das FLUICS-System wird am IlmacMessestand der infochroma ag im Live-Betrieb präsentiert: Halle 1.0, Stand C210
Robuste Spezialetiketten
Das weisse FLUICS Rapid Label haftet bei Temperaturen von -80 bis +100 Grad auf Glas-, Kunststoff- und Metalloberflächen. Alle gängigen Gefahrenpiktogramme und zusätzliche Identifikationen können auf dieses robuste Etikett gedruckt werden. In Sekundenschnelle erfolgt zum Beispiel der Druck schwarzer Gefahrenpiktogramme mit roten Rauten zusammen mit der Stoffbezeichnung auf das Etikett – sowohl GHS-, CLP- als auch TRGS201-konform. Das weisse Label ist beständig gegen Eis und aggressive Lösungsmittel wie Aceton oder Toluol – und ist ohne Lösemittel wieder ablösbar, was die Laborflaschen ohne grossen Aufwand wiederverwendbar macht.
Das gelbe FLUICS Connect Label ist wasserfest und weist eine hohe Beständigkeit gegen Alkoholbesprühung auf. Es wird bei extremen Temperaturen von -196 Grad bis +110 Grad in Kryolagern eingesetzt und haftet permanent. Auch auf nassen Oberflächen haftet dieses Etikett und eignet sich damit für den indirekten Kontakt mit Lebensmitteln gemäss FDA 21 CFR 175.105. Erhältlich ist das gelbe Label in verschiedenen Formaten, einschliesslich einem, welches das Anbringen der Histologie ermöglicht (für Mikroskop-Objektträger).
Mithilfe von FLUICS Connect wird via QRCode der Lagerort angegeben, was das Auffinden der Reagenzien einfacher macht und Doppelbestellungen verhindert. Zum
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Links: Wieder ablösbare Etiketten (Rapid Label), rechts: FLUICS Drucker und ultrapermanente Etiketten. (Bild: infochroma)
Einfach QR-Code Scannen: Die Software FLUICS Connect, mobil oder stationär, ist immer synchron und bietet umfangreiche Funktionen wie Inventarisierung oder Probenverfolgung. (Bild: infochroma)
Beispiel kann ein Rapid-Label-Gefäss zusätzlich mit einer Connect-Etikette versehen werden, um die Lagerverwaltung sicherzustellen.
Intuitive und flexible Datenverwaltung
FLUICS Connect ist das Herzstück des Systems. Mit der Software werden sowohl Proben und Lagerbestände rasch inventarisiert und rückverfolgt als auch die Probennahme im Feld vereinfacht. Etiketten werden intern in Ruhe vorbereitet und angebracht, um extern auf fertig etikettierte Gefässe zurückzugreifen. Nutzer pflegen die Daten über den Browser oder, unabhängig vom Standort, über die mobile App ein. Dem Personal steht damit überall eine flexible und via Cloud (EU-basiert) in Echtzeit synchronisierte Datenbank aller Proben zur Verfügung. Der Zugriff und die Aktualisierung der Daten – bei Wasserproben wären das «Ort», «Entnahmedatum», «Optische Beurteilung» oder auch «Analysenverfahren» – erfolgt über die an Gefässen oder Gegenständen angebrachten QR-Codes. Jedem in der Datenbank hinterlegtem QR-Code können Fotos zugeordnet werden. Dies ist etwa hilfreich, wenn der Zustand einer Probe oder eines Lagerorts visualisiert werden soll. FLUICS Connect ermöglicht das freie Anlegen von der Benutzeroberfläche mit den gewünschten Datenfeldern durch den Administrator. Darüber hinaus können Daten aus einer Exceldatei importiert und in eine Exceldatei exportiert werden.
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Kontinuierliche Messung auch bei Gas- und Luft-Einschlüssen im Medium
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Zukunftsweisender Edelstahlhandel
Die Hans Kohler AG ist eine eigenständige, unabhängige Handelsunternehmung mit Sitz in Zürich und Lagern in Dietikon. Seit über 100 Jahren widmet sich die Firma dem Handel von Edelstahl. Das Unternehmen liefert hochwertige Rohre und Rohrzubehör, die in den innovativen Feldern der Biotechnologie und Pharmaindustrie Anwendung finden.
Die Vertretung der Dockweiler AG durch die Hans Kohler AG in der Schweiz ermöglicht den Kunden einen vollen Zugang zu einem umfangreichen Lager- und Lieferprogramm. Dank wöchentlicher Sammellieferungen direkt ab Werk können auch Produkte, die nicht lagerhaltig sind, innerhalb eines Zeitrahmens von maximal 10 Tagen geliefert werden. Diese enge Zusammenarbeit gewährleistet, dass eine breite Palette hochwertiger Produkte angeboten werden kann.
Betreffend Werkstoffvielfalt bietet das Unternehmen eine breite Auswahl an nahtlosen oder geschweissten austenitischen Edelstahl-Rohren und Formteilen, je nach Durchmesser. Zusätzlich zeichnen sich diese Produkte durch eine Härte aus, die den folgenden Normen entspricht: maximal 180 HV gemäss DIN EN ISO 6507-1 und maximal 90 HRB gemäss DIN EN ISO 6508-1.
Rohre und Formteile zeichnen sich durch verschiedene Innenoberflächen aus, darunter metallblank (bf) H3* mit einer Rau -
heit von e0,80 µm (32 µin), anodisch gereinigt (ac) H3* mit einer Rauheit von e0,80 µm (32 µin) und elektropoliert (ep) HE3* mit einer Rauheit von e0,60 µm (24 µin). Diese unterschiedlichen Oberflächen erfüllen Hygieneklassen gemäss den Standards DIN 11866, 11865 und 11864, um höchsten Ansprüchen in Bezug auf Hygiene und Qualität gerecht zu werden. Der Import und Export von Halbzeug und Fertigprodukten für die Industrie und das Gewerbe umfasst das Kerngeschäft der Hans Kohler AG. Die Zweigniederlassung in Basel betreut die Kunden der Region Nordwestschweiz. Die Hans Kohler AG bietet ihren Kunden aus den Produktbereichen Bleche, Bandstahl, Stabstahl, Profile, Rohre, Rohrzubehör sowie in der Verbindungstechnik ein sehr umfangreiches Sortiment aus Inox. Mit dem Zukauf der Dynaflex Steel AG kann zusätzlich auch ein breites Portfolio an Reinnickel- und Nickelbasislegierungen angeboten werden sowie Zeichnungsteile nach Kundenwunsch in allen Varianten und Werkstoffgüten.
In den letzten Jahren wurden in Dietikon (ZH) ein modernes Zentrallager mit mehreren vollautomatischen Hochregallagern errichtet, um eine schnelle und effiziente Auftragsabwicklung garantieren zu können. Mit über 23 000 Artikeln an Lager, mehrheitlich von europäischen Lieferanten, werden kurze Lieferzeiten gewährleistet. Die hohe Lieferbereitschaft, das breite und tiefe Sortiment an korrosionsbeständigem Edelstahl sowie eine dauerhaft hohe Servicequalität zeichnen die Firma aus. Zusätzlich besticht sie durch Ihre Beratungskompetenz und die langjährigen Beziehungen zu renommierten internationalen Lieferwerken.
Hans Kohler AG
Sarah Berger
Marketingfachfrau
CH-8022 Zürich
mail@kohler.ch
www.kohler.ch
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Das macht die Hans Kohler AG seit über 100 Jahren aus
Pharma- und Biotech-Innovation braucht eine Menge hochwertigen und anwendungsspezifischen Edelstahl: Roche Penzberg – eines der grössten Biotechnologie-Zentren in Europa. (Bild: Roche)
Aus drei mach eins:
Gefahrstoffe effizient und nachhaltig lagern
Für die Lagerung von Gefahrstoffen waren bisher verschiedene Sicherheitsschranktypen notwendig. So gibt es spezielle Schränke für brennbare Flüssigkeiten, korrosive Stoffe und Giftstoffe. In der Praxis führt dies dazu, dass mehrere Sicherheitsschränke im Labor viel Platz rauben und teils nur zur Hälfte gefüllt sind. Der neuen Typ-90-geprüfte Multiriskschrank V-Classic-90 von asecos ermöglicht erstmals die uneingeschränkte, nachhaltige und sichere Lagerung vieler Gefahrstoffe direkt am Arbeitsplatz inklusive Brandschutz.
Dafür sorgen ein vollkommen neuer Schrankaufbau sowie ein integriertes, effizientes Lüftungssystem. Der gesamte Sicherheitsschrank ist aus feuerwiderstandsfähigen Materialien gefertigt und entspricht der Europäischen Norm DIN EN 14470-1. Er schliesst sich im Brandfall selbsttätig und bietet für mindestens 90 Minuten Schutz vor den eingelagerten Gefahrstoffen. Der Schrankinnenraum ist weitestgehend metallfrei und korrosionsbeständig. Auch Säuren und Laugen werden ebenfalls brandgeschützt gelagert und für sehr giftige Stoffe ist eine Giftbox integriert. Für einen Bedienkomfort mit uneingeschränktem Zugriff auf alle Gebinde verfügt der Multiriskschrank über zwei Vertikalauszüge, die Nutzer jeweils von beiden Seiten aus be- und entladen können.
Zugriff von beiden Seiten: So lässt sich ein Multiriskschrank komfortabel be- und entladen. (Bild: asecos)
Sicher, nachhaltig und kostengünstig
Ein wesentliches Prinzip des Lüftungsschemas: Gefahrstoffdämpfe werden sicher und gleichmässig auf jeder Lagerebene erfasst. (Bild: asecos)
Das Lüftungskonzept des neuen Multiriskschrankes geht über die Anforderungen der EN 14470-1 hinaus, und das SAS-System ermöglicht die dauerhafte Überwachung der technischen Entlüftung. (Bild: asecos)
Das Lüftungskonzept des Multiriskschrankes geht über die Anforderungen der EN 14470-1 hinaus. Der zentral an der Rückwand montierte Abluftkanal ermöglicht eine sichere und gleichmässige Absaugung jeder Lagerebene. Das ist besonders wichtig, da der Schranknutzer jederzeit selbständig entscheiden kann, wo im Schrank er die unterschiedlichen Gefahrstoffe lagern möchte. Um sicherzustellen, dass der ausreichende Luftwechsel dauerhaft gegeben ist und weder zu viel noch zu wenig Luft abgesaugt wird, ist der Multiriskschrank mit einem Sicherheits-Assistenz-System ausgestattet. Dadurch kann
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ein zu hohes Abluftvolumen und damit zu hoher Energieeinsatz direkt erkannt werden. Sicherheitsschränke sind aus Sicherheitsgründen 24/7 an ein Abluftsystem angeschlossen, was jedoch einen hohen Energieverbrauch und somit Kosten verursacht. Besonders, wenn für geringe Mengen verschiedener Gefahrstoffe drei separate Spezialschränke benötigt werden. Ein Multiriskschrank ersetzt diese, spart Platz und die Energiekosten reduzieren sich.
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Erweiterung von Team und Portfolio
a1-safetech AG firmiert um zu Safecontech AG
a1-safetech AG steht für das sichere Arbeiten mit hochaktiven Substanzen und Gefahrstoffen. Nach fast 20 Jahren unter dem Namen a1-safetech AG benennt sich die Firma aus Pratteln, Baselland, im September 2023 zu Safecontech AG um. Der neue Name Safecontech AG hebt den Geschäftszweck des Unternehmens hervor: Sicher mit hochwirksamen Substanzen und Gefahrstoffen in Containment Systemen umzugehen.
Zeitgleich mit der Namensänderung erweitert sich das Team um die Firmeninhaber Kurt Waldburger und Christian Weinmann. Verlässliche technische Unterstützung, Wartung und präventiver Service gewannen für a1-safetech AG über die Jahre an Bedeutung und so ist es nur konsequent, den technischen Support in den Bereichen Konstruktion, Service und Beratung zu verstärken. Mit der Vergrösserung des Teams geht auch eine Erweiterung des Portfolios in Richtung Isolatoren und einfacherer Containment Systeme einher. Dem jungen Team ist die Motivation, sichere Containment Lösungen zu schaffen, anzumerken. Dieser positive Drive verdeutlicht sich im Firmenmotto: «Alles, was nicht der Physik widerspricht, können wir umsetzen». Gerade die enge Zusammenarbeit verschiedener technischer und organisatorischer Disziplinen mit einem weiten Kompetenzkanon ermöglicht es, ungewöhnliche Lösungen zu finden und auch praxisgerecht umzusetzen. Durch Strömungssimulation konnte die mechanische Konstruktion im Kontaktbereich zwischen Containment und Anwender so gestaltet
werden, dass dort kein Stoffaustritt stattfindet. Für Pulver in verarbeiteten Mengen von 100g bestätigen arbeitshygienische Messungen niedrige Expositionswerte (OEL) von 1-100 ng/m3. Dieser Grad an Personenschutz konnte bislang nur mit geschlossenen Isolatoren erreicht werden. (Bild 1)
Transferprozesse von Wirkstoffen sind grundsätzlich fehleranfällig und bedürfen daher besonderer Beachtung beim Design eines Containments. Hier gilt es im Sinne eines sicheren Arbeitens, eine passgenaue Schnittmenge zwischen technischer Schutzmassnahme, Arbeitsorganisation, kollektiven Schutzmassnahmen wie Unterweisung, Betriebsanweisung und letztlich persönlicher Schutzausrüstung zu finden. In diesem komplexen Umfeld erstellt a1safetech massgeschneiderte Containment Systeme. Massgeschneidert bedeutet für das Team um Christian Weinmann und Kurt Waldburger, die Anforderungen an die notwendigen Schutzmassnahmen im Kundenlabor zu erfassen, das organisatorische Umfeld zu bewerten, Hinweise zum sicheren Umgang mit Wirk- und Gefahrstoffen zu geben und aus diesen Vorinformationen Containment Systeme zu entwickeln. Zusammen mit den Benutzern werden in einem mehrstufigen Findungsprozess Vorschläge erarbeitet, Arbeitskonzepte an Funktionsprototypen ergonomisch und arbeitshygienisch erprobt und angepasst. Das so erstellte Produkt wird in Werkstätten von Partnerfirmen gefertigt, vom Anwender abgenommen und schliesslich in der Fertigungsstätte und danach im Anwenderlabor qualifiziert.
Dieser Prozess klingt aufwändig – und in der Tat: die Applikationsentwicklung für eine sichere Handhabung von Wirk- und Gefahrstoffen ist aufwändig!
In den ersten Jahren nach der Gründung 2005 wurden zunächst Containment Systeme für das sichere Wiegen im Labor vertrieben. In dieser Zeit wurden nahezu alle grösseren Laboratorien der Schweiz mit Wägekabinen von a1-safetech ausgestattet. Mit der steigenden Zahl an Nutzern nahm auch der Bedarf an Schulungen und Einweisungen zu. Im Verlauf der 20-jährigen Firmengeschichte hat die a1-safetech AG mehrere tausend Mitarbeiter trainiert und geschult. Dabei wurde von Beginn an ein hoher Wert auf Übung durch Anschauung und Praxistauglichkeit gelegt. 2007 wurde das bis dato grösste Entwicklungsprojekt von a1-safetech angestossen. Für eine galenische Entwicklungsabteilung sollte ein Konzept erstellt werden, um 30 verschiedene Apparaturen bei einer Gefährdungsstufe von OEB5 einzuhausen. Die Frage nach Ergonomie und Effizienz bei hoher Sicherheit stand im Vordergrund. Die Lösung bestand in der Konstruktion fahrbarer Tische, die als Ganzes in ein mit einer Absaugung ausgestattetes Containment ein- und ausgefahren werden können. Ein sicherer Wechsel der Einschubanlagen gelang durch eine automatisierte Befeuchtung der innenliegenden Oberflächen. Die Versorgungseinrichtun -
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Bild 2: Die Firmeninhaber der Safecontech AG in Aktion: Kurt Waldburger und Christian Weinmann evaluieren ein neues Projekt. (Bild: Safecontech)
Bild 1: Halbgeschlossenes Containment mit fahrbaren Einschubtischen für die galenische Entwicklung (OEB5). (Bild: Safecontech)
Bild 3: Strömungssimulation. Die Luftströmung ist in das Containment hineingerichtet. Rotfärbungen zeigen hohe Strömungsgeschwindigkeiten an. Turbulenzen an den Eintrittsöffnungen treten nicht auf. Ein Austritt von Wirkstoff kann als niedrig angenommen werden. Arbeitshygienische Untersuchungen bestätigen dies. (Bild: Safecontech)
gen der Apparate wurden unter den Einschubtischen ausserhalb des Kontaminationsbereichs angeordnet. Dabei erwies es sich als notwendig, die Hygieneanforderungen exakt zu formulieren und diese für jede Anwendung unabhängig durchzuführen. 30 verschiedene Apparatesysteme können so in 9 Containment Systemen wechselnd eingesetzt werden. (Bild 1) 2012 wagte das Management einen grossen Schritt und übernahm im Rahmen eines Management buy outs die a1-safetech AG von der britischen Mutterfirma. Kurz darauf fand auch ein Umzug aus dem zu eng gewordenen Firmensitz im Zentrum von Muttenz nach Pratteln statt. Dort – im Gebäude eines europaweit agierenden Logistikunternehmens – steht nun ein grosser Bürobereich, vor allem jedoch Montageflächen und Lagerräume mit angeschlossener externer Logistikexpertise zur Verfügung. Am neuen Standort wurde intensiv in die Ausbildung, Ausstattung und Bindung der Mitarbeiter investiert. Das familiär und inhabergeführte Unternehmen legt grossen Wert auf langfristige Zusammenarbeit mit Mitarbeitern, Zulieferern und Kunden. Kurt Waldburger und Christian Weinmann bestätigen: «Darauf gründet unser Erfolg». Ein grosser Wurf gelang dem Team der Safecontech AG mit der Konzeption einer neuartigen Wägekabine SBE in 2020. Die Anforderungen an ein sicheres Wägen klingen zunächst einfach: Anwenderschutz im Betrieb, Ergonomie des Arbeitsplatzes mit niedriger Geräuschemission, Reinigung nach Betrieb, stabiles Wägen, niedrige Kosten für Wartung und Installation, einfache Montage und Demontage.
Bild 4: Neuentwickelte Wägekabine SBE. Gut zu reinigende Oberflächen, hohe Wägestabilität durch massegedämpftes Dreibeinuntergestell und niedrige Geräuschbelastung (letzteres im Bild leider nicht darstellbar –und live nicht zu hören). (Bild: Safecontech)
Die langjährige Erfahrung in der Konstruktion und Herstellung von Wägekabinen machte sich bei der Neukonstruktion der SBE (Safety Balance Enclosure) bezahlt: Die Kabine ist aus Glas gefertigt und kann gut mit gängigen Reinigungsmitteln gereinigt werden. Das Untergestell der Kabine besteht aus einem schwingungsgedämpften Fuss auf einer Dreibeinunterlage. Ein perfekter Stand der Waage ist garantiert. Hohe Querschnitte der Absaugleitungen sorgen für niedrige Absauggeschwindigkeiten mit wenig Turbulenzen und daher mit einer niedrigen Geräuschemission von 48dBA. Das Konzept dieser Wägekabine ist in der Anwendung derart überzeugend, dass schneller bestellt wurde als gefertigt werden konnte. Namhafte Pharmafirmen im Grossraum Basel haben ihre neu errichteten Laborräume ausschliesslich mit dieser Wägekabine ausgestattet. (Bild 4)
Mit der Umfirmierung zu Safecontech AG beginn nun der nächste Schritt. Der neue Name soll dabei die Eigenständigkeit und Unabhängigkeit vom ehemaligen Mutterkonzern unterstreichen und spezifisch auf die Haupttätigkeit des Unternehmens hinweisen. Unser Ziel, das Arbeiten im Labor und Technikum ergonomisch und sicher zu gestalten, wird uns auch unter neuem Namen Safecontech AG leiten.
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Module Type Package treibt Wandel zu modularen Prozessen
Dosiereinheit: top integriert wie ein Drucker
Der Wandel von statischen hin zu flexiblen, modular aufgebauten Anlagen ist in der chemischen und pharmazeutischen Industrie bereits in vollem Gange. Nun stehen auch Technikum und Labor im Fokus dieses Wandels. Wirkungsvolle Katalysatoren stellen dabei herstellerunabhängige Steuerungen und Kommunikationsprotokolle dar. Mit ihnen werden modulare Prozesseinheiten ausgestattet – ähnlich wie Drucker mit ihrem Druckertreiber.
So manches dabei kommt einem schon bekannt vor, wie etwa Module, die Aufgaben wie das Dosieren eines Mediums erledigen und dazu eine integrierte Sensorik mitbringen. Sie sind nach dem Baukastenprinzip und in zwei Kategorien – mit und ohne eigene Intelligenz – erhältlich. Bei Modulen ohne eigene Steuerung werden alle Komponenten einzeln in das Prozessleitsystem eingebunden. Dies muss meist in zeitkritischen Phasen geschehen und kann, je nach Umfang des Moduls, bei der Inbetriebnahme lange dauern. Einfacher sind Lösungen mit eigener dezentraler speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS). Der Anbieter übernimmt bereits viel vom Engineering- und Installationsaufwand. Leider funktionieren die reibungslose Umsetzung und Einbindung in das eigentliche Prozessleitsystem immer noch über herstellerspezifische Kommunikationsprotokolle oder nur mit Steuerungen vom selben Hersteller. Hier geht das Module Type Package (MTP) einen entscheidenden Schritt weiter. Selbstverständlich gab es bereits viele Versuche von Standardisierungen, die häufig jedoch an Eigenlösungen von Herstellern oder Anwendern gescheitert sind. Nicht so bei diesem neuen Versuch, denn hier haben der Verband der Verein Deutscher Ingenieure (VDI), der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (VDE) und die Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (NAMUR) an einem Strang gezogen. Beteiligt waren gemeinsame Arbeitskreise von Modulherstellern, Steuerungsherstellern und Anwendern.
Maschinenlesbar und herstellerunabhängig
Das MTP-Konzept geht stark einher mit dem modularen Anlagenbau. Grundidee
So einfach wie das Einbinden eines Druckers: Dank des MTP-Konzepts lassen sich modulare Baugruppen, wie etwa eine Dosiereinheit, in ein übergeordnetes Steuerungs- und Managementsystem integrieren. (Bild: Almatechnik)
ist, dass unabhängige Module nach der Richtlinie VDI 2776 Process Equipment Assemblies (PEA, modulare Prozesseinheit) als eigenständige Einheiten aufgebaut sind. Jede solche PEA setzt eine bestimmte Prozessfunktion um. Nach der Richtlinie VDI/VDE/NAMUR 2658, in der das Module Type Package (MTP) spezifiziert wird, erhält jede PEA eine eigene Steuerung (z. B. eine SPS), auf der dezentral die Steuerungslogik dieser PEA ausgeführt wird. Nach aussen muss diese Steuerung einen OPC-UA-Server bereitstellen. Dieser besitzt eine sogenannte Open Platform Communications-Unified Architecture, einen Datenaustausch-Standard für eine plattformunabhängige, service-orientierte Architektur (SOA).
Über das MTP wird maschinenlesbar und herstellerunabhängig beschrieben, was auf der PEA bzw. dem OPC-UA-Server bereitgestellt wird. Die Erzeugung des MTP sollte möglichst aus einem Engineering-Tool während des PEA-Engineerings automa -
tisch generiert werden. Während des Anlagen-Engineerings werden dann die benötigten PEAs für die Anlage in einem übergeordneten Steuerungs- und Managementsystem (POL, Process Orchestration Layer) über das MTP importiert, instanziiert und verschaltet. Ein solches POL ähnelt in seinen Funktionalitäten einem Prozessleitsystem (PLS). Sofern klassische Leitsysteme die Möglichkeit bieten, MTPs zu importieren, in einer Anlagentopologie zu verschalten und in einer Runtime zu beobachten und zu bedienen, spricht man meist schon von einem POL.
Hersteller und Anwender ziehen an einem Strang
2021 hat die Dechema die Veranstaltung «Anlagenbau trifft modulare chemische Produktion» organisiert, um eine gemeinsame Dosier-PEA mit verschiedenen Herstellern und Anwendern der chemischen und pharmazeutischen Industrie zu definieren.
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Die Verantwortlichen bei Fink Chem+Tec waren von diesem Konzept unmittelbar überzeugt, haben für die MTP-Umsetzung einen Partner gesucht und in der Semodia GmbH gefunden. Diese Spezialistin für modulare Prozessautomation hat von Beginn an den MTP-Standard mitgestaltet und ist in allen relevanten Gremien wie der Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (NAMUR), dem Zentralverband Elektrotechnikund Elektronikindustrie (ZVEI), dem Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI) für die Standardisierung des Module Type Package und der NAMUR Open Architecture (NOA) vertreten.
Mithilfe der MTPControlEngine von Semodia wurden die Dosiermodule von Fink Chem+Tec MTP-fähig gemacht. Das bedeutet: Sie können (in ihrem Inneren) eine eigene Steuerung bergen und (nach aussen) OPC-UA-Server präsentieren. Der dabei erzeugte Steuerungscode kann sowohl auf konventionellen «grossen» SPSen laufen als auch die Welt der eingebetteten Systeme eröffnen, also der kleinen Funktionseinheiten mit einem oder wenigen Mikroprozessoren. Der integrierte OPC-UAServer wird automatisch initialisiert, um die Software, ebenso automatisch, in einen POL zu integrieren.
Dosiermodul vom MTP-Pionier
Die Fink Chem+Tec GmbH, war damit der erste Hersteller am Markt, der ein Dosier-
modul vollständig mit MTP umgesetzt hat. Auf der Hannover Messe und der Achema 2022 zeigte das Unternehmen zwei mit einem Extraktionsmodul kombinierte Dosiermodule. Alle drei Module laufen mit der MTP-ControlEngine von Semodia. Mit einem ebenfalls von Semodia zur Verfügung gestellten MTP kann jedes dieser Module innerhalb weniger Minuten vollautomatisch in ein POL integriert werden, um den Dosier- bzw. Extraktionsdienst zu starten.
Für diese einfache und schnelle Integration wird häufig der Vergleich zum Druckertreiber herangezogen. Er trifft den Nagel auf den Kopf. Jedes Modul wird durch den Hersteller bereits vollständig in Betrieb genommen und somit einsatzbereit mit dem «Treiber» ausgeliefert. Der Anwender lädt diese MTP-Datei, den Treiber, in seine POL und kann direkt starten.
Der Dosierdienst ist so aufgebaut, dass er alle Funktionalitäten der Pumpe gekapselt nach aussen bereitstellt. Über die zwei Prozeduren «Dose_Continuous» und «Dose_Batch» ist es möglich, den Dienst für eine kontinuierliche Dosierung auszuführen oder mit einem festgelegten Volumen über eine festgelegte Zeit zu dosieren. Die Sollwerte werden über Prozedurparameter des Diensts eingestellt. Die integrierte Sensorik im Modul überwacht und regelt Druck und Volumenstrom kontinuierlich. Bei Fehlern, wie zum Beispiel zu hohem Druck oder zu geringem Durchfluss, geht der Dosieren-Dienst automatisch in einen Fehlerzustand. Die
Ventile an Ein- und Ausgängen schliessen das Modul dann ab und gewährleisten einen sicheren Zustand des Moduls.
Flexibel und modular einsetzbar
Neben Diensten und Parametern, die herstellerunabhängig im MTP beschrieben sind, wird auch ein Bedienbild für das Modul im MTP beschrieben. Nach Import der MTP-Datei in ein beliebiges Leitsystem erfolgen innerhalb weniger Minuten die Integration und der komplette Steuerzugriff auf das Bedienbild und die Dienste. Somit ist das Modul vielseitig und flexibel völlig modular einsetzbar. Vorteile ergeben sich vor allem für Anwendungen, bei denen häufig umgebaut werden muss, die Integration in ein Leitsystem für ein Zusammenspiel verschiedener Module aber unabdingbar ist. Nach dem Prinzip «Plug and Produce» wird einfach ein neues Dosiermodul eingesetzt, eine neue MTP-Datei geladen und fertig. Auf der Bedienoberfläche ist kein Unterschied festzustellen, sodass man mit angepassten Parametern der Anlage wie gewohnt weiterarbeiten kann – die MTP-Schnittstelle macht es möglich.
Die Experten bei Fink Chem+Tec GmbH gehen nicht davon aus, dass es zukünftig das eine Dosiermodul für jede Anwendung geben wird. Zu breit gefächert sind die Anwendungsmöglichkeiten. Das Unternehmen wird daher getreu dem Motto «Pumpen exakt nach Ihren Bedürfnissen» sehr individuelle, auf den Anwendungsfall zugeschnittene Dosiermodule entwickeln und anbieten. Die MTP-Anbindung wird ausser für die Dosierpumpen auch für die Förderpumpen der Fink Chem+Tec GmbH erhältlich sein. Aus Anwendersicht ergibt sich damit das folgende Vorgehen: Aufbau in Labor oder Technikum wie gewohnt planen und alle Spezifikationen zum Dosieren dem Partner Fink Chem+Tec mitteilen; dieser konzeptioniert dann ein fertiges Modul.
Almatechnik TDF AG
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Plug and Process: Dosier- und Extraktionsmodule arbeiten selbst bei häufigen Umbauten reibungslos zusammen und lassen sich vor allem in der jeweils neuen Konstellation wieder schnell in das Steuerungs- und Managementsystem einbinden. (Bild: Almatechnik)
Neue inverse Designmethode
Beschleunigte Entwicklung von Brennstoffzellen
Am Toyota Research Institute of North America entwickeln Brennstoffzellenforscher eine simulationsgestützte Methodik, die den Automobilhersteller seiner Vision von einer globalen «Wasserstoffgesellschaft» näherbringt.
Das Toyota Research Institute of North America (TRINA) hat eine neue simulationsgestützte inverse Designmethode entwickelt, um den Forschungs- und Entwicklungsprozess für BrennstoffzellenFlussfeldplatten zu beschleunigen. Die Methodik legt wichtige Leistungsziele fest und leitet Algorithmen an, strukturelle Strömungsfeldformen zu erzeugen, die diese Ziele erfüllen. Das TRINA-Team hat diesen Ansatz entwickelt, indem es die COMSOL Multiphysics®-Software in seinen inversen Design-Workflow integriert hat.
«Wir glauben, dass der Ansatz des inversen Entwurfs die derzeitige Entwurfspraxis revolutionieren kann», sagt Yuqing Zhou, Forschungswissenschaftler bei TRINA.
«Wir ermöglichen den nächsten Schritt auf einer langen Reise, auch wenn wir nicht genau wissen, wohin diese Reise führen wird.» Sein Team wandte seine Methode auf die Gestaltung von StrömungsfeldMikrokanalplatten an, die die Bewegung von flüssigen Reaktanden in Mikroreaktoren wie Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen steuern.
TRINA ist Teil eines grossen Netzwerks von Toyota-Forschungsteams, die an der Entwicklung einer «Wasserstoffgesellschaft» arbeiten, in der mit fossilen Brennstoffen betriebene Motoren, Heizsysteme und Generatoren durch Brennstoffzellen ersetzt werden, die elektrischen Strom aus Wasserstoff gewinnen.
«Die Brennstoffzellentechnologie hat das Potenzial, weltweit saubere Energie zu liefern», sagt Margaret Lemus, VP of Marketing bei COMSOL. «Um dies zu erreichen, muss die Technologie effizienter werden, und die Optimierung der Designs ist ein wichtiger Schritt. Es ist spannend zu sehen, wie die Simulation den Forschern die Möglichkeit gibt, verschiedene Optionen zu untersuchen und fundierte Entscheidungen zu treffen, die zu effizienteren Brennstoffzellen-Designs führen können.»
Optimierung von Designs für Strömung, Reaktion oder beides Während ihrer Forschung erkannten Zhou und seine Kollegen, dass sie ihren Entwurfsprozess optimieren mussten, bevor sie ihre Entwürfe optimieren konnten. «Wir waren auf der Suche nach einer effizienten Methode zur Annäherung an das, was eine komplexere Simulation zeigen würde. Wir haben einen Teil der Modellierungskomplexität geopfert, was es uns ermöglicht, komplexere Designs in kürzerer Zeit zu untersuchen», sagt Zhou.
Bei der Optimierung des Designs für die Flüssigkeitsströmung waren die erzeugten Mikrokanalpfade gerade und parallel und wiesen kaum Seitenverzweigungen auf. Wenn die Gewichtungsfaktoren in der Zielfunktion angepasst wurden, um der Gleichmässigkeit der Reaktion Vorrang zu geben, erzeugte die Methode komplizierte Mikrokanalformen.
Simulationsergebnisse aus dem Modell des TRINA-Teams, die die Druckverteilungen zeigen, die sich aus vier verschiedenen Designs von Strömungsfeldern ergeben. (Bild: TRINA)
In einem Beitrag, der im Chemical Engineering Journal veröffentlicht wurde, weist das TRINA-Team auch darauf hin, dass in der Vergangenheit bereits mit natürlich aussehenden, fraktalen oder hierarchischen Formen experimentiert wurde, die a priori für Strömungsfeldkanäle ausgewählt wurden. Zu den Forschungsergebnissen von TRINA sagt Zhou: «Dies ist das erste Mal, dass solche grossflächigen verzweigten Strömungsfelder mit einem inversen Designansatz entdeckt wurden, ohne von vorgegebenen Layouts auszugehen.»
Lernen Sie mehr über Innovationen von Toyota im Bereich Brennstoffzellen in der COMSOL User Story Gallery:
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Prototyp einer metallischen Strömungsfeldplatte, der auf einem der vom Trina-Team entwickelten Designs basiert. (Bild: TRINA)
Herstellung komplexer 3-D-Mikrogewebe
Bio-Strukturen drucken
Mit der Einführung eines neuen biokompatiblen Hydrogelharzes soll eine neue Ära im Bereich Bioprinting eingeläutet werden. Das zweistufige 3-D-Drucken von Organ-on-Chip-Modellen mit eingekapselten lebenden Zellen wird erstmals möglich.
Das neuartige Harz ermöglicht den 3-DDruck mit Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) von der Mikro- bis zur Mesoskala in höchster Auflösung. Dank der Reaktivität und der einfachen Verarbeitung des BioMaterials sollen jetzt komplexe und vielseitige Organ-Designs oder Lab-on-chip-Designs realisierbar werden. Entwickelt wurde das neue Material «Hydrotech Inx U200» vom belgischen Materialspezialisten Bio Inx in Kooperation mit der österreichischen 3-D-Drucker-Hersteller UpNano. Gemeinsam mit dem zellkompatiblen Hydrogel «Hydrobio Inx U200» auf Gelatinebasis, dem gemäss Hersteller ersten kommerziell erhältlichen Bio-Material mit Zellinteraktivität (einer hochauflösenden Kombination mehrerer biokompatibler Materialien), ermöglicht das neu eingeführte Harz die Herstellung vielseitiger Modelle auf einem Chip.
Mikrometergenaue Strukturen
Die ständig wachsenden Möglichkeiten des Bioprinting werden erst durch stete Weiterentwicklungen der 3D-BioprintingTechnologien möglich. Dabei zeichnet sich die 2PP dadurch aus, dass sie das gesamte Spektrum biologischer Dimensionen mit einer Drucktechnologie abdeckt: Submikrometer-Auflösung in Kombination mit der Fähigkeit, Objekte in Zentimeter-Dimensionen (Makro-Skala) zu drucken. Um das volle Potenzial des neuartigen Bio-Materials zu nutzen, ist ein moderner, hochauflösender 3D-Drucker erforderlich. Hier soll die «NanoOne 2PP»-Druckerreihe von UpNano die derzeit beste Wahl bieten. Diese soll speziell für den Druck mit lebenden Zellen unter sterilen Bedingungen geeignet sein.
Während das Hydrotech-Bio-Material für die hochauflösende Herstellung von bio-
Kombinierte Bio-Materialien ermöglichen den hochauflösenden 3-D-Druck komplexer Bio-Strukturen. (Bild: UpNano)
inerten, aber biokompatiblen Mikrostrukturen optimiert ist, ist das Hydrobio-BioMaterial ein wasserlösliches, natürliches Hydrogel, das den direkten Transfer von Zellkulturen aus 2D-Kulturplatten in komplexe 3D-Strukturen ermöglicht. Es wurde speziell für die Verkapselung verschiedener Zelltypen entwickelt und ermöglicht so die Herstellung komplexer 3D-Mikrogewebe.
Leberläppchen oder Darmzotten
Die Herstellung von Labs-on-a-Chip wird nun mit einer neuen Präzision und eingebetteten lebenden Zellen möglich. Oberflächenstrukturen, die natürlichen Geweben ähneln (biomimetische Strukturen), wie zum Beispiel Leberläppchen oder Darmzotten, können nun in einem mikrofluidischen Kanal auf einem Chip erzeugt und anschliessend direkt mit lebenden Zellen in verschiedenen Dichten besiedelt werden.
www.upnano.at https://bioinx.com
61 9–10/2023 P UBLIREPORTAGE L&R Kältetechnik GmbH & Co. KG Hachener Straße 90 a-c 59846 Sundern-Hachen Tel. 02935 9652 0 info@lr-kaelte.de www.lr-kaelte.de INDUSTRIEKÄLTEANLAGEN STEUERUNGSTECHNIK H2O-TECHNOLOGY TIEFTEMPERATURTECHNIK KÄLTETECHNIK EINSATZFÄLLE FÜR EXTREME
Zink-Batterie hat doppelten Wirkungsgrad und produziert Wasserstoff
Zur Überbrückung von Dunkelpausen
Auch im Winter mit Solarstrom heizen – solang jedoch effiziente Speichertechnologien fehlen, bleibt die Abkehr von fossilen Energieträgern eine Herausforderung. Ein Forschungskonsortium unter der Leitung des Fraunhofer IZM entwickelt eine neuartige und kostengünstige Zink-Batterie, die nicht nur als Langzeitspeicher von Energie, sondern auch zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann.
Olga Putsykina
Die Speicherung grüner Energie stellt den globalen Norden vor grosse Herausforderungen. Während erneuerbare Quellen wie die Wind- und Sonnenenergie immer wirtschaftlicher werden, fehlt es bisher an kostengünstigen und effizienten Speichertechnologien, die gesamte Länder über längere Zeit mit grüner Energie versorgen könnten. Zudem entstehen durch die fluktuierende Natur von Wind- und Sonnenenergie Schwankungen in der Stromerzeugung, so genannte Dunkelpausen, die aktuell durch den Einsatz konventioneller Kraftwerke ausgeglichen werden. Das führt dazu, dass eine doppelte, energieaufwändige Infrastruktur dauerhaft instandgehalten werden muss, fossile Brennstoffe weiterhin eine wichtige Rolle spielen und damit die Umstellung auf erneuerbare Energien erschwert wird.
Langlebige Batterie für Langzeitspeicherung
Ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und den Firmen Zn2H2 GmbH und Steel Pro Maschinenbau GmbH setzt im Projekt «Zn-H2» auf innovative Lösungen,
grüne Energie zu speichern. Die Vision ist es, eine langlebige Batterie aufzubauen, die explizit für die Langzeitspeicherung geeignet ist: Ausgehend von bereits bekannten Lösungen im Batteriebereich mit ZinkAnode kombinieren die Forschenden diese Technologie mit der alkalischen WasserElektrolyse und entwickeln eine neuartige Speichertechnologie. Anders als herkömmliche Lithium-Akkus sind Zink-Speicher
nämlich wesentlich kostengünstiger, verwenden leicht verfügbare Rohstoffe (Stahl, Zink, Kaliumhydroxid) und sind recycelbar. Ein weiterer Clou: Sie ermöglichen die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff. Schlussendlich sollen also elektrisch aufladbare Wasserstoffspeicher entwickelt werden, die Energie in Form von metallischem Zink speichern und bedarfsgerecht Elektrizität und Wasserstoff bereitstellen.
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Das Zink-Wasserstoff Speichersystem kann zu einem Zehntel der Kosten von Lithium-Batterien produziert werden und speist bedarfsgerecht Wasserstoff in den Energiekreislauf. (Bild: Zn2H2)
Ausgehend von bereits bekannten Lösungen im Batteriebereich mit Zink-Anode kombinieren die Forschenden diese Technologie mit der alkalischen Wasser-Elektrolyse und entwickeln eine neuartige Speichertechnologie. (Bild: Adobe Stock)
Dr. Robert Hahn vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration
IZM koordiniert das Projekt und erklärt, was auf chemischer Ebene in der Batterie passiert: «Während des Aufladens oxidiert Wasser in der Batterie zu Sauerstoff, gleichzeitig wird Zinkoxid zu metallischem Zink reduziert. Bei der bedarfsgerechten Entladung der Speicherzelle wird das Zink wieder in Zinkoxid umgewandelt. Das Wasser wird wiederum reduziert, so dass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt wird. Es entsteht eine einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoff-Herstellung mit einem Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von 50 Prozent, womit wir die alternative und zurzeit favorisierte Powerto-Gas-Technologie doppelt übertreffen». Da die Materialkosten weniger als ein Zehntel eines Lithium-Akkus betragen, eröffnet sich hier eine wirtschaftlich attraktive Perspektive zur Speicherung grüner Energie.
Grosse Langzeit- und Zyklenstabilität
Im Labor konnten die Forschenden das Grundprinzip des neuen Systems bereits unter Beweis stellen und untersuchten anhand von Einzelzellen Wirkungsgrade und die Stabilität der Ladezyklen. Nun steht der nächste Schritt an: Bis zum Jahresende soll ein Demonstrator entstehen, dessen Betriebsführung in einem Teststand erforscht wird. Final sollen acht Zellen mit einer Kapazität von zirka 12 Volt und 50 Ampere-Stunden elektrisch verbunden werden. Als kostengünstige Produktionstechnik für die grossflächige Herstellung des bifunktionalen Katalysators, an dem abwechselnd Wassersoff und Sauerstoff entsteht, demonstrieren die Forschenden die galvanische Abscheidung: Vorab wird mit Tests die Reproduzierbarkeit der Abscheidung untersucht.
Das Team am Fraunhofer IZM in Berlin ist verantwortlich für die Auslegung des Demonstrators, den Aufbau eines Teststands und die Durchführung der Zuverlässigkeitstests. Da diese Art von Zink-WasserstoffSpeichern bisher einmalig ist, musste auch eine entsprechende Testumgebung entwickelt werden. Dafür wird eine hochpräzise intelligente Steuerung entwickelt, mit der unterschiedliche Parameter angepasst und optimiert werden können. Die Crux dabei
war es, die Ladeparameter so anzupassen, dass über mehrere Tausend Zyklen ein stabiler Betrieb möglich ist. Bisher gibt es keine andere aufladbare Zink-Batterie, in der eine derartig grosse Langzeit- und Zyklenstabilität gezeigt werden konnte, da zumeist die Gefahr von Kurzschlüssen durch Zink-Dendriten oder schaumartige Zink-Abscheidung besteht. Die ersten Tests an Einzelzellen weisen bereits grosse Erfolge auf: Bei einer realistischen Nutzung in jahreszeitbedingten Dunkelpausen, aber auch bei der täglichen
Nutzung als Solarspeicher haben die preiswerten Katalysatoren eine Lebensdauer, die einen Betrieb von mehr als zehn Jahren erlauben würden. Bis zur finalen Industrietauglichkeit muss das System zwar noch einige Etappen des Up-Scaling durchlaufen, bereits jetzt hat die im Projekt assoziierte Firma Zn2H2 aber schon Patente angemeldet.
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Bis zu mehreren Millionen Liter chemische Dispersionsmittel werden ausgebracht, um Ölklumpen aufzulösen, Ölanschwemmung an Küsten zu verhindern und die Öldispersion im Wasser zu steigern. (Bild: Envato)
Chemische Dispersionsmittel können mikrobiellen Ölabbau verlangsamen
Ölkatastrophen mit Biotensiden bekämpfen
Können Biotenside den mikrobiologischen Ölabbau im Nordsee-Meerwasser steigern? Das hat ein internationales Forschungsteam der Universitäten Stuttgart und Tübingen sowie der China West Normal University und der University of Georgia untersucht – und sieht Potenzial für eine effektivere und umweltfreundlichere Bekämpfung von Ölkatastrophen.
Lydia Lehmann
Schätzungsweise 1500 Millionen Liter Öl fliessen pro Jahr in die Ozeane. Das führt zu einer Umweltverschmutzung von globaler Bedeutung, da Öl gefährliche Verbindungen wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, die giftig auf Lebewesen wirken oder deren Erbgut verändern können. Besonders verheerend sind Ölkatastrophen, bei denen in relativ kurzer Zeit grosse Mengen an Öl in die Meere austreten, etwa Unfälle von Tankern oder an Ölbohrplattformen wie 2010 bei Deepwater Horizon.
Eine vielversprechende Alternative
In solchen Katastrophenfällen werden routinemässig, je nach Ölmenge, bis zu mehrere Millionen Liter chemische Dispersionsmittel ausgebracht, um Ölklumpen aufzulösen, Ölanschwemmung an Küsten zu verhindern und die Öldispersion im Wasser zu steigern. Dadurch soll der mikrobielle Ölabbau erhöht werden. Spezielle Mikroorganismen, die weitverbreitet in der Natur vorkommen, können sich nämlich von Rohölbestandteilen ernähren und bauen diese zu harmlosen Stoffen ab. Durch diese besondere Fähigkeit der Mikroben
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werden ölkontaminierte Gebiete natürlich gereinigt.
«In einer im Jahr 2015 veröffentlichten Studie aus den USA haben wir jedoch gezeigt, dass – anders als erhofft – chemische Dispersionsmittel im Tiefseewasser aus dem Golf von Mexiko den mikrobiellen Ölabbau verlangsamen können», sagt Professorin Sara Kleindienst, bis Juni 2022 an der Universität Tübingen und jetzt an der Universität Stuttgart. «Seitdem wird das Thema kontrovers diskutiert und es gibt bislang keine einfache Antwort darauf, wie Ölkatastrophen am besten zu bekämpfen wären.»
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zurück ins Labor gebracht, wo die Mikrokosmenexperimente durchgeführt werden. (Bild: Saskia Rughöft)
Auf der Suche nach umweltfreundlicheren Methoden zur Bewältigung von Ölkatastrophen könnten Biotenside eine vielversprechende Alternative zu chemischen Dispersionsmitteln sein. Biotenside werden durch Mikroorganismen gebildet und können bewirken, dass Ölkomponenten leichter für den Abbau zugänglich werden. Der mikrobielle Ölabbau, der massgeblich für die Aufreinigung verantwortlich ist, kann dadurch gesteigert werden.
Experimente mit Meerwasser aus der Nordsee
Ein internationales Forschungsteam um die Umweltmikrobiologin Professorin Sara Kleindienst mit dem Geomikrobiologen Professor Andreas Kappler (Universität Tübingen) und der Biogeochemikerin Professorin Samantha Joye (University of Georgia) testete die Wirkung von Biotensiden und chemischen Dispersionsmitteln im Vergleich. Im Labor an der Universität Tübingen simulierten die Forschenden eine Ölverschmutzung. Für ihre Experimente entnahmen sie mehr als 100 Liter Oberflächenwasser aus der Nordsee, in der Nähe der Insel Helgoland. Das Meerwasser wurde entweder mit einem Biotensid Rhamnolipid oder einem Dispersionsmittel (entweder Corexit 9500 oder Slickgone NS), jeweils in Anwesenheit und Abwesenheit von Öl, behandelt.
Um den Abbau des Öls durch die Mikroorganismen im Detail verfolgen zu können, setzte das Forschungsteam radioaktive Markierungen ein. «Unsere Untersuchun -
gen mit radioaktiv markierten Kohlenwasserstoffen oder einer radioaktiv markierten Aminosäure zeigten, dass die höchsten mikrobiellen Raten der Kohlenwasserstoffoxidation und der Proteinbiosynthese in den mit Rhamnolipid behandelten Öl-Mikrokosmen auftraten», sagt Professorin Lu Lu, ehemals an der Universität Tübingen, jetzt an der China West Normal University. Auch die Auswirkungen auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften unterschied sich stark zwischen den Ansätzen mit Biotensiden im Vergleich zu jenen mit chemischen Dispersionsmitteln. «Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass der Einsatz von Biotensiden gegenüber chemischen Dispersionsmitteln andere mikrobielle Ölabbauer stimulieren kann, sowohl im Wachstum als auch in den Aktivitäten – und dies kann sich wiederrum auf den Reinigungsprozess nach Ölkatastrophen auswirken», sagt Lu. «Unsere Erkenntnisse legen nahe, dass Biotenside ein grosses Potenzial für den Einsatz bei zukünftigen Ölkatastrophen in der Nordsee oder in ähnlichen nährstoffreichen Habitaten im Ozean haben könnten», fügt Kleindienst hinzu. «Eine visionäre Weiterführung unserer Arbeit wäre die Entwicklung von Produkten, die auf Biotensiden basieren und die eine effektive und umweltfreundliche Bekämpfung von Ölkatastrophen leisten können.» Die Studie wurde in der Fachzeitschrift ACS ES&T Water veröffentlicht.
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Beprobung auf dem Schiff, um Meerwasser aus der Nordsee zu erforschen. Das Meerwasser wird in grosse Kanister gefüllt und gekühlt
Optimiertes Diagnostikverfahren
Brustkrebs mit 3D-Röntgen früher erkennen
Ein Forschungsteam des PSI, der ETH Zürich will zusammen mit dem Kantonsspital Baden und dem Universitätsspital Zürich ein Verfahren zur Brustkrebsdiagnostik verbessern.
Werner Siefer ¹
Frauen – aber auch Ärzte und Ärztinnen –können auf eine deutliche Verbesserung bei der Brustkrebsvorsorge hoffen. Einem Team von Forschenden des Paul Scherrer Instituts, der ETH Zürich zusammen mit dem Kantonsspital Baden und dem Universitätsspital Zürich ist es gelungen, das Durchleuchtungsverfahren zur Früherkennung von Tumoren so weiterzuentwickeln, dass es erheblich zuverlässigere Ergebnisse liefert und weniger unangenehm für die Patientin ist. Die Forschenden haben dabei die herkömmliche Computertomografie (CT) so erweitert, dass die Auflösung der Bilder bei gleicher Strahlendosis deutlich verbessert wird. So sind etwa kleine Einlagerungen von Kalk, sogenannte Mikrokalzifizierungen, die Tumore der Brust anzeigen können, potenziell früher als bislang erkennbar, was die Überlebenschancen von betroffenen Frauen erhöhen könnte. Nach Ansicht der Experten könnte sich das Verfahren auf Basis des Röntgenphasenkontrasts zügig in die klinische Anwendung bringen lassen. «Ein bisschen Zeit brauchen wir noch», bremst Marco Stampanoni, Forschungsgruppenleiter am PSI sowie Professor für Röntgenbildgebung an der ETH Zürich. «Aber wir haben mit unserer Arbeit einen wichtigen Schritt auf dem Weg dahin gemacht.»
Frühere Diagnose, bessere Therapie
2020 war Brustkrebs weltweit die am häufigsten diagnostizierte Krebsart mit über zwei Millionen Fällen. Bei Frauen macht er 24,5 Prozent der Krebsfälle und 15,5 Prozent der krebsbedingten Todesfälle aus. Als Vorsorge-Instrument dienen in vielen
Industrieländern Mammografie-ScreeningProgramme, welche die Sterblichkeitsrate nachweislich senken. Wie bei allen Tumoren, so gilt auch bei jenen der Brust: Je früher es eine gesicherte Diagnose gibt und die passende Therapie einsetzen kann, desto höher sind die Überlebenschancen. Jedoch ist umstritten, wie wirksam die Mammografie ist. Kontrollstudien stellten fest, dass nur 46 Prozent der im Screening entdeckten Verdachtsfälle tatsächlich Krebsfälle sind. Ein derartiger falscher Alarm hat für Betroffene grosse psychische Belastungen zur Folge, da es zwei bis drei Wochen dauern kann, bis das Ergebnis der Biopsie schliesslich Entwarnung bringt. Daneben übersieht die Mammografie 22 Prozent der tatsächlichen Fälle, wiegt Betroffene also in Sicherheit, obwohl sie erkrankt sind. Das ist noch gravierender, da wertvolle Therapie-Zeit verstreicht.
Der Grund für die Schwächen ist, dass Mammografie-Bilder selbst für Fachkräfte schwer zu lesen sind. Das weiche Gewebe der Brust bietet beim Röntgen nur einen begrenzten Kontrast. Zudem bleibt das komplizierte Innere der Brust bei zweidimensionaler Durchleuchtung oft unklar. Um für die Röntgen-Untersuchung über-
haupt zugänglich zu sein, muss die Brust stark zusammengedrückt werden. Für Frauen ist das häufig unangenehm, manchmal schmerzhaft, was dazu führt, dass manche nicht zur Vorsorge gehen.
Um bis zu 45 Prozent höhere Auflösung
Beim Röntgenphasenkontrast erweitern Forschende die Tumordiagnostik mit zusätzlichen physikalischen Informationen. Das heisst, sie ziehen Informationen zur Bild-Erstellung heran, die beim konventionellen Röntgen unberücksichtigt bleiben. Das sind die Signale, die bei der Brechung und der Streuung der Strahlen am biologischen Gewebe entstehen. Denn Licht, nichts anderes sind Röntgenstrahlen, wird bei der Passage von Strukturen unterschiedlicher Dichte nicht nur abgeschwächt, sondern auch gebrochen und gebeugt. Mithilfe dieser Informationen lassen sich sowohl der Kontrast der Bilder als auch deren Auflösung verbessern, kleinste Objekte sind leichter zu identifizieren. Die Forschenden nutzen eine Methode, die aus der physikalischen Messtechnik bekannt ist, die Gitter-Interferometrie (Grating-Interferometry, kurz: GI). Die Röntgenstrahlen passieren nicht nur das zu untersuchende
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Michal Rawlik, Erstautor der Veröffentlichung, und Marco Stampanoni hoffen, die Brustkrebsdiagnostik mit dem neuen Verfahren entscheidend zu verbessern. (Bild: Markus Fischer, PSI)
1 PSI
Vergleich der konventionellen Computertomografie mit den neuen GI- CT-Bildern. Die erhöhte Bildqualität des GI- CT zeigt sich besonders gut bei kleinen Merkmalen (siehe Pfeile). (Bild: Optica/X- Ray Tomography Group)
Objekt, sondern zusätzlich drei Gitter mit einem Linienabstand von wenigen Mikrometern, welche die zusätzlichen Informationen sichtbar machen. In der Fachzeitschrift publizierte die Arbeitsgruppe um Stampanoni mehrere Bilder, die die Vorteile der GI-Computertomografie in puncto Auflösung und Kontrast gegenüber dem herkömmlichen Röntgen deutlich belegen. Das dafür nötige Röntgenlicht lässt sich mit einer konventionellen Röntgenquelle erzeugen und entspricht etwa der Strahlendosis, die auch bei konventionellen Computer-Tomografien der Brust auftritt. «Unser Ziel ist eine Verringerung der Dosis um einen Faktor zwei bis drei bei gleichbleibender Auflösung oder eine Erhöhung der Auflösung um 18 bis 45 Prozent – jeweils im Vergleich zum herkömmlichen Röntgen», erklärt Physiker Michał Rawlik, erster Autor der Publikation und Mitglied des Forschungsteams rund um Stampanoni.
Mehr Komfort für KrebsFrüherkennung
Die Genehmigung von Swissmedic vorausgesetzt, planen die Forschenden mit dem Start von klinischen Versuchen zusammen mit den klinischen Partnern USZ und KSB bis Ende 2024. Bis dahin soll ein Prototyp des dazu notwendigen Gerätes einsatzbereit sein, mit dem erste Untersuchungen an Patientinnen stattfinden können. Für diese Testreihen planen die Forschenden
laut Stampanoni eine Projektdauer von ein bis zwei Jahren. «Falls alles wie geplant läuft, kann danach mit der Entwicklung des kommerziellen Geräts und Studien in ausgewählten Kliniken begonnen werden», so der Forscher.
Auch was den Komfort der Vorsorgemethode angeht, soll sich durch die Neuentwicklung einiges verbessern. Das Gerät wird so aufgebaut sein, dass die Patientin bäuchlings auf einer Liegefläche mit Aussparungen im Brustbereich ruhen kann. Darunter und von der Patientin abgeschirmt befindet sich der Tomograf, dessen Messeinrichtung um die Brüste rotiert und ein dreidimensionales Bild erstellt.
«Dank des Röntgenphasenkontrasts können feine Gewebedetails sichtbar gemacht werden», ergänzt die an der Forschungsarbeit beteiligte Rahel Kubik-Huch, Direktorin des Departementes Medizinische Dienste am KSB und Chefärztin Radiologie. «In diesem translationalen Projekt soll das Potenzial dieser Technik bei der Früherkennung von Brustkrebs ausgelotet werden. Das KSB ist daran interessiert, die Forschungskooperation mit dem PSI und der ETH Zürich weiter voranzutreiben. Die Hoffnung ist, dass dereinst unsere Patientinnen von diesen Fortschritten profitieren können.»
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Ventile und Schliessvorrichtungen ohne Sensoren ansteuern
Jede Stellung halten und sanft schliessen
Ein neues Verfahren ermöglicht, Ventile und Schliessvorrichtungen ohne zusätzliche Sensoren frei anzusteuern. Ein Metallkolben, ein winziger Chip und kleine Stromimpulse – das ist alles, was für die nachhaltige und kostengünstige Technologie benötigt wird. Der Kolben bewegt sich nach Belieben stufenlos langsam oder schnell hin und her, hält jede Stellung und landet auf Wunsch sanft am Anschlag. Die patentierte Ansteuerung kann über einen eigens entwickelten Chip in Systeme integriert werden.
Sie schliessen, öffnen, dosieren oder mischen: Magnetventile kommen millionenfach zum Einsatz, sei es in automatischen Schliesssystemen für Türen, in Geschirrspülern, Heizungs- und Druckluftanlagen oder in der industriellen Produktion etwa von Lebensmitteln. Sie sind an sich zwar schnell und zuverlässig, aber meist auch ziemlich unflexibel: Sie kennen standardmässig «auf» und – oft recht hart im Anschlag – «zu». Sollen sie sich jedoch langsam oder besonders schnell öffnen, eine bestimmte Stellung halten oder soft und geräuschlos am Anschlag landen, wird es teuer: In diesem Fall müssen zusätzliche Sensoren in das System integriert werden, was den Einbau von Technikkomponenten samt Kabelaufwand erfordert und die Sache kompliziert macht. Im Betrieb verbrauchen diese Sonderanfertigungen dann mehr Strom. Soll eine Schliessvorrichtung dabei eine Stellung halten, wie «auf» oder «zu» – wie bei mancher Brandschutztür –kann dies permanenten Stromverbrauch bedeuten, wobei in Summe einiges zusammenkommen kann.
Originalkomponenten von Hubmagneten nutzen
Komplett ohne weitere Sensoren kommt das nachhaltige Verfahren aus, das die Forschungsgruppe von Professor Matthias Nienhaus an der Universität des Saarlan -
des entwickelt hat. Vor allem bei Systemen, die permanent Strom brauchen, um eine Position wie «auf» oder «zu» zu halten, kann es den Energiebedarf minimieren. Alles, was das Verfahren benötigt, ist ein magnetisch leitfähiger Metallbolzen in einer Spule aus gewickeltem Kupferdraht und einen kleinen Mikrochip: «Wir brauchen nichts Zusätzliches. Wir nutzen nur die Originalkomponenten eines einfachen Hubmagneten», erklärt Nienhaus. Das
macht die Technologie auch in rauer Umgebung einsatzfähig. «Hier kommen Systeme, die auf Sensoren angewiesen sind, oft an ihre Grenzen, etwa wenn Öl oder Bremsflüssigkeiten ins Spiel kommen», sagt der Antriebstechniker.
Allein, indem sie den Strom auswerten, der durch die Spule fliesst, um den Ventilkolben zu bewegen, erkennen die Saarbrücker Forscher die Lage des Kolbens und können diesen schnell und zielsicher
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Ein Mikrochip enthält die Technologie, um Ventile und Schliessvorrichtungen ohne zusätzliche Sensoren frei anzusteuern. Doktorand Niklas König forscht im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität des Saarlandes an diesem Verfahren. (Bild: Oliver Dietze)
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ansteuern. Der Strom selbst liefert den Ingenieuren alle hierzu nötigen Informationen. «Wir überwachen hierfür die Induktivität. Dafür nutzen wir den zeitlichen Stromverlauf in der Wicklung, das heisst: Wir messen Spannung und Strom, schauen uns Schwankungen über einen bestimmten Zeitraum an, werten diese aus und beobachten darüber den magnetischen Zustand», erklärt Doktorand Niklas König, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an diesem Verfahren forscht.
Kolbenstellungen individuell programmieren
Der magnetische Zustand und damit die Stromschwankungen verändern sich je nachdem, wo sich der Kolben gerade befindet. «Dadurch wissen wir immer genau, wo er steht. Diese Lageerkennung macht es uns gleichzeitig möglich, den Bolzen effektiv und positionsgenau anzusteuern», erklärt König. Das heisst: Die Antriebstechniker können den Kolben nach Belieben langsam oder sehr schnell bewegen – oder zwar schnell, aber kurz vor dem Anschlag sanft. Dafür haben die Forscher Bewegungsabläufe modelliert und können mithilfe intelligenter Algorithmen die Kolbenstellungen individuell programmieren. Auch lässt sich so überwachen, ob eine bestimmte Stellung des Bolzens eingehalten wird, also zum Beispiel, ob das Ventil auch wirklich zu ist, was eine integrierte Sicherheitsüberprüfung möglich macht. Dies alles erweitert zugleich die möglichen Anwendungsbereiche der Technik.
Es ist ein elegantes Verfahren, das zugleich kostengünstig ist. «Unsere Technologie funktioniert aus einem Guss samt der dazu gehörenden Mikroelektronik», erläutert Nienhaus. Der Chip, den sie entwickelt haben, enthält die gesamte patentierte Technologie und übernimmt zentra le Teile der Ansteuerung. Er lässt sich verhältnismässig leicht einbauen und der Strombedarf ist relativ gering. «Im Gegen teil lässt sich hierdurch Strom einsparen. Während bei ungeregelten Systemen etwa das Halten eines Zustands permanent Be stromung bedeutet, was auch Akkus und Batterien schnell entleert, genügt hier für die richtige Stellung ein Stromimpuls. Für das Halten selbst benötigen wir nur mini male Energie», erläutert er.
Signale mithilfe neuer Methode glätten
Hinter all dem steht eine ausgeklügelte Technik. So sind etwa die Signale, die die Forscher aus der Spule erhalten, für sich gesehen alles andere als aussagekräftig, vielmehr sind sie stark verrauscht. «Wir glätten diese Signale mithilfe einer eigens entwickelten, patentierten Methode», erklärt Nienhaus. Die Antriebstechniker filtern die eigentlichen Messsignale heraus. «Man kann es in etwa damit vergleichen, als würde man bei einer Autofahrt, bei der
der Wagen mal schnell, mal langsam fährt, ständig die mittlere Geschwindigkeit berechnen», verdeutlicht er. Aus den Ergebnissen können die Forscher präzise rückschliessen, wo der Bolzen in der Wicklung steht. «Es entsteht ein praktisch unverrauschtes Messsignal. Und dieses können wir nutzen, um den Bolzen zu positionieren, sogar noch ein Stück ausserhalb der Spule», erläutert der Forscher.
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Mit enormer Haltbarkeit und Aktivität
Neue Materialien für die Biokatalyse
Die industrielle Biokatalyse mit Enzymen gilt als «Gamechanger» bei der Entwicklung einer nachhaltigen chemischen Industrie. Mithilfe von Enzymen kann eine eindrucksvolle Bandbreite an komplexen Molekülen wie pharmazeutische Wirkstoffe unter umweltfreundlichen Bedingungen synthetisiert werden. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun eine neue Klasse von Materialien entwickelt, indem sie Enzyme als Schäume hergestellt haben, die eine enorme Haltbarkeit und Aktivität besitzen.
Um das Gebiet der industriellen Biokatalyse, die vor allem bei der Herstellung von Pharmazeutika und Spezialchemikalien zum Einsatz kommt, weiterzuentwickeln, arbeiten Forschende intensiv an neuen
Prozesstechnologien. Bei der Biokatalyse beschleunigen Enzyme statt chemischer Katalysatoren die Reaktionen, damit lassen sich Rohstoffe und Energie einsparen. Ziel ist es nun, Enzym-Biokatalysatoren unter
möglichst schonenden Bedingungen kontinuierlich und in grossen Mengen bereitzustellen. Damit effiziente Stoffumwandlungen realisierbar sind, werden die Enzyme in mikrostrukturierten Durchflussreaktoren immobilisiert. Sie sind dabei räumlich fixiert und an ein reaktionsträges Material gebunden und somit eingeschränkt mobil, was zu einer höheren Konzentrierung der Enzyme und damit verbunden zu einer höheren Produktivität führt.
Aus selbstorganisierenden Enzymen aufgeschäumt
Normalerweise verändern Enzyme beim Verschäumen ihre Struktur und verlieren damit ihre biokatalytische Aktivität. Die neuen Proteinschäume haben aber eine enorme Haltbarkeit und Aktivität. Die Aktivität ist ein Mass für die Wirksamkeit des Enzyms, das dafür sorgt, dass Ausgangsstoffe möglichst schnell miteinander reagieren. Für die Herstellung der Proteinschäume werden zwei Dehydrogenase -Enzyme gemischt, die zueinander pas -
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Enzymschäume bilden dreidimensionale poröse Netzwerke mit stabiler hexagonaler Wabenstruktur. (Bild: Julian Hertel, KIT)
sende Verknüpfungsstellen tragen, sodass sie spontan ein stabiles Proteinnetzwerk ausbilden können. «Dieses Gemisch wird dann in einem mikrofluidischen Chip mit einem Gasstrom versetzt, damit sich kontrolliert mikroskopische Blasen einheitlicher Grösse bilden», erklärt Professor Christof Niemeyer vom Institut für Biologische Grenzflächen den Prozess. Der so hergestellte Schaum mit einheitlicher Blasengrösse wird direkt auf Kunststoffchips aufgebracht und getrocknet, wodurch die Proteine polymerisieren und ein stabiles, hexagonales Gitter ausbilden.
«Es handelt sich dabei um monodisperse Voll-Enzym-Schäume, also dreidimensionale, poröse Netzwerke, die ausschliesslich aus biokatalytisch aktiven Proteinen bestehen», charakterisiert Niemeyer die Zusammensetzung der neuen Materialien. Die stabile hexagonale Wabenstruktur der Schäume besitzt einen mittleren Porendurchmesser von 160 Mikrometer und einer Lamellendicke von acht Mikrometer und wird aus den frisch hergestellten, etwa gleich grossen kugelförmigen Blasen nach wenigen Minuten gebildet.
Voll-Enzym-Schäume effizient einsetzen
Um Enzyme effizient für Stoffumwandlungen nutzen zu können, müssen sie in grossen Mengen unter möglichst schonenden Bedingungen immobilisiert werden, um ihre Aktivität zu erhalten. Bisher wurden Enzyme auf Polymeren oder Trägerpartikeln immobilisiert, allerdings wird hierfür wertvoller Reaktorraum benötigt und die Aktivität kann beeinträchtigt werden. «Im Vergleich zu unseren bereits entwickelten Voll-Enzym-Hydrogelen entsteht bei den neuen Materialien auf Schaumbasis eine deutlich grössere Oberfläche, an der die gewünschte Reaktion stattfinden kann», beschreibt Niemeyer die wesentliche Verbesserung. Im Gegensatz zu theoretisch
erwarteten Ergebnissen zeigen die neuen Schäume überraschenderweise eine auffallend hohe Haltbarkeit, mechanische Widerstandsfähigkeit und katalytische Aktivität der Enzyme, was bisher beim Schäumen von Proteinen nicht gelungen war.
Die Stabilität kommt, so vermuten die Forschenden, durch die zueinander passenden Verknüpfungsstellen zustande, mit der die Enzyme ausgestattet sind. Hierdurch können sie sich von selbst zusammenfügen und so während des Trocknens ein hochvernetztes Gitter bilden, das dem neuen Material eine einzigartige Stabilität verleiht. «Erstaunlicherweise sind die neu entwickelten Enzymschäume nach der Trocknung für vier Wochen deutlich stabiler als die gleichen Enzyme ohne Schäume», erläutert Niemeyer die Vorteile, «dies ist für die Vermarktung von grossem Interesse, da hierdurch Vorratsproduktion und Versand erheblich vereinfacht werden.»
Die neuen Biomaterialien eröffnen vielseitige Wege für Innovationen in der industriellen Biotechnologie, den Materialwissenschaften oder auch für die Lebensmitteltechnologie. So könnten die Proteinschäume in biotechnologischen Prozessen eingesetzt werden, um wertvolle Verbindungen effizienter und nachhaltiger herzustellen. Das Forschungsteam konnte zeigen, dass mithilfe der Schäume der industriell wertvolle Zucker Tagatose hergestellt werden kann, der eine vielversprechende Alternative zu raffiniertem Zucker als Süssungsmittel darstellt. Über ihre Ergebnisse berichteten die Forschenden in der Fachzeitschrift Advanced Materials. Das neuartige Herstellungsverfahren der Enzym-Schäume wurde zum Patent angemeldet.
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Röntgenspektroskopie: Harnstoff = DNA-Urstoff
Forschende der ETH Zürich haben gezeigt, wie sich in konzentrierten Harnstoff-Lösungen reaktive Dimere bilden – so reaktiv, dass mit grosser Wahrscheinlichkeit eine Weiterreaktion zum mutmasslichen DNA-Vorläufer Malonsäure denkbar ist.
Gängigen Theorien zufolge könnte sich Harnstoff auf der noch unbelebten Erde in warmen Tümpeln angereichert haben. Dann verdunstete aus dieser Ursuppe ein Teil des Wassers. Die Harnstoff-Konzentration stieg. Gleichzeitig traf auf die Tümpel kosmische Strahlung. Unter ihrem Einfluss könnte sich schliesslich aus dem konzentrierten Harnstoff über mehrere Syntheseschritte Malonsäure gebildet haben. Daraus wiederum könnten die Bausteine der RNA und der DNA entstanden sein.
Von dieser langen Abfolge chemischer Reaktionen haben die Wissenschaftler der ETH Zürich und der Universität Genf den ersten Schritt untersucht: wie sich eine konzentrierte Harnstoff-Lösung verhält, wenn man sie ionisierender Strahlung aussetzt.
Dazu muss man wissen: In einer konzentrierten HarnstoffLösung arrangieren sich die
Harnstoff-Moleküle zu Dimeren. Wie die Forschenden nun zeigen konnten, wandert ein Wasserstoff-Atom unter dem Einfluss der Strahlung innerhalb dieser Dimere von einem Harnstoff-Molekül zum anderen. Aus den beiden HarnstoffMolekülen entstehen so ein protoniertes Harnstoff-Molekül und ein Harnstoff-Radikal. Dieses weist eine hohe chemische Reaktivität auf und dürfte mit grosser Wahrscheinlichkeit mit anderen Molekülen reagieren, unter anderem zu Malonsäure.
Die Forschenden konnten ausserdem zeigen, dass dieser Transfer eines Wasserstoffatoms extrem schnell abläuft und bloss etwa 150 Femtosekunden dauert. Bei diesem Sprint-Tempo haben alle anderen Reaktionen, die theoretisch auch noch ablaufen könnten, keine Chance.
Für ihre Untersuchungen haben die Forscher ein neues
röntgenspektroskopisches Verfahren zur Beobachtung von Reaktionen in Flüssigkeiten (statt, wie bisher, lediglich in der Gasphase) entwickelt. Das dürfte auch für die Optimierung industrieller Prozesse von Interesse sein. Ein herausragendes Detail: Die Wissenschaftler stellen im Vakuum einen Flüssigkeitsstrahl mit ei -
nem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer her. Denn in einem breiteren Flüssigkeitsstrahl würde die zur Messung verwendete Röntgenstrahlung teilweise absorbiert.
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72 AUS DER FORSCHUNG 7–8/2023
Zwei benachbarte Harnstoff-Moleküle in einer wässrigen Lösung tauschen Protonen aus. (Bild: DESY, Ludger Inhester)
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Struktur-Info für Alzheimer-Früherkennung
Die Rasterkraftmikroskopie macht die Struktur und Form charakteristischer Eiweissansammlungen im Blut von Alzheimer-Patienten sichtbar – und neuerdings auch im Nervenwasser. Das kann die Früherkennung der Erkrankung erleichtern, Hinweise auf ihren Verlauf geben und sogar eine bessere Basis für wirksamere Medikamente schaffen.
Im Verlauf einer Alzheimer-Erkrankung tauchen bestimmte Eiweisse im Nervenwasser (Liquor) von Betroffenen auf. Empa-Forschende haben nun gemeinsam mit der Klinik für Neurologie des Kantonsspitals St. Gallen ein breites Spektrum an Eiweissbausteinen und -fasern im Liquor sichtbar ge -
macht. Ihr Fazit: Ultralange feine Eiweiss-Fasern sind ein eindeutiges Kennzeichen für eine Alzheimer-Demenz. Die kürzlich in «Communications Biology» publizierte Studie liefert neue Erkenntnisse zur Rolle von Eiweiss-Anhäufungen bei der Entstehung von Demenzerkrankungen und soll deren Früherkennung verbessern.
Rasterkraftmikroskopie: Peter Nirmalraj erforscht die Alzheimer-Erkrankung im Nanometerbereich. (Bild: Empa)
Die Früherkennung und Behandlung von Demenzerkrankungen wie Alzheimer ist noch immer eine der grossen Herausforderungen der modernen Medizin. Dass bestimmte Eiweisse im Nervenwasser (Liquor) zur Diagnose von Alzheimer herangezogen werden können, ist zwar bereits bekannt. Die derzeitigen Nach -
weisverfahren für derartige «Biomarker» mittels biochemischer Tests können jedoch lediglich die Anwesenheit und Menge der verdächtigen Eiweisse ermitteln (z. B. Elecsys Amyloid Plasma Panel, EAPP). So lassen sich keine Aussagen über ihre ursprüngliche Struktur und Form machen. Derartige Informationen könnten jedoch Rückschlüsse auf das Krankheitsstadium und die Effizienz von möglichen Behandlungen erlauben. Ein Team der Empa und der Klinik für Neurologie des Kantonsspitals St. Gallen hat nun die für Alzheimer aussagekräftigen Proteine mittels Rasterkraftmikroskopie unter möglichst realitätsnahen Bedingungen sichtbar gemacht.
NEXT LEVEL SOLUTIONS
Integrated Systems for Polymer Processing
Gelingen konnte dies dank einer Technologie, die mit eindrücklicher Präzision die Welt der Moleküle in ihrem Innersten erkennbar macht: die Rasterkraftmikroskopie (AFM, atomic force microscopy). In der Grösse an ein herkömmliches Tischmikroskop erinnernd, ermöglicht die AFM-Technologie indes morphologische Beobachtungen im Nanometerbereich, ohne dabei die Eiweisse zu zerstören. Und bei der Analyse von Grösse, Struktur, Form und räumlichem Aufbau der Protein-Ansammlungen direkt im Liquor konnte das Team nun eine Verbindung zum Krankheitsstadium erkennen.
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Die MAAG Group ist Partner der kunststoffverarbeitenden Industrie weltweit. Unsere integrierten Lösungen für Pumpen- und Filtrationssysteme sowie Pelletizing-, Pulvermühlen- und Recyclingsysteme zeichnen sich durch hervorragende Leistungen für anspruchsvolle Kundenanforderungen aus.
AUS DER FORSCHUNG 7–8/2023
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Nachhaltigkeit in der betrieblichen Realität
Eine ganze Produktionsstätte auf Nachhaltigkeit trimmen? Mit der richtigen Strategie ist das realisierbar.
Es ist richtig, sich hohe Ziele zu setzen und sich ISO-Zertifizierungen nach den Normen mit den Nummern 14.001 und 50.001 vorzunehmen. Auch für die Reduzierung des Energieverbrauch darf eine herausfordernde Zahl am Anfang stehen (z.B. 20%).
Anschliessend empfiehlt es sich, mögliche konkreten Massnahmen in Arbeitsgruppen zu diskutieren und klare Beschlüsse zu fassen. Zum Beispiel diesen: Die gesamte Produktionsanlage wird mit LED-Beleuchtung ausgestattet. Auch sollen breitflä -
chig Solarpaneele angebracht werden, mindestens auf allen Gebäuden, um allein mit Hilfe der Fotovoltaik schon ein Viertes des jährlichen Strombedarfs zu decken. Und aus den installierten Luftkompressoren kann darüber hinaus Wärme rückgewonnen werden.
Ein Verdampfungssystem wiederum ermöglicht eine erhebliche Reduzierung flüssiger Abfälle. Dazu wird das Wasser verdampft, so dass nur noch die Verunreinigungen übrigbleiben. Die Gesamtmenge des gefährlichen Abfalls sinkt ebenso wie die Anzahl der Fahrten zum Abtransport.
Eine neue Kartonagenpresse reduziert das Volumen der Karto -
nagenabfälle. Holzabfälle werden zerkleinert. Durch diese beiden Massnahmen werden ebenfalls unnötige Transporte vermieden. Ein neuer Abfallwirtschaftsbereich ermöglicht eine bessere Abfalltrennung und damit ein einfacheres Recycling. Schliesslich soll auch ein Mobilitätsplan den CO2-Fussabdruck, der durch die Fahrten der Mitarbeiter entsteht, verringern.
Das alles ist keinesfalls Zukunftsmusik, sondern wird seit vier Jahren Schritt für Schritt in einer realen Betriebsstätte umgesetzt. Die hochgesteckten Ziele sollen im kommenden Jahr erreicht bis übertroffen werden.
Busch AG
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74 AUS DER BRANCHE 9–10/2023
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Busch-Produktionsstandort in Chevenez. (Bild: Busch)
Prominentes Schullabor feiert Geburtstag und eröffnet neu
Das Novartis School-Lab zieht vom bisherigen Standort Klybeck in neue Räumlichkeiten im Novartis Campus. Es profitiert damit von einer modernen Lern-
umgebung und Laborausstattung und der Nähe zum SchoolHub im Novartis Pavillon. Das Schullabor feiert dieses Jahr sein 30-jähriges Beste -
hen. Seit der Entstehung im Jahr 1993 – als erstes seiner Art – inspiriert es junge Menschen für den MINT-Bereich. Jährlich besuchen über 3000 Schülerinnen und Schüler das Labor und erhalten dabei Einblicke in das naturwissenschaftliche Denken und Arbeiten. Anlässlich des Jubiläums bezog die Institution Anfang August neue Räumlichkeiten im Herzen des Novartis Campus. Damit befindet sie sich in unmittelbarer Nähe zum Novartis Pavillon, in dem ergänzende Angebote für Schulklassen zu finden sind.
Seit seiner Gründung haben mehr als 110 000 Schülerinnen und Schüler haben das Schullabor besucht, dessen Programm laufend dem wissenschaftlichen Fortschritt angepasst wird. So werden heute auch Experimente im Bereich der personalisierten Medizin oder Technologien wie Crispr/ Cas9 im Programm angeboten. Ebenfalls offeriert werden Workshops für Lehrkräfte. Hier liegt der Fokus auf Experimenten, die sich für die Durchführung im Schulzimmer eignen.
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75 AUS DER BRANCHE 9–10/2023
Das Novartis School-Lab will bei Jugendlichen das Interesse für Naturwissenschaften wecken und bietet Lehrkräften Unterstützung für den Experimentalunterricht. (Bild: Novartis)
Bürkert übernimmt Mehrheit an Schweizer ReseaTech
Zum 1. Juni 2023 hat Bürkert Fluid Control Systems die Mehrheit am Schweizer Jungunternehmen ReseaTech, einem Spezialisten für Durchflussmessung und Mikrodosierung, übernommen. Beide Unternehmen arbeiten bereits seit 2021 an gemeinsamen Projekten. Nach zwei Jahren intensiver Zusammenarbeit im Bereich der Mikrodosierung wird die strategische Partnerschaft nun auf die nächste Stufe gehoben. Mit der Mehrheitsübernahme durch Bürkert stehen ReseaTech nun Mittel für die Weiterentwicklung des Unternehmens und der
Technologie sowie der Skalierung der Produktion zur Verfügung. Das 2015 aus der Berner Fachhochschule heraus gegründete Start-up wird weiterhin am Standort in Burgdorf entwickeln und produzieren, bisherige Kundenbeziehungen und Projekte werden fortgesetzt. ReseaTech ist technologisch führend in der Messung kleinster Tröpfchen und Sensorik im Bereich der Regelung und Abfüllung von Flüssigkeiten. Die Sensorsysteme sind in der Lage, bereits Flüssigkeitsmengen ab einer Grösse von nur 50 Nanoliter zu messen. Bür-
kert-Geschäftsführer Georg Stawowy über die strategische Investition: «Mit dem Know-how von ReseaTech erweitern wir gezielt unsere Kompetenzen im Mikrofluidik-Bereich und kön -
nen so unseren Kunden die besten Lösungen am Markt anbieten.»
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76 AUS DER BRANCHE 9–10/2023
Simon Zumbrunnen, Geschäftsführer und Gründer von ReseaTech, Caspar von Schoeler, Bürkert, und Philipp Haslebacher, Geschäftsführer und Gründer von ReseaTech. (Bild: Bürkert/ReseaTech)
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Kritische Prozessparameter in Biopharma-Downstream
Hamilton hat ein Whitepaper mit dem Titel «Biopharma PAT: Downstream Critical Process Parameters» veröffentlicht. Damit bietet das Unternehmen Biopharma-Herstellern einen Leitfaden mit mehreren Praxisbeispielen, um effiziente und robuste Downstream-Prozesse zu entwickeln.
jeden Prozessschritt zwingend zu kontrollieren sind – dazu gehören beispielsweise die Puffervorbereitung/Verdünnung, Protein-A- und IEX-Chromatographie, Filtration und Virusinaktivierung. Darüber hinaus werden konkrete Beispiele und Tipps für das Management von Inline-Sensoren aufgezeigt, so -
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In GMP-Umgebungen muss während der Produktion (Upstream) und anschliessenden Reinigung und Konzentration (Downstream) von Biopharmazeutika jedes Produkt seine erwartete biologische Aktivität und Wirksamkeit in der vorgesehenen therapeutischen Anwendung behalten. Dieses Ziel können Biopharma-Hersteller erreichen, indem sie die kritischen Qualitätseigenschaften (CQAs) genau definieren sowie die entsprechenden kritischen Prozessparameter (CPPs) mit Hilfe geeigneter prozessanalytischer Technologien (PAT) kontrollieren.
Die Basis hierfür stellt immer die Inline-Prozessüberwachung dar. Im Downstream-Prozess kann die Inline-Überwachung jedoch erhebliche Herausforderungen an das Systemdesign mit sich bringen. Hamilton untersucht im Rahmen des Whitepapers daher die CPPs, die für
dass die Anwender bestmögliche Messgenauigkeiten erzielen können.
«Wir sehen häufig, dass es unseren Kunden in der biopharmazeutischen Produktion schwerfällt, optimale Prozessanalysetechnologien (PAT) auszuwählen, die sowohl robust als auch effizient sind», erklärt Giovanni Campolongo, Senior Market Segment Manager Biopharma bei der Hamilton Bonaduz AG. «Mit dem neuen Whitepaper möchten wir Systeme vorstellen, die dies leisten können. Zugleich zeigen wir Beispiele und liefern praktische Informationen, wie Inline-Sensoren zur Überwachung der Downstream-Prozesse optimal eingesetzt werden können.»
Hier geht es zum Whitepaper: https://www.hamiltoncompany.com/de/process-analytics/ biopharma-downstream-cpp
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Das neue Whitepaper von Hamilton. (Bild: Hamilton)
VICI AG International erwirbt Schmidlin
VICI AG International, ein weltweit führender Anbieter von Ventilen, Gasgeneratoren und Verschraubungstechnologie für Analysegeräte, hat die Übernahme von Schmidlin Labor + Service AG vollzogen.
tile, Verschraubungsteile, Gasgeneratoren uvm., vertreiben. Die klare Strategie bleibt, den Kunden ein breites Angebot an Zubehör, Laborgeräten sowie Geräteservice zu bieten. Neben den VICI-Produkten wer-
Für flammenlose Druckentlastung und kompakte Explosionsentkopplung.
Entkopplung von Explosionen, Funken und Flammenfronten: das EXKOP® System von REMBE® ist eine sichere, kostengünstige und unkomplizierte Entkopplung für staubführende Anlagen.
VICI AG International ist Teil der VICI Gruppe und produziert seit über 40 Jahren mit derzeit ca. 160 Mitarbeitenden am Standort Schenkon (LU). Märkte, die aus der Schweiz heraus beliefert werden, sind Europa, Asien und Afrika.
Schmidlin Labor + Service AG ist ein 1985 gegründetes, renommiertes Unternehmen in der Laborbranche und hat sich einen erstklassigen Ruf als Zulieferer, u. a. der chemischen und pharmazeutischen Industrie, erarbeitet. Die Kombination der Ressourcen und Fachkenntnisse von Schmidlin mit der globalen Präsenz und den umfassenden Technologien von VICI eröffnet spannende neue Möglichkeiten für beide Unternehmen und deren Kunden.
Die Übernahme von Schmidlin Labor + Service AG wurde nach intensiven Verhandlungen und einer umfassenden DueDiligence-Prüfung erfolgreich abgeschlossen. Damit erhält das Unternehmen den neuen Namen VICI SLS AG, um die Zugehörigkeit zur VICI Gruppe mit Standorten in der Schweiz, den USA und Italien zu unterstreichen.
Durch diese Übernahme möchte die VICI einen noch direkteren Austausch mit den Schweizer Endkunden erreichen. Das Unternehmen wird allerdings nicht nur die Produkte aus dem VICI-Portfolio, wie Ven -
den deshalb auch Vials und Spritzenfilter, Kleinlaborgeräte der Marke Wiggens, Laborverschraubungstechnologie der Firma SSP sowie die Produkte der Firma Absoger angeboten. Eine Erweiterung des Portfolios ist in Planung. Der Geschäftsführer von VICI AG International, Dr. Bert Manzke, äusserte sich zu dieser Transaktion wie folgt: «Wir freuen uns sehr über den erfolgreichen Abschluss der Übernahme der Schmidlin Labor + Service AG. Dieser Schritt stärkt unsere Position auf dem Schweizer Markt. Gemeinsam werden wir unser Engagement für Qualität und Kundenzufriedenheit fortsetzen. Die bisherigen Kunden von Schmidlin Labor + Service AG können sicher sein, dass ihre Beziehungen und laufenden Projekte weiterhin von höchster Priorität sind.
VICI SLS wird alle Anstrengungen unternehmen, um einen reibungslosen Übergang zu gewährleisten und sicherzustellen, dass der hohe Qualitätsstandard, den sie von Schmidlin gewohnt sind, fortgesetzt wird.»
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79 AUS DER BRANCHE 9–10/2023
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Firmensitz in Neuheim. (Bild: VICI)
■ Infostelle SCV Schweizerischer Chemieund Pharmaberufe Verband Postfach 509
CH-4005 Basel info@cp-technologe.ch www.cp-technologe.ch
■ Präsident Kurt Bächtold Bodenackerstrasse 15F CH-4334 Sisseln praesident@cp-technologe.ch
SEKTION FRICKTAL
Grosse Bagger, grosse und kleine Kinder
Wer fühlt sich manchmal nicht in seine Kindheit versetzt? Da lächelt dich ein Stück Schokolade an, beim Anblick eines Baggers erinnerst du dich, dass du eigentlich mal den Traumberuf Baggerführer hattest. Eine Ausbildung als Baggerfahrer können wir dir nicht bieten. Aber zusammen mit dem Ebianum bieten wir dir die Gelegenheit, einen Bagger selbst zu lenken. Weitere Bagger für Gross und Klein warten auf dich. Am Ende des Tages wird uns eine Überraschung geboten.
Details zum Anlass:
Datum: Samstag, 16.09.2023
Zeit: Ganztags – die Uhrzeit wird nach der Anmeldung mitgeteilt
Treffpunkt: Ebianum, Museumstrasse 1, 5467 Fisibach Wer darf teilnehmen? Mitglieder des SCV aus allen Sektionen und Gäste. Was kostet es? Mitglieder und deren Familienmitglieder: kostenlos. Gäste bezahlen einen Unkostenbeitrag von 130. Fr./Person
Gut zu wissen: Die Teilnehmerzahl ist beschränkt. An -
■ Höhere Fachprüfung Chemietechnologe
Daniel Müller weiterbildung@cp-technologe.ch
■ Termine
Alle Termine online anschauen: www.cp-technologe.ch
meldungen werden in der Reihenfolge des Eingangs berücksichtigt.
Schokoladen-Workshop mit Schoggi-Genussmomenten!
Egal ob Gross oder Klein, wem läuft beim Gedanken an diese süsse Köstlichkeit nicht gleich das Wasser im Mund zusammen? Schokolade ist Teil der Schweizer Kultur, und ganz be -
sonders hebt sich die Confiserie Beschle mit ihren Künsten hervor. Jeder darf das kulinarische Handwerk von Beschle käuflich erwerben, aber nur wenige haben die Möglichkeit,
einen Platz in einem Workshop zu ergattern. Die Sektion Fricktal bietet dir die Gelegenheit, am Workshop nicht nur selbst etwas Süsses zu kreieren, sondern auch zu degustieren. Wem das alleine doch ein wenig zu süss ist, der wird sich über den salzig-rezenten Apéro im Anschluss umso mehr freuen.
Details zum Anlass: Datum und Zeit: Freitag, 17.11.2023, 18 Uhr
Treffpunkt: Confiserie Beschle, Clarastrasse 4, Basel
Anmeldung: Dieter.brunner@dsm.com
Wer darf teilnehmen? Mitglieder des SCV aus allen Sektionen und Gäste Was kostet es? Mitglieder und deren Familienmitglieder: kostenlos, Gäste bezahlen einen Unkostenbeitrag von 130 Fr./ Person
Gut zu wissen: Die Teilnehmerzahl ist beschränkt. Anmeldungen werden in der Reihenfolge des Eingangs berücksichtigt.
Anmeldung: Dieter.brunner@dsm.com
80 9–10/2023 VERBANDSSEITE
Ein Kindertraum könnte im Ebianum in Erfüllung gehen. (Bild: Ebianum)
Ein Kindertraum könnte im Ebianum in Erfüllung gehen. (Bild: Ebianum)
SEKTION NORDWESTSCHWEIZ
Italienische Salsiccia selbst produzieren
Eine Bratwurst mit Schweinefleisch der Extraklasse mit wildem Fenchel und diversen Gewürzen.
Datum: 28. Oktober 2023, 9 bis ca. 14.30 Uhr
Ort: AZ Holz AG, Oristalstrasse 121, 4410 Liestal Teilnehmerzahl ist beschränkt auf 16 Personen
Es hat auch genügend Parkplätze, aber auch eine Bushaltestelle (5 Min. zu Fuss).
Bei der Salsiccia gibt es viele verschiedene Variationen mit verschiedenen Fleischsorten, dies ist aber immer nach Regionen abhängig. Wir beschränken uns auf eine einfache Basis mit Schweinefleisch, die für alle machbar ist.
Im Anschluss wird gegrillt, und es gibt ein Mittagessen (Pas-
ta, Salsiccia, Salat, Brot und Getränke und Espresso), alles im Preis inbegriffen.
Die Würste, die übrig bleiben, werden aufgeteilt und dürfen mit nach Hause genommen werden.
Wir werden euch gerne die einfache Herstellung der Salsiccia zeigen, sodass jeder diese für sich oder seinen Familienangehörigen oder Freunde selbst zubereiten kann.
Teilnehmer: Mitglieder des SCV aus allen Sektionen. Es hat Platz für max. 16 Personen. Durchführung bei mind. 8 Personen. Kostenbeteiligung pro Person (Salsiccia-Herstellung und Mittagessen).
Für Lernende 5 Franken; für Mitglieder des SCV 30 Franken; für Nichtmitglieder 40 Franken.
Anmeldungen: bis zum 7. Oktober 2023 an Felice Bertolami per WhatsApp oder SMS +41 (0) 78 799 64 90 oder via E-Mail an: felice.bertolami@gmx.ch
Wir freuen uns auf eure aktive Teilnahme.
Bowling-Event 2023 … wo der Spass ins Rollen kommt!
Komm – nimm auch du teil am Bowling-Event 2023! Wir treffen uns am 10. November 2023 um 18.30 Uhr im Bowling-Restaurant Vicino in Muttenz
Datum: Freitag, 10. November 2023
Treffpunkt: Restaurant Vicino, Rössligasse 1, 4132 Muttenz Beginn: 18.30 Uhr, Ende: ca. 20.30 Uhr
Teilnehmende: Mitglieder des SCV aus allen Sektionen Kosten inkl. Apero und Bowling: für Lernende gemeldet beim SCV gratis; für
Mitglieder des SCV gratis; für Nichtmitglieder 10 Franken pro Person
Weitere Getränke und Speisen gehen zulasten der Teilnehmenden.
SCV Sektion Nordwestschweiz Felice Bertolami
Anmeldungen: bis zum 1. November 2023 an Felice Bertolami per WhatsApp oder SMS +41 (0) 78 799 64 90 oder via E-Mail an: felice.bertolami@gmx.ch
Wir freuen uns auf eure zahlreiche Teilnahme .
SCV Sektion Nordwestschweiz
81 9–10/2023 VERBANDSSEITE
Die italienischen Salsiccia werden meist aufgerollt. (Bild: ZVG)
pH-Sensor-Care-System mit Ex-Zone-1-Lizenz
Umfassende Reinigungs-, Kalibrierungs- und Wartungssysteme sor-
gen bei pH-Sensoren für genauere Messerwerte, Kostensenkungen
und eine längere Lebensdauer –jetzt sogar vollautomatisch und mit Zulassung für Ex-Zone 1. Ein solches System reinigt und kalibriert den pH-Sensor ohne Prozessunterbrechung und ohne manuelles Eingreifen in wählbaren Intervallen oder als Kurzzeitmessung. Die passenden Wechselarmarturen trennen den Prozess bei der Sensorwartung auch unter Druck sicher ab. Im Betrieb steuert die elektropneumatische Steuerung die Wechselarmatur und die Medienbehälter mit integrierten, pneumatischen Dosierpumpen. Währenddessen überwacht das System die Druckluft- und Wasser-
Prozesssteuerungen binden jeden Handgriff ein
Ein auf Künstlicher Intelligenz (KI) basierender Algorithmus namens FKDPP erleichtert die Integration von bisher noch manuellen Eingriffen in umfassende Steuerungen. Aus Anwendersicht ermöglicht dies eine autonome Prozesssteuerung, wo bisher nur eine manuelle Steuerung möglich war. Damit verlängert sich durch die Verhinderung eines Überschwingens (Sollwert-Überschreitung) die Lebensdauer von Komponenten wie Öfen und anderen Heizsystemen. Eine reduzierte Einschwingzeit spart Energie und verbessert die Produktivität. Und selbst widersprüchliche Steuerungsziele finden zum richtigen Gleichgewicht (z. B. geringer Energiever-
brauch vs. gleichbleibend hohe Produktqualität). Als Vergleichsmassstab für diese Verbesserungen sind konventionelle Regeltechnologien anzusetzen (z. B. PID, APC).
Möglich werden der Wegfall der (Rest-)Handgriffe, wie etwa die Bedienung von Steuerventilen, und ihre Integration in autonome Steuerungen durch sogenanntes Rein -
Vormischungen für schnellere PCR-Analyse
Bei der PCR entfallen mit neuen Vormischungen jetzt einige Pipet-
tierschritte, wodurch der Ansatz schneller und einfacher erfolgt und das Kontaminationsrisiko vermindert wird.
Die Vormischungen bestehen aus einer rekombinanten Taq-Polymerase, dNTPs (desoxyNukleosidTriPhosphat) und dem Reaktionspuffer. Sie müssen für die PCR lediglich mit den Proben und den probenspezifischen Primern ergänzt werden. Nur für spezielle experimentelle Bedürfnisse benötigt man nach wie vor die vier einzel -
nen dNTPs und pipettiert sie dann aus vier Reaktionsgefässen zu (z. B. Markierung, unterschiedliche Konzentrationen).
Neben den Gewinnen bei Tempo, Handling und Sicherheit resultiert der Vormisch-Betrieb in hochreproduzierbaren Ergebnissen. Daher eignet er sich insbesondere für hohe Probenzahlen (z. B. KolonieScreening).
Die Vormischungen sind mit verschiedenen Taq-Polymerasen erhältlich: für die Standard-PCR, für
versorgung, die Sensorposition sowie den Füllstand der Puffer- und Reinigungslösungen und detektiert etwaige Leckagen im Gehäuse. Über einen Transmitter kommuniziert das System via Feldbus mit den Prozessleitsystemen. Alle diese Komponenten lassen sich modular zusammenstellen. So sind sie an praktisch jede Applikation anpassbar.
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forcement Learning. Bei dieser KIVariante werden Algorithmen so trainiert, dass sie schliesslich selbstständig Entscheidungen treffen können. Einer dieser Algorithmen ist FKDPP (Factorial Kernel Dynamic Policy Programming). Er hat das Reinforcement Learning jetzt für die Prozess- und Fertigungsindustrie praxisreif und marktfähig gemacht.
Yokogawa Europe Branches B.V. Amersfoort Swiss Branch Allschwil 4123 Allschwil Stefan.Lugert@yokogawa.com www.yokogawa.ch
die besonders sequenzspezifische PCR, für eine hohe Ausbeute oder für die Amplifizierung von DNA mit hohem Guanin- und Cytosin-Anteil. Weiterhin besteht die Auswahl zwischen einer normalen farblosen Vormischung, oder einer mit Kresolrot angefärbten Variante für die anschliessende Gelelektrophorese.
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82 PRODUKTE 9–10/2023
Neu in der DSC: ein Gerät –zwei Messmodi
Die Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DSC) lässt sich neuerdings mit nur einem Gerät entweder im Leistungskompensationsmodus oder im Wärmestrommodus durchführen.
Ermöglicht wird diese Doppelfunktionalität auch durch DSC-Sensoren mit 136 Themoelementen und integrierten Heizungen. Darüber hinaus bieten thermisch von der Umgebung isolierte Messzellen mit neuartigem Design eine gute Reproduzierbarkeit der Enthalpie und Genauigkeit der spezifischen Wärmekapazität (cp-Wert).
Zusätzliche Fortschritte in puncto Wirtschaftlichkeit bringen automatische Drei-Achsen-Probenwechsler ins Labor. Sie steigern die Produktivität, Effizienz und Reproduzierbarkeit.
Gasgespülte Tiegelkammern können auf dem Stand der Technik bis zu 96 Probentiegel und sieben Referenztiegel aufnehmen und so die Proben vor Umwelteinflüssen schützen. Zwei unterschiedliche Tiegelplatten sind für Tiegel von 20 bis 160 µL Grösse geeignet, so dass ein Betrieb rund um die Uhr möglich ist. Mit Hilfe der zugehörigen Software lassen sich eine zeitsparenden Justierung und eine autonome Ergebnisauswertung vornehmen. Auch stehen weitgehende Möglichkeiten zur Automatisierung zur Verfügung.
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Spotmessungen der Wasseraktivität in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, der chemischen Industrie oder der Kosmetika-Herstellung lassen sich jetzt komfortabel und bis zu zehnmal schneller als mit traditionellen Geräten durchführen, und zwar mit Hilfe einer Smartphoneoder Tablet-App, die mit dem Messkopf über eine Bluetooth-Verbindung Kontakt hält.
Diese Konstellation hat entscheidende Vorteile: Dank der Bluetooth-Konnektivität lässt sich das analytische System via Smartphone oder Tablet steuern. Auch kann man Daten speichern und analysieren sowie anschliessend automatisch Reports als PDF-Dokumente ausgeben. Diese wiederum lassen sich für Zwecke der Qualitätskontrolle und für eine lückenlose Rückverfolgung verwenden. Das eigentliche Messgerät kann als ein «Standalone» mit stabilem Edelstahl- und Aluminiumgehäuse ins Labor kommen und mit 65 mm Höhe und 68 mm Durchmesser
kompakt ausgeführt sein. Eine hohe Genauigkeit im Bereich von plus oder minus 0,008 Aw ist dabei ohne weiteres möglich. Für Messungen werden lediglich der Name des Tests und die Chargennummer benötigt. Die Analyse wird automatisch ausgeführt und kann detailliert als Rohdaten oder Diagramme angezeigt werden.
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Flexible elektronische Pipettierhilfen
Elektronische Pipettierhilfen erleichtern zunehmend das Arbeiten in mikrobiologischen Sicherheitswerkbänken.
Dazu ein Tipp: Anwender wählen Pipettierhilfen, die sich für die Arbeit sowohl mit Glas- als auch mit Kunststoffpipetten eignen. Auch sollten sie eine kompakte Form aufweisen, gut in der Hand liegen und komfortabel zu bedienen sind.
Eine praktische Ausführungsform
kann zum Beispiel so aussehen: Ein Schalter ermöglicht die Aus-
wahl des Arbeitsmodus. Ein langsamer Arbeitsmodus ist für Volumina unter 10 ml ausgelegt, während mit dem schnellen auch Volumina über 100 ml verarbeitet
werden können und die Bearbeitungszeit so erheblich verkürzt wird. Die gewählten Arbeitsmodi «Ausblasmodus» oder «Gravitationsmodus» werden deutlich auf der Digitalanzeige angezeigt. Die Flüssigkeitsabsaugung und -dosierung erfolgt über zwei ergonomisch positionierte Funktionsknöpfe, die einen minimalen Betätigungsaufwand erfordern. Für eine hohe Arbeitsflexibilität ist das Aufladen des Akkus entweder in Lagerposition (Stecker am Tisch -
Nach Plan: wenige Experimente – Ziel erreicht
Moderne Software macht Prozessoptimierung, Wirkstoffentwicklung, Methodenentwicklung und vieles mehr mit einem Minimum an Experimenten erreichbar, wobei grafische Elemente für einen kompletten Überblick sorgen. Beispiel «Methodenentwicklung in der Flüssigkeitschromatographie»: Eine der ältesten Vorgehensweisen nennt man «Trial & Error», wobei der Laborant immer nur einen Parameter variiert, zum Beispiel den pH-Wert des wässrigen Eluenten. Ist das vorläufige Trennungs-Optimum erreicht, wird der nächste Parameter variiert.
Alternativ dazu geht der Laborant nach einer systematischen Versuchsplanung vor, dem sogenannten Design of Experiments (DoE). Er variiert dabei gleichzeitig mehrere Parameter (z. B. Anteil der wässrigen Phase im Eluenten, Flussrate, Temperatur). Doch welche der vielen möglichen Experimente soll er durchführen, um rasch zum Ziel zu kommen?
Dabei kann er sich von DoE-Software unterstützen lassen. Besondere Statistikkenntnisse sind dazu heute nicht mehr notwendig. Selbst komplexe Situationen mit vielen Einflussfaktoren lassen sich
vom ersten Screening bis zur endgültigen Optimierung mit einem logischen und einfachen Workflow beherrschen. Grafische Darstellungen helfen dabei, die Übersicht zu behalten und lassen sich für Präsentationen und Berichte einfach exportieren. Nicht zuletzt dank einer Studie mit der Universität Basel und der kompletten Überarbeitung
Radar-Füllstandmessung für schwierige Medien
Neue Perspektiven für die Füllstandskontrolle in Tanks: Die 80-Gigahertz-Technologie vereinfacht die
Messung, sorgt für eine hohe Genauigkeit und für eine hohe Arbeitssicherheit schon bei der Installation.
Oft stellt sich die Aufgabe, einen Tank so weit wie möglich ausnutzten, aber auf keinen Fall zu überfüllen. Dank der 80-GHz-Technologie lässt sich der Radarstrahl fast punktgenau auf das zu messende Medium ausrichten. Bei Einbauten wie Rohrleitungen oder Pumpen, in engen Schächten oder bei doppelwandigen Tanks gibt es keine Störsignale. Die Messung wird einfacher und genauer als bei anderen Messverfahren. Die Radarsensoren sind unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, Vakuum, hohen Drücken und Verschmutzungen.
Ein aktuelles Anwendungsbeispiel stellt die Tanklagerung einer aggressiven Chromlösung dar. Der
ständer angeschlossen) oder während der Verwendung (Stecker am Gerät angeschlossen) möglich. Der Energiestand des Akkus ist jederzeit auf der Instrumentenanzeige sichtbar.
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einer bestehenden Benutzeroberfläche lässt sich eine solche Software jetzt noch müheloser handhaben.
Das zugrundeliegende statistische Konzept ist unabhängig vom Anwendungsgebiet. Ob analytische, chemische, biotechnologische, pharmazeutische oder lebensmitteltechnologische Fragestellungen – überall kann DoE-Software verwendet werden.
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Betreiber des betreffenden Unternehmens suchte eine zuverlässige Messung, um den Füllstand in einem Tank über die Zeit genau zu verfolgen – und fand sie in Radargeräten auf Basis der 80-GHzTechnologie. Die Messung wird sehr sicher durchgeführt, da das Personal bei der Handhabung des Sensors nie mit der zu lagernden Lösung in Berührung kommt und bei der Installation kein Unfallrisiko besteht.
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