ChemieXtra 5/2020 by SIGWERB GmbH

5/ 2020

Mai 2020

Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

Die Evolution des Originals - SKAN Workstationevo

e-loop

www.skan.ch | Gemeinsam immer einen Schritt voraus

Bei uns sitzen Sie in der ersten Reihe! Wissensvermittlung aus zwei Welten Ihre Plattform f체r Chemie, Pharma, Labor, Verfahrenstechnik, Bio, Analytik, Life Sciences und Lebensmittel. ChemieXtra h채lt die besten Pl채tze in Print und Online f체r Sie bereit.

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EDITORIAL

Hauptsache Kopfsache Prognosen sind schwierig. Mitte April wagte das Bundesamt für Umwelt eine klare Aussage: Es geht davon

Wir öﬀnen neue Welten

aus, dass die Schweiz ihr nationales Klimaziel für 2020 verfehlen werde. Die ausgewerteten Daten aus dem Jahr 2018 führten zu dieser Einschätzung. Die umfangreichen Einschränkungen aufgrund des neuartigen Coronavirus hinterlassen zwar Spuren, aber diese haben hierzulande womöglich einen zu geringen Effekt auf das Klima. Auch die globalen Massnahmen führen lediglich zu einem kurzfristigen Erfolg für das Klima. Sobald diese aufgehoben worden sind, geht das Spiel mit dem Treibhausgas wieder von vorne los. Es werden wieder ordentlich CO2 und andere Schadstoffe in die Atmosphäre gepumpt – vielleicht noch mehr als vor der Krise. Die Klimaproblematik wird uns früher oder später also wieder stärker beschäftigen. In der Verfahrenstechnik arbeiten kluge Köpfe schon seit Jahren an besseren Prozessen, um einen Ersatz für fossile Brennstoffe nachhaltig und rentabel zu produzieren. So wird beispielsweise Kohlendioxid aus der Luft entnommen, um es anschliessend als Rohstoff zu verwerten. Alternative Energieträger wie Methan, Wasserstoff oder neuartige Batterien sind derzeit hoch im Kurs. Ein stark vernetztes Denken wird erforderlich, um relevante Auswirkungen stets im Blick zu behalten. Aber nicht nur wenn es um das Klima geht, scheint die Verfahrenstechnik reich an Erfindergeist zu sein. Stellen Sie sich vor, gewöhnliches Licht könnte vertraute Technologien wie WLAN oder Bluetooth ersetzen. An einer solchen Technologie arbeiten Forschende in Norddeutschland. Sie wollen diese reif für die Industrie machen. Entscheidende Vorteile bei der Verwendung von sichtbarem Licht: wesentlich höhere Bandbreite und grössere Datensicherheit. Ob sich diese Idee in gewissen Bereichen der Industrie durchsetzen wird und herkömmliche Technologien der drahtlosen Datenübertragung verdrängt, wird sich zeigen. Wie gesagt, Vorhersagen zu treffen ist nicht leicht. Aber etwas ist ganz sicher der Fall: Kreative Köpfe, die einen kühlen Kopf bewahren, braucht es mehr denn je.

Mit unserer professionellen Beratung durch Fachpersonal sind wir der starke Partner an Ihrer Seite.

Wir wünschen Ihnen eine gute Lektüre!

Roger Bieri

Unsere Mission: Ihre Vision. carlroth.ch

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

FOKUS

Grosse RNA elegant charakterisieren

Die vielen Facetten von Kohlendioxid

Damit die Klimaziele erreicht werden können, sind umfangreiche Massnahmen erforderlich. Dazu gehören neben einer rigorosen Reduktion der Emissionen auch die aktive Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre und die Weiterverarbeitung dieses Treibhausgases als Rohstoff.

LABOR

MEDIZIN Aussagekräftigere Brustkrebsdiagnose

CHEMIE Chemikalien sollen registriert werden

ERNÄHRUNG Nahrung für alle ist möglich

BIOWISSENSCHAFTEN 50 Jahre alte These ist widerlegt

Bisherige Lehrmeinung war, dass Zellen die Flüssigkeit ihrer Membranhülle messen, um sich an die Temperatur anzupassen. Dieses 50 Jahre alte Dogma ist aber falsch, haben Forscherinnen und Forscher in einem gemeinsamen Projekt festgestellt.

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

Erscheinungsweise 10 × jährlich Jahrgang 10. Jahrgang (2020) Druckauflage 10 900 Exemplare WEMF / SW-Beglaubigung 2019 10 005 Exemplare Total verbreitete Auflage 2 280 Exemplare davon verkauft ISSN-Nummer 1664-6770 Internet www.chemiextra.com Geschäftsleiter Andreas A. Keller

Eine Studie befasst sich mit der Frage, wie es möglich ist, zehn Milliarden Menschen zu ernähren, ohne unseren Planeten zu sehr zu belasten.

IN KÜRZE

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

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

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

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

Redaktionelle Mitarbeit Alexander Jegge Dr. Kurt Hermann

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

NEWS

VERFAHRENSTECHNIK Präzise Beschichtung von Blasfolienköpfen

TERMINE

FIRMEN BERICHTEN

Membranpumpe mit Überwachung

VERBANDSSEITEN SCV-Informationen

FORSCHUNGSWELT

PRODUKTE

LIEFERANTEN VERZEICHNIS

Woraus besteht der Erdmantel?

UMWELT Zu viel Stickstoff hemmt Waldwachstum

eco-loop Technologie – einzigartig in der Workstationevo Das von SKAN entwickelte und vorangetriebene Teil-Umluftprinzip in Laborabzügen, eco-loop genannt, vermindert in erster Linie die benötigte Menge an Zuluft und Abluft. Dies wird erreicht durch das Filtrieren und Rezyklieren der mit Schadstoff belasteten Luft. Diese Luft kann für den Betrieb des Laborabzugs wiederver5/2020

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Laborabzug Workstationevo – die Evolution des Originals Die Laborwelt erfährt ein grosses Revival. Der Laborabzug Workstationevo von SKAN ist wieder da, besser als je zuvor.

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ZUM TITELBILD

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

Die Evolution des Originals - SKAN Workstationevo

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wendet werden. Als Resultat muss weniger Energie aufgebracht werden um das Gerät zu betreiben, wodurch Budget und Umwelt gleichermassen geschont werden. Erhöhung der Arbeitssicherheit und Bedienerfreundlichkeit Auf der stetigen Suche nach neuen Lösungen, um die Arbeitssicherheit und Bedienerfreundlichkeit zu verbessern, ist es gelungen einige praktische Features in den Laborabzug zu integrieren. www.skan.ch/puresolutions vk-lab@skan.ch T +41 61 485 45 87 3

Bild: Adobe Stock

FOKUS

Bild 1: Mit einem CO 2 -Ausstoss von 16,9 Mio. Tonnen verursachte das Braunkohlekraftwerk Weisweiler im Jahr 2014 die fünfthöchsten Treibhausgasemissionen aller europäischen Kraftwerke [1].

Vom Klimaschadstoff zum wertvollen Rohstoff (Teil 1)

Die vielen Facetten von Kohlendioxid Damit die im Klimaabkommen von Paris formulierten Ziele erreicht werden können, sind umfangreiche Massnahmen – vor allen auch bei den Kohlendioxidemissionen – erforderlich. Dazu gehören neben einer rigorosen Reduktion der Emissionen an den Quellen auch die aktive Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre und dessen sichere Lagerung (Sequestrierung) sowie die Weiterverarbeitung in stabile Produkte.

Kurt Hermann

Algen Treibhausgas

Lebensmittel

Carbonate Kühlung Trockeneis Kohlensäurehaltige Getränke

(1)

(10)

(7)

(3)

O=C=O

EOR EGR

Öl Gas

(4) (5)

Aromen/Duftstoffe Entkoffeinierung

(6)

Feuerlöscher Sekundäre Chemikalien

Schutzgas

(2)

(9) (8)

Treibstoffe

Polycarbonate Methanol Harnstoff CO Methan Dünger

Grafik: Kur t Hermann

Hauptursache für die stark überhöhte Kohlendioxidkonzentration in der Luft ist der Einsatz fossiler Energieträger sowohl in der Energieproduktion, in Zementwerken und in weiteren Industriebereichen als auch im Verkehr. Weltweit wurden 2019 allein durch die Verbrennung von Erdgas, Erdöl und Kohle insgesamt 33 890,8 Millionen Tonnen (33,9 Gt) Kohledioxid emittiert; in der Schweiz waren es 36,6 Millionen Tonnen (36,6 Mt) [2]. Gemäss der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) mit Sitz in Genf stieg im Jahr 2019 die mittlere globale Kohlendioxidkonzentration in der Luft um 2,3 ppm auf 407,4 ppm (rund 3200 Gt CO2); zur vorindustriellen Zeit um 1750 waren es lediglich 278 ppm (beinahe 2200 Gt CO2) [3]. Die meisten Fachleute sind sich einig: Wenn die globale Erwärmung nicht über 1,5 °C steigen soll, muss bis 2050 eine Nullemission an Kohlendioxid erreicht werden. Ohne «Carbon Dioxide Removal» (CDR), also die aktive Entnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre, gelingt dies nicht.

Flüssige Treibstoffe

Aromen/Duftstoffe Entkoffienierung

Bild 2: Eine Auswahl an aktuellen oder potenziell sinnvollen Anwendungen von Kohlendioxid. (1) biologische Anwendungen; (2) Inertisierungsmittel; (3) tertiäre Öl- und Gasgewinnung; (4) Extraktionsmittel; (5) Kunststoffe; (6) Chemikalien; (7) Brandbekämpfung; (8) Lebensmittelzusatz; (9) Kühlmittel; (10) Mineralisierung. (Quelle: [6], sehr stark modifiziert)

Gefragt sind Verfahren, durch die Kohlendioxid dauerhaft aus dem Kohlenstoffkreislauf ausscheidet. Selbstverständlich besteht die effizienteste Methode darin, Prozesse zu ersetzen, in denen grosse Mengen an Kohlendioxid entstehen, oder doch mindestens die Menge des emittier-

ten Kohlendioxids zu reduzieren. Wo dies nicht möglich ist, muss Kohlendioxid am Entstehungsort möglichst effizient abgeschieden und gespeichert werden. Auf die dafür eingesetzten Verfahren, die teilweise noch in Entwicklung sind, wird hier nicht eingegangen. 5/2020

FOKUS

Spontane Kohlendioxidspeicherung Auch ohne Zutun des Menschen verschwindet Kohlendioxid dauerhaft oder doch über lange Zeit aus der Umgebungsluft. Beispiele sind: – In Bäumen wird Kohlendioxid in Zucker umgewandelt. Werden Bäume zu Baustoffen verarbeitet, bleibt das viele Kohlendioxid, das sie durch Photosynthese im Verlauf des Wachstums aus der Luft entfernt haben, während langer Zeit fixiert. Durch Aufforstung kann dieser Prozess verstärkt werden. – Wie die Bäume absorbieren auch Pflanzen Kohlendioxid durch Photosynthese. Wenn sie absterben, werden sie Teil des Bodens. – Meerwasser ist alkalisch. Kohlendioxid kann sich darin lösen, wobei hauptsächlich Hydrocarbonationen (HCO3–) entstehen. Das Meerwasser wird dadurch weniger basisch – ein Risiko für Meereslebewesen wie Korallen, die Kalkschalen bilden müssen. – Alkalische Bestandteile in Beton reagieren in feuchter Umgebung ebenfalls mit Kohlendioxid, allerdings langsam. Die Carbonatisierung genannte Reaktion erhöht die Druckfestigkeit. Die damit einhergehende Senkung des pHWerts kann zu starken Schäden an der Bewehrung führen.

DAC: Kohlendioxid aus der Luft gepickt [H NCOO ]NH + 2

–

Da alle +aktuell H2NCONH H2O eingesetzten Verfahren die 2 Emission von Kohlendioxid nicht ausreichend reduzieren, müssen zusätzlich grosse Mengen des Klimaschädlings direkt aus der C H2n+2 + n H2O (Alkane) ) H2 Luftn entfernt werden «Direct Air Capture», CnH +n H2O (Alkene) 2n DAC [4]. Nachstehend werden drei interesCnH OHLösungsansätze + (n–1) H2O (Alkohole) sante kurz vorgestellt. 2n+1 In den Anlagen von Climeworks, einem 2009 gegründeten Zürcher Start-up, wird angesogen und durch poröCO + HUmgebungsluft O 2 se Granulate geleitet, die mit Aminen modifiziert sind. Dabei adsorbiertes Kohlendioxid CH4 + wird 2 H2Oanschliessend bei rund 100 °C und vermindertem Druck desorbiert und aufgefangen; seine Reinheit beträgt 99,9 Prozent. Aktuell filtern 15 DAC-Anlagen in fünf europäischen Ländern «mehrere Tausend Tonnen Kohlendioxid aus der Luft» (Information 5/2020

Abkürzung

Englisch

Deutsch

BECCS

Bioenergy with Carbon Capture and Storage

Bioenergie mit Kohlendioxidabscheidung und -speicherung

CCS

Carbon Dioxide Capture and Storage

Kohlendioxidabscheidung und -speicherung

CCU

Carbon Capture and Utilization

Kohledioxidabscheidung und -verwendung

CCUS

Carbon Capture Utilization Kohlendioxidabscheidung, -verwendung und -speicherung and Storage

CDR

Carbon Dioxide Removal

Entzug/Entnahme von Kohlendioxid

CDU

Carbon Dioxide Utilization

Kohlendioxidverwendung

DACCS

Direct Air Carbon Capture and Storage

Direkte Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft mit anschliessender Speicherung

EGR

Enhanced Gas Recovery

Tertiäre Gasgewinnung

EOR

Enhanced Oil Recovery

Tertiäre Ölgewinnung

Tabelle 1: Die oben aufgeführten Abkürzungen werden auch im deutschsprachigen Raum häufig in Publikationen zum Kohlendioxidproblem verwendet.

Louise Charles, Climeworks). Erklärtes Ziel von Climeworks ist es, bis 2025 ein Prozent des in der Atmosphäre vorhandenen Kohlendioxids zu entfernen. Carbon Engineering, ein kanadisches Unternehmen, bindet Kohlendioxid in einer wässrigen Kaliumhydroxidlösung, während diese über senkrecht nebeneinanderstehende Lamellen fliesst, durch die Umgebungsluft gesogen wird. Gelöstes Kaliumcarbonat wird anschliessend in festes Calciumcarbonat umgewandelt, aus dem durch Calcinierung reines Kohlendioxid gewonnen wird. Vereinfacht lässt sich die Chemie des kontinuierlich geführten Prozesses folgendermassen formulieren:

werden die Säulen in einen Behälter abgesenkt, in dem das Kohlendioxid bei vermindertem Druck durch Feuchtigkeit freigesetzt wird. Cluster von zwölf der säulenförmigen Geräte sollen eine Tonne Kohlendioxid pro Tag entfernen. SKH will die Technologie an mehreren Standorten in grossen Kohlendioxidfarmen einsetzen, die jeweils 3,8 Mt Kohlendioxid pro Jahr entfernen können [5].

Aktives Entfernen von Kohlendioxid

Was tun mit dem isolierten Kohlendioxid? In Bild 2 sind einige der realisierten oder doch vielversprechenden Lösungen sche2 KOH + CO2 K2CO3 + H2O matisch dargestellt. Zu beachten ist, dass CaO + H2O Ca(OH)2 nicht alle Ansätze zu dauerhaften EinbinCaCO3 + 2 KOH K2CO3 + Ca(OH)2 dungen von Kohlendioxid führen. Ein BeiΔ CaCO3 CaO + CO2 spiel ist der Einsatz als Feuerlöschgas oder Schutzgas für Lebensmittel, der im besten Das 2018 gegründete Dubliner Unterneh- Fall zu einer Nullbilanz bezüglich Kohlenmen Silicon Kingdom Holdings (SKH) dioxid führt. Allerdings: An Ideen, was mit plant, Kohlendioxid mittels «mechanischer einmal isoliertem Kohlendioxid gemacht H O ON aein an der O O Bäume» zu isolieren. Dazu soll werden könnte, fehlt es nicht, wie zahlreiArizonaOH State University in Tempe entwiche Forschungsprojekte weltweit zeigen. OH ON a CO2 H2 S O4 Zu den etablierten Verfahren gehört das ckeltes DAC-Verfahren eingesetzt werden: Na O H Runde Polystyrolscheiben, in die ein Anio- Einpressen von Kohlendioxid in Erdgasnenaustauscherharz mit quaternären Am- oder Erdölquellen, die am Versiegen sind. moniumionen eingebettet ist, werden zu Dadurch wird die Gas- bzw. Ölförderung Säulen (mechanischen Bäumen) zusam- wieder erhöht; gleichzeitig wird das Kohmengefasst. In trockenem Zustand wird in lendioxid gespeichert. den Zwischenräumen Kohlendioxid aus Superfluides Kohlendioxid lässt sich in geoder Umgebungsluft adsorbiert; Ventilato- logischen Formationen wie Aquiferen (tiefe ren sind nicht erforderlich. Anschliessend salzwasserführende Grundwasserleiter) 5

FOKUS

oder tiefen Kohleflözen einlagern. Für diese und ähnliche Verfahren gilt, dass sie nicht unumstritten sind: Damit sie Erfolg versprechend eingesetzt werden können, muss das[HKohlendioxid + CO NCOO–]NH + unter einer absolut un+ durchlässigen Schicht eingebracht werden. – COO ]NH H NCONH + H O In tiefliegenden Basaltschichten reagiert Kohlendioxid zu stabilen Carbonaten. Isländische Forscher konnten CH +nHO (Alkane) zeigen, dass + (2n + 1) H so von 175 Tonnen injiziertem KohlendioC H + n H O (Alkene) + (2n) H xid nach zwei Jahren mehr als 95 Prozent + (2n) H C H OH + (n–1) H O (Alkohole) vollständig aus dem Kohlenstoffkreislauf entfernt wurden [7].

+ H2

+ 4 H2

2n+1

2n+2

CO + H2O

Etwas Kohlendioxidchemie CH4 + 2 H2O

Kohlendioxid ist bei Raumtemperatur ein farbloses, saures und wasserlösliches Gas. Da es reaktionsträge ist, muss es in vielen Reaktionen mittels Katalysatoren aktiviert werden. Unter den etablierten Prozessen mit Kohlendioxid als Chemierohstoff sticht die Harnstoffsynthese hervor, bei der der Grossteil des Kohlendioxids als Rohstoff eingesetzt wird (siehe Kasten «Wo Kohlendioxid bereits als Rohstoff verwendet wird»). Harnstoff dient hauptsächlich als Stickstoffdünger. Zur Verbesserung der Kohlendioxidbilanz trägt dies allerdings nicht bei, denn einerseits wird das gebundene Kohlendioxid in kurzer Zeit wieder freigesetzt, andererseits entsteht im Verlauf des Herstellungsprozesses mehr Kohlendioxid als durch die Reaktion mit Ammoniak gebunden wird [8]. Damit wird ein bedeutender Aspekt in Zusammenhang mit der Verwendung von Kohlendioxid als Rohstoff angesprochen. Es reicht nämlich nicht aus, nur den Syntheseschritt zu betrachten, der zum Einbau von Kohlendioxid führt. Vielmehr muss der ganze Prozess betrachtet werden. So kann der Einsatz von Energie aus fossilen Brennstoffen dazu führen, dass im Endeffekt mehr Kohledioxid entsteht als in die Produkte eingebaut wird. Im zweiten Teil dieses Artikels wird auf vielversprechende chemische Verfahren eingegangen, mit denen sich Kohlendioxid dauerhaft oder doch über einen längeren Zeitraum aus dem Kohlenstoffzyklus entfernen lässt. Literatur [1] Gemäss den Zahlen der Europäischen Kommission und der britischen Denkfabrik 6

Wo Kohlendioxid bereits als Rohstoff verwendet wird Im Jahr 1922 startete die BASF die grosstechnische Produktion von Harnstoff nach einem von Carl Bosch und Wilhelm Meiser entwickelten Verfahren. Vereinfacht formuliert Kohlendioxid 2 KOH reagieren + CO K CO + H O und Ammoniak unter Hochdruck zu Ammoniumcarbamat, aus dem Harnstoff CaO + H O Ca(OH) entsteht: 2

2 KOH + CO2

CO+3 + Ca(OH)2 [H NCOO CaCO–3]NH + 2 +KOH CO 2K NH 2 3 2 2 4 Δ + CaCO CaO + CO – 3 ]NH 2 [H NCOO H NCONH +HO 2

K2CO3 + H2O

CaO + H2O Ca(OH)2 CaCO3 + 2 KOH K2CO3 + Ca(OH)2

CaCO von CaO + CO Bereits seit 1874 wird Salycilsäure («Aspirin») nach einem Verfahren Hermann nKolbe CO + technisch (2n + 1) H hergestellt: CH + n H O (Alkane) 3

2n+2

n CO + (2n) H2

CO H2n + O nNHa2O (Alkene) n

n CO + OH (2n) H2

CnH2n+1OH O+N(n–1) H2O (Alkohole) a H2 S O4

CO2

Na O H

CO2 + H2

OH OH

ON a

O OH

CO + H2O

ON a

CO2

NaO H noch Die Fischer-Tropsch-Synthese (FT-Synthese) spielt eine wichtige Rolle bei vielen zu beschreibenden Prozessen mit Kohlendioxid. Im von Franz Fischer und Hans Tropsch CH + 2 H O CO + 4 H 1925 entwickelten grosstechnischen Verfahren entsteht durch Kohlevergasung 2 KOH + CO Kein CO + H O [H NCOO–]NH + 2 NH + CO Gemisch aus +Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das Synthesegas, das bei Temperaturen CaO + H O Ca(OH) [H NCOO–]NH H NCONH + H O unter 250 °C, einigen 10 bar Druck in Anwesenheit von Katalysatoren Eisen oderCaCO + 2 KO + Ca(OH) K CO wie Δ vor allem Cobalt in Alkane, Alkene oder Alkohole umgewandelt werden CaCO kann.CaO + CO 2

[H2NCOO ]NH4 2 NH3 + CO2 + – + – + CO [HH2NCOO ]NH 2n[HNH CnH + 2n CO NCOO ]NH NCONH + 4H O H2O (Alkane) 3 + (2n 2 +2 1) H2 2n+2 2 2 2 –

+ – [H NCOO ]NHH 2 n 2CO + (2n) 2

HC NCONH H2O 2 H2n + n2 H+2O (Alkene) n

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

nnCO H2 CO ++ (2n (2n)+H1) 2

CnH2n+1OH + (n–1) H2O (Alkohole) CnH2n+2 + n H2O (Alkane)

2 KOH + 3CO2 K2CO3 +2 H2O 2 KOH K2CO3 + H2O CaO + H2O+ CO2 Ca(OH) 2 CaO H2O 2 Ca(OH) ++Ca(OH) CaCO2 3 + 2 KOH K2CO 3 Δ + Ca(OH) K2CO CaCO CaO +2 CO2 3 3

CaCO3

CaCO3 + 2 KO

CaO + CO2 O

Damit Kohlendioxid in FT-Synthesen eingesetzt werden kann, muss esOH allerdings C O 2 zuCO +C H CH H OOH +nH (Alkene) +O (n–1) H O (Alkohole) erst mit Wasserstoff und meist eisenhaltigen Katalysatoren (Retro-Wassergas-Shift-ReNa O H O n CO + (2n) H C H OH + (n–1) H O (Alkohole) aktion) in Synthesegas umgewandelt werden: nn

22n 2n+1

2n+1

CO + 4 H CO2 2 + H2 2

CH + 2 H O CO + 4 H2O 2

CO2 + H2

CO + H2O

CO2

OHNaO H CO

Na O H Methan zudem H CH +durch 2 H O direkte Hydrierung von Kohlendioxid gewonnen: CO + 4 wird 2

CO2 + 4 H2

ON a

+ n(Alkene) H2O (Alkane) CnH2nC+nHn2n+2 H2O

+++ H(2n) nnCO CO H22 CO 2 2

CH4 + 2 H2O

Die Reaktion ist auch unter dem Namen «Sabartier-Prozess» bekannt. Ember, ehemals Sandbag; https://ember-climate.org/2015/04/01/for-the-firsttime-4-out-of-5-largest-eu-emitters-aregerman-lignite-power-stations/ (abgerufen am 15.04.2020) [2] BP Statistical Review of World Energy, 68th edition (2019) [3] https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id =10100 (abgerufen am 30.01.2020) [4] Eloy S. Sanz-Pérez et al., «Direct Capture of CO2 from Ambient Air», Chemical Reviews 116, 11840–11876 (2016); DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00173 [5] Powerful «mechanical trees» can remove CO2 from air to combat global warming at scale; https://3v.org/powerful-mecha-

nical-trees-can-remove-co 2 -from-the-airto-combat-global-warming-at-scale/) (abgerufen am 15.04.2020) [6] Peter Folger, «Carbon Capture and Sequestration (CCS) in the United States»; https://fas.org/sgp/crs/misc/R44902.pdf (abgerufen am 11.04.2020) [7] S. Ó. Snæbjörnsdóttir, «The chemistry and saturation states of subsurface fluids during the in situ mineralisation of CO2 and H2S at the CarbFix site in SW-Iceland» (2017); https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2017.01.007 [8] C. Hepburn et al., «The technological and economic prospects for CO2 utilization and removal», Nature 575, 87–97 (2019); https://doi.org/10.1038/s41586-019-1681-6 5/2020

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FOKUS

«Grüner» Energieträger

Wasserstoffproduktion aus Biomasse

Wasserstoff wird als Energieträger einen wichtigen Platz im Energieversorgungssystem der Zukunft einnehmen. Die Herstellung des begehrten Stoffes kann auf unterschiedlichen Wegen geschehen. Bei der Wasserstoffelektrolyse etwa wird elektrischer Strom verwendet, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzutrennen. Ein anderer Weg ist die Fermentation. Wie bei einer Biogasanlage wird hier der Wasserstoff mittels Mikroorganismen aus Biomasse gewonnen. Bei der sogenannten Dunkelfermentation produzieren bestimmte anaerobe Bakterien und Pilzstämme unter Einsatz einer speziellen Prozessführung ohne Zwischenschritte Wasserstoff aus organischen Stoffen.

Kombinierte Produktion von Wasserstoff und Biogas Dieses bislang noch wenig eingesetzte Verfahren soll in einem neuen ForschungsWasserstoff als Energieträger Die Fraunhofer-Gesellschaft arbeitet mit Nachdruck an Technologien zur Erzeugung, Wandlung und Nutzung von Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger der Zukunft. In Sachsen-Anhalt forschen neben dem Fraunhofer-Institut für Fa brikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg auch das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle und das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP intensiv auf diesem Gebiet. Weitere Informationen zum Forschungsprojekt unter: www.hyperferment.de

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Bild: Fraunhofer IFF

In einem Forschungsprojekt will das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg mit weiteren Partnern ein neues Verfahren zur mikrobiologischen Wasserstofferzeugung entwickeln. Ziel der Forscher ist es, diesen «grünen» Wasserstoff in industriellem Massstab in Biogasanlagen zu erzeugen. So soll deren Wirkungsgrad erhöht und die dezentrale Versorgung mit regenerativ erzeugter Energie verbessert werden.

Die Biogasanlage: Mit der zusätzlichen Produktion von Wasserstoff soll sich künftig deren Wirkungsgrad erhöhen.

projekt genauer untersucht und auf seine Anwendbarkeit im industriellen Massstab getestet werden. Der Wirkungsgrad dieser Methode zur Wasserstoffherstellung ist zwar geringer als der anderer Verfahren. Das Ziel ist es jedoch, den Prozess zukünftig in bereits vorhandene Biogasanlagen zu integrieren und so deren Wirkungsgrad insgesamt zu verbessern. Langfristig soll dadurch der Ausbau dezentraler Infrastrukturen zur nachhaltigen Wasserstoffversorgung unterstützt werden. Das Projekt mit dem Namen «HyPerFerment» (Mikrobiologische Verfahrensentwicklung zur Wasserstofferzeugung und -bereitstellung) ist zunächst auf zwei Jahre ausgelegt und wird von dem mikrobiologischen Labor MicroPro, dem Anlagenspezialisten Streicher Anlagenbau sowie dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg betrieben. In der ersten Phase wollen die drei Projektpartner die geeignetsten Stämme

der benötigten Mikroorganismen auswählen und testen. Ausserdem soll die anlagentechnische Umsetzung geplant und das Gesamtkonzept physiko-chemisch, technologisch und ökonomisch bilanziert und bewertet werden. In einer angeschlossenen zweiten Projektphase sind dann der Bau einer Pilotanlage und deren Feld erprobung vorgesehen. Das Projekt wird von der Investitionsbank Sachsen-Anhalt und mit Mitteln der Europäischen Union gefördert. Kontakt Dr.-Ing. Torsten Birth Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Sandtorstrasse 22 D-39106 Magdeburg +49 391 40 90 355 torsten.birth@iff.fraunhofer.de www.iff.fraunhofer.de

FOKUS

Vernetzte Produktion

Funksignale aus der Deckenbeleuchtung Die herkömmliche Funkkommunikation im Produktionsumfeld ist problematisch, da Wlan und Bluetooth nur eine begrenzte Bandbreite bieten. Dennoch müssen zahlreiche Komponenten wie Sensoren und Roboter drahtlos miteinander vernetzt werden. Ein Forscherteam am Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo arbeitet gemeinsam mit der Technischen Hochschule OWL an Lösungen, um dieser Herausforderung zu begegnen: Künftig sollen Maschinen in Fabrikhallen über Lichtimpulse miteinander kommunizieren.

Fahrerlose Transportsysteme, Förderbänder, Motoren, Roboter, Sensoren, Drohnen, Monitoringsysteme, mobile Endgeräte, unterschiedlichste Maschinen und Anlagen – sie alle kommunizieren im Produktionsumfeld miteinander und tauschen Daten aus. Oftmals werden die Komponenten an verschiedenen Orten betrieben, was eine drahtlose Vernetzung unabdingbar macht. Die Kommunikation per Funk muss reibungslos funktionieren, da es andernfalls zu Produktionsausfällen kommen könnte. Im Berufs- und Privatleben nutzen wir die Vorteile drahtloser Verbindungen wie Wlan und Bluetooth seit langem – in der Produktion gelangt die herkömmliche Funkkommunikation an ihre Grenzen: Wlan und Bluetooth bieten nur eine begrenzte Bandbreite, das Funkspektrum ist angesichts der zunehmenden Nutzer, Empfänger und Geräte überlastet. Zwar wird die 5G-Technologie dieses Problem vermindern, die Herausforderungen der Kommunikation im Produktionsumfeld lassen sich jedoch lizenzfrei und effektiver meistern – dieser Ansicht sind die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo, Institutsteil für industrielle Automation des Fraunhofer Instituts für Op tronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB. Sie gehen einen anderen Weg und wählen das sichtbare Spektrum des Lichts für die drahtlose Datenübertragung. «Visible Light Communication» (VLC, siehe Box) nennen Experten die Technologie. «Das Lichtspektrum ist etwa

¹ Fraunhofer Gesellschaft, München

Bild: Fraunhofer IOSB-INA

Britta Widmann ¹

Das Forscherteam des Fraunhofer IOSB-INA testet die Datenübertragung per Licht unter realen Bedingungen in der SmartFactory OWL in Lemgo.

4000-mal grösser als das gesamte verfügbare Funkspektrum, es reicht von 380 bis zu 800 Nanometern Wellenlänge», sagt Daniel Schneider, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-INA. Gemeinsam mit seinen Kollegen und der Technischen Hochschule OWL arbeitet er daran, VLC in die Industrie zu übertragen. In Büro-, Heim- und Laborumgebungen wird VLC bereits eingesetzt, seit kurzem verwendet man es auch, um Indoor-Navigationssysteme in Einkaufszentren zu implementieren. In Fabrikhallen sind die Hürden für die Kommunikationstechnologie aufgrund der besonderen Störfaktoren jedoch hoch bzw. noch nicht ausreichend erforscht. «Als Alternative zum herkömmlichen drahtlosen Netzzugang werden wir für die ‹Visible Light Communication› handelsübliche, energieeffiziente LEDs einsetzen. Entscheidend ist, dass wir ein

Visible Light Communication Bei der Visible Light Communication (VLC) werden Daten per Licht übertragen. Als Sender verwendet man LEDs, auf der Empfängerseite wandelt ein Fotodetektor die Lichtsignale in Stromimpulse um. Die Informationen werden z. B. in Form von binären Signalen an das Empfängergerät übermittelt. Für das menschliche Auge ist dies nicht wahrnehmbar. Die Technologie ist nicht neu, man kennt sie beispielsweise vom heimischen Fernsehgerät. An der Fernbedienung befindet sich eine Infrarot-LED, die ein Datensignal in ein Lichtflackern verwandelt. Am TV-Gerät misst eine Fotodiode das Signal und ermittelt, ob eine Eins oder Null übertragen wird.

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System etablieren können, das sich gegen möglichst viele Störungen als widerstandsfähig erweist», so Schneider. Zuverlässig ist ein solches System dann, wenn Abdeckungsprobleme durch Wände, metallische Gegenstände, Maschinen und andere Störsignale überwunden werden können. «Künstliche Lichtquellen, Abschattungen und Reflektionen können die Datenübertragung per Licht beeinflussen. Inwiefern, in welchen Bereichen und Höhen sie das tun, haben wir in Zusammenarbeit mit fünf Unternehmen aus der Industrie im Rahmen einer Messkampagne untersucht.» Für die Tests wurde unter anderem ein Spektrometer verwendet, das um zwei Achsen drehbar ist und die Störquellenverteilung im Raum misst. Im Fokus der Messkampagne standen dabei insgesamt drei Einflussgrössen: Umgebungslichtquellen, Partikel und Umgebungsreflektionen. Letztere bezeichnen die Experten auch als Mehrwegeausbreitung.

Lichtreflektionen stören Datenübertragung Die Tests ergaben, dass Staubpartikel kein Problem für optische Signale darstellen. «Fabrikhallen sind in der Regel gut belüftet, die typischen Partikelkonzentrationen dämpfen das Lichtsignal daher nicht relevant ab», sagt der Forscher. Personen und Fahrzeuge, die sich mit 0,2 m/s langsam bewegen, beeinträchtigen die Qualität des Signals ebenso wenig. Umgebungslichtquellen hingegen beeinflussen das gesamte optische Spektrum. Insgesamt zehn Modelle haben die Projektpartner identifiziert, auf deren Lichtverhältnisse VLC-Systeme reagieren: Dazu gehören Schweissprozesse und Leuchtstoffröhren, aber auch optische Tracking-Systeme. Sie treten jedoch nur lokal auf und nicht ortsübergreifend. VLC-Systeme müssen daher in der Lage sein, adaptiv auf die Lichtverhältnisse zu reagieren und derartige Störeinflüsse zu minimieren – so die Testergebnisse. Als Störfaktor konnten die Forscher auch die Mehr wegeausbreitung identifizieren: «Eine Lampe strahlt in mehrere Richtungen, die über Reflektionen beim Empfänger ankommen. Fallen diese stark unterschiedlich aus, kommt das Licht zu 5/2020

zeitlich und dämpfungsbehaftet verteilt beim Empfänger an. Es verzerrt dadurch das Nutzsignal im Nanosekunden-Bereich und setzt die Übertragungsqualität herab», erläutert der Wissenschaftler. Basierend auf den quantitativen Messergebnissen entwickeln Schneider und sein Team umgebungsadaptive VLC-Systeme für den industriellen Einsatz.

Keine Chance für Datendiebe Im Vergleich zu Wlan bietet VLC nicht nur grössere Bandbreiten, auch die Datensicherheit ist gewährleistet. Ein Funksignal strahlt durch Wände hindurch, die Kommunikation ist ausserhalb der Fabrikhalle abhör- und manipulierbar. Mit Licht ist dies nicht möglich, potenzielle Angreifer haben hier keine Chance. Ein weiterer Bonus: 1000 und mehr Geräte werden sich per VLC drahtlos miteinander vernetzen lassen. «Wenn wir unser VLC-System auf Basis unserer Messkampagne optimal ausgelegt haben, sind wir in der Lage, an einem Standort über 1000 Geräte energiesparend, abhörsicher und unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen zu betreiben», resümiert der Forscher aus Lemgo. Die erforderliche Hardware soll sich neben der Deckenbeleuchtung, auf einen Internetzugang sowie einen Trans ceiver beschränken, der an das Endgerät angeschlossen wird. Der vorliegende Demonstrator wird in der Lemgoer SmartFactoryOWL derzeit unter realen Bedingungen getestet. Bereits Mitte 2021 sollen sowohl Gross- als auch mittelständische Unternehmen von dem fertigen System profitieren.

Kontakt Mischa Gutknecht-Stöhr Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Campusallee 6 D-32657 Lemgo +49 5261 94290 35 mischa.gutknecht-stoehr@ iosb-ina.fraunhofer.de www.smartfactory-owl.de

FOKUS

Mikrofiltrationsmembranen

Kuh als Bioreaktor für Antikörper

Komplexe Lebensmittel wie Milch enthalten zahlreiche Einzelkomponenten, die für medizinische, ernährungstherapeutische oder technologische Zwecke genutzt werden können und damit die Wertschöpfung im Vergleich zum herkömmlichen Produkt signifikant steigern. So können mithilfe der sogenannten Milchproteinfraktionierung, einer speziellen Membrantechnik, aus der Milch gezielt geimpfter Kühe Antikörper gewonnen werden, die im Falle von Antibiotika-Resistenzen Anwendung finden. Antikörper spielen bei der Infektionsabwehr eine zentrale Rolle. Sie erkennen und markieren in den Körper eingedrungene Krankheitserreger und aktivieren daraufhin das Immunsystem. Im Rahmen eines Projekts der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) haben Dr. Hans-Jürgen Heidebrecht und Prof. Dr. Ulrich Kulozik vom Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung an der Technischen Universität (TU) München diese Fraktionierungsmethode jetzt wesentlich verbessert. Mithilfe der von ihnen entwickelten neuartigen Mikrofiltrationsmembranen ist es möglich, spezifische Antikörper aus der Milch abzutrennen und soweit anzureichern, dass sie unter anderem als Ersatz für Antibiotika eingesetzt werden können. Durch die Ergebnisse des IGF-Projekts, das vom Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) koordiniert wurde, ist der gesamte Prozess der Milchprotein-

Bild: Jan Koestier/Pexels

Dank einer neuartigen Mikrofiltrationsmembran konnten Forscher der Technischen Universität München Antikörper aus der Milch von Kühen sauber abtrennen. Dies ermöglicht laut den Wissenschaftlern neue Möglichkeiten in der Therapie gegen bakterielle Entzündungen. Denn gezielt geimpften Kühe können sozusagen als lebende Bioreaktoren dienen und so massgeschneiderte Antikörper als Ersatz für Antibiotika bilden.

Ein Säugetier als Reaktor: die Kuh.

fraktionierung deutlich effizienter geworden und eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten. So kann dieser innovative Ansatz perspektivisch zur Entwicklung von Medikamenten auf Milchbasis überall dort eingesetzt werden, wo es ein empfindliches Mikrobiom-Gleichgewicht gibt und dieses Gleichgewicht nicht mit

unspezifischen Antibiotika zerstört werden soll.

Verbesserte Membranen «Bei der Mikrofiltration wird Milch mit Druck durch Membranen gepresst und dadurch in verschiedene Komponenten un-

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FOKUS

terteilt», erklärt Kulozik das Verfahren. «Die Methode war nicht neu. Damit aber die Antikörper im Filtrat landen und zudem von hoher Funktionalität und Reinheit waren, mussten wir die Membranen deutlich verbessern. Das ist uns gelungen», freut sich der Forscher. Heidebrecht beschreibt die Gewinnung der Antikörper. «Im Prinzip setzen wir die Kuh als Bioreaktor ein und machen uns ihr Immunsystem zunutze. Indem wir die Kuh mit inaktiven menschlichen Krankheitserregern immunisieren, erzeugen wir ganz bestimmte Antikörper in der Kuhmilch. Die reichern wir dann entsprechend an und nutzen sie für die orale passive Immunisierung von Menschen.» In einer Pilotanwendung wurden auf diese Art schon Antikörper gegen Krankenhauskeime erzeugt. Weitere mögliche Anwendungen sind die Behandlung von Magen-Darm-Erkrankungen, bakteriellen Hauterkrankungen oder Karies. Derzeit ist eine grosse

Studie in Vorbereitung, um ein neues Medikament auf den Markt zu bringen.

Hohe wirtschaftliche Relevanz Mittlerweile sind die neuen Membranen auch kommerziell verfügbar. Für Dr. Wolfgang Holzmüller von der Allgäuer Milei GmbH bedeuten diese einen massiven Technologievorsprung für das Unternehmen. «Die beiden Wissenschaftler haben eine Schlüsseltechnologie weiterentwickelt, die wegweisend für die Milchindustrie ist. Die Projektergebnisse eröffnen uns völlig neue Anwendungsgebiete», betont Holzmüller. Die Milei GmbH war als einer von 19 Industriepartnern am Projektbegleitenden Ausschuss des IGF-Projekts beteiligt. Dr. Volker Häusser, Geschäftsführer des FEI, weist auf die hohe Zahl der beteiligten Industriepartner bei diesem Projekt

hin: «19 Unternehmen aus ganz unterschiedlichen Wirtschaftsbranchen haben dieses Projekt begleitet. Allein diese Zahl zeigt, wie relevant das Projektthema für die mittelständische Wirtschaft ist.» Die Ergebnisse des Projekts würden, per spektivisch gesehen, milliardenschwere Märkte beeinflussen, ist sich Häusser sicher. «Vor allem aber werden die Ergebnisse positive Auswirkungen auf die Gesundheit der Menschen haben», so sein Résumé. Kontakt Prof. Dr. Ulrich Kulozik Technische Universität München Arcisstrasse 21 D-80333 München +49 8161 71 4205 ulrich.kulozik@tum.de www.tum.de

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CHEMIE

Wachsende chemische Vielfalt

Chemikalien sollen registriert werden Ein internationales Forscherteam hat eine globale Bestandsaufnahme aller registrierten Industriechemikalien erstellt: Weltweit werden etwa 350 000 verschiedene Substanzen hergestellt und gehandelt, nicht wie bisher geschätzt nur 100 000. Von gut einem Drittel dieser Substanzen fehlen öffentlich zugängliche Informationen. Nur durch eine globale Zusammenarbeit lassen sich diese Missstände beheben.

Ori Schipper ¹

Bild: shutterstock/angellodeco

Die letzte Liste aller Chemikalien, die weltweit auf dem Markt erhältlich und in Umlauf sind, umfasste 100 000 Einträge. Erstellt wurde sie kurz nach der Jahrtausendwende. Der Fokus lag auf den Märkten in den USA, Kanada und Westeuropa. Das ergab damals noch Sinn, weil diese Länder vor 20 Jahren für mehr als zwei Drittel des weltweiten Umsatzes von chemischen Substanzen aufkamen.

Um das Dreifache angestiegen Das hat sich seither drastisch geändert. Einerseits hat sich der Umsatz mehr als verdoppelt und ist im Jahr 2017 auf 3,4 Billionen Euro gestiegen. Andererseits beteiligt sich der globale Westen nur noch an einem Drittel des weltweiten Chemikalienhandels, während China allein 37 Prozent des Umsatzes bestreitet. «Wir haben den Blick auf den globalen Markt ausgeweitet – und präsentieren zum ersten Mal eine umfassende Übersicht aller weltweit erhältlichen Chemikalien», sagt Zhanyun Wang, Senior Scientist am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich. ¹ ETH Zürich

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In Zusammenarbeit mit einem Team von internationalen Experten hat Wang die Daten von 22 Verzeichnissen aus 19 verschiedenen Ländern und Regionen (einschliesslich EU) zusammengeführt. Die neue Liste umfasst 350 000 unterschiedliche Einträge. «Die uns nun bekannte chemische Vielfalt ist dreimal grösser als vor 20 Jahren», sagt Wang. Das liege vor allem daran, dass sie für ihre Arbeiten mehr Verzeichnisse berücksichtigt hätten. «Unsere neue Liste führt deshalb viele Chemikalien auf, die in Entwicklungs- und Transitionsländern – oft unter begrenzter Aufsicht – registriert wurden.»

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Im Labor werden immer neue Substanzen hergestellt und auf ihre Wirkung getestet. Diese Erkenntnisse sollten zentral gesammelt werden.

Die umfassende Liste allein kann keine Auskunft darüber geben, welche Chemika-

05.04.17 18:08

lien gefährlich und zum Beispiel schädlich für die Gesundheit oder die Umwelt sind. «Unsere Bestandsaufnahme ist der allererste Schritt in der Charakterisierung der Substanzen», sagt Wang. Frühere Arbeiten hätten gezeigt, dass ungefähr drei Prozent aller Chemikalien Anlass zur Beunruhigung geben. Wenn man diese Zahl auf die neue Vielfalt anwende, sei mit 6000 neuen potenziell problematischen Substanzen zu rechnen, meint Wang.

Informationen fehlen Weit erstaunter war Wang über den Umstand, dass ein gutes Drittel aller Chemikalien in den verschiedenen Verzeichnissen nur unzulänglich beschrieben ist. Bei gut 70 000 Einträgen geht es um Mischungen und Polymere (wie etwa Petroleumharz), weitergehende Informationen zu 5/2020

CHEMIE

Unbekannte Substanzen in Kunststoffen Gerade in Alltagsprodukten aus Kunststoff verbergen sich oft nicht identifizierbare Verbindungen. So haben Forschende des Instituts für sozial-ökologische Forschung im vergangenen Jahr herausgefunden, dass sich in Plastiktypen wie beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyurethan (PUR) unzählige Unbekannte befinden. Also Stoffe, die nachgewiesen, aber nicht identifiziert werden konnten. In ihrer Untersuchung fanden sie insgesamt 1400 verschiedene Chemikalien, von denen sie lediglich 260 eindeutig bestimmen konnten.

den einzelnen Komponenten fehlen. Weitere 50 000 Einträge betreffen Chemikalien, deren Identität als vertrauliche Ge-

schäftsinformation gilt – und deshalb nicht öffentlich zugänglich ist. «Wie diese Substanzen beschaffen sind und wie bedrohlich oder giftig sie sind, wissen nur die Hersteller», sagt Wang. «Das hinterlässt ein ungutes Gefühl wie bei einem Gericht, von dem man uns zwar sagt, dass es gut gekocht ist, aber nicht, was drin ist.»

Dringender Aufruf Die Globalisierung und der weltweite Handel sorgen dafür, dass sich Chemikalien – im Gegensatz zu den nationalen Verzeichnissen – nicht an Ländergrenzen halten. Daher müssten die verschiedenen Verzeichnisse unbedingt zusammengeführt werden, wenn die Menschheit auch in Zukunft den Überblick über alle Chemikalien behalten will, die irgendwo auf der Welt hergestellt und dann gehandelt werden, merken Wang und seine Kollegen in ihrem in der Zeitschrift «Environmental

Science & Technology» veröffentlichten Beitrag an. «Nur wenn wir unsere Kräfte über Länder und Disziplinen hinweg vereinen, schaffen wir es, mit der immer grösser werdenden chemischen Vielfalt zurechtzukommen», sagt Wang. Originalbeitrag Z. Wang et al., «Toward a Global Understanding of Chemical Pollution: A First Comprehensive Analysis of National and regional Chemical Inventories», Environ Sci Technol. (2020); DOI: 10.1021/acs. est.9b06379 Kontakt ETH Zürich Rämistrasse 101 CH-8092 Zürich +41 44 632 41 41 mediarelations@hk.ethz.ch www.ethz.ch

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CHEMIE

Système d’auto-apprentissage

Un saut vers les nouveaux produits

Au laboratoire de recherche, l’intelligence artificielle (IA) auto-apprenante permet d’inventer de nouveaux cristaux. Certains d’entre eux ne sont pas encore connus mais devraient être stables sur un plan thermodynamique selon les derniers calculs. Ces cristaux pourraient par exemple permettre de fabriquer de nouveaux types de catalyseurs ou de matériaux. 90 candidats inconnus ont été cristallisés de cette manière à partir d’environ 2 millions de calculs à l’université de Bâle dont certains présenteraient des propriétés électroniques exotiques. Ainsi, grâce aux unités de formation en IA, le travail de conception des matériaux a pu être considérablement accéléré pour de nombreuses classes de composés; idem en ce qui concerne leurs qualités attendues. Des sociétés pharmaceutiques fondent déjà des alliances plus étroites avec des spécialistes en informatique dans le domaine de la recherche sur le cancer. Un exemple actuel concerne une immunothérapie spécifique dans le domaine des carcinomes de la tête et du cou et du cancer des ovaires. Un système de prédiction basé sur l’IA, permet de sélectionner des mutations de cellules cancéreuses spécifiques au patient et de les cibler; ce qui permet d’insérer des séquences de gènes spécifiques dans des vecteurs viraux. Celles-ci produisent une réponse immunitaire personnalisée adaptée au patient contre ses propres antigènes tumoraux (ce qui va dans le sens de la médecine personnalisée).

L’IA pour la formulation des polymères Dans un autre domaine, l’IA sert à élargir une gamme de produits de pré-polymères, et notamment: les systèmes de po14

Figures: Endress+Hauser

Dans les industries chimiques, pharmaceutiques et dans les biotechnologies, les systèmes d’auto-apprentissage aident à résoudre des problèmes très différents. Ils permettent de prédire les propriétés des catalyseurs, des matériaux et de bien d’autres choses qui n’existent pas encore. Ces systèmes permettent d’obtenir une productivité plus élevée depuis la recherche en laboratoire jusqu’à la production.

Figure 1: Connectivité de partout: toutes les informations importantes sur l’état des appareils d’un système ou d’un processus sont accessibles via divers appareils (par ex. un Smartphone).

lyuréthanes personnalisés de Lanxess. En effet, l’entreprise a déjà acquis une certaine expérience dans l’optimisation des fibres de verre. Le temps de développement des formulations nécessaires devrait être réduit de moitié. L’utilisation de l’IA est maintenant étendue à de nombreux pré- polymères; ce qui permet d’améliorer leur composition. Les chimistes ont tout d’abord déterminé la dureté, la résistance à la rupture ou la viscosité des précurseurs des polymères à partir de leurs connaissances ou de leur expérience. Vous bénéficiez désormais de l’assistance des systèmes d’IA qui peuvent ajouter des données supplémentaires dans la base de données des compositions existantes (qui reposait jusqu’à présent sur des mesures empiriques). Cette aide supplémentaire considérée comme indispensable semble avoir été acceptée

Figure 2: La tablette PC: modèle spécial y compris pour les zones dangereuses telles que Ex-Zone 2 (Field Expert, Endress+Hauser, Reinach). Elle est adaptée au contrôle des instruments de terrain tout au long de leur cycle de vie.

très rapidement par les équipes de recherche; ceci d’autant plus que les diverses compositions peuvent être optimisées simultanément lors du processus de fabrication. 5/2020

CHEMIE

L’AI dans l’évaluation précoce de la qualité du fromage L’intelligence artificielle est déjà très importante dans le processus lui-même. Les capteurs et systèmes actuels créent les conditions préalables; en effet ils fournissent tous des informations ou des paramètres supplémentaires sur l’appareil ou sur le processus en sus des mesures réelles. Les progrès de la micro-électronique (puissance de calcul plus élevée avec une plus faible consommation d’énergie) permettent de lire et d’utiliser ces données. Il peut s’agir de capteurs de débit, de capteurs de niveau, de pression ou de température, de systèmes d’analyse chimique et bien plus encore. De la mousse se forme-t-elle sur le milieu ou sur l’antenne radar dans un réservoir de liquide dès le départ? Y a-t-il de la corrosion, de l’abrasion ou une formation de dépôts à l’intérieur du tube de mesure d’un débitmètre? Les appareils le détectent eux-mêmes (par ex. Heartbeat Technology, Endress+Hauser); de plus, tous

Figure 3: Tablette PC industrielle et applica tion Internet sur un ancien site industriel (ancienne installation avec des équipements hétérogènes en partie analogiques). La sécurité des installations (par ex. Ex-Zone) et la sécurité des données (selon les spécifications Namur) ne posent aucun problème.

Figure 4 : Dans les systèmes existants (anciens), la connectivité complète est obtenue grâce à des adaptateurs et des périphériques.

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Figure 5: Dans l’industrie chimique et pharmaceutique, les salles blanches peuvent être intégrées dans un concept global d’installation ce qui permet de bénéficier de tous les avantages d’une surveillance efficace des appareils, d’une maintenance prédictive et d’un con trôle des installations.

ces signaux peuvent désormais être téléchargés dans un Cloud (par ex. via Netilion IIoT, Endress+Hauser). Pratiquement tous les appareils modernes possèdent la connectivité nécessaire et peuvent être facilement intégrés. Ceci est également possible pour la plupart des équipements plus anciens à condition d’utiliser des adaptateurs appropriés et/ou des dispositifs dits périphériques. Voilà pour les conditions préalables – l’intelligence artificielle au sens propre entre en jeu lors du traitement d’une grande quantité d’informations. Les Systèmes Muster auto-apprenants peuvent «voir» et évaluer si un processus se déroule en eaux calmes ou s’il est hors de contrôle. Qu’est-ce que cela signifie pour le gérant d’une entreprise? Voici un exemple: grâce à des applications spéciales (par ex. pour Netilion IloT), le gérant s’offre la possibilité de réaliser une maintenance prédictive de ses techniques de mesure. Il peut ainsi obtenir une image de l’état de tous ses capteurs de pH en temps réel. Les fournisseurs de techniques de mesure et de concepts de maintenance peuvent rapprocher encore plus l’intelligence artificielle de leurs clients. Un développement conjoint actuel d’Endress+Hauser et d’un fabricant de produits alimentaires concerne une mousse de fromage. À l’aide de plusieurs paramètres de mesure et de signaux en provenance de divers appareils de mesure, la qualité finale du produit peut être évaluée lors du processus de fabrication; ceci en complément du contrôle humain.

La clé se trouve dans les paramètres «secondaires». Cette solution fonctionne grâce à la fusion des données des capteurs; ce qui signifie que les valeurs me surées par un débitmètre massique (par ex. Promass Q) sont traitées avec celles d’un manomètre. De plus, toutes les mesures issues de ce segment de production sont utilisées – soit un total d’environ 20 variables de mesure y compris le débit massique, la température, la pression, la densité et la viscosité. L’instrument Coriolis (utilisé afin de détecter les plus grosses bulles de gaz) est capable de fournir des informations sur l’homogénéité des produits.

L’IA pour une meilleure productivité Les mauvaises prédictions n’ont cependant pas totalement disparu car les technologies modernes n’ont pas réussi à améliorer la productivité. Les exemples ci-dessus et bien d’autres encore montrent que le contraire est souvent le cas.

Ilmac Lausanne 2020 Durée: 7 et 8 octobre 2020 Heures d’ouverture: 9h00 à 17h00 Lieu: Expo Beaulieu Lausanne, Hall 7 Organisateur: Foire MCH Suisse (Bâle) SA. info@ilmac.ch www.ilmac.ch/Ilmaclausanne

CHEMIE

Zwei chirale Katalysatoren am Werk

Neues selektives Syntheseverfahren Chemiker sind stets daran, synthetische Verfahren zu entwickeln, die möglichst selektiv sind. Es soll das eine oder andere Stereoisomer eines Moleküls aus einfachen und identischen Ausgangsmaterialien unter bestimmten Reaktionsbedingungen hergestellt werden können. Ein Forscherteam der Universität Münster hat ein neues Verfahren zur gezielten Synthese aller vier Stereoisomere von sogenannten α,β-disubstituierten γ-Butyrolactonen entwickelt.

γ-Butyrolactone sind weit verbreitete Verbindungen in Naturprodukten, die viele biologische Funktionen haben. Ein wichtiges Beispiel ist Pilocarpin (Bild 2), ein Medikament zur Behandlung des Grünen Stars. Das neu entwickelte Syntheseverfahren basiert auf der Kombination von zwei chiralen Katalysatoren – einem metallfreien Katalysator (N-heterocyclischer Carben = NHC) und einem Metallkatalysator (Komplex mit Iriduim als Koordiantionszentrum = IrL n), die jeweils unabhängig voneinander einen der beiden Reaktionspartner aktivieren. Die Edukte der Reaktion sind ein ungesättigter Aldehyd und Vinylethylencarbonat, wobei der Aldehyd den NHC als Katalysator benötigt und der Iridiumkomplex für Vinylethylencarbonat zum Einsatz kommt. Die aktivierten Verbindungen reagieren schliesslich miteinander zum gewünschten Produkt, einem α,β-disubstituierten γ-Butyrolacton (Bild 1).

NHC

O O

IrLn

O O

H 3C

H2C

IrLn

H2C

Bild 1: Das neu entwickelte Syntheseverfahren basiert auf der Kombination von zwei chiralen Katalysatoren (NHC und IrL n ), die jeweils unabhängig voneinander einen der beiden Reaktionspartner aktivieren.

Stereoisomer nach Wunsch

H3C

O O

N N

Bild: Peter Dziemba/W WU

«Mir gefällt das Bild, dass diese beiden Katalysatoren Hand in Hand arbeiten», betont Prof. Dr. Frank Glorius, Leiter der Forschungsgruppe. Die Katalysatoren werden während der Reaktion nicht verbraucht oder verändert und arbeiten synchron, um das Endprodukt effizient herzustellen. Es enthält zwei sogenannte stereogene Zentren, also in diesem Fall sind diese Zentren zwei Kohlenstoffatome in der zyklischen Struktur des Lactons. Da jedes stereogene Zentrum zwei mögliche Orientierungen – nach oben oder unten – aufweisen kann, können in diesem Fall vier mögliche Produkte erzeugt werden.

CH3

Bild 2: Pilocarpin.

Bild 3: Eloisa Serrano.

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CHEMIE

O Bild:Barsu Nagaraju/MPI KoFo

O OH

Bild 5: Ein bekanntes Beispiel für natürlich vorkommende γ-Butyrolactone: Enterolacton ist krebshemmend.

Bild 4: Santanu Singha.

Die Chemiker nutzen in ihrem Verfahren die verschiedenen Kombinationen der beiden chiralen Katalysatoren, um die Bildung von nur einem der vier möglichen Produkte zu kontrollieren, können aber auf jedes der Produkte zugreifen – eine Eigenschaft, die nur wenige chemische Prozesse aufweisen. «Unsere Methode rationalisiert die Synthese von chiralen α,β-disubstituierten γ-Butyrolactonen in einem einzigen Schritt, ausgehend von einfachen Vorläufern und unter Verwendung von zwei chiralen Katalysatoren. Es ist ein System, bei

dem man im Grunde genommen wählen kann, welches Stereoisomer man herstellen möchte», sagt Dr. Santanu Singha, einer der Erstautoren. «Die Enantioselektivität ist perfekt, besser als 99 Prozent in fast allen Fällen», betont auch Dr. Eloisa Serrano, eine weitere Hauptautorin. Da die γ-Butyrolacton-Produkte im Kern mehrerer Naturprodukte mit interessanten biologischen Aktivitäten stehen, erwarten die Autoren, dass ihre Methode für die Arzneimittelforschung relevant ist. Die Ergebnisse wurden in der

Fachzeitschrift «Nature Catalysis» veröffentlicht. Kontakt Prof. Dr. Frank Glorius Universität Münster Organisch-Chemisches Institut Corrensstrasse 40 D-48149 Münster +49 251 8333248 glorius@uni-muenster.de www.uni-muenster.de

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BIOWISSENSCHAFTEN

Regulation der Zellmembran

50 Jahre alte These ist widerlegt Die Zellmembran ist die Grenze zwischen Leben und Nicht-Leben. Dass sich die Zellhülle auf Umweltbedingungen wie die Temperatur einstellt, ist essenziell für alle Lebensformen. Bisherige Lehrmeinung war, dass Zellen die Flüssigkeit ihrer Membranhülle messen, um sich an die Temperatur anzupassen. Dieses 50 Jahre alte Dogma ist aber falsch, haben Forscherinnen und Forscher in einem gemeinsamen Projekt festgestellt.

Bild: Adobe Stock

«Diese Grenze ist aber viel mehr als nur ein teilweise durchlässiger ‹Maschendrahtzaun›», erläutert Robert Ernst, dessen wissenschaftlicher Fokus auf der Erforschung dieser winzigen Hülle liegt und die ihn fasziniert: «Zellmembranen sind erstaunliche Materialien, die unter bizarren, uns kaum vorstellbaren Bedingungen existieren: Dort herrschen extreme Drücke von vielen hundert Atmosphären. Gleichzeitig sind sie extrem dehnbar, robust und selbst-reparierend. Die Zellmembran schützt das Innere der Zelle gegen physikalischen und chemischen Stress, dient zum Signalaustausch und als Nährstoffkanal und hält Krankheitserreger ab», erläutert der Professor für Molekularbiologie. Bei all diesen Aufgaben muss sie im Blick haben, dass sie funktionstüchtig bleibt. «Die Zellmembran reguliert sich selbst, je nachdem, in welcher Umgebung sie sich befindet.» Als Vergleich Seit rund 50 Jahren meinte man zu verstehen, woher eine Zellmembran «weiss», welche Bedingungen gerade herrschen und was sie dementsprechend tun muss, um zu überleben.

wählt Robert Ernst das Bild eines Rentiers, dessen Hufe im arktischen Permafrostboden stehen, während der Kopf 37 Grad Körpertemperatur aufweist. «Und in allen Bereichen des Rentiers funktionieren die Zellen gleich gut», sagt er.

Viskosität ist der falsche Faktor Seit rund 50 Jahren meinte man zu verstehen, woher eine Zellmembran «weiss», welche Bedingungen gerade herrschen und was sie dementsprechend tun muss, um zu überleben: Sie misst die Flüssigkeit der Plasmamembran, die bei tiefen Temperaturen zähflüssiger wird und sogar gefrieren kann, so die einhellige Meinung. Nur eine 18

flüssige Membran erlaubt nämlich einen effektiven Austausch von Signalen, eine Aufnahme von Nährstoffen in die Zelle und einen Abtransport von Zellgiften. Je nach Flüssigkeit der Membran stellt sich die Zelle auf ihre Umgebungsbedingungen ein. Ist es, um im Bild des Rentiers zu bleiben, zu kalt an den Füssen, droht die Flüssigkeit «einzufrieren» und die einzelnen Bestandteile der Zellmembran, die Lipide, rücken dichter zusammen. Im extremen Fall würden die lebenswichtigen Prozesse der Zellmembran erstarren. Das andere Extrem ist auch nicht gut. Denn sind die Lipide zu weit auseinander, verliert die Membran ihre schützende Funktion, wird zu flüssig und die Zelle stirbt ab. Die Zellmembran muss also das richtige Mass für die Flüssigkeit der 5/2020

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Robert Ernst, Professor für Molekularbiologie.

Membran finden. Und das tut sie, indem sie die Flüssigkeit im Auge behält. Das ist logisch und nachvollziehbar.

Sensor in der Zelle funktioniert anders «Aber das ist leider falsch», sagt Robert Ernst. Gemeinsam mit der Erstautorin Stephanie Ballweg, seinem Team an der Universität des Saarlandes und weiteren Kolleginnen und Kollegen aus Grossbritannien, Deutschland und den USA haben sie diese 50 Jahre alte Lehrmeinung dieser sogenannten «homöoviskosen Adapta tion», die zum Kanon der Biowissenschaften gehört, widerlegt. «Wir haben den Sensor isoliert und seine Reaktion auf die Flüssigkeit der Membran untersucht», erläutert der Biologe. «Nach der bisherigen Lehrmeinung müsste der Sensor angeschaltet werden, wann immer die Membran zähflüssiger wird und die Lipide sich langsamer bewegen», erläutert er das Vorgehen. «Das allerdings ist nicht der Fall.» Tatsächlich ist es die Packungsdichte von Lipidatomen in einem speziellen Bereich der Membran, der entscheidet, ob der Sensor reagiert. «Das erlaubt es dem Sensor sogar, zwischen gesättigten und ungesättigten Fettsäuren in den Membranlipiden zu unterschieden», erklärt er die Ergebnisse, die den Lehrsatz, der ein halbes Jahrhundert lang gültig war, hinwegfegt.

Fachübergreifende Analyse entkräftet das Dogma Und warum ist bisher noch niemand auf diese Idee gekommen? «Bisher sind inter5/2020

disziplinäre Forschungsprojekte auf diesem Gebiet noch eher selten», führt Robert Ernst aus. «Wir haben für dieses Projekt Expertinnen und Experten aus theoretischer Physik, Materialwissenschaft und Biochemie zusammengebracht, um dieser Frage nachzugehen.» Nur durch die Synergie zwischen diesen Disziplinen war es möglich, den bisher angenommenen Mechanismus tatsächlich zu prüfen. Mit der neuen, fundamentalen Erkenntnis können Biowissenschaftler und Biowissenschaftlerinnen in aller Welt nun weitere Forschungsfragen entwickeln und auf neuartige Weise untersuchen, wie biologische Membranen die Funktion von Membranproteinen und Signalprozesse zwischen einzelnen Zellen steuern. Originalpublikation Stephanie Ballweg, Erdinc Sezgin, Milka Doktorova, Roberto Covino, John Reinhard, Dorith Wunnicke, Inga Hänelt, Ilya Levental, Gerhard Hummer und Robert Ernst, «Regulation of lipid saturation without sensing membrane fluidity», Nature Communications (2020); https://www. nature.com/articles/s41467-020-14528-1, DOI 10.1038/s41467-020-14528-1.

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BIOWISSENSCHAFTEN

Verblüffender Zusammenhang mit microRNA

Gewebeveränderung in der Leber Molekularbiologen haben RNA-Moleküle identifiziert, die für die Entstehung von Fibrosen verantwortlich sind: krankhafte Verhärtungen im Gewebe von Organen, die deren Funktion beeinträchtigen und unter anderem bei Patienten mit Leberzirrhose und Krebs auftreten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Deutschland haben die Studie durchgeführt, welche im Wissenschaftsjournal «Pnas» veröffentlicht wurde.

Alfred Nordheim und sein Team haben die Entstehung und das Fortschreiten von Leberkrebs an Mäusen untersucht und dabei die beteiligte RNA-Molekülgruppe entdeckt. Diese sogenannten microRNA-Moleküle unterbinden die Bildung von Kollagenen und anderen Proteinen, die mit Fibrose in Zusammenhang gebracht werden. Unter normalen Umständen verhindern sie die Bildung von Fibrosen in der Leber. Im Verlauf der Krebsbildung werden sie jedoch «ausgeschaltet». So setzt die Fibrosebildung ein und fördert dadurch beispielsweise das Fortschreiten des Leberkarzinoms.

Komplexer Mechanismus schützt Gewebe Zusätzlich wertete das Team bereits vorhandene Datenbanken aus und stellte fest, dass die Bildung der genannten RNA-Moleküle auch bei Brust- und Lungenkrebs beim Menschen unterdrückt ist. Wie die Tübinger Doktorandinnen Ivana Winkler 20

Illustration einer gesunden (links) und einer kranken Leber mit starker Veränderung des Gewebes (Leberzirrhose). Allein die alkoholbedingte Leberzirrhose führe laut dem Bundesamt für Gesundheit zu über 430 Todesfällen pro Jahr in der Schweiz.

Regulation der microRNAs und Wirkung auf fibrotische Zielgene

promoters of miRNA-encoding genes destabilization of proﬁbrotic mRNAs

promoters of miRNA-encoding genes stabilization of pro-ﬁbrotic mRNAs

Bild: Winkler et al., Pnas (2019) [1]

RNA-Moleküle werden ausgeschaltet

Bild: Shutterstock

Fibrosen entstehen durch Erkrankungen, aber auch im Alterungsprozess oder durch eine ungesunde Lebensweise. Dabei lagern sich in den Zellen des Organgewebes Proteine, vor allem Kollagene ab, die zu einer Verhärtung des Gewebes und bis zum Organversagen führen können. Dies kann Lunge, Herz, Niere oder Leber betreffen. Bei Krebspatienten geht der Bildung von Tumoren oft eine Fibrose am betroffenen Organ voraus, besonders bei Leberkarzinomen wie dem hepatozellulären Karzinom (HCC), einer meist tödlich verlaufenden Krebserkrankung.

(A) Der Transkriptionsfaktor PPARγ reguliert die Synthese der anti-fibrotischen micro RNAs. Diese wiederum unterdrücken gemeinsam als Gruppe die Bildung einer Vielzahl von Zielgenen. (B) Das Modell postuliert, dass die Synthese anti-fibrotischer microRNAs wesentlich durch den Transkriptionsfaktor PPARγ gesteuert wird. PPARγ ist in nicht-aktivierten hepatischen Sternzellen (HSC) aktiv. Die Aktivierung der hepatischen Sternzellen veranlasst das fibrotische Geschehen in der Leber. Gleichzeitig führt sie zur Inhibition von PPARγ und – in Folge – zur Reduktion der anti-fibrotischen microRNAs. Letzteres verursacht eine erhöhte Bildung der fibrotischen Zielgene (z. B. Kollagen).

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BIOWISSENSCHAFTEN

und Catrin Bitter in weiteren Forschungen feststellten, kooperieren die Moleküle dabei in einer Art Netzwerk unterschiedlicher microRNAs. Erst das Zusammenwirken verhindert die Bildung von Verhärtungen. Koordiniert wird dies von einem sogenannten Regulatorprotein namens PPARγ. An Mäusen überprüfen die Wissenschaftler derzeit, ob diese zentrale Steuerung durch PPARγ neue therapeutische Möglichkeiten eröffnet: Bei gezielter pharmakologischer Aktivierung könnte sich die Entstehung fibrotischen Gewebes bei Patienten reduzieren lassen, so die Hoffnung. Das Projekt führte die Arbeitsgruppe Nordheim gemeinsam mit Kollegen aus der

Tübinger Bioinformatik sowie Forschende am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg, am Dortmunder Leibniz-Institut für Arbeitsforschung, am Braunschweiger Helmholtz Zentrum für Infektionsforschung sowie am Institut für Pathobiochemie des Universitätsklinikums in Aachen durch. Die Arbeiten wurden unter anderem von der Deutschen Krebshilfe und der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert. Originalpublikation [1] I. Winkler, C. Bitter, S.Winkler, D. Weichenhan, A. Thavamani, J. G. Hengstler, E. Borkham-Kamphorst, O. Kohlbacher, C. Plass, R. Geffers, R. Weiskirchen und A. Nordheim,

«Identification of Pparγ-modulated miRNA hubs that target the fibrotic tumor microenvironment», Proceedings of the National Academy of The Sciences of the United States of America (2019), https://www.pnas.org/content/early/2019/12/20/1909145117 Kontakt Prof. Dr. Alfred Nordheim Universität Tübingen Interfakultäres Institut für Zellbiologie Auf der Morgenstelle 15 D-72076 Tübingen +49 7071 297 8898 alfred.nordheim@uni-tuebingen.de www.uni-tuebingen.de

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LABOR

Neue Markierungsmethode

Grosse RNA elegant charakterisieren

Wissenschaftler möchten viel besser verstehen, für welche Steuerungsprozesse die nicht-kodierende RNA zuständig ist.

hundert oder gar tausend Bausteinen bestehen.

«Fähnchen» zur Markierung Die Wissenschaftler um Dr. Stephanie Kath-Schorr fügten zunächst zwei künstliche Bausteine (Nukleotide) in den Erbgutstrang der DNA ein, die in dieser Form nicht in der Natur vorkommen. Bei der anschliessenden Übersetzung in die RNA dienten diese künstlichen Nukleotide als eine Art «Fähnchen». Das heisst, sie markierten bestimmte Orte auf der Ribonukleinsäure, die aus mehreren hundert Bausteinen besteht.

Bild: Barbara Frommann/Uni Bonn

In lebenden Zellen läuft alles nach Plan: Die Blaupausen für sämtliche Bau- und Betriebsstoffe sind im Zellkern abgelegt. Wird zum Beispiel ein bestimmtes Protein benötigt, wird hierfür die genetische Information an der DNA abgelesen und in Ribonukleinsäure (RNA) übersetzt. Die RNA übermittelt den Bauplan an die «Proteinfabriken» der Zelle, die Ribosomen. «Mehr als 80 Prozent der Ribonukleinsäuren sind aber überhaupt nicht an der Produktion von Proteinen beteiligt», sagt Dr. Stephanie Kath-Schorr vom Limes-Institut der Universität Bonn. Wahrscheinlich ist diese nicht-kodierenden RNA an verschiedenen Regulierungsvorgängen in der Zelle beteiligt. Wissenschaftler möchten viel besser verstehen, für welche Steuerungsprozesse die nicht-kodierende RNA zuständig ist. «Hierfür müssen wir aber zunächst verstehen, welche Strukturen Ribonukleinsäuren haben und wie sie gefaltet sind», sagt Kath-Schorr. Die räumliche Struktur scheint für die Funktion der RNA eine wichtige Bedeutung zu haben. Sie entscheidet darüber, an welche Moleküle eine bestimmte RNA bindet und damit wichtige Prozesse in der Zelle auslöst. Ein Team aus Chemikern unterschiedlicher Fachbereiche der Universität Bonn hat gemeinsam eine Methode entwickelt, wie sich die Struktur und Faltung von besonders langen RNA-Molekülen aufklären lässt. «Kürzere RNAs lassen sich mit der Kristallstrukturanalyse untersuchen, doch für grosse und flexible Ribonukleinsäurekomplexe ist diese Methode sehr schwierig anzuwenden», sagt Erstautor Christof Domnick. Die Wissenschaftler suchten deshalb nach einem neuen Weg für RNAs, die aus mehreren

Bild: Adobe Stock

Ribonukleinsäuren (RNA) sorgen dafür, dass die DNA im Zellkern in lebenswichtige Proteine übersetzt und die Zellfunktionen reguliert werden. Allerdings ist wenig über die Struktur und Funktionsweise besonders langer RNAs, die aus hunderten oder tausenden Bausteinen bestehen, bekannt. Chemiker der Universität Bonn haben nun hierfür eine neue Methode entwickelt: Mit winzigen «Fähnchen» markieren sie die komplexen Moleküle und messen mit einem «molekularen Lineal» die Abstände dazwischen.

Stephanie Kath-Schorr vom Limes-Institut der Universität Bonn im Labor.

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LABOR

Anschliessend konnten die Forscher die Markierungen abmessen. Hierzu verwendeten sie die Peldor-Methode. «Wie mit einem Lineal auf molekularer Ebene lässt sich damit der Abstand zwischen den Markierungen vermessen», sagt Prof. Dr. Olav Schiemann vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. Aus diesen Daten entsteht ein Abbild der Struktur und Faltung der RNA. «Wir haben zuvor mit kürzeren RNAs experimentiert und die Ergebnisse mit theoretischen Simulationen abgeglichen», berichtet Kath-Schorr. «Die Übereinstimmung war sehr gross und die Methode damit zuverlässig». In Zukunft könnte die Struktur langer RNAs auch dreidimensional erfasst werden, wenn die markierten Ribonuklein-

säuren aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen werden.

Grosses Anwendungspotenzial «Unser Fernziel sind Messungen der RNA-Strukturen direkt in der Zelle», sagt die Biochemikerin. «Das ist aber noch Zukunftsmusik.» Die grundlegende Methode hat ein grosses Anwendungspotenzial. Zum Beispiel dienen RNAs in der Krebsdiagnostik als wichtige Marker. Kath-Schorr: «Mit unserer neuen Methode zur Strukturaufklärung langer, nicht-kodierender Ribonukleinsäuren kann ein wichtiger Beitrag zum besseren Verständnis zellulärer Prozesse geleistet werden.»

Originalpublikation Christof Domnick et al., «EPR distance measurements on long non-coding RNAs empowered by genetic alphabet expansion transcription», Angewandte Chemie International Edition (2020); DOI:10.1002/ anie.201916447 Kontakt Dr. Stephanie Kath-Schorr Limes-Institut Universität Bonn Carl-Troll-Strasse 31 D-53115 Bonn +49 228 732652 stephanie.kath-schorr@uni-bonn.de www.limes-institut-bonn.de

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LABOR

Eine neue Chemie

Die radiale Synthese eröffnet neue Wege Engpässe in der Versorgung mit Medikamenten könnten sich künftig leichter vermeiden lassen. Denn mit einem Automaten für die radiale Synthese, die Chemiker des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung entwickelt haben, lassen sich medizinische Wirkstoffe und andere chemische Produkte künftig flexibel produzieren. Die Apparatur lässt sich schnell auf die Synthese sehr unterschiedlicher, auch komplexer Substanzen umprogrammieren, ohne dass jemand die Apparatur umbauen muss.

Bild: MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung/Sourav Chatterjee

Chemische Produktion ist Massarbeit. Egal ob es um medizinische Wirkstoffe geht oder andere chemische Erzeugnisse, die Herstellungsprozesse müssen Chemiker immer individuell gestalten. Und auch die entsprechenden Anlagen konzipieren sie jeweils speziell für ein Produkt. Das könnte mit dem Automaten für die radiale Synthese deutlich einfacher werden – zumindest, wenn ein Stoff nicht in riesigen Mengen gebraucht wird. «Mit der radialen Synthese schaffen wir einen Paradigmenwechsel in der Chemie», sagt Peter Seeberger vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Ein Team am Institut hat den neuen Ansatz in der chemischen Synthese entwickelt.

Keine Engpässe mehr Der Syntheseautomat ermöglicht es zum einen, Menschen an schwer zu erreichenden Orten oder in Gegenden ohne chemische Industrie je nach Bedarf mit medizinischen Wirkstoffen oder anderen Substanzen zu versorgen, wenn diese dort nicht gelagert oder nicht einfach dorthin transportiert werden können. Das könnte bei unverhofften Engpässen an medizinischen Wirkstoffen nützlich sein und Menschen in Entwicklungsländern generell einen flexiblen Zugang zu Substanzen ermöglichen, gerade wenn der Bedarf an einem Stoff nicht vorhersehbar ist. «Dort könnte es höchstens bei der Verfügbarkeit der Grundchemikalien einen Engpass geben», sagt Peter Seeberger. «Mit den Ausgangsmaterialien zur Hand ist das aber eine riesige Chance.» Zum anderen eröffnet der flexible Syntheseautomat völlig neue Perspektiven für 24

Ein Allzweck-Reaktor: Er lässt sich nach Bedarf umprogrammieren, ohne dass man ihn umbauen muss.

die chemische Forschung. Denn gerade medizinische Wirkstoffe sind oft kompliziert gebaut, und kleine Unterschiede können grosse Effekte haben. Auf der Suche nach der besten Substanz, synthetisieren Chemiker daher meist viele verschiedene Moleküle mit kleinen Variationen. Bislang müssen sie ihre Apparaturen dabei oft wechseln oder zumindest umbauen – in mühsamer und zeitraubender Handarbeit. Das gilt auch für die Entwicklung der optimalen Reaktionswege, sobald das wirksamste Molekül mal gefunden ist.

Chemie nach dem Vorbild von Internetdiensten «Die Handarbeit können wir mit der radialen Synthese weitgehend aus der Chemie nehmen», sagt Peter Seeberger. Wenn es nach ihm geht, wird Chemie künftig wie der Service von Internetdiensten betrieben: «Sie sitzen zwar im Büro vor Ihrem Rechner, der Server, auf dem eine Anwendung läuft, steht aber irgendwo anders auf der Welt», sagt Seeberger. Ähnlich könnten auch Chemiker ihre Versuche künftig aus der Ferne ansteuern. «So lassen sich viel 5/2020

LABOR

mehr Substanzen und Reaktionen testen», sagt Seeberger. «Und so sind wir in der Lage, auch viel mehr und viel verlässlichere Daten zu sammeln.» Das wiederum könnte Big-Data-Analysen auch in der Chemie voranbringen. «Und letztlich wäre sogar eine künstliche Intelligenz, die durch Training mit den grossen Datenmengen chemische Kompetenz entwickelt hat, im Stande, die Suche nach vielversprechenden neuen Substanzen für eine gewünschte Anwendung oder nach effizienten Reaktionswegen zu übernehmen». Chemiker könnten ihre Kreativität dann ganz den Aufgaben widmen, für die sie nicht auf Erfahrungen mit ähnlichen Experimenten zurückgreifen können und die sich daher nicht datengetrieben lösen lassen. Den experimentellen Spielraum schafft die radiale Synthese, weil sie zwei prinzipiell unterschiedliche Prozesstechniken miteinander kombiniert: die zyklische und die lineare. Eine zyklische Synthese ist die Methode der Wahl, wenn Chemiker Biopolymere wie etwa Proteine, Kohlenhydrate oder DNA-Stränge erzeugen wollen. Dabei schleusen sie ein Molekül in einem Kreislauf durch ein Reaktionsgefäss, in dem immer wieder der gleiche chemische Reaktionstyp stattfindet, so dass das Molekül allmählich zu einer Kette heranwächst. Auch verschiedene Glieder lassen sich in den einzelnen Zyklen an die Kette knüpfen. Bei einer linearen Synthese durchläuft ein Molekül dagegen mehrere Stationen, an denen verschiedene Reaktionen stattfinden, und zwar in unterschiedlichen Apparaturen oder zumindest in unterschiedlichen Teilen einer Apparatur.

Industrie zeigt bereits Interesse Die beiden Techniken kombinieren die Potsdamer Forschenden nun, indem sie mehrere Reaktoren für zyklische Synthesen kreisförmig um eine Art Drehscheibe anordnen. So können sie Zwischenprodukte ferngesteuert von einem zyklischen Reaktor zum anderen befördern und mit linearen Prozessschritten verbinden. «Wir können sehr unterschiedliche Reaktionen flexibel kombinieren, auch schnelle und langsame», sagt Peter Seeberger. Chemische Umwandlungen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen, lassen 5/2020

sich in gängigen linear arbeitenden Chemieanlagen nicht effizient ausführen, weil das Reaktionsgemisch durch sie mit konstantem Tempo fliesst. Die Potsdamer Forschenden werden die Vielseitigkeit der radialen Synthese nun weiter austesten. Als Patent haben sie die Technik aber bereits angemeldet, und erste Industrieunternehmen haben auch bereits ihr Interesse angemeldet. Denn der neue Syntheseautomat kann ihnen helfen, die Forschung an neuen Produkten und deren Entwicklung drastisch zu beschleu-

nigen. Das würde nicht nur Kosten sparen, sondern könnte auch neue Ideen fördern. Kontakt Prof. Dr. Peter H. Seeberger Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung Am Mühlenberg 1 D-14476 Potsdam-Golm +49 331 567 9301 peter.seeberger@mpikg.mpg.de www.mpg.de

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MEDIZIN

Verfeinerte Klassifizierung

Aussagekräftigere Brustkrebsdiagnose Eine an der Universität Zürich entwickelte bildgebende Methode kann Brustkrebsgewebe neu sehr detailliert darstellen. Mit 35 Markern lassen sich die unterschiedlichen Zelltypen des Brusttumors und seiner Umgebung erkennen. Dies erlaubt präzisere Analysen und differenziertere Klassifizierung der Tumore – und damit zukünftig individuellere Diagnosen für die Patientinnen.

35 Proteine als Biomarker Die Forschungsgruppe um Bernd Bodenmiller, Professor für Quantitative Biologie, konnte nun mit bildgebender Massenzytometrie die gegenwärtige pathologische Klassifikation verfeinern. Das massgeblich an der Universität Zürich entwickelte Verfahren erzeugt hochaufgelöste digitale Bilder von Gewebeschnitten und ermöglicht es, die überlagerten Informationen von zahlreichen Biomarkern gleichzeitig zu visualisieren und zu analysieren. In der Studie wurden bei rund 350 Brustkrebspatientinnen jeweils 35 Proteine als Biomarker markiert. «So erhielten wir eine hochdimensionale Darstellung der zellulären Landschaft des Tumors und des umliegenden Gewebes», erläutert Jana Fischer, Ko-Erstautorin der Studie. Das Forschungsteam analysierte auf diese Weise hunderte Gewebeschnitte von Brustkrebspatientinnen und charakterisierte sowohl die Zusammensetzung der vielfältigen Zelltypen als auch deren räumliche Anordnung in multi-zelluläre Gemeinschaften rund um den Tumor. «Aufgrund dieser Daten konn26

Bild: UZH

Der Verlauf von Brustkrebs ist von Patientin zu Patientin sehr unterschiedlich. Auch innerhalb desselben Tumors können sich Zelltypen unterschiedlich zusammensetzen und die dadurch geformten Gewebestrukturen variieren. Diese Vielfalt erschwert es, den Schweregrad und die molekularen Tumorsubtypen für eine präzise Diagnose und Prognose der Krankheitsentwicklung zu klassifizieren sowie den effektivsten Behandlungsansatz zu wählen. Ein detaillierterer Einblick in das Brustkrebsgewebe erhöht die Chance auf erfolgreiche Behandlung und vermindert das Rückfallrisiko.

Die Marker in den Tumoren wurden jeweils mit unterschiedlichen Farben visualisiert.

ten wir zeigen, dass sich die bestehende Klassifizierung von Brustkrebspatientinnen stark verfeinern lässt. In der Klinik gibt es bislang vier Brustkrebskategorien; wir konnten diese in zahlreiche detailliertere Untergruppen mit unterschiedlichen Risiken unterteilen», erläutert Ko-Erstautor Hartland Jackson.

Neue Untergruppen von Patientinnen beschrieben Dieser Befund hat Potenzial, den Weg in die Klinik zu finden. Die neuen Gruppierungen von Brustkrebspatientinnen haben unterschiedliche molekulare Profile. Das Forschungsteam um Bernd Bodenmiller arbeitet nun daran herauszufinden, welche Medikamente Tumorzellen mit einem spezifischen Profil am besten bekämpfen. «Indem wir zelluläre Merkmale und Gruppierungen besser beschreiben und die Patientinnen in genauere Untergruppen mit entsprechenden Risiken einteilen kön-

nen, eröffnen sich neue Möglichkeiten für eine Präzisionsmedizin», so Bodenmiller. Originalpublikation Hartland W. Jackson, Jana R. Fischer, Vito R.T. Zanotelli, H. Raza Ali, Robert Mechera, Savas D. Soysal, Holger Moch, Simone Muenst, Zsuzsanna Varga, Walter P. Weber und Bernd Bodenmiller, «The Single- Cell Pathology Landscape of Breast Cancer», Nature (2020); DOI: 10.1038/ s41586-019-1876-x

Kontakt Prof. Dr. Bernd Bodenmiller Institut für Quantitative Biomedizin Universität Zürich Winterthurerstrasse 190 CH-8057 Zürich +41 44 635 31 28 bernd.bodenmiller@imls.uzh.ch www.dqbm.uzh.ch

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Bild: Stock/Jože Potrebuješ

ERNÄHRUNG

Traditionelle nachhaltige Landnutzung in der Region Ogliastra in Ostsardinien.

Ohne Schaden die Welt ernähren

Nahrung für alle ist möglich Fast die Hälfte der derzeitigen Nahrungsmittelproduktion ist schädlich für unseren Planeten – sie führt zum Verlust biologischer Vielfalt, setzt den Ökosystemen zu und verschärft die Wasserknappheit. Eine neue Studie unter der Leitung des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) untersucht umfassende Lösungsvorschläge, wie man 10 Milliarden Menschen innerhalb der Belastungsgrenzen unseres Planeten ernähren kann.

Eine angemessene und gesunde Ernährung für jeden Menschen bei weitgehend intakter Biosphäre erfordert nicht weniger als eine technologische und soziokulturelle Kehrtwende. Dazu gehören etwa die konsequente Umsetzung ressourcenschonender landwirtschaftlicher Methoden, die Reduzierung von Lebensmittelverlusten und schliesslich Änderungen im Speiseplan. «Wenn man sich den Zustand des Planeten Erde und den Einfluss der aktuellen globalen Landwirtschaftspraxis auf ihn ansieht, gibt es viel Grund zur Sorge – aber auch Grund zur Hoffnung, sofern wir sehr bald entschlossenes Handeln sehen», sagt Dieter Gerten, Leitautor vom PIK und Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin. «Derzeit geschieht fast die Hälfte der weltweiten Nahrungsmittelproduktion auf Kosten der planetaren Belastungsgrenzen der Erde. Wir widmen zu viel Land der 5/2020

Tierhaltung und den Nutzpflanzen, düngen zu stark und bewässern übermässig. Um dieses Problem angesichts einer noch immer wachsenden Weltbevölkerung zu lösen, müssen wir miteinander überdenken, wie wir Lebensmittel produzieren. Die gute Nachricht ist, dass solche Transformationen es ermöglichen, ausreichend Nahrung für bis zu 10 Milliarden Menschen bereitzustellen – das zeigt unsere Forschung.» Die Forscher stellen die Frage, wie viele Menschen unter Einhaltung eines strengen Standards ökologischer Nachhaltigkeit weltweit ernährt werden könnten. Diese Umweltkapazitäten werden in Form mehrerer planetarer Belastungsgrenzen definiert – wissenschaftlich definierter Höchstwerte für menschliche Eingriffe in zentrale Prozesse des Planeten. In der vorliegenden Studie werden vier der neun planetaren Grenzen erfasst, die für die Landwirtschaft

relevant sind: die Integrität der Biosphäre (intakte Artenvielfalt und intakte Ökosysteme), die Veränderung der Landnutzung, die Süsswassernutzung und die Nutzung von Kunstdünger. Basierend auf einem ausgefeilten Computermodell werden die Auswirkungen der Nahrungsmittelproduktion auf diese Grenzen mit einem nie dagewesenen Detailgrad hinsichtlich der räumlichen Auflösung und der Darstellung der Prozesse und auch auf den gesamten Planeten bezogen untersucht. Diese Analyse zeigt auf, wo und wie viele Grenzen durch die derzeitige Nahrungsmittelproduktion verletzt werden und auf welche Weise diese Entwicklung durch Einführung nachhaltigerer Formen der Landwirtschaft rückgängig gemacht werden könnte. Das ermutigende Ergebnis ist, dass theoretisch 10 Milliarden Menschen ernährt werden können, ohne das Erdsystem zu gefährden. In der Tat gibt es enorme Mög27

ERNÄHRUNG

Fleisch- und Wurstwarenkonsum in der Schweiz Laut einer Befragung im Auftrag des Bundes konsumieren rund 16 Prozent der Schweizer Bevölkerung täglich Fleisch. Die Mehrheit (42 %) der Interviewten verzehrt ein- bis dreimal in der Woche Fleisch- und Wurstwaren. Etwa sechs Prozent verzichtet ganz darauf oder isst selten Fleisch. Quelle: BfS lichkeiten, die landwirtschaftliche Produktion in diesen und anderen Regionen auf nachhaltige Weise zu steigern. Das gilt zum Beispiel für weite Teile Subsahara-Afrikas, wo ein effizienteres Wasser- und Nährstoffmanagement die Erträge stark verbessern könnte.» Als positiver Nebeneffekt kann eine nachhaltigere Landwirtschaft die allgemeine Klimaresilienz erhöhen und gleichzeitig die globale Erwärmung begrenzen. An anderen Orten ist die Landwirtschaft jedoch so weit von den lokalen und planetaren Belastungsgrenzen entfernt, dass selbst

nachhaltigere Systeme den Druck auf die Umwelt nicht vollständig ausgleichen könnten, wie etwa in Teilen des Nahen Ostens, Indonesiens und teilweise in Mitteleuropa. So wird der Welthandel auch nach der Neuausrichtung der landwirtschaftlichen Produktion ein Schlüsselelement einer nachhaltig ernährten Welt bleiben. Auch die Seite der Konsumentinnen und Konsumenten ist nicht zu vergessen. Weitreichende Ernährungsumstellungen scheinen unumgänglich zu sein, um das Ernährungssystem wirklich nachhaltig zu

machen. Beispielsweise müssten angesichts des steigenden Fleischkonsums in China Teile der tierischen Proteine durch mehr Hülsenfrüchte und anderes Gemüse ersetzt werden. «Veränderungen auf dem täglichen Speiseplan scheinen zunächst vielleicht schwer zu schlucken. Aber auf lange Sicht wird eine Ernährungsumstellung hin zu einem nachhaltigeren Mix auf dem Teller nicht nur dem Planeten, sondern auch der Gesundheit der Menschen zugutekommen», ergänzt Vera Heck vom PIK. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Reduzierung der Nahrungsmittelverluste. So baut die vorliegende Studie auf Zahlen, die auch der jüngste IPCC-Sonderbericht zur Landnutzung vorgelegt hat und wonach derzeit bis zu 30 Prozent aller produzierten Lebensmittel durch Verschwendung verloren gehen. «Diese Situation erfordert eindeutig entschlossene politische Massnahmen, um Anreize sowohl auf Seiten der Produzentinnen als auch der Verbraucher zu setzen», so Heck weiter. Originalpublikation Dieter Gerten et al. «Feeding ten billion people is possible within four terrestrial planetary boundaries.» Nature Sustainability (2020), DOI 10.1038/s41893-019-0465-1

Kontakt Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) e. V. Telegrafenberg A 31 D-14473 Potsdam +49 331 2882500 impressum@pik-potsdam.de www.pik-potsdam.de

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NEWS

RZE KÜRZE – IN KÜ N I – E Z R Ü K IN KÜRZE – IN n Oqema und Chemada spannen zusammen. Chemada Industries Ltd. ist ein führender Hersteller mit Schwerpunkt in Forschung, Entwicklung und Produktion von Feinchemikalien für die Pharma-, Agrar- und Spezialchemieindustrie. Die Oqema-Gruppe wird für Chemada als Agentur und Distributor in Europa agieren – für das gesamte Angebot an qualitativ hochwertigen bromierten Zwischenprodukten und Reagenzien zur Bromierung. www.oqema.com n Christian Kullmann, Vorstandsvorsitzender der Evonik Industries AG, ist zum neuen Präsidenten des Verbandes der Chemischen Industrie (VCI) ernannt worden. Er tritt die Nachfolge von Hans Van Bylen an. Zugleich hat das VCI-Präsidium Markus Steilemann, Vorstandsvorsitzender der Covestro AG, zum Vizepräsidenten bestellt. Angesichts der Corona-Epidemie erfolgten beide Beschlüsse durch ein schriftliches Umlaufverfahren im Präsidium des VCI. Die Nachwahlen durch die Mitgliederversammlung sind für September 2020 in Düsseldorf geplant. www.vci.de n Wissenschaftler des Technologie-Zentrums Informatik und Informationstechnik (TZI) der Universität Bremen haben 40 Quadratkilometer Mars landschaft in der virtuellen Realität rekonstruiert. Das

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Testumfeld ermöglicht die realistische Simulation von Robotermissionen und Funknetzen unter den Umweltbedingungen des Mars. Eine besondere Herausforderung bestand da rin, Schnittstellen zu den speziellen Softwaresystemen unterschiedlicher Roboter zu schaffen und diese als virtuellen Schwarm einzusetzen. www.uni-bremen.de n Neuartiges Hybridmaterial erweist sich als effizienter Fotodetektor. Digitalkameras, aber auch viele andere elektronische Anwendungen benötigen lichtempfindliche Sensoren. Um den steigenden Bedarf an solchen optoelektronischen Bauteilen zu decken, sucht die Industrie nach neuen Halbleitermaterialien. Diese sollten nicht nur einen möglichst breiten Wellenlängenbereich erfassen, sondern auch preisgünstig sein. Ein in Dresden entwickeltes Hybridmaterial erfüllt beide Anforderungen. Es handelt sich um eine metallorganische Verbindung als Breitband-Fotodetektor verwenden lässt. www.hzdr.de n Das Freiburger Start-up OndoSense hat einen IoT- Sensor entwickelt, der erstmals eine ultrapräzise Erfassung metallischer Strukturen innerhalb von Kunststoffen oder anderen elektrisch nicht leitenden Materialien erlaubt: Die auf innovativer Radartechnologie basierende Sensorik misst mit Mikrometergenauig-

keit Abstände zu metallischen Objekten, die in Plastik, Pappe, Gummi etc. eingebettet sind. Zudem werden auch Objekte erfasst, die sich hinter diesen elektrisch nicht leitfähigen Materialien befinden. www.ondosense.com n Obwohl Schweizer Internetnutzer täglich Online-Dienste nutzen, bei denen Algorithmen Suchergebnisse, Em pfehlungen und Informationen auswählen, wissen sie wenig über deren Rolle und Funktion. Das führt zu Verunsicherung, Ohnmachtsgefühlen und dem Wunsch nach mehr Kontrolle, wie eine repräsentative Befragung der Universität Zürich zeigt. Dienste wie Google, WhatsApp, Instagram oder Netflix basieren auf algorithmischer Selektion: Sie wählen automatisiert aus, welche Inhalte uns präsentiert werden; welche Suchergebnisse, Produkte-Empfehlungen oder Werbung wir sehen. Algorithmen beeinflussen somit, wie wir die Welt wahrnehmen, und nehmen auch Einfluss auf unser Verhalten. www.uzh.ch n Röntgenblick durchs Wasserfenster ETH-Forschende haben die erste Laserquelle mit hoher Wiederholungsrate entwickelt, die kohärente weiche Röntgenstrahlen über das gesamte «Wasserfenster» hinweg erzeugt. Dieser technologische Durchbruch sollte ein breites Spektrum von Studien

ermöglichen, in der Biologie, der Chemie und den Materialwissenschaften wie auch in der Physik. www.ethz.ch n Der Forschungspreis 2020 der Schweizerischen Hirnliga geht an Prof. Dr. Jan Gründemann und Prof. Dr. Andreas Lüthi vom Friedrich Miescher Institute for Biomedical Re search und der Universität Basel. Sie erhalten den Preis für ihre Arbeit zur neuronalen Aktivität der so gennanten Amygdala, einer tief gelegenen Region im Gehirn, die angeborene affektive Zustände und Verhaltensweisen steuert. Ihre Erkenntnisse könnten zur Therapie von psychiatrischen Erkrankungen dienen. www.unibas.ch n Bei der Umstellung unseres Energiesystems auf rein erneuerbare Energiequellen gibt es eine grosse Herausforderung: den Winter beziehungsweise die Versorgungslücke zu dieser Zeit. Die Umwandlung von überschüssigem Sommerstrom in synthetisches Gas bietet einen Weg, wie erneuerbar erzeugte Energie auch im Winterhalbjahr ausreichend zur Verfügung stehen könnte. Zudem könnten damit Langstreckenlastwagen betrieben werden. Der Kanton Zürich hat grosses Interesse am Ersatz fossiler durch erneuerbare Energien und unterstützt das Forschungsprojekt der Empa daher finanziell. www.empa.ch

NEWS

Bild: RUB, Kramer

Serotonin balanciert die Kommunikation im Gehirn aus

Dirk Jancke ist Leiter des Optical Imaging Lab an der RUB.

Unser Gehirn befindet sich im ständigen Selbstgespräch. Diese interne Kommunikation wird fortwährend durch äussere Reize beeinflusst. Dabei müssen aktuelle Sinneswahrnehmungen und laufende Hirnaktivität

aufeinander abstimmt werden. Ein Forschungsteam der Neurowissenschaft an der Ruhr- Universität Bochum hat herausgefunden, wie der Botenstoff Serotonin diese Prozesse im Gehirn reguliert. «Man kann sich das Problem des Gehirns, interne und externe Information aufeinander abzustimmen, folgendermassen vorstellen», erklärt Privatdozent Dr. Dirk Jancke, Leiter der Arbeitsgruppe Optical Imaging am Institut für Neuroinformatik: «Sie sitzen mit Ihrer Familie

am Tisch und diskutieren hitzig und lautstark interne Angelegenheiten. Plötzlich klingelt das Telefon. Sie nehmen den Anruf entgegen. Damit gleichzeitig sowohl die Familiendiskussion im Hintergrund ungestört weitergehen kann, als auch Ihr Gespräch mit dem externen Anrufer, müssen die jeweiligen Lautstärken angepasst werden. Bei vergleichbaren Prozessen im Gehirn hilft Serotonin.» Experimente zeigten: Ein Anstieg des Serotoninlevels im visuellen Cortex, der Sehein-

drücke verarbeitet, bewirkt eine Abschwächung von Aktivitäten aufgrund visueller Reize und eine Abschwächung von Signalen interner Kommunikation. Ein niedriger Serotoninspiegel, wie er während der nächtlichen Schlafphase auftritt, begünstigt Gehirn-interne Kommunikation und somit möglicherweise die wichtige Funktion des Träumens. Medienmitteilung Ruhr-Universität Bochum www.rub.de

Smartphones mit Licht desinfizieren Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Op tronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Institutsteil Angewandte Systemtechnik- AST haben eine innovative Lösung zum Desinfizieren von Smartphones entwickelt. Diese können damit innerhalb weniger Sekunden von Bakterien und Viren wie Sars-CoV-2 befreit werden. Smartphones, Tablets und ähnliche mobile Wegbegleiter werden täglich unzählige Male

in die Hand genommen. Meist spielen hygienische Aspekte dabei allerdings eine eher untergeordnete Rolle. Im klinischen Bereich sieht es jedoch anders aus. Hier werden Tablets und Smartphones inzwischen vielseitig genutzt und gehen auch von Hand zu Hand. Eine Desinfektion ist daher zur Verhinderung von Erregerübertragungen unbedingt nötig. Der Einsatz von chemischen Mitteln verbietet sich hier allerdings. Dafür ha-

ben Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer IOSBAST eine technische Innovation entwickelt: Sie sieht von aussen wie eine handelsübliche Mikrowelle aus. Im Inneren kommen aber so genannten UVC-LEDs – Leuchtdioden, die mit ultraviolettem Licht arbeiten – mit einer Wellenlänge von 269 nm zum Einsatz. Insgesamt sind zwei separate UVC-LED-Module mit jeweils zehn UVC-LEDs für die Ober-

und Unterseite des Smartphones verbaut. Jede UVC-LED besitzt eine Leistung von 100 Milliwatt, so dass die Gesamtstrahlleistung zwei Watt beträgt. So wird in nur wenigen Sekunden eine Bestrahlungsdosis von 800 J/m² erreicht, was eine effiziente Inaktivierung von Bakterien und Viren ermöglicht. Medienmitteilung des Fraunhofer-Instituts Ilmenau www.fraunhofer.de

Den Regen für Hydrovoltaik nutzen Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elek trischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungs30

erzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Demnach könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liessen nacheinander Tropfen über eine geneigte Fläche aus hydrophobem Glas gleiten. Sie mas-

sen die gesammelte Ladung in Abhängigkeit von der Gleitlänge sowie von der Ladung, die von älteren Tropfen zurückgelassen worden war. Sie entwickelten ein theoretisches Modell, das zwei gegensätzliche Effekte kombiniert: die schnelle Deposition von Ladung durch aufeinanderfolgende Tropfen und die langsame Entladung der Oberfläche hinter den Tropfen. Aus Anwendungssicht könnte der Ef-

fekt genutzt werden, um kleine Mengen an Strom zu erzeugen, wo keine andere Quelle zur Verfügung steht. Dies kann beispielsweise bei kleinen, stromsparenden Sensoren in isolierten, regnerischen Umgebungen der Fall sein. Medienmitteilung Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz www.mpip-mainz.mpg.de 5/2020

TERMINE

Kurse, Seminare, Workshops und Messen MAI 2020 25.– 26.05.

Webinar: Notfall- und Krisenmanagement bei Bränden, Explosionen, Stoffaustritten und Todesfällen Ort: Online Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstrasse 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung

18.06.

Softwarekurs Varian, Digilab, Bio-Rad Merlin/ Resolutions/Win IR-Pro/Resolutions Pro Versionen 2.9 bis 5.3 Ort: CH-Biel-Benken Veranstalter: Portmann Instruments AG Gewerbestrasse 18, CH-4105 Biel-Benken +41 61 726 65 55 info@portmann-instruments.ch www.portmann-instruments.ch

19.06.

Rasterelektronenmikroskopie (REM) Energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) Ort: CH-Biel-Benken Veranstalter: Portmann Instruments AG Gewerbestrasse 18, CH-4105 Biel-Benken +41 61 726 65 55 info@portmann-instruments.ch www.portmann-instruments.ch

JUNI 2020 08.– 09.06.

16.06.

Prozessoptimierung mit Big Data in der Praxis Ort: Online Veranstalter: Aicos Technologies AG Sandweg 46, CH-4123 Allschwil +41 61 686 98 76 info@aicos.com, www.aicos.com Verhalten im Reinraum Ort: D-Marburg Veranstalter: ReinraumAkademie der profi-con GmbH Rosa-Luxemburg-Strasse 12–14, D-04103 Leipzig +49 341 98989-303 info@reinraum-akademie.de www.reinraum-akademie.de/veranstaltungen/

16.06.

Basis: FvP Ort: CH-Olten Veranstalter: PTS Training Service Am Freigericht 8, Postfach 4308, D-59759 Arnsberg +49 2932 51 477 info@pts.eu, www.pts.eu

16.– 17.06.

Statistische Analyse von Labordaten mit Excel Ort: Online Veranstalter: Aicos Technologies AG Sandweg 46, CH-4123 Allschwil +41 61 686 98 76 info@aicos.com, www.aicos.com

16.– 17.06.

Klassische und nicht-klassische Kristallisation Ort: D-Frankfurt a.M. Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstrasse 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung

17.06.

Kompakt: GMP intensiv Ort: CH-Olten Veranstalter: PTS Training Service Am Freigericht 8, Postfach 4308, D-59759 Arnsberg +49 2932 51 477 info@pts.eu, www.pts.eu

5/2020

Online-Kurse und Termine Aufgrund der besonderen Lage haben Veranstalter von Messen und Kursanbieter Massnahmen ergriffen. Bei Kursen und Seminaren können die Massnahmen je nach Situation wieder ändern. Informieren Sie sich zur Sicherheit direkt bei den Kursanbietern. Es kann sein, dass Kurse verschoben, gestrichen oder online angeboten werden. Stand 23.04.2020 22.– 23.06.

Methodenvalidierung in der Analytik Ort: Online Veranstalter: Aicos Technologies AG Sandweg 46, CH-4123 Allschwil +41 61 686 98 76 info@aicos.com, www.aicos.com

23.06.

Praxis: GDP Transport und Lager Ort: Stiftung Technopark Zürich Technoparkstrasse 1, CH-8005 Zürich Veranstalter: PMC-suport Tellistrasse 116 CH-5000 Aarau +41 44 450 19 20 www.pmc-support.ch

26.06.

Grundlagen des computergestützten Wirkstoffdesigns Ort: D-Frankfurt a.M. Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstrasse 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung

30.06.

Die Blockchain-Technologie in der Chemie industrie: Einführung und Anwendungsfälle Ort: D-Frankfurt a.M. Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), Varrentrappstrasse 40–42 D-60486 Frankfurt a. M. +49 69 791 73 64 fb@gdch.de, www.gdch.de/fortbildung Weitere Termine finden Sie unter www.chemiextra.com bei Agenda/Veranstaltungen

FIRMEN BERICHTEN

Fixierung der Membran im Ruhezustand

Membranpumpe mit Überwachung

«Pumpentechnik spielt eine zentrale Rolle bei der Trocknung von Öl-in-Wasser-Emulsionen für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie, die zum Beispiel Vitamine, Carotinoide oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren als Wirkstoffbestandteil enthalten», erklärt Natalie Ibald, Betriebsleiterin Formulierungen bei der DSM Nutritional Products AG. «Als Teil der Prozesskette sind die jeweiligen Pumpen zu 100 Prozent in das geschlossene Anlagensystem integriert und für die Förderung der Gemische in den Sprühturm verantwortlich.» Während dieses Vorgangs war bei der bisher verwendeten Anlage die Gefahr von unvorhergesehenen Unterbrechungen nicht auszuschliessen. In der Folge konnten die verschiedenen Emulsionen nicht weiterverarbeitet, beziehungsweise zu Pulver getrocknet werden. Der Grund hierfür lag in der empfindlichen Membran der Pumpe, die den Belastungen beim Anfahren oftmals nicht standhielt und dadurch riss. Diese Membranwechsel verringerten die Standzeit der Anlage und gewährleisteten nicht immer den gewünschten komplikationsfreien Betrieb.

Strenge Hygienevorschriften Im Rahmen der Suche nach einer zuverlässigen Alternative nahm DSM Kontakt zum Schweizer Tochterunternehmen des Pumpenherstellers Lewa auf. «Als Lieferant von robusten Anlagen mit hoher Lebensdauer im SFP-Bereich war uns Lewa Nikkiso Switzerland bereits bekannt. Um eine möglichst reibungslose Sprühtrocknung sicherzustellen, erschien uns daher eine Zusammenarbeit mit den Experten von Lewa sinnvoll, um die technischen Probleme konstruktiv zu lösen», berichtet Ibald. 32

Bild: DSM Nutritional Products GmbH

Bei der Produktion von Vitaminpulvern kommt in der Schweizer Niederlassung der niederländischen DSM Nutritional Products AG das Verfahren der Sprühtrocknung zum Einsatz. Hierbei werden unterschiedliche Emulsionen mittels Pumpentechnik in einen Sprühturm gefördert, wo sie zu Pulver getrocknet werden. Jedoch bildeten sich beim Anfahren der Anlage Risse in der Membran der Pumpe. Dank einer Fixierung der Membran und einem integrierten Überwachungssystem gehören die Probleme der Vergangenheit an.

Die Prozessmembranpumpe des Typs G3F zeichnet sich durch absolut sicheres Anfahren aus und erfüllt zudem die hohen Hygiene-Anforderungen der Lebensmittelbranche.

DSM ist verpflichtet, seine Prozesse kontinuierlich zu verbessern und in Technologie zu investieren. Somit und auf Grund der Erfahrungen mit der Standzeit der vorherigen Pumpe legte DSM bei der Projektplanung ein besonderes Augenmerk auf eine zuverlässige Arbeitsweise sowie eine robuste Konstruktion. Zudem stellte die Erfüllung der strengen Hygienevorschriften einen wesentlichen Teil des Anforderungskatalogs dar. «Die Vorgaben in der Produktion spezifischer Lebensmittel sind bezüglich der mikrobiologischen Reinheit um ein Vielfaches strenger als bei anderen Nahrungsmitteln», erläutert Ibald. «Daher musste die neue Speise- und Druckerhöhungspumpe auch diesen verschärften

Rahmenbedingungen entsprechen und jegliche Art von Kontaminierung ausgeschlossen werden, um eine möglichst breite Produktpalette auf der Anlage herstellen zu können.»

Ein sicherer Startbetrieb Das Schweizer Tochterunternehmen schlug DSM vor, für die Sprühturmanwendung eine Prozessmembranpumpe des Typs G3F zu verwenden. Diese zeichnet sich durch einen absolut sicheren Startbetrieb aus, da die integrierte Sandwichmembran im Ruhezustand von einer Feder stets in neutraler Position fixiert wird. «Die Membran ist somit vor falscher Posi5/2020

FIRMEN BERICHTEN

tionierung geschützt und nimmt folglich während des Anfahrens keinen Schaden, was die Anlagenverfügbarkeit deutlich steigert», so Pietro Pettoruto, Managing Director der Lewa Nikkiso Switzerland AG. «Aus serdem wird die Pumpe über ein Druckbegrenzungsventil geregelt, das im Hydraulikteil verbaut ist und individuell eingestellt werden kann.» Die Pumpe kann dadurch an verschiedene Betriebssituationen angepasst werden, um eventuelle Überlastsituationen zu verhindern. Dies sichert eine hohe Standzeit des Aggregats und einen reibungslosen Regelbetrieb der gesamten Anlage.

Eine patentierte Sandwichmembran Neben dem Druckbegrenzungsventil und der Federsteuerung spielt auch die Kon struktion der Membran eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung eines zuverlässigen Pumpenbetriebs. So besteht die patentierte Sandwichmembran aus zwei einzelnen, langlebigen PTFE-Membranen, die im Druckhub formschlüssig und im Saughub mechanisch kraftschlüssig miteinander verbunden sind. «Die Pumpe ist dadurch hermetisch dicht, wodurch eine externe Kontaminierung effektiv verhindert wird», erläutert Pettoruto. Das Lewa-eigene Überwachungssystem DPS kontrolliert als zusätzliche Sicherheits-

massnahme den Zustand der Membran zudem permanent. Etwaige Schäden an der Vorrichtung, die zu einem Druckanstieg im Membranzwischenraum führen, werden hierbei über die Kontrolleinheit unmittelbar angezeigt. «Dies ermöglicht frühzeitige Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten, noch bevor ein Riss entsteht und das Förderfluid kontaminiert werden könnte», erklärt Pettoruto. «Ein sofortiges Abschalten der Pumpe ist dadurch meist nicht erforderlich, so dass weder der Förderprozess noch die Sprühtrocknung wesentlich beeinträchtigt werden.» Wird die Beschädigung einer Membran festgestellt, kann die Produktion ohne Probleme bis zu einem geplanten Wartungsstopp fortgesetzt werden. Der Komponentenwechsel kann anschliessend durch die Kassettenlösung der Baugruppe schnell und einfach erfolgen.

Raum zu erhalten, der absolut reine, aseptische Produktionsbedingungen garantiert. Zudem sind alle produktberührten Pumpenkopfteile elektropoliert, wodurch sich ein FDA-konformer Pumpenbetrieb sicherstellen lässt.

Auch für Babynahrung Da die Pumpe ohne vorherige Demontage mit unterschiedlichen alkalischen und sauren Medien CIP-gereinigt werden kann, ist es möglich, auch den speziellen Anforderungen für Babynahrung gerecht zu werden. «Die Vorgaben hierfür liegen um den Faktor 1000 höher als für den übrigen Nahrungsmittelsektor», erläutert Pettoruto. «Dank hermetisch dichter Bauweise, Elektropolitur und CIP-Reinigung konnten wir eine Kontaminierung des Fördermediums ausschliessen und somit den erforderlichen Hygiene-Standard klar erfüllen.»

Eingesetzte Pumpe arbeitet FDA-konform Die hermetisch dichte Konstruktion der Prozessmembranpumpe sorgt jedoch nicht nur für einen zuverlässigen Dauerbetrieb, sondern ist gleichzeitig auch zentraler Bestandteil zur Erfüllung der strengen Hygiene-Richtlinien, denen die Sprühturm-Anwendung unterliegt. So arbeitet die Pumpe ohne dynamische Dichtungen, um einen hermetisch geschlossenen

Kontakt Lewa Nikkiso Switzerland AG Nenzlingerweg 5 CH-4153 Reinach +41 61 717 94 00 info@lewa-pumpen.ch www.lewa-pumpen.ch

The Original Filter Papers since 1883 Protect what matters Food & Beverage Environment Diagnostic

5/2020

FORSCHUNGSWELT

Chemiker untersuchen Mineral

Woraus besteht der Erdmantel?

Der Erdmantel ist eine Schicht tief im Erd inneren (zwischen 30 und 2900 Kilome tern). Mithilfe eines spezialisierten Verfah rens fanden die Chemiker jetzt heraus, dass das untersuchte Material anders zu sammengesetzt ist als bisher gedacht: Grosse Teile enthalten viel weniger soge nannte inkompatible Elemente – das sind die chemischen Elemente, die sich durch stetiges Schmelzen des Erdmantels bevor zugt in der Erdkruste anreichern, der äus sersten Schale der Erde. Die Wissenschaftler folgern, dass über die Erdgeschichte hinweg ein grösserer Teil des Erdmantels aufgeschmolzen ist und letztlich die Erdkruste gebildet hat. «Um die Stoffbilanz zwischen Erdinnerem und Erdkruste aufrecht zu erhalten, muss des halb auch der Materialtransfer zwischen der Erdoberfläche und dem Inneren der Erde höher sein als gedacht», betont Stu dienleiter Prof. Dr. Andreas Stracke von der Universität Münster. Da das Material unter den Azoren aus sehr tiefen Regionen des Erdmantels aufsteigt, es aber auch Hinweise darauf gibt, dass besonders der obere Teil des Erdmantels ähnlich zusammengesetzt ist, könnten die Ergebnisse auf weite Teile des Erdmantels übertragbar sein. «Unsere Ergebnisse öff nen ein neues Fenster, denn wir müssen die Zusammensetzung des grössten Teils der Erde überdenken. Immerhin macht der Erdmantel mehr als 80 Prozent des Erdvo lumens aus», fügt Andreas Stracke hinzu.

So gingen die Wissenschaftler vor In ihrer Studie untersuchten die Geoche miker das Mineral Olivin und die darin ein geschlossenen Schmelzen, also Gesteine, 34

Bild: W WU - Felix Genske

Wie ist das Innere der Erde chemisch aufgebaut? Da es nicht möglich ist, mehr als etwa zehn Kilometer tief in die Erde zu bohren, sind es häufig vulkanische Gesteine, die darüber Aufschluss geben. Geochemikerinnen und Geochemiker der Universitäten Münster und Amsterdam haben sich die vulkanischen Schmelzen, die die portugiesische Inselgruppe der Azoren aufbauen, genauer angesehen. Ihr Ziel war es, daraus Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Erdmantels zu ziehen.

Das Mineral Olivin enthält nur wenige Mikrometer grosse Schmelzeinschlüsse (schwarze Punkte). Die Geochemiker isolierten diese und untersuchten die isotopische Zusammensetzung mithilfe der Massenspektrometrie.

die durch das Erstarren flüssigen Magmas entstanden sind. Die Wissenschaftler iso lierten die nur wenige Mikrometer grossen Schmelzeinschlüsse, lösten sie mithilfe von chemischen Verfahren auf und trenn ten bestimmte chemische Elemente ab. Diese Elemente verändern sich durch radio aktiven Zerfall während ihres langen Auf enthalts im Erdinnern – vermutlich steigen sie dort bis zu 1000 Kilometer weit auf, was mehrere hundert oder sogar mehrere tausend Millionen Jahre dauert. Die Wissenschaftler analysierten die iso topische Zusammensetzung der Schmel zen mithilfe hochempfindlicher Massen spektrometer. Mit solchen Verfahren ist es möglich, die relative Häufigkeit von ver schiedenen Isotopen zu messen. «Durch eine hohe Ausbeute bei der Messung wa ren wir in der Lage, die Isotopenzusam mensetzung von einem Milliardstel Gramm des Elements zu bestimmen», sagt Co-Autor Dr. Felix Genske vom Insti

tut für Mineralogie der Universität in Münster. Auf diese Weise erhielten die Forscher indirekt Auskunft über die Zu sammensetzung des Materials im Erd mantel: Die isotopischen Untersuchungen ergaben, dass das Material viel weniger von den seltenen Erdelementen Samari um und Neodymium, aber auch chemisch ähnlichen Elementen, wie zum Beispiel Thorium und Uran, enthielt als bisher an genommen. «Anhand von ähnlichen geochemischen Daten in anderen vulkanischen Gestei nen, zum Beispiel aus Hawaii, schliessen wir, dass auch andere Teile des Erdman tels einen grösseren Anteil an Material enthalten, das ungewöhnlich stark an die sen Elementen verarmt ist», sagt Andreas Stracke. In zukünftigen Studien wollen die Wis senschaftler ihr Verfahren anhand weite rer Proben und in anderen Regionen der Erde testen, um ihre Ergebnisse zu über prüfen. Originalpublikation A. Stracke et al., «Ubiquitous ultra-depleted domains in Earth’s mantle», Nature Geo science (2019); DOI: 10.1038/s41561-0190446-z

Kontakt Universität Münster Schlossplatz 2 D-48149 Münster +49 251 83 0 verwaltung@uni-muenster.de www.uni-muenster.de

5/2020

FORSCHUNGSWELT

Bereits vor 40 Jahren vorhergesagt

Wie Nanostrukturen magnetisch werden Graphen ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit Partnern gelungen, ein in den 1970er-Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, das beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachmagazin «Nature Nanotechnology» erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen – zum Beispiel elektrisch leitend, halbleitend oder isolierend sein. Eine Eigenschaft war bisher aber praktisch unerreichbar: Magnetismus. Empa-Forschern ist es nun gemeinsam mit Kollegen der technischen Universität Dresden, der Aalto Universität in Finnland, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie der Universität Bern gelungen, eine Graphen-Nanostruktur zu bauen, die magnetische Eigenschaften besitzt – und gar ein entscheidendes Bauteil für Spin-basierte Elektronik sein könnte, die bei Raumtemperatur funktioniert. Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, doch Magnetismus ist eine Eigenschaft, die kaum mit Kohlenstoff in Verbindung gebracht wird. Wie also ist es möglich, dass Graphen magnetische Eigenschaften erhält? Um dies zu verstehen, braucht es einen Ausflug in die Welt der Chemie und der Atomphysik. In Graphen sind die Kohlenstoffatome wie in einem Bienenwabengitter angeordnet. Jedes Kohlenstoffatom geht dabei mit seinen drei Nachbarn entweder Einfach- oder Doppelbindungen ein. «Bei bestimmten, aus Sechsecken aufgebauten Strukturen ist es allerdings unmöglich, eine alternierende Abfolge von Einfach- und Doppelbindungen zu finden, die die Bindungsanforderungen aller Kohlenstoffatome erfüllt. Bei diesen Strukturen

¹ Empa, Dübendorf

5/2020

Bilder: Empa

Karin Weinmann ¹

Bild 1: Dreidimensional dargestellte Rastertunnelmikroskopie-Aufnahme von Clar's Goblet.

bleibt gezwungenermassen ein Elektron – oder auch mehrere – aussen vor, das keine Bindung eingehen kann», erklärt Shantanu Mishra, der in einer Empa- Forschungsgruppe unter der Leitung von Roman Fasel an neuartigen Nanographenen forscht. Dieses Phänomen der unfreiwillig ungepaarten Elektronen nennt sich «topologische Frustration». Doch was hat das nun mit Magnetismus zu tun? Die Antwort liegt in den Spins der Elektronen. Jedes Elektron bewegt sich nämlich auch um die eigene Achse (Spin). Das bewirkt ein winziges Magnetfeld, ein

Bild 2: Links: Clar's Goblet als Ausschnitt aus Graphen. Rechts: Kekulé-Struktur von Benzol (oben) und von Clar's Goblet (unten), welche nicht ohne ungepaarte Elektronen (schwarze Punkte) dargestellt werden kann.

FORSCHUNGSWELT

Bild 3: Links: Hochauflösende Rastertunnelmikroskopie-Aufnahme von Clar's Goblet. Rechts: Struktur-Modell von Clar's Goblet mit über lagerter Spindichteverteilung im antiferromagnetischen Grundzustand (blau: Spin aufwärts, rot: Spin abwärts).

magnetisches Moment. Elektronen drehen sich also um die eigene Achse und besetzen dabei Orbitale. Diese Orbitale können maximal von zwei Elektronen belegt werden. Wenn sich zwei Elektronen ein Orbital teilen, dann müssen sie ihren Spin anpassen. Die Spins dieser beiden Elektronen erhalten dann eine gegensätzliche Drehrichtung (bekannt als das Pauli-Prinzip). Dadurch löschen sich die Magnetfelder, die der Spin induziert hat, gegenseitig aus. Ist ein Elektron hingegen allein in seinem Orbital, so bleibt das magnetische Moment bestehen – und ein messbares Magnetfeld ist die Folge. Das allein ist schon faszinierend. Doch um den Spin der Elektronen als Schaltungselemente nutzen zu können, braucht es noch eine Stufe mehr. Eine Antwort könnte in einer Struktur liegen, die unter dem Ras-

Spintronik Spintronik – zusammengesetzt aus den Wörtern «Spin» und «Elektronik» – ist ein Forschungsgebiet in der Nanotechnologie. Ihr Ziel ist, Elektronik zu erschaffen, bei der Informationen nicht wie bislang mit der elektrischen Ladung von Elektronen kodiert wird, sondern mit dem magnetischen Moment. Ein einzelnes Elektron kann jedoch nicht nur einen fixen Zustand «Spin-Aufwärts» () oder «Spin-Abwärts» () besitzen, sondern eine quantenmechanische Überlagerung dieser beiden Zustände. Spintronik könnte damit künftig nicht nur eine weitere Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen ermöglichen, sondern könnte auch elektrische Schaltelemente mit ganz neuen, bisher unbekannten Eigenschaften Realität werden lassen.

Bild 4: Die Austauschkopplungsenergie (Differenz der beiden Spinzustände   und ) in diesem Molekül ist mit 23 meV relativ hoch. Somit könnten Spin-basierte logische Operationen bei Raumtemperatur stabil sein.

tertunnelmikroskop in etwa aussieht wie eine Fliege (Bild 1).

Zwei frustrierte Elektronen in einem Molekül Bereits in den 1970er-Jahren sagte der tschechische Chemiker Erich Clar, eine Koryphäe auf dem Gebiet der sogenannten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (Nanographene), eine spezielle Struktur voraus, die als «Clar’s Goblet» bekannt ist. Sie besteht aus zwei symmetrischen Hälften und ist so aufgebaut, dass in jeder der Hälften ein Elektron topologisch frustriert bleiben muss. Da die beiden Elektronen aber doch über die Molekülstruktur miteinander verbunden sind, sind sie antiferromagnetisch gekoppelt – das heisst, ihre Spins zeigen zwingend in entgegengesetzte Richtungen. In seinem antiferromagnetischen Zustand könnte das Goblet als logisches «NOT»- Gatter, also als «Umformer», wirken: Wird der Spin am Eingang umgedreht, so muss sich der Ausgang gezwungenermassen ebenfalls drehen. Es ist allerdings auch möglich, die Struktur in einen ferromagnetischen Zustand zu bringen, mit beiden Spins in dieselbe Richtung. Dazu muss die Struktur mit einer bestimmten Energie, der sogenannten Austauschkopplungsenergie, angeregt werden, so dass eines der Elek tronen seinen Spin umdreht. Damit das Gatter in seinem antiferromagnetischen Zustand aber stabil bleibt, darf es nicht spontan in den ferromagnetischen Zustand wechseln. Dazu muss die Austauschkopplungsenergie höher sein als die Energie, die beim Betrieb des Gatters bei Raumtemperatur frei wird. Das ist eine zentrale Voraussetzung dafür, dass eine künftige spintronische Schaltung (siehe

Kasten) auf der Basis von Graphen-Nano strukturen auch bei Raumtemperatur fehlerfrei funktioniert.

Von der Theorie zum Experiment Bislang waren raumtemperaturstabile, antiferromagnetische Kohlenstoff-Nanostrukturen aber nur theoretisch vorausgesagt. Zum ersten Mal gelang es nun den Forschern, eine solche Struktur auch praktisch herzustellen und zu zeigen, dass die Theorie auch tatsächlich der Realität entspricht. «Die Struktur zu realisieren ist anspruchsvoll, da Clar’s Goblet einerseits höchst reaktiv ist, und andererseits die Synthese sehr komplex ist», erklärt Mishra. Aus einem Vorläufermolekül konnten die Forscher Clar’s Goblet im Ultrahochvakuum auf einem Goldsubstrat realisieren. Mit verschiedenen Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass es genau die vorausgesagten Eigenschaften besitzt. Sie fanden zudem, dass die Austauschkopplungsenergie in diesem Molekül mit 23 meV relativ hoch ist – und somit Spin-basierte logische Operationen bei Raumtemperatur stabil sein könnte (Bild 4). «Damit ist ein kleiner, aber wichtiger Schritt Richtung Spintronik gelungen», sagt Roman Fasel. Die Studie ist soeben im Fachmagazin «Nature Nanotechnology» erschienen. Kontakt Shantanu Mishra Empa Überlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf +41 58 765 4839 shantanu.mishra@empa.ch www.empa.ch

5/2020

UMWELT

Europaweite Studie

Zu viel Stickstoff hemmt Waldwachstum Zusätzlicher Stickstoff regt das Baumwachstum an. Geraten aus Luftverunreinigungen jedoch jährlich mehr als etwa 30 Kilogramm pro Hektar in einen Wald, dann verringert sich der Holzzuwachs, denn es fehlen andere für das Wachstum wichtige Elemente. Dies zeigt eine in 23 europäischen Ländern durchgeführte Studie unter Leitung der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL).

Bisher gingen Waldökologinnen und Forstwissenschaftler oft davon aus, dass aus Luftverunreinigungen stammender Stickstoff meist zu mehr Holzzuwachs führt. Dieser Nährstoff wirkt wie Dünger und ist ein wichtiger Baustein für das Wachstum von Pflanzen. Werden aber gewisse Grenzen an zusätzlichem Stickstoff überschritten, kann das Wachstum gehemmt werden. Bisher war nicht klar, inwieweit diese Wachstumshemmung in den europäischen Wäldern tatsächlich auftritt. Wer langfristig vorhersagen will, wie Waldökosysteme auf Umweltveränderungen wie den Klimawandel reagieren, der muss die wesentlichen Treiber des Baumwachstums und der Waldentwicklung kennen und einschätzen können. Darum untersuchte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der WSL, welchen Einfluss Stickstoff auf das Wachstum von Bäumen hat.

Nährstoffmangel trotz Überfluss Die Forschenden wiesen nun nach, dass das durch Stickstoff bewirkte zusätzliche Wachstum europaweit begrenzt ist. Die in 23 europäischen Ländern auf 442 Waldbeobachtungsflächen erhobenen Daten zeigen, dass der Zuwachs nahezu überall ab einem Grenzwert von etwa 30 Kilogramm Stickstoff pro Hektar und Jahr abnimmt. Unterhalb dieses Grenzwertes hingegen steigert Stickstoff in der Regel

¹ Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL), Birmensdorf

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Bild: Peter Waldner, WSL

Dr. Reinhard Lässig ¹

Austausch der Sammler zur Bestimmung des Stoffeintrags durch Regen in Vordemwald AG.

den Zuwachs. Der Grund für einen ausbleibenden weiteren Anstieg des Wachstums liegt in den fehlenden Mengen anderer wichtiger Nährstoffe und in der Bodenversauerung. Im Rahmen des europäischen Waldbeobachtungs-Netzwerks «ICP Forests» gingen Forschende in ganz Europa dieser Frage auf den Grund. Sie erhoben dazu von 1995 bis 2010 an etwa 100 000 Nadelund Laubbäumen mehrere Millionen Messdaten, sie erfassten in diesen Wäldern Messgrössen wie Art, Höhe und Stammdurchmesser der Bäume sowie verschiedene Klima- und Umweltfaktoren, zum Beispiel den Schadstoffeintrag aus der Luft und die Bodenqualität. Schliesslich prüften sie, ob verschiedene Grössen über 15 Jahre hinweg ähnliche Entwicklungen zeigten. In diese Studie sind auch Daten von Fichten, Föhren und Buchen aus

Schweizer Beobachtungsflächen eingeflossen: Alptal (Kanton Schwyz), Beatenberg (Bern), Isone (Tessin), Lausanne (Waadt), Lens (Wallis), Neunkirch (Schaffhausen) und Othmarsingen (Aargau).

Stickstoff ist wichtigster Umweltfaktor Trotz der grossen Unterschiede bezüglich Geografie, Geologie, Boden, Meereshöhe, Klima und anderen Umweltfaktoren beeinflussten vor allem die Anzahl der Bäume – und damit der Konkurrenzdruck – sowie das Alter der Waldbestände den jährlichen Durchmesser- und Höhenzuwachs der Bäume. Das bedeutet, dass sich die Bewirtschaftungsform und -intensität der Forstdienste und Waldeigentümer auf den Zuwachs an Holz und Blattmasse auswirken. Der über die Luft in den Boden ein37

Bild: Matthias Häni, WSL

UMWELT

Meteostation mit Ozon-Passivsammlern im Tessin.

getragene Stickstoff war jedoch der wichtigste Umweltfaktor. Erstmals in Europa konnten die Forschenden nachweisen, dass es einen sogenannten Kipp-Punkt gibt, und zwar im Schnitt bei 25 bis 35 kg Stickstoff pro Hektar und Jahr. Liegt der lokal ermittelte Wert über dem KippPunkt, wachsen die Bäume weniger. Am stärksten war dieser Effekt bei Buchen. In Versuchen hatten Forschende in den letzten Jahrzehnten für mitteleuropäische Wäl-

der einen Stickstoffgrenzwert von 10–20 kg/ha/Jahr ermittelt. Die beiden Werte können jedoch nicht direkt verglichen werden. Letzterer Wert bezieht sich auf langfristig erhöhte Stickstoffeinträge, nicht nur mit Blick auf das Baumwachstum, sondern auch auf andere mögliche Auswirkungen (Biodiversität, Flechten, Pilze, Nitratauswaschung). Fest steht: Zu viel Stickstoff bringt das Nährstoffgleichgewicht im Waldökosystem ins Wanken. «Über die Höhe dieses Grenzwertes diskutieren Forschende seit Jahrzehnten. Im Rahmen der europaweiten Zusammenarbeit gelang es uns erstmals, einen konkreten Grenzwert für das Baumwachstum auf einer derart grossräumigen Skala in natürlich gewachsenen und bewirtschafteten Wäldern zu bestimmen», sagt Sophia Etzold von der WSL, die leitende Autorin dieser Studie. Im Vergleich zum Stickstoff, der mittlerweile zum grössten Teil aus landwirtschaftlichen Betrieben (z. B. Gülle, Tierfutter und Kunstdünger) und immer weniger aus Verbrennungsprozessen stammt, hatten an-

dere Umweltfaktoren wie z. B. Lufttemperatur, Niederschlag oder Ozon überall einen geringeren Einfluss auf das Baumwachstum. Die Resultate legen nahe, dass der Stickstoffausstoss weiterhin begrenzt werden sollte, um globalen Einbussen auf das Wachstum der Wälder vorzubeugen. Originalpublikation S. Etzold et al., «Nitrogen deposition is the most important environmental driver of growth of pure, even-aged and managed European forests», Forest Ecology and Management (2020), 458: 117762 (13 pp.); DOI: 10.1016/j.foreco.2019.117762

Kontakt Eidg. Forschungsanstalt WSL Zürcherstrasse 111 CH-8903 Birmensdorf +41 44 739 21 11 wslinfo@wsl.ch www.wsl.ch

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5/2020

UMWELT

Chemikaliencocktails

Die Mischung macht das Gift

Chemikalien haben unsere Lebensqualität verbessert. Doch gleichzeitig geht von ihnen ein erhebliches Risiko für Mensch und Umwelt aus: Pestizide, Pharmazeutika und Weichmacher gelangen in die Umwelt und in die Nahrungskette und bringen neben den erwünschten auch unerwünschte Effekte mit sich. Trotz gesetzlicher Bestimmungen werden diese Chemikalien nicht angemessen erfasst und unzureichend bewertet. Das liegt unter anderem daran, dass der derzeitige Ansatz, mit dem das Gefahrenpotenzial von Chemikalien bewertet wird, auf relativ wenigen Einzelkomponenten beruht. Mittlerweile weiss man aber, dass Mensch und Umwelt einem Cocktail von zehntausenden Chemikalien ausgesetzt sind. Nur ein Bruchteil davon wurde bislang identifiziert. Die Wirkung auf biologische Systeme sowie die Rolle von einzelnen Chemikalien und Abbauprodukten im Cocktail ist also weitgehend unklar.

Eignungsprüfung von analytischen Methoden Zudem wächst die Zahl neu registrierter Chemikalien rasant an: Von 20 Millionen im Jahr 2002 auf 156 Millionen im Jahr 2019. Das alles macht es schwierig, Ursache-Wirkungs-Beziehungen aufzudecken, und verlangt nach neuen Denkmodellen und methodischen Ansätzen. In ihrem Review fassen die Autorinnen um Prof. Beate Escher vom Helmholtz-Zen trum für Umweltforschung (UFZ) deshalb Technologien zusammen, die sich eignen, Chemikalien in komplexen Mischungen zu identifizieren und ihre Wirkungen zu erfassen. Zudem bewerten sie deren Möglichkeiten und Grenzen. Die Publikation macht deutlich, dass es nicht nur um analytische Methoden geht 5/2020

Bilder: Adobe Stock

Einst genügte es, einzelne Chemikalien als Verursacher für schädliche Auswirkungen auf Mensch und Umwelt auszumachen. Doch wie sich mittlerweile zeigt, greift dieser Ansatz zu kurz. Denn die reale Welt ist von multiplen Belastungen und Chemikaliencocktails geprägt. Eine Studie stellt methodische Ansätze vor, mit denen Chemikalien, die in komplexen Mischungen von Bedeutung sind, isoliert, charakterisiert und verfolgt werden können.

Dass erst die Mischung von unterschiedlichen Chemikalien zum Problem werden kann, ist bereits seit Jahren bekannt. Dennoch ist keine umfassende Regulierung vorhanden, die diesen Mischungseffekten Rechnung trägt.

– auch das «Was» und «Wie» der Probenahme und -aufbereitung entscheidet über den Erfolg der Analytik. Gemeinsame Ansätze für diverse Probenarten – von Wasser und Boden bis Blut oder Gewebe – erlauben, die Ergebnisse später zu vergleichen. Als besonders innovativ werden beispielsweise spezielle Wischtücher oder Silikonarmbänder hervorgehoben, die die persönliche Exposition von Menschen mit Schadstoffen erfassen können.

Auch unterhalb der Nachweisgrenze ein Risiko Die Möglichkeiten der chemischen Analytik haben sich mit der Entwicklung und der Zugänglichkeit der hochauflösenden Massenspektrometrie (HR-MS) stark verbessert. Gekoppelt mit weiteren Technologien können damit zehntausende Signale in

biologischen und Umweltproben nachgewiesen werden. Sie ist auch die Basis für ein «Verdachtsscreening» zur Identifizierung unbekannter Chemikalien in komplexen Mischungen. «Das versetzt uns unter anderem in die Lage, neue problematische Schadstoffe in der Umwelt zu erkennen», so Beate Escher. «Aber alle Stoffe können wir damit niemals erfassen. Auch Stoffe unterhalb ihres Detektionslimits und unterhalb ihrer Effektschwelle können zum Risiko beitragen.»

Biologie muss der chemischen Analytik helfen Die Forscherinnen empfehlen daher ergänzend zur chemischen Analytik bioanalytische Werkzeuge, die bei der Bewertung der Toxizität von Abwasser und Sedimenten insbesondere Mischeffekte erfassen 39

UMWELT

Die Proben stehen auf dem Probenkarussell des Autosamplers bereit zur Analyse. Doch eine klassische analytische Methode allein reicht bei der Problematik von Mischungseffekten nicht aus.

können. Traditionell wurden dafür «in vivo»-Biotests mit ganzen Organismen durchgeführt, deren Nachteil ein geringer Probendurchsatz war. Mit der Weiterentwicklung zellbasierter «in vitro»-Biotests eröffnen sich nun weitere Möglichkeiten – sie können Tierversuche ersetzen und sind für Hochdurchsatzroboter geeignet. «Die Anwendung von ‹in vitro›-Hochdurchsatzverfahren zur Umweltrisikobewertung von Gemischen und komplexen Umweltproben ist erst im Entstehen, hat aber ein riesiges Potenzial», ist Beate Escher überzeugt. Durch die Ergänzung der hochauflösenden Massenspektrometrie mit bioanalytischen Werkzeugen lassen sich Informationen über die Auswirkungen aller Chemikalien in einer Probe gewinnen. Die Kombination dieser beiden Werkzeuge habe laut Escher das Potenzial, die Umweltüberwachung zu revolutionieren. Auch aus diesem Grund wurde am UFZ die Technologie-Plattform «Chemicals in the Environment Profiler» aufgebaut. Sie erlaubt die Vorbereitung

und Testung von Proben mit analytischen und bioanalytischen Hochdurchsatzverfahren. Doch die Plattform ist mehr als reine Hardware. Sie ist ein Konzept, um das Exposom zu charakterisieren – also die Gesamtheit aller Umwelteinflüsse zu erfassen, denen ein Individuum lebenslang ausgesetzt ist. Dazu gehören externe Faktoren (Chemikalien in der Luft, im Wasser oder in der Nahrung) und interne Komponenten, die ein Organismus als Reaktion auf verschiedene Belastungen produziert.

Fazit: Neue Regulierung dringend erforderlich Die Zahl der Chemikalien, die in Umweltproben mithilfe ausgefeilter instrumenteller Analysen identifiziert werden, nimmt ständig zu. In den vergangenen Jahren wurden bessere Methoden entwickelt, um ihre kombinierten Wirkungen und Mechanismen der Toxizität zu untersuchen. Es bleibt dennoch eine Herausforderung, die Ursachen für chemischen Stress in der

Umwelt zu erklären. Die Verbindungen zwischen Umwelt, Natur und Mensch können nur durch einen integrierten Ansatz für Monitoring und Bewertung hergestellt werden. Die Verfolgung von Chemikalien und ihren Umwandlungsprodukten in der Umwelt und in unserem Körper ist eine immense (bio)analytische Herausforderung: Probenahme, Extraktion, chemischer Nachweis und Datenanalyse müssen aufeinander abgestimmt werden, um robuste Informationen zu erhalten. Die Quantifizierung von Mischeffekten ist eine Möglichkeit, alle vorhandenen Chemikalien und ihre bioaktiven Umwandlungsprodukte zu erfassen. Angesichts der eindeutigen Relevanz von Gemischen und der Tatsache, dass Tausende von Chemikalien in der Umwelt und in unserem Körper vorkommen, ist ein Wechsel des bestehenden Regulierungsparadigmas hin zu Mischungseffekten dringend erforderlich. Originalpublikation Beate I. Escher, Heather M. Stapleton, Emma L. Schymanski, «Tracking Complex Mixtures of Chemicals in our Changing Environment», Science (2020); https://doi. org/10.1126/science.aay6636 Kontakt Prof. Dr. Beate Escher Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) Permoserstrasse 15 D-04318 Leipzig +49 341 235 1244 beate.escher@ufz.de www.ufz.de

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VERFAHRENSTECHNIK

Porenfreie Vernickelung

Präzise Beschichtung von Blasfolienköpfen Ob Kaffeekapseln oder künstliche Wurstpellen – ihren Ursprung haben die mit Abstand meisten von ihnen auf einer Kuhne-Maschine. Schlüsselkomponenten aller Anlagen sind die Extrusionswerkzeuge, die bei Blasfolienextrusion als Blasköpfe bezeichnet werden. Bei der chemischen Vernickelung dieser hochkomplexen Bauteile vertraut Kuhne auf die Präzisionsarbeit der Pallas GmbH und Co. KG, einem ausgewiesenen Experten im Bereich anspruchsvoller Oberflächentechnik.

Bild: Pallas GmbH & Co. KG

Die Kuhne Maschinenbau GmbH entwickelt und stellt schlüsselfertige Anlagen für die Flachfolien- und Plattenextrusion her. Neben Tiefziehartikeln wie Joghurtbechern und Kaffeekapseln werden daraus Agrar- und Baufolien hergestellt. Kernkompetenz der Kuhne Anlagenbau GmbH ist der Bau von Mehrschicht-Blasfolienanlagen für die Lebensmittel-, Medizin- und Pharmaindustrie. Auch Hersteller von Ballon- oder Batteriefolien vertrauen auf die aussergewöhnliche Leistungsfähigkeit dieser hochkomplexen Anlagen. Die für alle Anlagentypen erforderlichen Folienblasköpfe (Bild 1), Flachdüsen und Extruder fertigt die auf Zerspanen und Polierverfahren spezialisierte K-Tool GmbH. Diese ganzheitliche Aufstellung von Kuhne ist die Gewähr für hohe Qualität.

Für jede Eigenschaft eine Folienschicht Angesichts immer anspruchsvollerer Konsumentenerwartungen werden die Anforderungen der Verpackungsindustrie an Folienverpackungen kontinuierlich komplexer. Maximaler Glanz, brillante Transparenz und weiche Haptik zählen dazu ebenso wie eine Vielzahl mechanischer und funktionaler Eigenschaften. Oberste Priorität hat jedoch maximaler Schutz des Packguts bei Transport und Lagerung – verbunden mit der Forderung nach möglichst langer Haltbarkeit und multifunktionalen Barriere-Eigenschaften. Mit zuverlässiger Sperrwirkung gegenüber Sauerstoff, Feuchtigkeit oder UV-Einwirkung gewährleisten Hochbarrierefolien, dass die Produkte Farbe und Geschmack behalten und Flüssigkeiten weder nach innen noch nach aus sen dringen. Ausserdem sorgen sie dafür, 5/2020

Bild 1: Modell eines Blaskopfes.

dass wertvolles Aroma bewahrt, störender Geruch vermieden und die Haltbarkeit maximiert wird. Jede dieser Eigenschaften bedingt zum Teil weitere Schichten in der Folienblase. Abhängig von den Kunststoffkombinationen in den einzelnen Schichten werden zusätzliche Haftvermittlerschichten benötigt. Um die Wettbewerbsfähigkeit der Verpackungskunden trotz sinkender Losgrössen zu sichern, gilt es ausserdem, durch intelligente Verfahrens optimierungen Produktionskosten und Materialverbrauch immer weiter zu senken. Es gibt drei unterschiedliche Verfahren bei der Blasfolienproduktion: Luftgekühlte

Bild 2: Luftgekühlte Blasfolien (Smart Bubble) mit Kalibrierkopf.

VERFAHRENSTECHNIK

(Smart Bubble, siehe Bild 2), wassergekühlte (Cool Bubble) oder ohne Laminierund Beschichtungsprozesse in nur einem Arbeitsprozess biaxial-verstreckte Mehrschichtfolien (Triple Bubble, siehe Bilder 3 und 4). Kernkompetenz ist der Bau von Mehrschichtanlagen für bis zu 17 Schichten, die nahezu alle thermoplastischen Kunststoffe verarbeiten können. Neben dieser aussergewöhnlich hohen Anzahl an Schichtkombinationen erlauben die Anlagen auch die Produktion sehr dünner Folien – bis zu 15 μm dünn – mit entsprechend geringem Rohstoffverbrauch. Zentrale Komponente jeder Blasfolienanlage ist der Blaskopf (Bild 1), der sich aus mehreren Wendeln zusammensetzt, die in einem senkrecht stehenden Zylinder den Schmelzkanal bilden. Bei Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius wird flüssige Kunststoffschmelze in diese rotationssymmetrischen Bauteile – Hülsen oder Scheiben – eingespeist und mit bis zu 500 bar Druck aus ringförmigen Düsen geblasen. Dadurch entsteht ein bis 20 Meter hoher Schlauch, die sogenannte Blase, die ohne Druck durch einen Kalibrierkorb zur Flachlegung geleitet wird. Bei der Triple-Bubble-Technologie entstehen in einem Arbeitsprozess drei Folienblasen, indem die erste in der zweiten biaxial-verstreckt und die zweite in der dritten thermofixiert wird.

Auf den Mikrometer genau Björn Greis steuert als Konstruktionsleiter Extrusion im Anlagenbau und Technischer Leiter von K-Tool unter anderem den gesamten Fertigungsprozess der Blasköpfe. Anhand der individuellen Kundenanforderungen zu Anlagentyp, Folienstruktur und -grösse sowie den Vorgaben zu Output und Masseleistung prüft er, ob für die Umsetzung bestehende Module oder Sonderkonstruktionen erforderlich sind. Neukonstruktionen von Extrusionswerkzeugen bespricht Greis anhand von Zeichnungen und CAD-Modellen zunächst mit dem K-Tool-Team, bevor entsprechende Ablaufpläne erstellt werden und die Umsetzung erfolgt. Permanente Kontrollen mit Mikrometeruhren gewährleisten schon bei der Zerspanung, dass alle Aufmasse präzise eingehalten werden. Beim Polieren ist vor allem die Erfahrung der Fachkräfte gefragt. 42

Bild 3 und 4: In einem Arbeitsprozess biaxial-verstreckte Mehrschichtfolien (Triple Bubble).

Um Fliesswiderstände der Kunststoffschmelze zu vermeiden, werden die Oberflächen von Hand spiegelblank poliert und vor dem Beschichten nochmals auf einer Koordinatenmessmaschine vermessen. Trotz der Messprotokolle lässt sich Björn Greis eine Sichtkontrolle nicht nehmen: «Jedes Kopfbauteil, das hier rein- und rausgeht, habe ich in der Hand.»

Konturtreue Beschichtung Entsprechend kritisch war er auch bei der Auswahl eines neuen Beschichters für die chemische Vernickelung der Blasköpfe. Mehrere schlechte Erfahrungen mit fehlerhaften Oberflächen hatten ihn grundsätzlich misstrauisch gegenüber dieser Technik für Extrusionswerkzeuge gemacht. Angesichts der Komplexität der Geometrie und extremen Beanspruchung der Einzelkomponenten durch Verschleiss und Korrosion ist jedoch eine Beschichtung mit Chemisch Nickel allen anderen galvanischen Verfahren deutlich überlegen. Exzellente Korrosionsbeständigkeit und eine mit Hartchrom vergleichbare Härte kennzeichnen die in diesem chemischen, autokatalytischen Prozess erzeugten Schichten. Im wässrigen Elektrolyten scheidet sich die Schicht ab, die überall dort, wo das Bauteil

mit der Lösung in Berührung kommt, eine absolut gleichmässige Nickel-Phosphor-Legierung darstellt. Diese aussenstromlos abgeschiedene Schicht veredelt konturtreu und mikrometergenau auch sehr komplexe Geometrien mit vielen Passungen, Kanten und Gewinden. Durch abschliessendes Tempern erhält die Schicht eine Härte von bis zu 950 HV. Anders als bei Hartverchromungen entfällt bei einer chemischen Vernickelung jede Nachbearbeitung. Entscheidend für die Qualität dieser Beschichtung ist jedoch eine perfekte Beherrschung dieses ausgesprochen sensiblen Verfahrens. In Pallas fand Björn Greis vor rund eineinhalb Jahren einen ausgewiesenen Experten, der zudem das von Kuhne geforderte hochwertige High-Phos-Verfahren anwendet. Diese Badchemie erzeugt eine Nickelschicht mit über zehnprozentigem Phosphorgehalt. Dadurch sind die so veredelten Oberflächen chemisch sehr beständig und bieten einen hohen Korrosionsschutz.

Behandlung wie ein rohes Ei Diese Beschichtung wird besonders oft für Extrusionswerkzeuge der Triple-Bubble-Anlagen angewendet. Deren hochglanzpolierte Blasköpfe – je nach Anwendung 5/2020

VERFAHRENSTECHNIK

in Hülsen- oder Scheibenbauform – vernickelt Pallas komplett. Bei einem ElfSchicht-Kopf umfasst der Auftrag elf Wendel sowie je eine Boden- und Abschlussplatte mit unzähligen feinen Bohrungen, Kanten und Gewinden. «So eine Bohrung hat nur einen Durchmesser von acht Millimetern und 65 Millimeter Länge», erläutert Björn Greis. «Je nach Anwendung brauchen wir eine porenfreie Schicht von 10 bis 50 μ. Da ist absolute Präzision und Sauberkeit erforderlich!» Die damit verbundenen Anforderungen sind schon wegen der Dimension der Bauteile beachtlich: Mit 800 Millimetern Aussendurchmesser und 160 Kilogramm Gewicht pro Wendel – die Bodenplatte bringt sogar

300 Kilogramm auf die Waage – verlangen die hochglanzpolierten Komponenten eine entsprechend leistungsfähig ausgelegte Infrastruktur und gleichzeitig eine Behandlung wie ein rohes Ei. Den Beginn markiert ein mehrstufiger Reinigungsprozess, der entscheidenden Einfluss auf die spätere Haftfestigkeit und Optik der Beschichtung hat. Sämtliche Fett- und Oxidschichten sowie andere Verunreinigungen wie Abrieb müssen rückstandslos entfernt werden. Nacheinander durchlaufen die Bauteile dafür eine alkalische und elektrolytische Entfettung sowie eine saure Beize. Zwischen jedem Behandlungsschritt erfolgen zudem aufwendige Spülgänge. Danach werden alle Gewinde und Bohrungen, die

nicht vernickelt werden sollen, sorgfältig per Hand abgedeckt. Die Bearbeitungsdauer von rund 14 Tagen für die Beschichtung eines Blaskopfes ist für Björn Greis eine lange Zeit, denn die Nachfrage nach Blasköpfen von Kuhne sei gross.

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VERFAHRENSTECHNIK

Durchflussmessung 4.0

Normierte Kommunikationsschnittstelle

«Magnetisch-induktive Messgeräte kommen ohne bewegliche Teile wie Flügelräder aus, weshalb sie kaum Verschleisserscheinungen zeigen. Deshalb haben sich diese Geräte für die Durchflussbestimmung leitfähiger Medien bewährt – ob Wasser, Breie und Pasten, Säfte oder Emulsionen», erklärt Raza Ali Agha, Vertriebsleiter bei der Kobold Messring GmbH. «Dieses breite Einsatzspektrum führt aber auch zu sehr unterschiedlichen Einbausituationen, da die Messgeräte in verschiedenen Industrien und Prozessen eingesetzt werden.» Die Nennweite der angeschlossenen Rohre, die mögliche Ausrichtung beim Einbau und die Einbindung in bestimmte Prozessketten, wie die Dosierung beim Einfärben von Tabletten oder der Kühlmittelzufuhr, beeinflussen die Wahl eines passenden Gerätes. Insbesondere im Rahmen von Dosiervorgängen müssen die Messinstrumente die Möglichkeit zur Programmierung von Zwischenwerten bieten, um die Mengen zu dokumentieren und eine ungenaue Dosierung zu vermeiden. Zudem sollte die Anzeige mehrzeilig und gut sichtbar sein, damit das Anlagenpersonal rechtzeitig vor der Überschreitung eines Grenzwertes gewarnt wird. Häufig erfüllen Durchflussmesser jedoch nur einen Teil dieser Anforderungen etwa auf Kosten der Bedienbarkeit. Deshalb hat das Unternehmen universale Durchflussströmungsmesser mit IO-Link entwickelt, welches die Kommunikation zwischen dem Gerät und Automatisierungssystem ermöglicht. Diese normierte Kommunikationsschnittstelle (DIN EN 61131) ist für nahezu jede Messsituation geeignet und neben guten Ansprechzeiten von teilweise unter 100 Millisekunden ist eine hohe Programmierfreiheit gewährleisten. Dafür sor44

Bild: Kobold Messring GmbH

Werden leitfähige Medien wie beispielsweise Kühlwasser einem Prozess hinzugegeben, sind in der Regel magnetisch-induktive Durchflussmesser zur Überwachung installiert. Besonders im Rahmen der Dosierungsüberwachung müssen die Messgeräte über präzise Ansprechzeiten und eine hohe Kalibrierfreiheit verfügen, da sonst eine falsche Dosierung oder unzureichende Wiederholgenauigkeit auftritt. Eine vielversprechende Kommunikationstechnologie kann hierbei weiterhelfen.

Bei der getrennten Ausführung des Durchflussmessgerätes enthält die medienberührende Einheit lediglich den Sensor. Die gesamte Elektronik sowie die Steuerung und Anzeige sind separat untergebracht und über ein Kabel in sicherem Abstand zur Sensoreinheit am Rohr verbunden.

gen zum einen die zahlreichen Funktionen wie die Temperaturmessung oder die Dosierung, welche sich in nur wenigen Schritten im Menü auf Schnellwahltasten legen lassen. Zum anderen ermöglicht die robuste und flexible Bauweise einen einfachen und übersichtlichen Einbau auch in eng ausgelegten Rohrsystemen.

Einsatz unter extremen Bedingungen Die Durchflussströmungsmesser sind komplett in widerstandsfähigem Material ausgeführt. Ein Modell der zwei entwickelten Modelle (der MIM) ist sogar in Edelstahl gekleidet. Neben der Funktion zur 5/2020

VERFAHRENSTECHNIK

Temperaturmessung, die nur der MIM aufweist, unterscheiden sich die Geräte vor allem in Bezug auf die Rohrgrössen, bei denen sie zum Einsatz kommen. Während das andere entwickelte Modell (MIS) für die Nennweiten DN 80 und DN 100 bzw. 3“ und 4“ geeignet ist, kann der MIM auch bei sehr kleinen Rohrnennweiten eingesetzt werden und deckt je nach Nennweite einen Messbereich ab 30 ml/min aufwärts ab. «Die Durchflussmesser verfügen über zwei individuell konfigurierbare Ausgänge, die je nach Einstellung beispielsweise als Puls-, Alarm- oder Analogausgang fungieren können», erklärt Agha. «Dadurch lassen sie sich leichter in verschiedene Prozesse oder Hilfskreisläufe einbinden.» Das Farb-Multi-Display lässt sich zudem digital in 90-Grad-Schritten drehen, so dass bei einem Standortwechsel kein anderes Modell benötigt wird und die Anzeige unabhängig von der Position der Anschlüsse ist. Damit das Gerät auch beim Dosieren von Kleinstmengen genutzt werden kann, wurde die Ansprechzeit verbessert. Ausser dem lassen sich über das Menü verschiedene Teilmengen programmieren. Um nicht bei jeder Neueinstellung umständlich durch das Menü navigieren zu müssen, wurde die Anzeige um sogenannte Hotkeys erweitert. Auf diese Weise lässt sich die gewünschte Dosierung bequem durch die Schnellwahltasten auf dem Startbildschirm auswählen. Über einen externen Steuereingang lässt sich der gewünschte Dosiervorgang starten und

stoppen. Dabei kann vor Ort über den MIM oder MIS die Menge jederzeit angepasst werden. «Insbesondere bei sensiblen Prozessen wie der Tablettenbeschichtung sind präzise gemessene Teilmengen und eine sehr gute Ansprechzeit unabdingbar», bestätigt Agha. Damit diese Möglichkeit auch bei heissen Medien und in stark temperierten Umgebungen wie bei Kühlwasserkreisläufen gegeben ist, ist der MIM in einer getrennten Ausführung entwickelt worden: Anders als bei sonst üblichen Geräten enthält die medienberührende Einheit lediglich den Sensor. Die gesamte Elektronik sowie die Steuerung und Anzeige sind separat untergebracht und über ein Kabel in sicherem Abstand zur Sensoreinheit am Rohr verbunden. Dadurch sind auch Temperaturen bis +140 °C kein Problem und das Gerät kann störungsfrei arbeiten, da die Elektronik geschützt bleibt.

mit Handschuh durchführen, da die Tasten über verschiedene Empfindlichkeitsstufen verfügen. Die mehrzeilige Anzeige bietet einen besseren Überblick als vergleichbare Kompaktgeräte und kann auch neben dem Messwert die entsprechende Einheit oder andere Zusatzinformationen abbilden. Diese Übersichtlichkeit wird nochmals durch die Mehrfarbigkeit des Displays verstärkt: Beispielsweise ändert sich die Farbe, wenn eine bestimmte Durchflussmenge erreicht worden ist. Dadurch sieht der Anwender auch aus der Distanz, wenn etwa eine bestimmte Menge dosiert oder ein Grenzwert überschritten wurde. «Während der Konzeptionsphase haben wir Erfahrungsberichte unserer Kunden aus den verschiedenen Branchen zu Grunde gelegt, um ein sehr flexibles und zuverlässiges Universalgerät entwickeln zu können. Mit dem MIM und MIS gibt es nun die Würfel für fast jedes Messvorhaben», resümiert Agha.

Die Anwenderfreundlichkeit steht im Mittelpunkt Die Flexibilität der Gerätefamilie zeigt sich auch in der Nutzerführung und dem Funktionsumfang. Nahezu alle Einstellungen lassen sich bequem über vier optische Tasten vor Ort auf dem Display einstellen. Funktionen wie Teilmengenanzeige, Temperaturmessung oder Maximaldurchfluss lassen sich auch auf die genannten Hotkeys legen, so dass nicht ständig über mehrere Steuerungsebenen im Menü navigiert werden muss. Dies lässt sich auch

Kontakt Kobold Messring GmbH Nordring 22–24 D-65719 Hofheim/Taunus +49 6192 299 0 info.de@kobold.com www.kobold.com

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Bilder: Adobe Stock

VERFAHRENSTECHNIK

Die Produktion von Milchpulver für Säuglinge und Kälber verläuft in vergleichbaren Prozessschritten. Die Nahrungsmittelproduktion für Säuglinge unterliegt jedoch viel strengeren hygienischen Auflagen, denen die verwendeten Explosionsschutztechnologien gerecht werden müssen.

Sichere Schüttgutindustrie

Fünf zentrale Faktoren für den Ex-Schutz In der Schüttgutbranche gehört die Arbeit mit explosionsfähigen Stäuben zum Alltag. Entsprechend wichtig ist es, die mehr als 60 000 Beschäftigten allein im deutschsprachigen Raum zu schützen. Konstruktive Explosionsschutzsysteme bieten eine effektive Lösung, sofern die durchgehende Funktionalität der Komponenten im Zusammenspiel gewährleistet wird. Fünf Kriterien sind hierbei von besonderer Bedeutung.

Damit Sicherheitskonzepte in der Praxis halten, was sich die Anwender von ihnen versprechen, sind sorgfältige Abstimmungsmassnahmen unverzichtbar. Vor allem gilt es, die individuelle Sicherheitsphilosophie des jeweiligen Unternehmens auf die objektiven Anforderungen und Gegebenheiten im Praxiseinsatz vor Ort abzustimmen. Dabei sind folgende Faktoren zentral:

Produkt, das verarbeitet wird Für die Auswahl des richtigen Explosionsschutzkonzepts sind die produktspezifischen Eigenschaften des Schüttguts massgebend. Bei explosionsfähigen Schüttgütern wie Holz und Getreide eignet sich einerseits ein Schutzkonzept sowohl aus aktiven Explosionsschutzsystemen, die mittels dy46

namischer Druckdetektion bei Bedarf die Ausschüttung eines Löschmittels im Inneren des Prozesses aktivieren, als auch aus passiven Systemen wie Berstscheiben oder Ventilen zur flammenlosen Druckentlastung. Bei chemischen Substanzen ist manchmal jedoch Vorsicht geboten: Enthalten diese toxische Stoffe, dürfen Explosionen nicht nach aussen in die Umgebung abgeleitet werden, wie es bei passiven Lösungen der Fall ist. Für diesen Fall sind ausschliesslich aktive Explosionsschutzsysteme geboten.

Verwendungszweck des Produkts Ausser den produktspezifischen Eigenschaften ist der jeweilige Verwendungszweck des Schüttguts entscheidend. Ein

Beispiel: Die Produktion von Milchpulver für Säuglinge und Kälber verläuft in vergleichbaren Prozessschritten. Die Nahrungsmittelproduktion für Säuglinge unterliegt jedoch viel strengeren hygienischen Auflagen, denen die verwendeten Explosionsschutztechnologien gerecht werden müssen. Hier eignen sich spezielle Ventile zur flammenlosen Druckentlastung, die aufgrund ihrer eigens dafür konzipierten Sitzkonstruktion nicht mehr mit dem Produkt im Prozess in Berührung kommen. Auf diese Weise erfüllen sie die hohen Anforderungen an hygienische Prozesse in der Lebensmittelindustrie.

Produktionsumgebung Auch die Gegebenheiten vor Ort sind bei der Implementierung eines Explosions5/2020

VERFAHRENSTECHNIK

schutzkonzepts unbedingt zu beachten: Wenn beispielsweise Berstscheiben zur Druckentlastung eingesetzt werden, muss die Explosion ausserhalb von Gebäuden an einer gefahrlosen Stelle abgeleitet werden. Befindet sich der zu schützende Behälter innerhalb eines Gebäudes, erfolgt die Entlastung über Kanäle, die nach draussen führen. Falls die räumlichen Gegebenheiten eine Entlastung ins Freie jedoch nicht zulassen, müssen Ventile zur flammenlosen Druckentlastung verwendet werden, denn Berstscheiben stellen in Innenräumen eine Gefahr für Mitarbeiter und Anlagen dar.

Änderungen an Bestandsanlagen Jeder Betreiber einer explosionsgefährdeten Anlage ist vor der Inbetriebnahme gemäss den Atex-Richtlinien dazu verpflichtet, ein Explosionsschutzdokument zu erstellen. Werden Modifizierungen an der Anlage sowie Änderungen an Arbeitsmitteln und -abläufen vorgenommen, betrifft dies auch das Explosionsschutzdokument – es muss entsprechend angepasst werden. Das Dokument erfasst unter anderem die Beurteilung der Explosionsrisiken sowie die getroffenen Schutzmassnahmen, durch die das Risiko minimiert wird. Doch aufgepasst: Sobald eine neue Anlage gebaut, eine existierende Anlage ausser Betrieb genommen oder zwei Anlagen miteinander verbunden werden, muss eine erneute Risikobeurteilung erfolgen. Dies hat zur Folge, dass das Explosionsschutzdokument aktualisiert und somit auch das

Nicht nur die Produkteigenschaften, sondern auch die Gegebenheiten vor Ort müssen genaustens bekannt sein. Das gehört zum Schutzkonzept dazu.

Explosionsschutzkonzept angepasst werden müssen, um weiterhin das Maximum an Sicherheit zu gewährleisten.

Klare und vertrauensvolle Kommunikation «Neben den produktspezifischen Eigenschaften – allen voran den Explosionskenndaten und den technischen Faktoren – spielt im Explosionsschutz die Kommunikation zwischen dem Anlagenbetreiber, dem Anlagenbauer sowie dem Explosionsschutzanbieter eine zentrale Rolle», erklärt Markus Häseli, Director of Sales Europe bei IEP Technologies. «Es muss klar sein, welche Produkte in den einzelnen Anlagenabschnitten verarbeitet werden und welche Produktcharakteristika wie bei-

spielsweise Korngrösse und Feuchtigkeitsgrad jeweils vorliegen. Bei gegebenen verfahrenstechnischen Abläufen gilt es, die Detailkonfiguration der Anlage optimal mit dem angedachten Schutzkonzept abzustimmen und somit ein massgeschneidertes Konzept umzusetzen, das optimale Sicherheit gewährleistet.»

Kontakt Markus Häseli IEP Technologies Kaiserswerther Strasse 85 c D-40878 Ratingen +49 2102 5889 221 markus.haeseli@hoerbiger.com www.ieptechnologies.com

Plateforme pour la chimie, la pharmacie et la biotechnologie

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VERBANDSSEITE

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

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

SEKTION OBERWALLIS

Der Präsident Stephan Zenklusen begrüsst alle anwesenden Berufskollegen der Sektion Oberwallis zu der 49. Generalversammlung. Der Präsident liest die Traktanden vor. Fristgerecht gingen zwei schriftliche Anträge an die Generalversammlung ein. An der Generalversammlung vom 24. Januar 2020 nehmen 25 Anwesende teil. Diese tragen sich in die Präsenzliste ein. Für die GV haben sich 22 Mitglieder im Vorfeld entschuldigt. Nach dem Eintragen in die Präsenzliste werden Norbert Hildbrand und Markus Sewer als Stimmenzähler vorgeschlagen und einstimmig gewählt. Das Protokoll der letztjährigen GV 2019 wird von der Versammlung einstimmig angenommen. Für 2020 wird ein Kurzprotokoll für das Verbandsmagazin erstellt. Die vollständige Fassung ohne Finanzzahlen wird auf der Verbandswebseite dann veröffentlicht. Jahresbericht des Präsidenten Stephan Zenklusen liest den Jahresbericht des Präsidenten vor. Die GV verdankt diesen 48

Bild: Lonza

Protokoll der 49. Generalversammlung 2019

Visp ist das kulturelle und wirtschaftliche Zentrum im Oberwallis.

Rückblick mit einem grossen Applaus. Zudem werden die Mitglieder der GV informiert, dass in diesem Jahr der Jahresbericht separat auf der Verbandswebseite und im Verbandsmagazin veröffentlicht wird. Es liegen keine Anträge zu Änderungen in den Statuten vor.

Die Statuten liegen als ausgedrucktes Exemplar auf den Tischen auf. Mutationen Michael Wyer erstattet der Generalversammlung Bericht über die Vereinsmutationen. Im Vereinsjahr 2019 konnten wieder-

um Neumitglieder gewonnen werden doch mussten auch ein paar Mutationen entgegengenommen werden. Zum Zeitpunkt der Generalversammlung zählt unsere Sektion 210 Mitglieder. Dies entspricht einer Zunahme von einem Mitglied. 5/2020

VERBANDSSEITE

Aktive: 154 davon 41 (Aktivmitglieder ohne SCV Anbindung) Passive: 0 Freimitglieder: 56 davon, 44 (Lernenden), 3 (Pensionierte), Ehrenmitglied Meinrad Zenhäusern, 9 (Pensio nierte ohne SCV Anbindung) Die Generalversammlung hat die oben genannten Punkte bezüglich Mutation einstimmig angenommen. Kassa- und Revisorenbericht Der Kassier Michael Wyer liest den Kassabericht zum Vereinsjahr 2019 vor. Die Vereinskasse schliesst am 14. Januar 2019 mit einer kleinen Vermögensabnahme ab. Die beiden Revisoren Leander Stoffel und Daniel Rosenkranz kontrollierten die tadellos geführte Buchführung und empfehlen der Versammlung, die Jahresrechnung zu genehmigen. Diese wird dann auch einstimmig angenommen. Das Budget für das Jahr 2020 wird einmalig um CHF 1500.– erhöht, um die Mehrkosten des Jubiläums abzudecken. Festsetzung der Mitgliederbeiträge Die Festsetzung der Mitgliederbeiträge wurde von der Versammlung unverändert einstimmig angenommen. Somit gilt nach wie vor:

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Aktive Mitgliedschaft: CHF 70.– Aktive Mitgliedschaft (ohne SCV-Anbindung): CHF 50.– Passive Mitgliedschaft: CHF 50.– Freimitgliedschaft (Lernende/Pensionierte): Gratis Keine Wahlen an dieser GV. Die nächsten Wahlen finden an der GV 2021 statt. Verschiedenes Das Jahresprogramm wird wiederum im März 2020 mit den Einzahlungsscheinen zusammen an die Mitglieder verschickt. Zudem wird wiederum das Jahresprogram auf der SCV Webseite veröffentlicht. Jubiläum Familientag: Der diesjährige Familientag wird am Samstag, 5. September 2020 im Forst Haus Alba durchgeführt. Exkursion: Als Exkursionen hat Orlando bereits Vorarbeit geleistet und informiert die Generalversammlung darüber, dass die Exkursion am Freitag, 12. Juni 2020 geplant ist. Ob er dann durchgeführt wird, wird noch vermeldet. Interne Besichtigung: Die GV wurde informiert, dass ein Datum und das Programm folgen wird. Generalversammlung: Das Datum für die 50. Jubiläums Ge-

neralversammlung wurde auf den 22 . Januar 2021 bereits eingeplant. Anträge Die GV durfte über zwei Anträge abstimmen, welche fristgerecht eingegangen sind. Der Vorstand hatte die Mitglieder bereits im Vorfeld, zusammen mit der GV Einladung, über die Anträge informiert. – Aufnahme des Berufsbildes Chemie- und Pharmapraktiker EBA in unsere Sektion. – Antrag des ZV zum Konzept Mitglieder weben Mitglieder. Beide Anträge wurden den anwesenden Mitgliedern nochmals kurz vorgestellt. Die vorliegenden Anträge wurden beide angenommen. Ehrungen Es werden die Namen der Preisträger der Abschlussklasse 2019 vorgelesen. Hierbei wurden Florian Greber im 1. Rang, Gaston Studer im 2. Rang, sowie Kevin Kronig, Sandro Hutter und Matteo Werlen zusammen im 3. Rang als beste Chemie- und Pharmatechnologen nominiert. An der GV wird allen drei anwesenden Preisträgern von Stefan eine Urkunde und eine Anerkennung für die ausgezeichnete Leistung übergeben. Auch die Versammlung würdigt die Leistung der Vereinskollegen mit einem jubelnden Applaus. Mitglieder, welche auf eine langjährige Mitgliedschaft zurückblicken, hatten wir in die-

sem Jahr gleich sechs. Die drei Anwesenden Jubilare Alain Blumenthal, Urs Erpen und Anton Glaisen können auf 35 Jahre Mitgliedschaft zurückblicken und erhalten als Dank für ihre Treue eine Urkunde und eine Flasche Wein überreicht. Bei den sonstigen Ehrungen wird Patrick Merkhofer, Erwin Venetz, Kurt Bächtold und Leander Stoffel für ihren würdigen Einsatz eine Flasche Wein überreicht. Wortmeldungen Stefan übergibt das Wort an Kurt Bächtold, welcher ein paar Worte an die GV richtet. Er bedankt sich beim Vorstand für die sehr gute Arbeit und den Mitgliedern für die Unterstützung des Verbands durch ihre Mitgliedschaft. Zudem wird das Thema für die Anwerbung für Neumitglieder kurz angesprochen. Im Anschluss übergibt Kurt das Wort an Erwin Venetz. Zweimal jährlich hatten wir Sitz ungen mit der schweizerischen Kommission für Berufsentwicklung und Qualität. Erwin Informiert kurz über die wichtigsten Themen. Die GV verdankt bedankt sich mit einem grossen Applaus auch bei Patrick und Erwin für die Wortmeldung. Der Präsident schliesst die Generalversammlung 2018 um 19.55 Uhr und wünscht allen Anwesenden einen guten Appetit. Der Aktuar Fredy Salzmann

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Näherungsschalter trotzen eisigen Temperaturen

Die Atex- und IECEx-zertifizierten Näherungsschalter des Typs IGEX 20Pa von EGE trotzen Minusgraden bis zu –60 °C. Durch die Zertifizie rung für die Ex-Zonen 0 und 20 eignen sie sich für den unmittelba ren Einsatz in gas- und staubexplo sionsgefährdeten Bereichen, wie z. B. in gasführenden Anlagen oder Tankstellen. Jetzt bietet EGE die Polar-Näherungsschalter auch in

Varianten mit deutlich vereinfachter Installation an. Durch die Zünd schutzart «Vergusskapselung» las sen sich diese IGEX20Pa-Ausfüh rungen ohne zusätzliche Schaltver stärker direkt in Ex-Zone 0/20 einsetzen. EGE liefert die Sensoren mit Schutzart IP67 und IP68 in den Bauformen M12, M18 und M30. Je nach Ausführung betragen ihre Nennschaltabstände bei bündigem Einbau 2 mm, 5 mm oder 10 mm. Der Anschluss erfolgt über ein 2 m langes FEP-Kabel, auf Anfrage sind die Näherungsschalter auch mit anderen Kabellängen erhältlich.

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Leistungsstarkes und hochdynamisches Temperiersystem Mit dem Presto W56 ergänzt Ju labo die Presto-Familie um das derzeit leistungsstärkste Modell innerhalb der einstufigen hochdy namischen Temperiersysteme. Das Kraftpaket W56 bietet eine Käl teleistung von 25,8 kW bei 20 °C und hat mit 27 kW die grösste Heizleistung unter den einstufigen hochdynamischen Temperiersyste men der Presto-Reihe. Mit einem Temperaturbereich von –56 °C bis +250 °C bei einer Temperaturkon stanz von bis zu ± 0,05 °C überzeugt der Presto W56 durch noch schnel lere Abkühl- und Aufheizzeiten. Dabei arbeitet das neue Tempe riersystem entsprechend der ho hen Leistung besonders sparsam. Der Einsatz neuster thermodyna mischer Technologien unterstützt die Energieeffizienz durch das au tomatische Anpassen der Kälteleis tung an den aktuellen Leistungsbe darf. Ein neues Erweiterungskit aus dem Zubehörprogramm ermöglicht die drucküberlagerte Temperierung mit Thermal HL30 bis zu einer Ar beitstemperatur von +150 °C.

Der neue Presto W56 regelt Tempe raturen innerhalb von Reaktortem perierungen, bei Materialstresstests oder Temperatursimulationen hoch präzise und gewährleistet einen äus serst schnellen Temperaturwechsel. Julabo GmbH Gerhard-Juchheim-Strasse 1 D-77960 Seelbach +49 7823 51 0 info.de@julabo.com www.julabo.com

Ventilanschaltung für Explosionsbereich

Die Ventilanschaltung Gemü 4242 erhält die Atex-Zulassung für den Einsatz in AS-Interface und Device Net-Feldbussystemen. Die Ventilanschaltung ist für unter schiedliche industriellen Arbeits umgebungen und alle gängigen Prozesslandschaften konzipiert. Hierzu gehören auch die speziellen Anforderungen für Anwendungsge biete im Explosionsschutz wie Atex, IECEx und NEC, für welche diese Ventilanschaltung die entsprechen den Zulassungen hat. Zudem deckt sie unterschiedliche elektrische Anschlussszenarien ab.

Hierzu zählt die Kommunikation über IO-Link ebenso wie die Inte gration in moderne Feldbussyste me wie AS-Interface oder Device Net. Auch die Abwärtskompatibilität ist gegeben; durch die Integrations möglichkeit in unterschiedliche AS-Interface-Profile ist auch die Nachrüstung älterer Anlagen mög lich. Die Ventilansteuerung ist konse quent auf Anwendungsfreundlich keit ausgelegt. So erleichtern mi kroprozessorgesteuerte Funktionen und intelligente und nutzerfreund liche Programmierroutinen die In betriebnahmen und den Service der Ventile. Gemü Vertriebs AG Lettenstrasse 3 CH-6343 Rotkreuz +41 41 799 05 55 vertrtiebsag@gemue.ch www.gemue.ch

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PRODUKTE

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Umlaufkühler mit erweiterter Leistung

Die neuen Umlaufkühler (Lauda Ultracool) serienmässig verfügen übern eine LCD-Fernbedienung mit Kabelanschluss. Ebenfalls stan dardmässig integriert ist eine Ether net-Schnittstelle für die Verbindung zu einem Computer oder lokalen Netzwerk (LAN). Ausserdem bietet das intelligente Konnektivitätskon zept der Umlaufkühler eine flexible Bedienung. So lassen sich die Ge

räte per Webserver über PC oder sogar mobile Endgeräte steuern – eine Internetverbindung ist dafür nicht nötig. Die Kühler gehören ausserdem zu den ersten Geräten, die an die «Lauda Cloud» angebun den sind. Das ermöglicht den Da tenaustausch und die Überwa chung von jedem Computer mit Internetanschluss – vollkommen standortunabhängig. Ab 2020 wird Lauda das Cloud-Angebot konse quent ausbauen und etwa Services wie vorausschauende Wartung zur Vermeidung von Stillstandzeiten anbieten. Die Umlaufkühler kühlen präzise in einem erweiterten Arbeitstempe raturbereich von –10 bis 35 °C mit einer Temperaturstabilität von ±0,5 K. Die Schutzart IP 54 ermög licht das Aufstellen im Freien, eine serienmässige Lüftersteuerung ga

rantiert den Betrieb bei Umge bungstemperaturen bis zu –15 °C und reduziert die Geräuschbelas tung. Zu den vergleichbaren bishe rigen Modellen konnte Lauda die Stellfläche noch einmal reduzieren. Alle neuen Umlaufkühler lassen sich dank zahlreicher Optionen wie drehzahlgeregelte Pumpen oder Durchflussmesser für jede kun denspezifische Anforderung opti mieren. Die bifrequente Span nungsversorgung (50/60 Hz) er möglicht den weltweiten Einsatz.

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Redundanter Temperaturfühler

Wo nicht jederzeit ein Techniker vor Ort sein kann, wo eine Fern überwachung oder -diagnose not wendig ist, ergibt der Einsatz red undanter Sensoren Sinn. Deshalb hat Ephy-Mess einen entsprechen den Temperatursensor entwickelt, der zum Beispiel bei Transportern oder Aufzügen für Überwachungs sicherheit sorgt. Überall wo Tem peratur absolut zuverlässig an ex ponierten Stellen zu messen ist, bei der Ölförderung, in der petro chemischen Industrie, in Zement werken, Eisenhütten oder in Pump stationen und Wasserkraftwerken trägt dieser Sensor zur Messsicher

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heit bei. Auch in der Gebäudeau tomation gewährleistet der redun dante Sensor im Fehlerfall weiter hin eine Signalüberwachung, bis eine Wartung möglich ist. Durch die Beibehaltung einer weit verbreiteten Bauform und der Ver wendung gängiger Masse kann dieser Sensor häufig ohne mecha nische Änderungen zum Beispiel an vorhandenen Lagern oder Ge trieben eingebaut werden. Neu ist im Gegensatz zu üblichen CMS-Systemen, wo ein Fehlersig nal aus einer Vielzahl von Daten herausgefunden werden muss, ein zusätzlicher Signalausgang. Dieser

bietet im Fehlerfall eine eindeutige Anzeige. Die im Sensorkopf inte grierte Elektronik prüft zyklisch bei de im gleichen Gehäuse eingebau ten Temperaturfühler auf Funkti onsfähigkeit. Bei einem Ausfall schaltet die Elektronik auf den vor handenen Reservesensor. Gleich zeitig wird über den separaten Si gnalausgang eine Störungsmeldung ausgegeben. Die Verwendung ei ner Stromschleife mit Ausgang 4...20 mA schliesst aus, dass es sich beispielsweise nur um eine durch externe Störeinstrahlung ver ursachte Falschmeldung handelt. Auch bei tiefen Temperaturen wer den keine Fehlfunktionen erzeugt. Der Sensor ist mit dem Messbe reich –40 bis +110°C und für Um gebungstemperaturen von –40 bis +65°C spezifiziert.

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