Begehrte Fettsäure, nachhaltig: Forschende haben das Enzym Fettsäuresynthase so umprogrammiert, dass es massgeschneiderte Fettsäuren beliebiger Kettenlänge produziert.
BIOWISSENSCHAFTEN
PFAS stören Entwicklung der Plazenta
PFAS wirken sich negativ auf Schwangere und deren ungeborene Kinder aus. Ein weiterentwickeltes 3-D-Plazenta-Modell lässt Risiken einer Exposition besser analysieren.
12
LABOR
Rückgrat der Sterilproduktion
Erleichterter Laboralltag: Für die Analyse von Rohstoffen, Packmitteln und für In-Prozess-Kontrollen setzt die Ophtapharm AG eine Biosicherheitswerkbank von Weiss Technik ein.
IMPRESSUM
Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche www.chemiextra.com
Erscheinungsweise
7 × jährlich
Jahrgang
16. Jahrgang (2026)
Druckauflage 7300 Exemplare
ISSN-Nummer 1664-6770
Verlagsleitung
Thomas Füglistaler
ANALYTIK
Rätsel um «BlutzellenStreifen» gelöst
Zentrifugiert man rote Blutkörperchen, sammeln sich die Zellen in roten «Streifen» von oben nach unten. Das liegt nicht am unregelmässigen Wasserverlust der Blutzellen.
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MEDIZIN
Durchbruch im Kampf gegen Malaria
Entwicklung gentechnisch veränderter Mücken, welche die Übertragung von Malaria blockieren. Die Erkenntnisse sind auch für Dengue-Fieber und Chikungunya wegweisend.
21
ERNÄHRUNG
Von Karottenresten zu schmackhaftem Protein
Pilze, die auf Karottenresten wachsen, können als nachhaltige und schmackhafte Proteinquelle dienen. Die veganen Patties und Würstchen schmeckten Testesserinnen und -essern.
Copyright Zur Veröffentlichung angenommene Originalartikel gehen in das ausschliessliche Verlagsrecht der SIGI media AG 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.
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VERANSTALTUNGEN
Marktüberblick für die Laborwelt
Die Analytica präsentiert vom 24. bis am 27. März Produkte, Systeme, Komponenten und Anwendungen für die gesamte Wertschöpfungskette des Labors. 24
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UMWELT
So gelangt TFA in unsere Gewässer
Wie entsteht Trifluoressigsäure, das kleinste der PFAS-Moleküle, in der Atmosphäre und wie gelangt es von dort über Niederschläge in Gewässer?
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VERFAHRENSTECHNIK
Mit Elektrolyse gegen DTT
Durchbruch für die Altlastensanierung: Ein neues Verfahren macht Umweltgifte wie DDT und Lindan vor Ort unschädlich und wandelt sie in wertvolle Chemikalien um.
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AUS DER FORSCHUNG
Impfstoffe zum Einatmen
Outdoor-Bouldern: im Einklang mit der Natur?
Seltene Erden belasten Zürcher Gewässer
ABWASSERWIRTSCHAFT
Überraschende Rolle
In Kläranlagen auf der ganzen Welt gedeihen verborgene, mikroskopisch kleine Partnerschaften, wie Forschende entdeckt haben. 42
VERBANDSSEITE
PRODUKTE
ZUM TITELBILD
Das Rückgrat der Sterilproduktion In der aseptischen Arzneimittelherstellung entscheidet jedes Detail über Qualität und Sicherheit. Beim Schweizer CDMO Ophtapharm bildet eine moderne Biosicherheitswerkbank von Weiss Technik das zentrale Element für die mikrobiologische Überwachung von Rohstoffen, Packmitteln und Inprozessproben.
Das Unternehmen produziert sterile Augentropfen, Salben, Gele und Lösungen – ein Grossteil für den US-Markt unter FDA- und EU-GMP-Vorgaben. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an Prozesssicherheit und Personenschutz. Seit 2024 sorgt die «WIBObarrier OCS-OCSplus-CC» für effiziente Keimzahlbestimmungen im Wareneingang und während der Produktion.
Die Anlage ermöglicht parallele und serielle Prüfungen, verkürzt Rüstzeiten und erhöht die Flexibilität im Laboralltag deutlich. Ihr spezielles Luftführungssystem erzeugt einen Reinlufttrennschleier, der kontaminierte Luft gezielt absaugt und so Produkt-, Personenund Raumschutz gewährleistet – selbst beim Umgang mit hochaktiven Substanzen. Für Ophtapharm ist die Werkbank damit weit mehr als ein Laborgerät: Sie ist das stabile Fundament einer sicheren, leistungsfähigen Sterilproduktion.
Protein-Engineering für nachhaltige Produktion industriell wichtiger Fettsäuren
Designer-Enzyme statt Palmöl
Fettsäuren aus Palmöl und Kokosnussöl stecken in zahllosen Produkten des täglichen Bedarfs – ihre Gewinnung befeuert jedoch die Rodung des Regenwalds. Forschende haben das Enzym Fettsäuresynthase so umprogrammiert, dass es massgeschneiderte Fettsäuren beliebiger Kettenlänge produziert. Im Labor wurde es in Hefestämme eingebracht, um damit industriell begehrte Fettsäure nachhaltig im Bioreaktor zu produzieren.
Ob Waschmittel, Wimperntusche oder Weihnachtsschokolade – viele Alltagsprodukte enthalten Fettsäuren aus Palmöl oder Kokosnussöl. Die Gewinnung dieser Rohstoffe geht jedoch mit massiven Umweltproblemen einher: Regenwälder werden gerodet, Lebensräume gefährdeter Tierarten vernichtet und traditionellen Landwirten die Lebensgrundlage entzogen. Das Team um Prof. Martin Grininger von der Goethe-Universität Frankfurt hat jetzt einen biotechnologischen Ansatz entwickelt, der eine umweltfreundlichere Produktion ermöglichen könnte.
Ein molekulares Fliessband mit präziser Kontrolle
Im Zentrum der Arbeiten steht ein Enzym namens Fettsäuresynthase (engl. Fatty Acid Synthase, FAS) – eine Art molekula -
res Fliessband, das in allen Lebewesen Fettsäuren aufbaut. «In dieser Funktion ist die FAS eines der wichtigsten Enzyme des Stoffwechsels einer Zelle und wurde für diese Aufgabe über viele Millionen Jahre optimiert», erklärt Grininger. Das Enzym produziert normalerweise Palmitinsäure, eine Fettsäure mit 16 Kohlenstoffatomen, die als Baustein für Zellmembranen und Energiespeicher dient. Die Industrie benötigt jedoch vor allem kürzere Varianten mit 6 bis 14 Kohlenstoffatomen – genau diejenigen, die derzeit aus den problematischen Pflanzenölen gewonnen werden. Der entscheidende Vorteil der neuen Methode: «Grundsätzlich liegt unser Vorteil in der sehr präzisen Kontrolle der Kettenlänge. Wir können theoretisch jede Kettenlänge machen und zeigen das am Beispiel der C12-Fettsäure,
die man ansonsten nur aus Palmkernen oder Kokosnuss bekommt», so Grininger.
Verständnis durch Veränderung
Grininger und seine Forschungsgruppe haben in den letzten 20 Jahren dazu beigetragen, die molekularen Grundlagen der FAS zu verstehen. Sie fanden heraus, dass die Kettenlänge durch das Zusammenspiel zweier Untereinheiten gesteuert wird: Die Ketosynthase verlängert die Kette wiederholt um zwei Kohlenstoffatome, während die Thioesterase die fertige Kette als Fettsäure abspaltet. «Wir haben uns dann gefragt, ob wir über die Analyse hinausgehen und FAS mit neuer Kettenlängenregulation bauen können», sagt Grininger. «Wahres Verständnis fängt dann an, wenn man ein Phänomen verändern oder massschneidern kann.»
Das Gegenteil von Biodiversität: Die Palmölplantagen erstrecken sich oft über viele Kilometer und stellen ein Problem für Mensch und Tier dar. (Bild: Shutterstock)
Schematische Darstellung der Biosynthese in einer Zelle (oben) und im Labor (unten). Durch das Designer-Enzym wird die Kettenlänge der Fettsäure verkürzt (Bild: Felix Lehmann & Martin Grininger, Goethe-Universität).
Zwei gezielte Eingriffe führen zum Erfolg
Sein Doktorand Damian Ludig griff dieses Konzept auf: «Was können wir erreichen, wenn wir gezielt in das Zusammenspiel der beiden Untereinheiten eingreifen – das war die grundlegende Frage, die wir uns am Beginn meiner Doktorarbeit gestellt haben», erzählt Ludig. «Und können wir dadurch kontrollieren, mit welcher Kettenlänge die Fettsäuren hergestellt werden?» Ludig nutzte die Methode des sogenannten Protein-Engineerings, bei der einzelne Aminosäuren ausgetauscht oder ganze Proteinbereiche modifiziert werden können. «Zwei Änderungen der FAS mittels Proteinengineering haben schliesslich zum Ziel geführt», sagt Ludig. «In der Ketosynthase-Untereinheit habe ich zunächst eine Aminosäure ausgetauscht, was dazu führte, dass Ketten ab einer bestimmten Länge nur mit geringer Effizienz weiter verlängert werden. Zusätzlich habe ich die Untereinheit Thioesterase gegen ein ähnliches Protein aus Bakterien getauscht, das Aktivität in der Abspaltung kurzer Kettenlängen zeigt.» Je nach weiterer Justierung konnte Ludig so Fettsäuren kurzer und mittlerer Länge herstellen.
Von Deutschland nach China
Die Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Yongjin Zhou vom Dalian Institut für Chemische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften brachte schliesslich den Durchbruch. Un -
terstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der chinesischen National Natural Science Foundation (NSFC) gelang es Zhou und seinem Labor, Hefestämme zu entwickeln, die Fettsäuren mit nur 12 statt 16 Kohlenstoffatomen produzieren. Verschiedene Designer-FAS aus dem Grininger-Labor wurden dafür in die Hefen integriert und optimiert. Beide Labore haben ihre Technologien bereits zum Patent angemeldet. «Von chinesischer Seite war die Firma Unilever am Projekt beteiligt. Unsere Entwicklung hat bislang ohne Industriebeteiligung stattgefunden, jedoch streben wir eine Zusammenarbeit mit einem Industriepartner an, um die Technologie in die Anwendung zu bringen», so Grininger.
Weitergedacht: Von Fettsäuren zu Arzneistoffen
In einem zweiten Projekt ging das Labor noch einen Schritt weiter. Felix Lehmann untersuchte in seiner Doktorarbeit, wie universell FAS für massgeschneiderte Biosynthesen einsetzbar sind. «Diese Frage ist auch von der Notwendigkeit angetrieben, chemische Verfahren immer weiter in Richtung nachhaltiger und grüner Chemie zu entwickeln», erklärt Grininger. Die konkrete Fragestellung: Können FAS Styrylpyrone herstellen? Diese Moleküle sind Vorläufer von Substanzen aus der Kava-Pflanze, die als potenziell angstlösende Wirkstoffe medizinisches Interesse wecken. Auch hier gelang Lehmann der Erfolg
mit relativ wenigen Änderungen: «Zunächst haben wir den Teil der FAS weggeschnitten, den wir für die angestrebten Produkte nicht brauchen. Anschliessend haben wir die Untereinheit Ketosynthase verändert, damit Zimtsäure als Startmolekül genutzt werden kann», erklärt er. Das Team integrierte sogar ein weiteres Protein in die Struktur der FAS, sodass es Teil des Multienzyms wurde.
«Wir haben in diesem Projekt schliesslich noch sehr systematisch betrachtet, wie wir die gesamte Biosynthese ausgehend von leicht verfügbaren Bausteinen realisieren können», führt Grininger aus. Die Erkenntnisse seien zwar nicht von unmittelbarer Anwendungsrelevanz, helfen aber das Design neuer Synthasen anzuleiten.
An der Schnittstelle von Chemie und Biologie
«Wir haben uns als Labor in den letzten Jahren sehr gut in Richtung Biokatalyse und biotechnologische Anwendungen entwickelt – mit vielen wichtigen Beiträgen aus zahlreichen Projekten von Mitarbeitenden und Studierenden. Diesen Weg werden wir weitergehen. Im Rahmen des Exzellenzclusters ‹Scale› werden wir mithilfe dieses Enzyms ausserdem massgeschneiderte Biomembranen erzeugen. Ihre Analyse hilft dabei, zentrale Zellbestandteile wie das endoplasmatische Retikulum oder die Mitochondrien besser zu verstehen», resümiert Grininger.
Ob die Technologie die Palmöl-Problematik tatsächlich entschärfen kann, hängt nun von der erfolgreichen Skalierung mit Industriepartnern ab. Die wissenschaftliche Grundlage ist jedenfalls gelegt – und das Labor hat noch viele Ideen.
www.uni-frankfurt.de
Nachhaltige Wege zu bioaktiven Heterocyclen aus Holz
Aus Holzresten werden Arzneimittel
Katalin Barta entwickelt Lösungen für eine grüne, nachhaltige Chemie. Aus dem Holzbestandteil Lignin will sie Moleküle für die Pharmaindustrie gewinnen – energiearm, effizient, mit neuen Lösungsmitteln und deutlich weniger Abfall als in der Petrochemie. Für ihre Arbeiten erhielt die mehrfach ausgezeichnete Chemikerin der Universität Graz kürzlich den Zero Emissions Award.
Praktisch unser gesamtes Konsum- und Wirtschaftsleben hängt am fossilen Tropf. Vom Auto bis zur Zahnbürste, vom Acker bis zur Babywindel sind wir abhängig von den unzähligen, über Jahrzehnte hinweg «optimierten» und in der Herstellung vergleichsweise günstigen Verfahren und Erzeugnissen der petrochemischen Industrie. Eine Möglichkeit des Gegensteuerns läge in der Kreislaufwirtschaft. Bis dato sind deren Erfolge allerdings überschaubar.
«Bioraffinerie, also die chemische Verarbeitung von Biomasse, ist noch immer zu teuer», sagt Katalin Barta. Um konkurrenzfähig und gleichzeitig nachhaltig zu werden, brauche es ganz neue Ansätze. «Wir müssen jeden Schritt im Kreislauf von Grund auf neu denken: von der Gewinnung der Biomasse über die Produktion bis zum Recycling.» Von Grund auf bedeutet für die Expertin für grüne Chemie: angefangen auf Ebene der Moleküle.
Mit grüner Chemie Produkte verbessern
«Ich sage immer, die Kreislaufwirtschaft wird einen starken Anteil Chemie brauchen», betont Barta. Grüne Chemie arbeitet energieeffizient, auf Basis nachhaltiger Rohstoffe, ohne giftige Ausgangsmaterialien, Abfälle oder Endprodukte. «Und jedes Material, das wir entwickeln, soll am Ende ebenfalls energieeffizient, gesundheitlich unbedenklich und – im Falle von Polymeren – auch einfach wieder recycelbar sein.» Und das alles bei deutlich niedrigeren Kosten. Die hochgesteckten Ziele können nur gelingen, wenn jeder einzelne Schritt im Prozess von Anfang an berücksichtigt wird. «Es ist also ein holistischer Ansatz.»
Ein biologisches Material, das es Barta angetan hat, ist Lignin. Dieses «Baugerüst»
Katalin Barta Weissert von der Universität Graz ersetzt fossile Rohstoffe durch erneuerbare Alternativen aus Holz für «Grüne Chemie» in der Kunststoff- und Pharmaindustrie. (Bild: Sabine Hoffmann)
macht Pflanzen und Bäume stabil. In der Holzverarbeitung, zum Beispiel bei der Papierproduktion, fallen grosse Mengen davon als Nebenprodukt an. «Wenn wir mit Lignin arbeiten wollen, ist die Steiermark der perfekte Ort», lacht Barta, die seit 2019 eine Professur für Chemie an der Universität Graz innehat und den Bereich «nachhaltige Katalyse» leitet. Im Rahmen des vom Österreichischen Wissenschaftsfonds geförderten Projekts «WoodValue: Nachhaltige Wege zu bioaktiven Heterocyclen aus Holz» möchte sie aus Lignin neue bioaktive Moleküle und Medikamente gewinnen.
Eine harte Nuss
Lignin ist ein herausforderndes Material. «Es schützt das Holz vor dem Zerfall, ist also besonders widerstandsfähig», erklärt die Forscherin. Für die Chemie ist es deshalb besonders interessant, weil Lignin die
grösste natürliche Quelle für Aromaten ist. Aromaten – die nichts mit Aroma zu tun haben – sind ringförmige, besonders stabile Moleküle aus Kohlenstoffatomen. Sie sind die Grundbausteine der organischen Chemie und stecken in unzähligen Produkten, von Plastik über Epoxidharze, Farbstoffe und Weichmacher bis hin zu Pestiziden oder Pharmazeutika. Bisher werden Aromaten fast ausschliesslich aus Erdöl gewonnen. Um daraus wieder komplexere Materialien zu machen, müssen die vergleichsweise einfachen Moleküle wieder neu zusammengefügt werden – vergleichbar mit einzelnen Legosteinen. Jeder der Syntheseschritte, mit denen die Bausteine zusammengefügt werden, braucht allerdings ebenfalls Energie und chemische Hilfsmittel wie Lösungsmittel, Reagenzien und Katalysatoren. Ausserdem entstehen bei jedem Schritt teils unerwünschte Abfälle.
Die Komplexität annehmen
«Unsere Prämisse lautet: Wenn wir von einem natürlichen Ausgangsmaterial wie Lignin oder daraus gewonnenen Aromaten ausgehen, bestehen die schon von vornherein aus mehreren Legosteinen», erklärt Barta. «Im Vergleich zu Erdöl brauchen wir dann viel weniger Schritte, um komplexe Moleküle aufzubauen.»
Barta nennt das «die Komplexität annehmen» (Embrace the Complexity). «Dieses Vorgehen erlaubt uns, in deutlich weniger Schritten zu einem nützlichen Produkt zu gelangen.» Ihre Gruppe hatte damit auch schon Erfolg: «Uns ist zum Beispiel gelungen, Dopamin, ein bekanntes pharmazeutisches Mittel, aus Lignin herzustellen.»
Parallel dazu arbeitet Bartas Forschungsgruppe immer auch an neuen Syntheseund Katalysemethoden. «Wir haben eine Methode entwickelt, um bestimmte Moleküle, die sehr schwer herzustellen sind, wie Benzoaxine, in nur 3 Schritten aus Holzspänen oder Hackschnitzeln zu gewinnen. Aus Erdöl bräuchten wir 13 Schritte.» 13 eingesparte Syntheseschritte: Das verbessert nicht nur die Energiebilanz, sondern auch den E-Faktor (Environmental Factor). Die in der grünen Chemie wichtige Masszahl gibt an, wie viele Einheiten Abfall pro Einheit Endprodukt bei der Produktion anfallen, etwa Lösungsmittel, verbrauchte Katalysatoren oder Nebenprodukte chemischer Prozesse. Je kleiner der E-Faktor, umso umweltfreundlicher und effizienter ist der Prozess und das Produkt. In der Phar-
Das Projekt «WoodValue» Ziel von «WoodValue: Nachhaltige Wege zu bioaktiven Heterocyclen aus Holz» ist die Entwicklung innovativer und ganzheitlicher chemischer Strategien für Lignin, ein Nebenprodukt der Holzindustrie. Der gesamte chemische Prozess wird nach den Prinzipien der grünen Chemie aufgesetzt: mit möglichst wenigen Syntheseschritten, ungiftig, energie- und ressourceneffizient. Die umweltfreundlich hergestellten Moleküle aus Lignin dienen als Ausgangsstoff für hochwertige Produkte wie Pharmazeutika..
maindustrie kann er bis zu 100 betragen: 100 Kilogramm Abfall pro Kilogramm Medikament. «Diese Art Abfall ist sehr teuer. Und auch sonst hat die Branche grosses Interesse an effizienteren Prozessen.»
Auf dem Weg zu grünen Medikamenten
Ob die Industrie die neue Methode aus Graz schon wahrgenommen hat, weiss die Wissenschaftlerin zwar nicht; aber die Scientific Community war begeistert. Auch der Zero Emissions Award für klimarelevante Grundlagenforschung, den Barta im Oktober erhalten hat, würdigt den nachhaltigen Ansatz. Im Rahmen des WoodValue-Projekts hofft Barta, weitere pharmazeutisch verwendbare Moleküle aus Lignin zu gewinnen. «Wir können entweder nachbauen, was es schon gibt, wie das Dopamin, oder wir erzeugen gänzlich neue Moleküle.»
Neu bedeutet allerdings auch, dass die Verbindungen erst getestet werden müssen: Sind sie antibakteriell? Wirken sie gegen Krebs? Für diesen aufwändigen Teil der Entwicklung kooperiert Barta mit der
in Gründung stellt hochleistungsfähige bio -
her. (Bild:
deutschen Helmholtz-Gesellschaft – die bei fast einem Drittel ihrer Dutzenden bisher gefundenen Verbindungen bereits positive Eigenschaften festgestellt hat.
Spin-off für Tenside
Neben Medikamenten interessieren die Chemikerin auch umweltfreundliche Polymere: Materialien aus nachhaltigen Rohstoffen, die genauso robust sind wie herkömmliches Plastik, sich aber gut und einfach recyceln lassen. Ein hoch dotierter «ERC Consolidator Grant» unterstützt sie dabei. Einen Schritt weiter ist Barta bei umweltfreundlichen waschaktiven Substanzen beispielsweise für Shampoos, Waschmittel und Kosmetika. 2021 erhielt sie einen EIC Transition Grant für das Projekt «PureSurf», das auf Spin-off-Aktivitäten ausgerichtet ist. Für das Unternehmen in Gründung werden noch Kooperationspartner gesucht. «Es wäre wirklich fantastisch und motivierend für das ganze Team, eigene biobasierte Produkte auf den Markt zu bringen», sagt Barta. Dafür brauche es wissenschaftliche Durchbrüche. Denn nur wirklich innovative, intelligente und günstige neue Produkte werden konkurrenzfähig sein.
www.fwf.ac.at
Markus Hochegger, PureSurf: Dieses Unternehmen
basierte Tenside aus nachwachsenden Ausgangsstoffen für die Kreislaufwirtschaft
PureSurf)
PFAS stört die Plazentafunktion vor allem in den ersten 3-D-Schwangerschafts-Monaten. (Bild: Depositphotos)
Schwangerschaft: 3-D-Plazentamodell zur Risikobewertung
PFAS stören Entwicklung der Plazenta
PFAS wirken sich negativ auf schwangere Frauen und deren ungeborene Kinder aus. Dass die Plazenta dabei als Barriere eine wichtige Rolle spielt, ist bekannt. Doch spiegeln bisherige Studien deren tatsächliche Exposition während der frühen Schwangerschaft nur unzureichend wider. Forschende haben jetzt ein 3-D-Plazenta-Modell so weiterentwickelt, dass sich damit die Risiken einer Exposition besser analysieren lassen.
Die Plazenta reguliert den Austausch von Nährstoffen, Gasen und Stoffwechselprodukten zwischen einer Schwangeren und dem Fötus, sodass sich dieser optimal entwickelt. Die ersten 90 Tage der Schwangerschaft sind besonders prägend, da sich in dieser sensiblen Zeitspanne die Organe des Babys beginnen auszubilden. Obwohl die Plazenta über Barrieremechanismen verfügt, die einen Übertritt gefährlicher Stoffe in das Baby verhindern sollen, können sich PFAS anreichern, welche die Entwicklung des Fötus stören und das Risiko einer Fehlgeburt erhöhen. «Für eine genaue Risikobewertung ist es deshalb wichtig, die Expositionsdynamik gegenüber PFAS besonders im ersten Trimester der Schwangerschaft genauer zu dokumentieren», sagt Dr. Violeta Stojanovska, Reproduktionswissenschaftlerin am HelmholtzZentrum für Umweltforschung (UFZ). Bislang ist dazu noch wenig bekannt, denn die meisten Reproduktionsstudien stützen sich auf den Nachweis von PFAS im Blut,
die Plazenta in den letzten Monaten der Schwangerschaft oder auf Experimente in vereinfachten Zellmodellen, bei denen einzelne PFAS-Verbindungen statt PFASGemische verwendet werden. Die UFZ-Forschenden entschieden sich deshalb in ihrer Studie mit dem Städti -
schen Klinikum Dessau, Akademisches Krankenhaus der Medizinischen Hochschule Brandenburg, für einen anderen Ansatz: Sie extrahierten aus dem Plazentagewebe von 31 Frauen, die im ersten Trimester der Schwangerschaft waren, 6 PFAS-Verbindungen (Perfluornonansäu -
Bundesrat stoppt PFAS-Studie
In einer geplanten Langzeitstudie sollte untersucht werden, welche Auswirkungen Chemikalien wie PFAS auf die menschliche Gesundheit haben. Hunderttausend Freiwillige waren bereit, über Jahre hinweg Blut- und Urinproben abzugeben, um belastbare Daten zu gewinnen. Doch vor kurzem wurde das Projekt gestoppt: Wegen «Spardruck» hat das Bundesamt für Gesundheit die Studie eingestellt. Mit diesem Entscheid droht eine wichtige Chance verloren zu gehen, um die Risiken der sogenannten «Ewigkeitschemikalien» besser zu verstehen.
Die Stiftung Konsumentenschutz (www.konsumentenschutz.ch) hat deshalb mit der Kampagnenorganisation Campax (https://act.campax.org) eine Petition lanciert mit folgendem Namen: «Studie zu PFAS ist nicht teuer – die Folgekosten sind es!»
ChemieXtra
re, Perfluoroctansulfonsäure, Perfluorbutansäure, Perfluoroctansäure, Perfluorohexansulfonsäure, Perfluordecansäure).
«Diese PFAS waren für unsere Untersuchungen relevant, weil wir sie in hohen Konzentrationen in der Plazenta nachgewiesen haben und es Hinweise aus der Literatur gab, dass sie Schwangerschaftskomplikationen auslösen können», sagt Doktorandin und Erstautorin Yu Xia. Die 6 Verbindungen wurden zu einem für die Plazenta relevanten Gemisch verarbeitet und in einem 3-D-Trophoblastenmodell getestet, um die Exposition der Plazenta zu simulieren.
Trophoblasten sind Zellen der Plazenta, die in der Frühschwangerschaft in das mütterliche Gewebe eindringen und so den Kontakt zu deren Blutkreislauf herstellen. «Der wesentliche Vorteil der 3-D-Modelle ist, dass Trophoblastzellen in einer kugelförmigen Struktur wachsen, und damit der Zellorganisation der frühen Plazenta wesentlich ähnlicher sind als eine flache 2-D-Kultur», erklärt Violeta Stojanovska. Mit den 3-D-Modellen konnte die Forschungsgruppe unterschiedliche Plazentafunktionen, darunter die Hormonproduktion und die invasiven Eigenschaften der Plazenta, untersuchen.
Die Exposition der 3-D-Trophoblastenmodelle mit der PFAS-Mischung führte zu Funktionsstörungen der Plazenta, vor allem im Hinblick auf die Fähigkeit der Plazentazellen, in das mütterliche Gewebe einzudringen. Diese Invasivität ist aber entscheidend für das optimale Wachstum des Fötus, weil sie den Nährstofftransfer von der Mutter erleichtert.
Eine Analyse der Genexpression, also die Frage, welche Gene in welchem Ausmass in einer Zelle oder einem Gewebe aktiv sind , zeigte zudem, dass für die Entwicklung der Plazenta wichtige Prozesse der Apoptose (planmässiges Absterben von Zellen) und der Proliferation (notwendige Zellvermehrung) durch PFAS beeinträchtigt werden. «Die beiden Prozesse stehen bei der Entwicklung der Plazenta in einer natürlichen Balance. Dieses Gleichgewicht wird jedoch gestört, wenn die Plazenta hohen PFAS-Konzentrationen ausgesetzt wird», fährt Violeta Stojanovska fort. Das Forschungsteam fand ausserdem heraus, dass die Produktion des Hormons ß-hCG (Beta-hCG) – ein Schlüsselhormon in der Schwangerschaft, das die Produkti -
on des für die Entstehung einer gesunden Gebärmutterschleimhaut wichtigen Progesterons stimuliert und die Abstossung des Fötus unterbindet – verringert wird und zu Störungen der Hormonregulation führen könnte. «Das alles sind nur kleinere Veränderungen, die bislang unter dem Radar geflogen sind, die aber in der Summe erhebliche Auswirkungen auf den Verlauf der Schwangerschaft haben könnten», sagt Violeta Stojanovska.
Prof. Ana Zenclussen, Leiterin des UFZDepartments Umweltimmunologie, bilan -
ziert: «Die Studie unterstreicht die schädlichen Auswirkungen der PFAS-Mischung auf die Trophoblastenfunktion und damit die potenziellen Risiken für die Gesundheit der Plazenta und den Ausgang der Schwangerschaft.» 3-D-Trophoblastmodelle seien äusserst hilfreich, da sie zu einem umfassenderen Verständnis der Risikobewertung von PFAS führen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Environmental Research veröffentlicht.
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Weshalb das «Bauchhirn» eine zentrale Rolle bei Allergien spielt
Unbekannte Funktion aufgedeckt
Das Darmnervensystem reguliert die Zusammensetzung und die Stabilität der Darmbarriere. Ist dieser Schutzmechanismus gestört, entsteht eine Neigung zu Allergien. Neue Erkenntnisse eröffnen jetzt neue Perspektiven für die Behandlung von Allergien, chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und dem Reizdarmsyndrom.
Das Darmnervensystem, oft als «Bauchhirn» bezeichnet, spielt eine entscheidende Rolle bei der Steuerung unserer Verdauung und beim Erhalt der sogenannten Darmbarriere. Diese Schutzschicht trennt den Körper vom Darminhalt und besteht aus der Darmschleimhaut, Abwehrzellen und dem Mikrobiom.
Damit die Darmbarriere effektiv arbeiten kann, müssen alle Komponenten im richtigen Gleichgewicht sein. Ist das Gleichgewicht gestört, können Entzündungen, Allergien oder chronische Darmerkrankungen auftreten. Die Darmschleimhaut gilt dabei als wichtigste Verteidigungslinie gegen Krankheitserreger. Frühere Studien hatten gezeigt, dass das Darmnervensystem nebst seiner Funktion für die Verdauung auch eine wichtige Rolle bei Abwehrreaktionen im Darm spielt. Inwiefern das
Der gezeigte Gewebeschnitt aus dem Darm einer Maus, die das Neuropeptid VIP nicht bilden kann, macht deutlich: Bestimmte Zelltypen an der Darmoberfläche treten auffallend häufig auf. Dazu gehören unter anderem Büschelzellen (rot), schleimproduzierende Becherzellen (gelb), Paneth-Körnerzellen (pink) sowie Stammzellen (grün). (Bild: Charité, Luisa Barleben)
Darmnervensystem die Entwicklung von Darmzellen beeinflusst, war bisher jedoch weitgehend unerforscht.
Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung der Universität Bern, des Inselspitals Bern, Universitätsspital Bern und der Charité hat nun erstmals gezeigt, dass das Darmnervensystem als zentraler Schalter für die Darmbarriere fungiert. Über einen freigesetzten Botenstoff steuert es nicht nur, wie sich Zellen der Darmwand zu unterschiedlichen Zelltypen entwickeln, sondern beeinflusst auch die Immunreaktionen im Darm, die Allergien fördern. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Immunology publiziert.
«Dirigent» zwischen Stammzellen und Abwehrzellen In ihrer Studie untersuchten die Forschenden anhand des Mausmodells, wie bestimmte Nervenzellen im Darm mit den Stammzellen des Darms kommunizieren. Dabei fokussierten sie sich auf das sogenannte vasoaktive intestinale Peptid (VIP), einen Botenstoff, der vom Darmnervensystem produziert wird. Die Ergebnisse der Studie zeigen erstmals, dass Darmnervenzellen über den VIP-Botenstoff direkt mit den Darm-Stammzellen kommunizieren. Dadurch sorgen die Nervenzellen dafür, dass sich die Stammzellen nicht zu schnell vermehren und nicht zu stark in bestimmte Zelltypen ausreifen.
Ist dieser Steuerungsmechanismus gestört und fehlt der VIP-Botenstoff, entsteht ein Überschuss sogenannter Büschelzellen. Diese schütten ihrerseits dann Signale aus, welche im Darm eine Art Allergieprogramm starten.
«Unser Bauchhirn ist ein zentraler Schalter für Gesundheit, Abwehrkräfte und möglicherweise auch Krankheiten, die sehr viele Menschen betreffen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Effekt auch durch die Art der Ernährung, also die Nahrungsbeschaffenheit, beeinflusst wird»
Dr. Manuel Jakob, Inselspital, Universität Bern und Charité
«Unsere Resultate verdeutlichen, dass das Darmnervensystem ein entscheidender Faktor für die Aufrechterhaltung einer gesunden Darmschleimhaut, Immunregulation und letztendlich für die gesunde Darmbarriere ist», erklärt Dr. Manuel Jakob von der Universitätsklinik für Viszerale Chirurgie und Medizin am Inselspital, Forschungsmitarbeiter am Department for Biomedical Research (DBMR) der Universität Bern und Wissenschaftler an der Charité. Der Erstautor der Studie fügt an: «Unser Bauchhirn ist also viel mehr als nur Verdauungshelfer. Es ist ein zentraler Schalter für Gesundheit, Abwehrkräfte und möglicherweise auch Krankheiten, die sehr viele Menschen betreffen. Interessanterweise deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Effekt auch durch die Art der Ernährung, also die Nahrungsbeschaffenheit beeinflusst wird».
Neue Ansätze für Entzündungen und Allergien
Ein gesundes Darmmikrobiom und eine stabile Immunantwort sind für die Abwehr von Krankheiten unerlässlich, weshalb die Erforschung des Darmnervensystems von grosser Relevanz ist. «Der entdeckte Mechanismus könnte erklären, warum manche Menschen im Darm überempfindlich
reagieren und wie wir in Zukunft gezielt intervenieren können», erklärt Prof. Christoph Klose, Leiter der Arbeitsgruppe Neuroimmun-Interaktion am Institut für Mikrobiologie und Infektionsimmunologie der Charité und Letztautor der Studie. «Wenn wir das Zusammenspiel von Nerven, Zellen und Immunreaktionen im Darm besser verstehen, können wir Medikamente gezielter und personalisierter entwickeln –etwa für Allergien, das Reizdarm-Syndrom
oder chronisch-entzündliche Darmerkrankungen.»
Zudem lassen sich diese Reaktionen möglicherweise durch die Ernährung direkt angehen. In einem nächsten Schritt möchte das Team deshalb herausfinden, wie genau sich Ernährung gezielt nutzen lässt, um diese Nerven-Darm-Achse zu unterstützen und die Darmgesundheit zu fördern.
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Sterile Prozesse sind in der Produktion von Medikamenten und Heilmitteln essenziell. Solides Rückgrat für die Analyse von Rohstoffen, Packmitteln und für In-Prozess-Kontrollen bei der Ophtapharm AG ist eine Biosicherheitswerkbank von Weiss Technik. Diese erleichtert beim Hersteller von Augen- und Ohrenheilmittel den Laboralltag des Personals bedeutend.
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Ophtapharm ist ein FDA- und EU-GMPzertifizierter Arzneimittelhersteller, der sich auf die Augenheilkunde spezialisiert hat und Tropfen, Salben, Gele und Lösungen zur Anwendung im Auge produziert. Das Portfolio reicht von Drogerieprodukten wie Augentropfen über Schmerzmittel für grünen oder grauen Star bis hin zum AugenAntibiotikum. Zum Angebot gehören ebenso zwei Tierarzneimittel für die Behandlung von Ohren- und Augenkrankheiten. Das in Hettlingen bei Winterthur ansässige Unternehmen stellt eine Vielzahl an flüssigen und halbfesten Arzneien aseptisch her, füllt diese ab und verpackt sie. Während rund 80 Prozent der Produkte in die USA exportiert werden, gewinnen gerade der kanadische und europäische Markt an Bedeutung.
Die Weiss Technik AG mit Sitz in Altendorf (SZ) ist spezialisiert auf Geräte und Anlagen im Bereich der Umweltsimulation, Wärmetechnik, Klima- und Reinraumtechnik. Die Geräte werden dabei in Produktionen in Deutschland entwickelt und hergestellt. Die Projektleitung und -abwicklung von Neubau-, Erweiterungs- oder Umbauten wird von Altendorf (SZ) aus realisiert. Begleitet wird die Umsetzung von einem Team an Montage- und Servicetechnikern, das über die ganze Schweiz verteilt ist.
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Michèle Högger, Supervisor Microbiology bei Ophtapharm, erklärt: «Die Sterilproduktion ist sehr aufwändig, sämtliche Prozesse müssen unbedingt einwandfrei funktionieren.» Mit seiner 40-jährigen Steril-Erfahrung und kurzen Wegen ist die CDMO aber agil genug, um neue Produkte wie Generika rasch zu implementieren und auf den Markt zu bringen. Nicht zuletzt aus diesen Gründen gehört das Schweizer KMU zu den international konkurrenzfähigen. Abnehmer profitieren neben der End-toEnd-Expertise in sterilen Prozessen auch von umfassenden Dienstleistungen von der Entwicklung bis hin zur klinischen Prüfung. Bei Markteinführungen stehen in Hettlingen Qualität, Sicherheit und regulatorische Konformität an oberster Stelle. Kunden erhalten Unterstützung bei der Formulierung, der analytischen Entwicklung, dem Materialund Inventarmanagement, den Produktionstests sowie bei der Produktveröffentlichung.
Biosicherheitswerkbank für Eingangs- und In-Prozess-Kontrollen Für die Keimzahlbestimmung von Rohstoffen, Packmitteln und Wasser sowohl bei der Wareneingangskontrolle als auch bei der Inprozesskontrolle setzen die Hettlinger seit 2024 eine Biosicherheitswerkbank des Typs «WIBObarrier OCS-OCSplus-CC» von Weiss Technik ein. ach erfolgter und freigegebener Eingangsprüfung gelangen die Rohstoffe in die Produktion. Dort werden Wasser, Fest- und Flüssigstoffe – die meisten pulverförmig, einige sind viskose Lösungen – gemäss Rezeptur zu Suspensionen und Emulsionen zusammengemischt. Darauf, bei der Inprozesskontrolle, werden die mit Wirkstoffen angereicherten Lösungen oder Salben erneut getestet. So wird sichergegangen, dass ausschliesslich einwandfreie Produkte freigegeben werden.
Die «WIBObarrier», ein ergonomischer Arbeitsplatz mit integrierter Reinraumzone,
In einem der Labore von Ophtapharm: Links die neue Biosicherheitswerkbank von Weiss Technik, rechts
waltet demnach als zentrale Drehscheibe für eine Vielzahl an Prozessen. «Würde die Biosicherheitswerkbank stillstehen, stünde unser ganzer Betrieb still», stellt Michèle Högger klar. Doch das sei nach eineinhalb Jahren täglichen Einsatzes nie vorgekommen. Ohnehin ist das System für den Dauerbetrieb ausgelegt.
Als man den Vorgänger, eine normale Laminar-Flow-Kabine, mit dem neuen System von Weiss Technik ersetzt hat, wurde sowohl der Durchlauf als auch die Flexibilität massgeblich verbessert. «Mit der WIBObarrier können wir parallel und seriell mehr Produkte bearbeiten», fährt Michèle Högger fort. Aktuell sind es in einem Tag rund 15 Wasser, 2 bis 3 Lösungen und Rohstoffe, was insgesamt 25 bis 30 Ansätze ergibt (ausschliesslich den Negativkontrollen). Dabei steht das System rund um die Uhr – nachts im Absenkbetrieb – im Einsatz.
Zu mehr Effizienz führt neben dem Vorteil des raschen Herunter- und Hochfahrens der Werkbank einerseits auch die einfache Reinigung, bei der das Personal die betroffenen Elemente rasch herausnimmt. Andererseits sind es die schnellen Wechsel von einem Produkt zum anderen, die das Laborpersonal genauso schätzt wie der leise Betrieb des Systems.
Hochaktive Substanzen, hoher Personenschutz
Aufgrund der Arbeit mit hochaktiven Substanzen ist der Personenschutz bei Ophtapharm enorm wichtig. «Wenn wir im Labor 20 Gramm oder sogar mehrere 100 Gramm Antibiotika handhaben, ist das eine
Über Ophtapharm 1984 gegründet von einem Winterthurer Pharmazeuten, begann die Dispersa AG zwei Jahre später in Hettlingen (ZH) mit der Produktion von ophthalmologischen Produkten. 1993 wurde das Unternehmen von der Ciba Vision AG aufgekauft, die 2001 wiederum von Novartis übernommen wurde. Nachdem man zwischenzeitlich als Novartis Ophthalmics AG firmierte, wurde das Unternehmen 2004 von Fareva (F) aufgekauft und in Excelvision AG umbenannt. Die GMP-Modernisierung (2007) und das FDA-Approval (2011) öffnete dem Unternehmen die bedeutenden Märkte USA und Kanada. Nach der Übernahme von Akorn Inc. (2015) gehört das Unternehmen seit 2023 zur indischen Sentiss-Gruppe und wurde in Ophtapharm AG umbenannt. Das CDMO beschäftigt über 200 Mitarbeitende.
www.ophtapharm.ch
massiv höhere Menge als die 0,2 Gramm, die letztendlich das Medikament enthält.» Mit der Einführung der WIBObarrier wurde nicht zuletzt das «Level der Biosicherheit» markant erhöht. Durch die PSA und die Zusatzscheibe, die bei Bedarf eingehängt werden kann, wurde zusätzliche Sicherheit eingebaut. Hierdurch können aktuell hochaktive Substanzen der Stufe OEB 4 (Occupational Exposure Bands) analysiert werden.
Doch das Potenzial hinsichtlich Sicherheit ist noch nicht ganz ausgeschöpft: Sollte künftig die Exposition des Personals noch weiter minimiert werden – z B. wegen Arbeit mit Substanzen der Klasse OEB 5 –, verfügt man über Optionen zur Aufrüstung. «Sollte eines Tages ein geschlossenes System mit fixer Scheibe und OEB 5 notwendig werden, verfügt das System von Weiss Technik bereits über Abflussöffnungen sowie Gas- und Elektrizitätsanschlüsse.» Neben der geografischen Nähe
Betrieb
In-Prozess-Kontrolle zum Einsatz.
des Servicepersonals war diese Möglichkeit zum Umrüsten auf ein «Closed Containment System» ein entscheidendes Kriterium.
Apropos, wie ist man in Hettlingen nach der präzisen Ausarbeitung der Systemansprüche auf Weiss Technik gestossen? «Wir haben schon länger Inkubatoren des Herstellers im Einsatz, wodurch eine gute Zusammenarbeit entstanden ist», sagt Michèle Högger. So war sie sich dann auch sicher, dass das System in der verlangten Ausführung und pünktlich geliefert würde.
«WIBObarrier»: Reinlufttrennschleier Wesentlich für Arbeitssicherheit ist das Prinzip der «WIBObarrier», einer ausgeklügelten Luftführung, die Partikel oder Gase sowohl von aussen (von Personen und Umgebung) als auch von innen (vom Produkt- und Arbeitsbereich) mitzieht und sie
mit (l.) oder ohne (r.) Scheibe: Die «WIBObarrier OCS-OCSplus-CC» von Weiss Technik kommt bei Ophtapharm sowohl bei der Eingangs- als auch bei der
Arbeitsbereich geleitet, so dass hier eine Reinraumzone entsteht, die das Produkt optimal schützt. Verwirbelungen oder Partikel, die von der Person durch das Eingreifen in den Arbeitsbereich frei werden, erfasst der WIBObarrier-Reinlufttrennschleier und verhindert dadurch ein Eindringen in den Produktbereich, so dass diese das Produkt nicht kontaminieren. Die Schadstoffe werden im gesamten Arbeitsbereich erfasst und durch die gerichtete Strömung gezielt der Absaugung zugeführt.
Öffnungen zur Ansaugung der Abluft befinden sich vorne und hinten an der Arbeitsfläche.
CG-Verteiler
Reinraumzone
Luftführende
Rückwand
Abb. 1 Das WIBObarrier-Prinzip (Beispielhafte Abbildung)
Gefilterte Umluft
Reinluft-Trennschleier
Saubere Raumluft
Reinluft-Trennschleier
der darauf abgestimmten frontseitigen Absaugung zuführt. Durch diesen Reinlufttrennschleier gelangt die kontaminierte Luft nicht in den Raum und gewährleistet sowohl den Personen- als auch Raumschutz. Ein weiterer Vorteil: Aufgrund der Luftzirkulation wird weniger «Material» abgetragen und somit die Filter weniger verstopft.
Vertikale Laminar-Strömung: Der durch den Ventilator erzeugte Luftstrom zieht die mit Kontaminationen behaftete Luft des Arbeitsbereichs und des WIBObarrier-Reinlufttrennschleiers in die Absaugöffnungen vorne und hinten an der Arbeitsfläche und führt sie den Abluftfiltern zu. (Grafik: Weiss Technik)
Kurz: Das Laborpersonal ist nicht so exponiert wie es auf den ersten Blick bei der Arbeit ohne Scheibe scheint. «Das Prinzip ist einzigartig. Sogar das Sicherheitsinspektorat wusste nicht, wie dies ohne Scheibe funktioniert», erwähnt Michèle Högger mit Begeisterung. Für das Personal ist die damit gewonnene Bewegungsfreiheit eine Erleichterung. «Die Laminar-Strömung funktioniert darüber hinaus sehr gut, wir haben keine Überschreitungen beim arbeitstäglichen mikrobiologischen Monitoring des Systems.»
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MIKROSKOP FÜR ULTRA-
EMPFINDLICHE PROBEN
KAFFEE ALS KONTRASTMITTEL
Das Mikroskop leitet das Licht im Kreis und kann mehrmals mit der Probe interagieren. (Bild: TU Wien)
Übliches Mikroskopie-Problem: zu viel Licht ist schädlich für Proben – etwa, wenn empfindliche biologische Strukturen abgebildet oder Quantenteilchen untersucht werden sollen. Das Ziel ist daher, bei gegebener Lichtmenge möglichst viel Information über das betrachtete Objekt zu sammeln. Forschende verwenden hierfür einen neuartigen Trick: Das Licht wird in einem Resonator gespeichert, in dem auch die Probe sitzt. Dadurch wird ein klareres Signal erreicht als mit anderen Methoden.
www.tuwien.at
Damit Gewebestrukturen biologischer Proben unter dem Elektronenmikroskop gut erkennbar sind, werden sie mit einem Kontrastmittel behandelt wie z.B. Uranylacetat. Dieses Standardmittel, ein hochgiftiger und radioaktiver Stoff, darf aber aus Sicherheitsgrunden teils nicht verwendet werden. Forschende an der TU Graz haben nun eine umweltfreundliche Alternative gefunden: gewöhnlichen Espresso. Bilder der damit behandelten Proben hatten eine ebenso gute Qualität wie Aufnahmen von Vergleichsproben, bei denen Uranylacetat zum Einsatz kam.
www.tugraz.at
Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Alge, die mit Espresso vorbehandelt wurde, um stärkere Kontraste zu erzeugen. (Bild: Mayrhofer/FELMI-ZFE)
MIKRO- UND NANO- STRUKTUREN ERKENNEN
Forschende an der Universität Tokio haben ein Mikroskop gebaut, das ein Signal über einen 14 Mal grösseren Intensitätsbereich als herkömmliche Mikroskope erkennen kann. Ausserdem erfolgen die Beobachtungen des «Great Unified Microscope» markierungsfrei, also ohne die Verwendung zusätzlicher Farbstoffe. Das bedeutet, dass die Methode zellschonend und für Langzeitbeobachtungen geeignet ist, was ein Potenzial für Test- und Qualitätskontrollanwendungen in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie birgt.
www.u-tokyo.ac.jp
EIN QUANTENSPRUNG IN DER
Beim Blick in immer kleinere Dimensionen stösst die Optik an eine grundlegende Grenze: das Licht. Da sich Licht wie eine Welle verhält, lässt es sich aufgrund von Beugung nicht beliebig stark fokussieren. Herkömmliche optische Mikroskope können deshalb keine Strukturen auflösen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Forschende am Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) haben einen neuen Weg gefunden, diese Grenze zu überwinden. Mit einem kommerziellen Dauerstrichlaser ist es ihnen gelungen, optische Messungen auf Längenskalen durchzuführen, die mit der Grösse einzelner Atome vergleichbar sind.
www.uni-regensburg.de
Künstlerische Darstellung des mikroskopischen Mechanismus der nahfeldoptischen Tunnel-Emission: Laserlicht versetzt Elektronen (helle Kugeln) in eine hin- und hergehende Bewegung zwischen dem Apex-Atom einer scharfen metallischen Spitze (oben) und der Probe (unten). Dabei entsteht elektromagnetische Strahlung, die eine rein optische Mikroskopie mit atomarer Auflösung ermöglicht. (Bild: Brad Baxley, PtW)
Annahme
des unregelmässigen Wasserverlustes widerlegt
Rätsel um «Blutzellen-Streifen» gelöst
Wenn man rote Blutkörperchen zentrifugiert, sammeln sich die Zellen in roten «Streifen» von oben (geringe Dichte) nach unten (hohe Dichte), dazwischen gibt es weisse Streifen mit weniger roten Blutzellen. Bisher ging man davon aus, dass dies am unregelmässigen Wasserverlust liegt, den die Blutzellen mit der Zeit erleiden.
Muster sind in der Natur allgegenwärtig. Vögel und Fische fliegen und schwimmen auf wundersame Weise in riesigen Schwärmen, Fingerabdrücke bilden einzigartige Muster, ebenso Zebras, die individuell an ihrem Streifenmuster unterschieden werden können. Doch nach welchen Gesetzen bilden sich solche Muster?
Bei der Antwort auf diese Fragen können rote Blutkörperchen helfen. Ähnlich wie Zebrastreifen auf dem Fell der Unpaarhufer bilden Blutzellen, wenn sie in einer Zentrifuge voneinander getrennt werden, charakteristische Muster. Von oben nach unten betrachtet wechseln sich satt-rote Streifen, in denen sich viele Blutzellen ansammeln, mit weissen Streifen ab. In diesen Bereichen sind weniger rote Blutkörperchen zu finden. Darauf folgt wieder eine leuchtend rote Ansammlung von roten Blutzellen, gefolgt von einem Streifen mit weniger Zellen und so weiter. «Jüngere
Blutzellen, die erst entstanden sind, enthalten mehr Wasser, ältere Blutzellen weniger Wasser. Die älteren Blutzellen haben daher eine höhere Dichte, da das in ihnen verbleibende Hämoglobin schwerer als Wasser ist. Somit setzen sich ältere Zellen beim Zentrifugieren unten ab, jüngere sammeln sich aufgrund ihrer geringeren Dichte am oberen Rand des Röhrchens», erklärt Christian Wagner eine bisher verbreitete Annahme, warum dies so ist.
Wie Wetterballons in der Erdatmosphäre
Der Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes erklärt das gängige Missverständnis, dem Forscherinnen und Forscher aus aller Welt bislang aufgesessen waren: «Man ist bislang davon ausgegangen, dass die Blutzellen im Laufe ihres rund 120 Tage dauernden Lebens das Wasser unregelmässig verlieren.» So
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entstünden quasi «Kohorten» von Blutzellen jüngeren (viel Wasser), mittleren (weniger Wasser) und höheren Alters (am wenigsten Wasser), die sich alle gemäss ihrer jeweiligen Dichte in ähnlichen Regionen der zentrifugierten Lösung ballen, so dass am Ende die typischen Streifenmuster zu sehen sind.
«Verantwortlich dafür ist aber nicht der Wasserverlust, sondern die Aggregation der Zellen untereinander», sagt Doktorand Felix Maurer, der die Studie massgeblich mit seinem Co-Betreuer Alexis Darras, Dozent an der Universität Bristol, verantwortet. Die beiden jungen Wissenschaftler haben in Experimenten rote Blutzellen in ein Medium aus Wasser, Salzen und Nanopartikeln gemischt und zentrifugiert.
«Wie Wetterballons in der Erdatmosphäre, die nach oben immer dünner wird, verteilen sich rote Blutzellen so, dass jede Zelle in einer Gleichgewichtshöhe schweben
Weitere Informationen
Je höher, desto ausgeprägter die Streifen: Erst ab einer bestimmten Volumenkonzentration von roten Blutkörperchen führt das kollektive Verhalten zu einem makroskopischen Muster. Bei geringeren Konzentrationen treffen sich statistisch nicht genug Zellen während der Zentrifugation. (Bild: AG Wagner, modifiziert v. ChemieXtra)
bleibt. Das ist die Höhe, in der die mittlere Dichte der Zelle gleich der Dichte der Umgebung ist», erklärt der junge Wissenschaftler.
Dabei haben sie eine bemerkenswerte Erkenntnis gewonnen: Es ist die schiere Zahl der Zellen, die zur Streifenbildung führt. «Das Streifenmuster entsteht erst durch das Zusammenspiel sehr vieler Zellen. Im Experiment waren es rund eine Milliarde in einem Röhrchen», so Felix Maurer. Nachdem sie die Zahl der Zellen reduziert haben, konnten die Physiker ein gänzlich anderes Verhalten beobachten: «Ohne Aggregation, also Zusammenkleben von Zellen miteinander, verteilen sich die Zellen überall gleichmässig, es entstehen keine Streifen», erläutert Felix Maurer.
Wie entstehen Muster und Strukturen in der Natur
Es ist also die Wechselwirkung aus Aggregation, der Ansammlung vieler Zellen auf engem Raum, und entgegengesetzter Gravitation, welche die Blutzellen dazu bringt, das typische Streifenmuster zu bilden. Diese fundamentalen Erkenntnisse könnten zum Beispiel eine wichtige Grundlage dafür sein, neue diagnostische Ansätze bei Erkrankungen des Blutes wie zum Beispiel einer Sichelzellenanämie zu entwickeln, in deren Verlauf sich Blutzellen verformen und sich ihr Strömungs- und Ballungsverhalten dementsprechend ändert. «Bei der Sichelzellenanämie zum Beispiel ergibt sich ein verändertes Streifenmuster, wie eine Studie aus dem Jahr 2021 gezeigt
hat. Bisher konnte man aber nicht erklären, wieso das so war», so Felix Maurer. Eine zweiter fundamentaler Aspekt, den die Studie beleuchtet, ist die Frage, wie in der Natur überhaupt Muster und Strukturen entstehen. Hierfür haben Felix Maurer, Alexis Darras und ihre Kolleginnen und Kollegen ein mathematisches Modell auf Basis der sogenannten Dynamischen Dichtefunktionaltheorie aus ihren Beobachtungen im Labor abgeleitet, das solche Musterentstehungen erklären kann. «Eine ähnliche Gleichung, wie wir sie nun in unserer Studie entwickelt haben, beschreibt auch die Muster von Zebrastreifen, Vogelschwärmen und Fingerabdrücken», so Christian Wagner. Felix Maurer erklärt, was es damit auf sich hat: «In unserem Fall führt eine kurzreichweitige Wechselwirkung zwischen einzelnen Zellen dazu, dass sich eine bevorzugte makroskopische Streifenbreite und ein bevorzugter Streifenabstand herausbilden. Auch Vogelschwärme zeigen kollektives Verhalten. Dort entstehen die Formationen aus einfachen Nachbarschaftsregeln zwischen Individuen. Eine ähnliche Idee gibt es auch bei der Entstehung von Fingerabdrücken.» So führt die spezifische Beobachtung von Blutzellen im Labor dazu, dass fundamentale Regeln der Natur besser verstanden werden können. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.
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Afrikanische Forschende veränderten Anopheles-gambiae-Mücken (malaria-übertragende Mücken) genetisch so, dass sie die Entwicklung von Malariaparasiten blockieren. (Bild: Depositphotos)
Forschung in Tansania erzielt bahnbrechende Erfolge
Durchbruch im Kampf gegen Malaria
Forschende haben im Rahmen des Transmission Zero-Programms erfolgreich gentechnisch veränderte Mücken entwickelt, welche die Übertragung von Malaria blockieren. Die Erkenntnisse sind für die Ausweitung der Technologie auf andere Überträger von Erkrankungen wie Dengue-Fieber und Chikungunya wegweisend.
«Dies ist das erste Mal, dass afrikanische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Afrika eine gentechnisch veränderte, mit Gen-Drive kompatible Mückenart entwickelt haben, die auf Malariaparasiten abzielt, die in lokalen Gemeinden zirkulieren», sagte Dickson Wilson Lwetoijera, Programmdirektor am Ifakara Health Institute (IHI) in Tansania. «Wir sind stolz darauf, vor Ort Innovationen voranzutreiben und mit modernsten Verfahren eine der dringendsten gesundheitlichen Herausforderungen unseres Kontinents anzugehen.»
Dieser Meilenstein stellt ein wirkungsvolles neues Modell für die globale Gesundheitsforschung dar, eines, das von afrikanischen Institutionen geleitet und getragen wird. Im Rahmen des internationalen Forschungsprogramms Transmission Zero, das an neuen genetischen Verfahren zur Mala -
ria-Bekämpfung arbeitet, wurde eine neue Generation tansanischer Forschenden in den Bereichen Molekularbiologie, Vektorgenetik und Biosicherheit ausgebildet, um sicherzustellen, dass wissenschaftliche Entdeckungen und Leadership fest in Afrika verankert bleiben.
«Bei dieser Studie geht es nicht nur um Technologie. Es geht um Führungsstärke, Verantwortung und Partnerschaft», sagte George K. Christophides vom Imperial College London. «Sie zeigt, was möglich ist, wenn afrikanische Institutionen die Führung übernehmen und internationale Partner sie dabei unterstützen.»
Malaria ist eine anhaltende Bedrohung
Laut dem aktuellen Welt-Malaria-Bericht der WHO ist Tansania eines von
4 Ländern, in denen zusammen mehr als die Hälfte aller Malaria-Todesfälle weltweit zu verzeichnen sind und fast 93 Prozent der Bevölkerung gefährdet sind. Herkömmliche Methoden zur Vektorkontrolle, wie mit Insektiziden behandelte Bettnetze und das Besprühen von Innenräumen, waren bisher sehr wirksam und haben Millionen Menschenleben gerettet, stehen jedoch aufgrund von Insektizidresistenzen und des raschen Bevölkerungswachstums vor wachsenden Herausforderungen. Lwetoijera fügte hinzu, dass sein Team im Einklang mit den globalen Richtlinien und Strategien der WHO, der Convention on Biological Diversity (CBD), und der International Union for Conservation of Nature and Natural Resources (IUCN) sowie in einem unterstützenden und verantwortungsbewussten regulatorischen Umfeld in
Transmission Zero
Bei Transmission Zero handelt es sich um ein Forschungsprogramm, das innovative genetische Instrumente zur Eliminierung der Malaria in Afrika entwickelt. Das Programm zielt darauf ab, die Malariaübertragung an ihrer Quelle zu stoppen, indem Mücken genetisch so verändert werden, dass sie den Malariaparasiten nicht mehr auf den Menschen übertragen können. Unter der Leitung des Imperial College London und in Zusammenarbeit mit dem Schweizerischen Tropen- und Public Health-Institut (Swiss TPH), dem Ifakara Health Institute (IHI) sowie dem National Institute for Medical Research (NIMR), beide in Tansania, hat sich Transmission Zero zum Ziel gesetzt, eine von Afrika geleitete, sichere und gerechte Wissenschaft voranzutreiben, die in enger Zusammenarbeit mit den Gemeinden entwickelt wird.
Tansania seine eigene Agenda im Kampf gegen Malaria festlegt.
In
gesichertem
Laborumfeld
2023 entwickelten Forschende von Transmission Zero in Tansania den ersten transgenen Mückenstamm, der jemals in Afrika gezüchtet wurde. Ihre neuesten Forschungsergebnisse bieten eine neue Lösung: Sie verändern Anopheles-gambiaeMücken (malaria-übertragende Mücken) genetisch so, dass sie die Entwicklung von Malariaparasiten blockieren und somit deren Fähigkeit, die Krankheit zu übertragen, wirksam reduzieren. Durch diesen Ansatz werden diese präzisen Veränderungen in der Fähigkeit der Mücken, Malariaparasiten zu übertragen, von einer Mückengeneration an die nächste weitergegeben. Einfacher ausgedrückt: Die Mücken sind immer noch da, aber sie können keine Malaria mehr übertragen.
«Diese Erkenntnisse über Anopheles gambiae sind wegweisend für die Ausweitung der Technologie auf andere ebenso wichtige Malariaüberträger wie Anopheles arabiensis und Anopheles funestus sowie auf Überträger von Erkrankungen wie DengueFieber und Chikungunya», sagte Lwetoijera. Die Studie wurde vollständig in einem gesicherten Laborumfeld (Containment) durchgeführt. Dabei wurden malariabekämpfende Eigenschaften – natürlich vorkommende Moleküle aus Fröschen und Honigbienen – in lokale Mückenpopulationen eingebracht. Die modifizierten Mücken verhindern wirksam die Entwicklung von Plasmodium falciparum, dem in Afrika wichtigsten Malariaparasiten, und schaffen so eine bedeutende Barriere für die Übertragung.
Die Forschung wurde in einem hochmodernen, modularen, portablen Labor sowie einer Insektenzuchtanlage der Sicherheits-
stufe 3 (MPL/CL3) durchgeführt, die beide speziell für dieses Projekt auf dem IHICampus errichtet wurden. Die den hohen Biosicherheitsstandards entsprechende Anlage ermöglicht es lokalen Forschenden, Gentechnik-Projekte zu leiten, und gewährleistet, dass die Technologie verantwortungsbewusst und transparent in Tansania entwickelt wird.
Aufgebaut auf lokalem Fachwissen und Vertrauen
«Das Swiss TPH unterstützte die Einrichtung des mobilen Labors und die Doktorandenausbildung wichtiger lokaler Mitarbeitenden, die diesen Durchbruch ermöglicht haben», sagte Sarah Moore, Leiterin der Gruppe «New Vector Control Interventions» am Swiss TPH. «Unser Fokus lag stets darauf, lokale Kapazitäten zu stärken und sicherzustellen, dass fortschrittliche Forschung in Tansania sicher, ethisch und nachhaltig betrieben werden kann. Dieser Meilenstein zeigt, wie langfristige Partnerschaften zu dauerhafter wissenschaftlicher Unabhängigkeit führen.»
«Wir verfügen nun über die Infrastruktur, das Fachwissen und die Vision, um die Gene-Drive-Forschung in Afrika voranzutreiben. Durch die Anpassung der GeneDrive-Technologie an die lokalen Gegebenheiten haben wir ein leistungsstarkes Instrument entwickelt, das die bestehenden Massnahmen zur Malariabekämpfung ergänzen und uns der Eliminierung der Krankheit näherbringen könnte», schliesst Lwetoijera.
Die Ergebnisse sind zwar vielversprechend, doch bevor mit Feldversuchen begonnen werden kann, sind weitere Untersuchungen erforderlich. In der nächsten Phase der Forschung stehen umfassende Risikobewertungen, die Einbindung der Aufsichtsbehörden und die fortgesetzte Konsultation der Bevölkerung im Mittelpunkt. Ziel ist es, die Sicherheit, Wirksamkeit und Akzeptanz eines künftigen Einsatzes zu gewährleisten. Von entscheidender Bedeutung wird auch die Überwachung der Resistenzbildung sein, um die langfristige Wirksamkeit der Technologie zu sicherzustellen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature publiziert.
www.swisstph.ch
Die Studie markiert einen Meilenstein für afrikanische Innovationen: Tansanische Forscherin im Labor. (Bild: Olivier Brandenberg, Swiss TPH)
Individuelle Unterschiede im Erbgut
Sie machen manche Therapien wirkungslos
Das Genom unterscheidet sich von Mensch zu Mensch an Tausenden Positionen. In manchen Fällen hat das zur Folge, dass auch Proteine stellenweise einen anderen Baustein aufweisen. Das kann dazu führen, dass bestimmte antikörperbasierte Therapien nicht wirken.
Angelika Jacobs ¹
Ob gegen Krebs, Rheuma oder Multiple Sklerose: Bei vielen Erkrankungen kommen Therapien auf Basis von Antikörpern zum Einsatz. Antikörper erkennen ganz spezifische Strukturen und binden daran. So können sie beispielsweise Wirkstoffe an genau die richtige Zielstruktur im Körper heranführen.
Forschende der Departemente Biomedizin und Biozentrum der Universität Basel berichten jetzt in der Fachzeitschrift Science Translational Medicine: Individuelle Unterschiede im Erbgut können bei einigen Menschen verhindern, dass antikörperbasierte Therapien wirken.
Variationen sind häufiger als gedacht
Das Forschungsteam um Dr. Rosalba Lepore und Prof. Dr. Lukas Jeker hat Erbgutsequenzen Tausender Menschen aus bereits veröffentlichten Studien mit computergestützten Methoden analysiert. Die im Erbgut enthaltene DNA-Sequenz bestimmt die Abfolge der Aminosäure-Bausteine von Proteinen. Erbgutvariationen können deshalb auch zu einer veränderten Aminosäure-Abfolge führen. Das Augenmerk der Forschenden lag auf Aminosäuren an den Andockstellen etablierter Antikörpertherapien. Die Andockstellen von Antikörpern heissen in Fachkreisen auch Epitope.
Eine einzelne ausgetauschte Aminosäure im Epitop kann bedeuten, dass der Antikörper nicht mehr andocken kann. Insgesamt untersuchte das Team die Bindungsstellen von 87 therapeutischen Antikörpern, die unter anderem bei Krebstherapien oder
1 Universität Basel
Antikörper (blau) sind Teil zahlreicher Therapien, beispielsweise gegen Krebs oder Autoimmunerkrankungen. Sie erkennen ganz spezifisch bestimmte Oberflächenstrukturen (lila) und docken daran an. (Illustration: Shutterstock)
Autoimmunerkrankungen eingesetzt werden.
Das Team stiess auf eine erstaunlich grosse Vielzahl an natürlich vorkommenden Varianten der Aminosäure-Abfolge in Epitopen. «Diese Varianten tragen nicht selbst zur Erkrankung bei», betont Rosalba Lepore. «Der Grossteil beeinträchtigt auch nicht die Funktion des betroffenen Proteins. Aber sie können die Therapie unwirksam machen.»
Ausweichen auf andere Antikörper
Mithilfe von Computermodellen berechneten die Forschenden, welche der Varianten die Bindung der Antikörper behindern könnten. Für vier medizinisch wichtige Zielproteine und die dazugehörigen Antikörper prüften sie anschliessend die Vorhersagen. Für jedes der analysierten Proteine testete die Gruppe mehrere therapeutische Antikörper. In den Laborexperimenten zeigte sich, dass oft ein Antikörper nicht mehr binden konnte, ein anderer, der an eine etwas
andere Stelle des Zielproteins andockt, hingegen schon.
Zwar ist der Anteil an Patientinnen und Patienten, bei dem eine solche Variante auftritt und die Wirksamkeit der Therapie verhindert, relativ klein. Für den Grossteil der Varianten ist weniger als eine von hundert Personen betroffen. Trotzdem ist Lukas Jeker überzeugt: «Es ist wichtig, dass Medizinerinnen und Mediziner an diesen Aspekt denken, wenn eine Therapie nicht wirkt.»
Hinzu kommt, dass viele antikörperbasierte Therapien sehr teuer sind, dazu gehören beispielsweise CAR-T-Zellen, die gegen bestimmte Krebserkrankungen zum Einsatz kommen. «Ein genetischer Test, ob die Therapie überhaupt wirken kann, wäre im Vergleich ein kleiner Kostenpunkt», sagt Dr. Romina Marone, Co-Erstautorin der Studie. Auch für neue Therapien wäre das relevant, fügt Rosalba Lepore hinzu: «Für klinische Studien kann es sich lohnen, die Bindungsstelle der Antikörpertherapie bei den Teilnehmenden zuerst zu testen.»
Gehäufte Varianten je nach Weltregion
Eine weitere Erkenntnis aus den Analysen: Bestimmte Varianten in Zielproteinen kommen zwar beispielsweise in Europa sehr selten vor. In einer anderen Weltregion treten sie aber häufiger auf und werden dadurch klinisch relevant. «Noch gibt es für einige Weltregionen sehr viel weniger Erbgutsequenz-Daten als für Europa oder Nordamerika», erklärt die Bioinformatikerin Rosalba Lepore. «Dadurch übersehen wir womöglich eine Häufung solcher therapierelevanter Varianten in bestimmten Bevölkerungsgruppen.» Hier gebe es grossen Nachholbedarf.
www.unibas.ch
Myzelien des Rosenseitlings als nachhaltige und hochwertige Proteinquelle
Von Karottenresten zu schmackhaftem Protein
Pilze, die auf Karottenresten wachsen, können als nachhaltige und schmackhafte Proteinquelle dienen. Die veganen Patties und Würstchen, die damit hergestellt wurden, schmeckten den Testesserinnen und -essern besser als Produkte aus pflanzlichen Proteinen.
Da die Weltbevölkerung weiterhin wächst und nach wie vor viele Menschen hungern, steigt der Bedarf an nährstoffreichen Lebensmitteln und nachhaltigen sowie effizienten Herstellungsverfahren. Eine Möglichkeit sind essbare Pilze, die auf einer Vielzahl von organischen Resten wachsen können, die bei der Lebensmittelproduktion in beträchtlichen Mengen anfallen. Dazu gehören zum Beispiel Apfeltrester aus der Herstellung von Apfelsaft oder Molke aus der Käseherstellung.
Die Myzelien des Rosenseitlings sind auch fettarm
Doch auch Karottenreste, die beispielsweise bei der Gewinnung natürlicher Farbstoffe anfallen, können ein Substrat für das Pilzwachstum sein, wie eine Studie von Forschenden der Justus-Liebig-Universität Giessen (JLU) und der Technischen Hochschule Mittelhessen zeigt. «Darin sind wertvolle Nährstoffe enthalten, die wir für die menschliche Ernährung nutzen wollten», erläutert Dr. Martin Gand vom Institut für Lebensmittelchemie und -biotechnologie der JLU. Anstatt die Fruchtkörper der Pilze zu ernten, haben sich die Forschenden auf die wurzelähnlichen Myzelien konzentriert, die weniger Zeit und Platz zum Wachsen benötigen und dennoch unentbehrliche Nährstoffe produzieren. Zunächst liessen sie über 100 Pilzstämme auf Resten von orangefarbenen und schwarzen Möhren wachsen, die bei der Firma GNT Europa GmbH bei der Herstellung natürlicher Farbstoffe anfallen. So konnten sie erkennen, welcher Pilz am besten wuchs und den höchsten Proteingehalt aufwies. Das Rennen machte Pleurotus djamor, auch als rosa Austernpilz oder Rosenseitling bekannt. Die Forschenden optimierten die Wachstumsbedingungen weiter, um die Erträge zu verbessern.
Karottenresten wegwerfen kann man zu Hause bedenkenlos. In der Grossproduktion hingegen bergen solche Abfälle ein neues Ernährungspotenzial. (Bild: Shutterstock)
Sie konnten so Proteine erzeugen, die denen von tierischen und pflanzlichen Proteinen ähneln, also ernährungsphysiologisch hochwertig waren. Zudem erwiesen sich die Myzelien des Rosenseitlings als fettarm.
Ohne zusätzliche Landwirtschaft
Ein weiterer wichtiger Aspekt: Die Myzelien sind schmackhaft. Die Forschenden stellten damit vegane Patties her. Dabei ersetzten sie den typischen Sojaproteinanteil durch verschiedene Anteile an Myzelien. Freiwillige, die diese Speisen verkosteten, bewerteten sie nach Merkmalen wie Textur, Geschmack und Geruch. Am besten schmeckten ihnen die Patties, bei denen das gesamte Sojaprotein durch Myzelien ersetzt worden war. Anschliessend kosteten die Freiwilligen vegane Würstchen, die entweder mit eingeweichten Kichererbsen oder mit frischen Myzelien hergestellt wurden. Auch hier schnitten die
Würstchen mit den Myzelien bei Geruch und Geschmack besser ab.
«Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass pilzliche Myzelien eine nachhaltige und schmackhafte Proteinquelle sind, die zudem ähnliche ernährungsphysiologische Vorteile wie pflanzliche Proteine bieten kann», so Dr. Gand. «Da hier Nebenprodukte in Lebensmittelqualität für die Produktion von hochwertigen Proteinen genutzt werden, muss keine zusätzliche Landwirtschaft betrieben werden, um die Ernährungssicherheit zu fördern. Dies reduziert die Umweltauswirkungen.» Die Studie ist in der Fachzeitschrift Journal of Agricultural and Food Chemistry in der Spezialausgabe «Upcycling Food Waste into Value-Added Natural Foods and Ingredients» der American Chemical Society (ACS) erschienen.
www.uni-giessen.de www.thm.de
Gewöhnlicher Haushaltszucker ade? Der potenzielle Ersatzstoff Tagatose, der zu 92 Prozent so süss wie Saccharose ist, hat viel weniger Kalorien. (Bild: Depositphotos)
Biosynthetische Herstellung eines seltenen Zuckers
Ist das die neue Zucker-Alternative?
Könnte Tagatose unser Zuckerproblem lösen? Forschende der Tufts University, Boston (USA), nutzen E. coli als Mikrofabriken für Tagatose, die 60 Prozent weniger Kalorien hat und den Blutzucker kaum beeinflusst.
Von Saccharin im 19. Jahrhundert bis hin zu Stevia und Mönchsfrucht im 21. Jahrhundert haben sowohl Forschende als auch die Lebensmittelindustrie lange nach einem Süssstoff gesucht, der den Geschmack von Zucker ohne dessen Nachteile bietet – überschüssige Kalorien, Karies und ein erhöhtes Risiko für Fettleibigkeit, Insulinresistenz und Diabetes. Jetzt haben Forschende der Tufts University in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science eine Studie veröffentlicht, die eine neue Methode vorstellt, um den ansonsten seltenen Zucker namens Tagatose biosynthetisch herzustellen. Diese (die Tagatose) könnte in puncto Süsse und natürlichem Geschmack mit Haushaltszucker mithalten, ohne dessen potenzielle Nachteile. Im Gegenteil: Der seltene Zucker
1 Tufts University
könnte sogar einige gesundheitliche Vorteile bieten. Tagatose kommt in der Natur nur in sehr geringen Mengen vor, verglichen mit gängigen Zuckern wie Glukose, Fruktose oder Saccharose. Sie ist in Milch und anderen Milchprodukten enthalten, wenn Laktose durch Hitze oder Enzyme abgebaut wird, wie dies beispielsweise bei der Herstellung von Joghurt, Käse und Kefir der Fall ist.
Escherichia coli manipuliert
Einige Früchte wie Äpfel, Ananas und Orangen enthalten Spuren von Tagatose als Teil ihres natürlichen Spektrums an Kohlenhydraten. Da Tagatose in der Regel weniger als 0,2 Prozent der in natürlichen Quellen vorkommenden Zucker ausmacht, wird sie für den Verzehr in der Regel hergestellt und nicht extrahiert. «Es gibt etablierte Verfahren zur Herstellung von Tagatose, aber sie sind ineffizient und teuer», sagte Nik Nair, Associate Professor für Chemie und Bioingenieurwesen an der
Tufts University. «Wir haben eine Methode zur Herstellung von Tagatose entwickelt, bei der wir das Bakterium Escherichia coli so manipuliert haben, dass es als winzige Fabrik fungiert, welche mit den richtigen Enzymen ausgestattet ist, um grosse Mengen an Glukose in Tagatose umzuwandeln. Dies ist wesentlich wirtschaftlicher als unser bisheriger Ansatz, bei dem wir weniger reichlich vorhandene und teure Galaktose zur Herstellung von Tagatose verwendet haben.»
Die Bakterien wurden so verändert, dass sie ein neu entdecktes Enzym aus Schleimpilzen enthalten, das als Galactose 1 Phosphat selektive Phosphatase (Gal1P) bezeichnet wird und dabei helfen kann, Galactose direkt aus Glucose herzustellen. Ein zweites von den Bakterien exprimiertes Enzym namens Arabinose Isomerase vervollständigt die Umwandlung von Galactose zu Tagatose. Die Ausbeute an Tagatose aus Glukose, die von den Bakterien erzeugt wird, könnte bis zu 95 Pro
Mike Silver ¹
zent erreichen und ist damit deutlich höher und kostengünstiger als bei der herkömmlichen Herstellung, bei der die Ausbeute nur 40 bis 77 Prozent beträgt.
60 Prozent weniger Kalorien
Tagatose ist zu 92 Prozent so süss wie Saccharose – also Haushaltszucker – und hat etwa 60 Prozent weniger Kalorien. Tagatose wurde von der FDA als «allgemein als sicher anerkannt» eingestuft. Das bedeutet, dass er sicher in Lebensmitteln verwendet werden kann. Zum Vergleich: Dies ist die gleiche Einstufung wie für Salz, Essig und Backpulver.
Im Gegensatz zu Saccharose, die Karies verursachende Bakterien im Mund fördert, scheint Tagatose das Wachstum einiger dieser Bakterien zu reduzieren. Zudem gibt es Hinweise, dass sie probiotische Wirkungen hat, die gesunde Mund- und Darmbakterien unterstützen.
Die potenziellen Vorteile für Diabetiker ergeben sich aus der Tatsache, dass Tagatose nur teilweise im Dünndarm resorbiert wird und ein Grossteil davon von Darmbakterien im Dickdarm fermentiert wird. Aus diesem Grund ist ihr Einfluss auf den Blutzucker und Insulinspiegel viel geringer als der von herkömmlichem Zucker. Klinische Studien zeigen einen sehr geringen Anstieg des Plasmaglukose oder Insulinspiegels nach der Einnahme von Tagatose. Im Gegensatz zu Saccharose, die Karies verursachende Bakterien im Mund fördert, scheint Tagatose das Wachstum einiger dieser Bakterien zu reduzieren, und es gibt Hinweise darauf, dass sie probiotische Wirkungen hat, die gesunde Mund und Darmbakterien unterstützen.
Ein attraktiver «Füllstoff»
Mit ihrem geringen Kaloriengehalt und ihrer geringen Absorption ist Tagatose ein attraktiver «Füllstoff». Das bedeutet, dass sie nicht nur Zucker als Süssungsmittel ersetzen kann, sondern auch eine ähnliche Füllstofftextur beim Kochen bietet, wie sie
durch die Zugabe einer bestimmten Menge Zucker entsteht. Das können hochintensive Süssstoff Ersatzstoffe nicht leisten. Sie bräunt beim Kochen sogar wie Haushaltszucker. In Geschmackstests im Vergleich zu anderen Zuckern und Zuckerersatzstoffen weist sie die grösste Ähnlichkeit mit Haushaltszucker auf.
«Die entscheidende Innovation bei der Biosynthese von Tagatose bestand darin, das Gal1P Enzym des Schleimpilzes zu finden und es in unsere Produktionsbakterien einzubauen», erklärt Nair. «Dadurch
konnten wir einen natürlichen biologischen Stoffwechselweg, der Galaktose zu Glukose umwandelt, umkehren und stattdessen Galaktose aus Glukose erzeugen, die als Ausgangsmaterial dient. Tagatose und möglicherweise auch andere seltene Zucker können von diesem Punkt aus synthetisiert werden.»
Übersetzung ins Deutsche: ChemieXtra
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Analytica 2026
Marktüberblick für die Laborwelt
5 Messehallen voller Fachwissen: Die Analytica präsentiert vom 24. bis am 27. März Produkte, Systeme, Komponenten und Anwendungen für die gesamte Wertschöpfungskette des Labors in Industrie und Forschung. Oben auf der Agenda der diesjährigen Ausgabe stehen Konzepte und Inspirationen für das grüne Labor.
Innovative Analysengeräte, weniger giftige Chemikalien und mehr Künstliche Intelligenz: Auf der Münchner Leitmesse für Labortechnik, Analytik und Biotechnologie zeigen Aussteller und Forschende aus aller Welt, wie sich die tägliche Laborarbeit nachhaltiger gestalten lässt. «Die Analytica versteht sich als Wegweiser ins grüne Labor», betont Messeleiterin Susanne Grödl. Green-Lab-Konzepte ziehen sich 2026 daher wie ein roter Faden durch die Messe, die Analytica Conference und das Rahmenprogramm.
Neue Messtechniken tragen entscheidend zu mehr Nachhaltigkeit im Labor bei. Bestes Beispiel dafür sind die «elektronischen Nasen» von Plasmion. Der Aussteller hat eine Ionisationstechnik für die Massenspektrometrie entwickelt, die Schadstoffspuren und andere Substanzen in festen, flüssigen oder gasförmigen Proben detektiert – ohne aufwändige Probenvorbereitung. So verringert sich der Verbrauch an Chemikalien und anderen Materialien von allein.
3-D-gedrucktes Laborsystem mit Solarstrom
In der instrumentellen Analytik hat sich in Sachen Nachhaltigkeit ohnehin viel getan. Für mehr Nachhaltigkeit sorgt auch die superkritische Flüssigchromatographie (Supercritical Fluid Chromatography: SFC-Chromatographie), die als mobile Phase flüssiges CO2 verwendet. Das spart nicht nur organische Lösemittel, sondern senkt zugleich den Energiebedarf, denn aufgrund der geringeren Viskosität des superkritischen CO2 verringert sich der Pumpaufwand. An der Messe sind alle grossen Anbieter von SFCSystemen vertreten, darunter Agilent, Knauer, PerkinElmer, Shimadzu, Thermo Fisher und Waters.
In der Analytica-Conference-Session «Towards Sustainable HPLC» steht die SFC-
Tubes aus biobasiertem Kunststoff: An der Analytica präsentieren Aussteller ihre Lösungen für das grüne Labor. (Bild: Messe München)
Chromatographie ebenfalls auf dem Programm (24. März, 09:30–11:30 Uhr). Ein weiterer Schwerpunkt dieser Session liegt auf der Miniaturisierung, denn kleinere Geräte benötigen weniger Lösemittel und andere Chemikalien. Mikrofluidik-Chips für die Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) etwa lassen sich mit 3-DDruckern herstellen und mit gängigen
Pumpen sowie Detektoren verbinden. Um Miniaturisierung und 3-D-Druck geht es auch in der Session «Green Analytical Labs of the Future» (25. März, 15:00–17:00 Uhr). Highlight ist hier ein 3-D-gedrucktes Laborsystem namens «2LabsToGo-Eco», das Chromatographie und Bioassays kombiniert und sich mit Solarstrom versorgt.
Analytica Conference
Mit rund 190 Vorträgen bildet die Analytica Conference die gesamte Bandbreite der modernen Analytik ab und schlägt so die Brücke von der Forschung in die Routineanalytik. Die Top-Themen von 2026: Artificial Intelligence, Sustainability und Reasearch Data Management sowie Vorträge rund um Lebensmittelsicherheit, Wasseranalytik, oder Spektroskopie.
Unter dem Motto «Wissenschaft trifft Industrie» bringt die Konferenz seit vielen Jahren Forscher, Anwender und Hersteller zusammen und fördert so den Wissenstransfer und den direkten Austausch. Die Analytica conference findet vom 24. bis am 26. März im ICM – International Congress Center Messe München – in unmittelbarer Nähe zu den Messehallen statt. Die Teilnahme ist für alle Analytica-Besucher kostenlos.
Analytica Foren: Regulierung und Best-Practice-Beispiele
Wer sich über gesetzliche Vorgaben zu Nachhaltigkeit im Labor informieren möchte, sollte die Analytica Foren nicht verpassen. Hier erfahren Besucherinnen und Besucher zudem anhand von BestPractice-Beispielen, wie sie grüne Konzepte in ihrem Labor implementieren können. Inspirationen gibt es unter anderem zu Verbrauchsmaterialien aus Plastik, auf die Labore kaum verzichten können. Gut zu wissen, dass Aussteller wie Eppendorf, Integra und Omnilab ihr Portfolio schon in Richtung Nachhaltigkeit umstellen. Der Trend: Tubes, Pipettenspitzen und andere ausgewählte Verbrauchsmaterialien aus biobasierten Kunststoffen produzieren.
Nicht zuletzt spielen Digitalisierung und künstliche Intelligenz eine Schlüsselrolle im Green Lab. Denn wenn die KI Arbeitsabläufe und Versuchsdesigns optimal berechnet, lassen sich Energie und Verbrauchsmaterialien leicht einsparen. Digitale Datenerfassung und KI-gestützte Auswertung steigern zudem den Erkenntnisgewinn, sodass sich manche Messungen komplett erübrigen. In der Analytica Sonderschau «Digital Transformation» erlebt das Messepublikum digitalisierte Workflows in Aktion.
«Das grüne Labor wird Wirklichkeit, wenn Massnahmen in den verschiedensten Bereichen ineinandergreifen», sagt Susanne Grödl. «Mit der Analytica bringen wir Akteure entlang der gesamten Wertschöpfungskette zusammen und setzen damit jene Prozesse in Gang, die das Green Lab real werden lassen.»
Sonderschauen, Veranstaltungen und Foren
Neben der Analytica Conference, den Fokustagen und Foren bietet die Messe mit ihren Sonderschauen und Veranstaltungen («Events») praxisorientierte Plattformen für das Laborpersonal.
Die Sonderschau «Digital Transformation» denkt mit mehr als 10 Partnern das vernetzte Labor weiter: Herstellerübergreifend werden Software und Hardware-Produkte ineinander verzahnt für ein intuitives digitales Arbeiten im Labor. Die insgesamt 5 Anwendungsfälle zeigen ein breites Spektrum an Standard-Laborprozessen. Erleben Sie selbst das digital-vernetzte Arbeiten auf dem modularen iHEX-System. Apropos Inspiration für das Labor: Das beliebte «Analytica Live Lab» wird auch 2026 wieder im Fokus stehen. Hier präsentieren internationale Marktführer ihre innovativen Produkte und Gerätesysteme. Hier können Interessierte komplette Workflows und das Zusammenspiel neuester Produkte und Systeme in der Anwendung erleben.
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Wir unterstützen das Konzept der „Green Chemistry“ und das wachsende Bewusstsein für die Umweltauswirkungen chemischer Produkte und für deren Produktionsprozesse.
Mit den Green Solvents von CHEMSOLUTE® fördern wir diesen Schritt hin zu mehr Nachhaltigkeit und Sicher heit. Für viele herkömmliche Lösungsmittel wie beispielsweise Dichlormethan, DMF, Diethylether oder Petroleum-Derivate stehen bei uns grüne Alternativen zur Verfügung.
Messeplaner
Daten: 24. bis am 27. März 2026
Tagesticket: zwischen 43 € und 77 € (2- und 4-Tage-Tickets erhältlich) Öffnungszeiten: 9 bis 17 Uhr (27.3. bis 16 Uhr)
Ort: Messe München
Hallen: A1, A2, A3, B1 und B2
Veranstalter: Messe München GmbH Information: https://analytica.de
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Von der persönlichen Betreuung über schnelle Lieferung bis hin zu wichtigen Services decken wir alles ab, was für die komplette Laborausstattung benötigt wird. www.thgeyer.com
Impression der letzten Analytica-Ausgabe von 2024. (Bild: ChemieXtra)
Die IFAT belegt nicht nur sämtliche Messehallen, sondern dehnt sich auch auf den Aussenbereich aus. (Bilder: Messe München)
IFAT Munich 2026
Die Umweltbranche trifft sich in Bayern
An der IFAT, Messe für Umwelttechnologien, rückt die Verzahnung von Wasserwirtschaft, Recycling und Zirkularität in den Mittelpunkt. Vom 4. bis am 7. Mai werden in München über 3000 Aussteller aus mehr als 60 Ländern erwartet, die neue Lösungen für eine kreislauforientierte Ressourcenwirtschaft präsentieren.
Mit der Ausgabe 2026 findet die IFAT Munich erstmals während 4 Tagen statt (2024 waren es 5 Tage). Fachbesucherinnen und Fachbesucher aus Industrie, Kommunen, Versorgungs- und Entsorgungswirtschaft, Ingenieur- und Planungsbüros sowie Forschungseinrichtungen nutzen die Veranstaltung als Marktplatz für Investitionsentscheidungen und Kooperationen. Die Messe München wird an dann zum Knotenpunkt für Entscheider, technische Leitungen und Innovationsverantwortliche, die sich über aktuelle Entwicklungen in der Umwelttechnik informieren und Projekte anstossen wollen. Dank der hohen Internationalität auf Aussteller- sowie Besucherseite fungiert die IFAT (Ursprünglich von «Internationale Fachmesse für Abwassertechnik» abgeleitet) als Barometer für Trends im Bereich Regulatorik, Technolo -
gie und Geschäftsmodelle sowohl in etablierten als auch aufstrebenden Märkten der Umweltwirtschaft.
Lösungen für Wasser und Abwasser
Ein Schwerpunkt der diesjährigen Ausgabe liegt (traditionell) im Bereich Wasser- und Abwasserwirtschaft, der auf dem Messegelände eine durchgängige Kette von der Ressourcenerfassung über Aufbereitung und Verteilung bis hin zur Rückgewinnung abbildet. Besucherinnen und Besucher finden Anlagentechnik für die kommunale und industrielle Wasseraufbereitung, Systeme zur Prozesswasseroptimierung, Lösungen für die dezentral organisierte Wasserversorgung und -entsorgung sowie Komponenten zur Überwachung, Automatisierung und Digitalisierung von Infrastrukturnetzen.
Einen besonderen Stellenwert nimmt das Thema Energieeffizienz in Kläranlagen und Wassersystemen ein, etwa über Wärmerückgewinnung aus Abwasserströmen und optimierte Prozesse zur Senkung des Energieverbrauchs. Ergänzend rückten in den vergangenen Jahren resiliente Infrastrukturen, Starkregen- und Überflutungsschutz, der Umgang mit Wasserknappheit sowie der Eintrag von Spurenstoffen und Mikroplastik zunehmend ins Zentrum der Fachdebatte, die auf der IFAT 2026 mit neuen Technologien und Betreiberkonzepten fortgeführt wird.
Abfall, Recycling und Zirkularität
Unter dem Leitmotiv «Solutions for Water, Recycling and Circularity» setzt die Messe ein starkes Signal für den Umbau linearer
und Projekte für eine nachhaltigere Welt.
hin zu zirkularen Wirtschaftsmodellen. Im Segment Abfall- und Rohstoffwirtschaft reicht das Spektrum von Sammel- und Sortiertechnik über moderne Aufbereitungs- und Recyclinganlagen bis hin zu digitalen Plattformen zur Stoffstromoptimierung und Geschäftsmodelle für Sekundärrohstoffe.
Die Veranstaltung an der Messe München adressiert gleichermassen kommunale Entsorger, private Entsorgungsunternehmen und Industrieanwender, die vor der Aufgabe stehen, gesetzliche Vorgaben zur Kreislaufwirtschaft in technisch und wirtschaftlich tragfähige Lösungen zu übersetzen. Themen wie hochwertige Kunststoffrezyklate, rohstoffeffizientes Bauen, Kreislaufkonzepte für Batterien und Elektro altgeräte
Messeplaner
Daten: 4. bis am 7. Mai 2026
Tagesticket: zwischen 59 € und 90 € (3-Tages- und Wochen-Ticket erhältlich)
Öffnungszeiten: 9 bis 18 Uhr
Ort: Messe München
Hallen: ganzes Messegelände (von A1 bis C6)
Veranstalter: Messe München GmbH
Information: https://ifat.de
oder die Verknüpfung von Bioabfallnutzung und Energieerzeugung erscheinen hier nicht nur als technologische Einzelbausteine, sondern als integrierte Wertschöpfungsketten.
Rahmenprogramm als Innovationslabor
Das fachliche Rahmenprogramm ist im Ticketpreis inbegriffen und macht die IFAT zu weit mehr als einer klassischen Produktschau. Fachforen, Konferenzen, Diskussionspanels und Sonderveranstaltungen bringen Vertreterinnen und Vertreter aus Politik, Industrie, Kommunen und Wissenschaft zusammen, um über regulatorische Entwicklungen, Finanzierungsmodelle und Best-Practice-Beispiele zu diskutieren.
Live-Demonstrationen auf dem Freigelände sowie praxisnahe Vorführungen in den Hallen machen aktuelle Technologien direkt erlebbar, von mobilen Aufbereitungsanlagen über Sortiertechnik bis hin zu Einsatzszenarien für emissionsarme Nutzfahrzeuge. Ergänzt wird dies durch thematische Gemeinschaftsstände von Verbänden, Netzwerken und Regionen, die konkrete Projekte und Cluster-Initiativen sichtbar machen und den Zugang zu Ansprechpartnern aus Verwaltung, Wirtschaftsförderung und Forschung erleichtern.
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Offizieller Partner der
An der IFAT entstehen Kontakte, Ideen
Veranstaltungen
Bühnen, Umgebungen, Demos und Wettbewerbe
Das Veranstaltungsprogramm bietet dem Publikum ein vielfältiges Spektrum an Formaten, um aktuelle Umweltthemen praxisnah zu erleben. Auf mehreren thematischen Bühnen wie der «Blue Stage», «Orange Stage» und «Green Stage» werden Fachvorträge, Panels und Diskussionen zu Wasserwirtschaft, Recycling und Kreislaufwirtschaft geboten. Ergänzt wird das Programm durch geführte «Lösungstouren», die zielgerichtet zu Ständen mit passenden Technologien und Angeboten führen. In den «Spotlight Areas» erhalten Fachbesucher vertiefte Einblicke in Stoffströme, Innovationsprojekte und neueste Technologien für einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen. Für unmittelbare Praxiserfahrung sorgen «Live Demos & Wettbewerbe» auf
dem Aussengelände, wo Umwelttechnik in Aktion präsentiert und Leistungsfähigkeit im Wettbewerb sichtbar wird. Junge Unternehmen präsentieren ihre Ideen in der «Startup Area», die als Plattform für Zukunftskooperationen und innovative Geschäftsmodelle dient. Das gesamte Programm mit allen Vorträgen, Panels, Live-Demonstrationen und Partnerveranstaltungen inklusive Zeiten und Orten wird in einem detaillierten Online-Veranstaltungskalender gebündelt
Zukunftsthemen: Städte, Mobilität, Klima
Quer über alle Segmente hinweg prägen Zukunftsthemen wie nachhaltige Städte und Gemeinden, klimaneutrale Infrastrukturen und intelligente, emissionsfreie Mobilitätslösungen das Programm. Urbanes Wassermanagement, grün-blaue Infra -
strukturkonzepte, kreislauforientierte Quartiersentwicklung und integrierte Energielösungen rücken dabei ebenso in den Fokus wie datengestützte Planung, Monitoring und Steuerung über digitale Zwillinge und Smart-City-Plattformen.
D ie IFAT bietet damit einen Überblick, wie Umwelttechnologien, digitale Werkzeuge und neue Geschäftsmodelle zusammenspielen, um die Klimaschutzziele zu erreichen und gleichzeitig Versorgungssicherheit, Lebensqualität und Resilienz gegenüber Extremereignissen zu erhöhen. Für das Fachpublikum eröffnet die Veranstaltung so die Möglichkeit, technologische Innovationen im Kontext regulatorischer Rahmenbedingungen und gesellschaftlicher Transformationsprozesse einzuordnen – und die Weichen für die eigenen Projekte und Investitionen der kommenden Jahre zu stellen.
• Trocknung im Niedertemperaturbereich zwischen 20 °C und 90 °C
• Geschlossener Luftkreislauf - für emissionsfreie, stabile und wetterunabhänige Prozesse
• GMP-konforme und reinraumtaugliche Systemausführung
• Energie- und Kosteneinsparung durch perfekt kombinierte Luftaufbereitung und Luftführung
Chemspec Europe 2026
Treffpunkt für Fein- und Spezialchemie
Am 6. und 7. Mai findet die Chemspec Europe in Köln statt. Der Treffpunkt für die internationale Fein- und Spezialchemie-Branche bietet sowohl Netzwerk-Möglichkeiten als auch Zugang zu neuen Lieferanten und Partnerschaften.
Als branchenübergreifende Beschaffungsplattform für Fein- und Spezialchemikalien bringt die Chemspec Europe Hersteller, Einkäufer und technische Experten aus den Bereichen Pharmazeutika, Agrochemikalien, Spezialmaterialien, Beschichtungen, Körperpflege, Elektronik, Energie und vielen anderen Branchen zusammen, die auf chemische Lösungen angewiesen sind. Dank der frühen Zusagen zahlreicher Aussteller können sich die Teilnehmerinnen und Teilnehmer auf ein hochwertiges, internationales Angebot von über 400 globalen Lieferanten freuen. Besucherinnen und Besucher haben die Möglichkeit, Innovationen von weltweit anerkannten Marktführern wie Albemarle, Brenntag, CABB Group, Johnson Matthey, Saltigo, Sinopec und Yashashvi Rasayan zu entdecken.
Aufbauend auf dem Erfolg der letzten Ausgaben wird die Veranstaltung fundierte Inhalte mit wertvollen persönlichen Gesprächen verbinden. Sie wird den Teilnehmern helfen, sich in einem sich schnell verändernden Markt zurechtzufinden, der von regulatorischem Druck, Nachhaltigkeitsanforderungen und globalen Lieferproblemen geprägt ist.
Viele Produktlancierungen
Verbesserte Networking- und Matchmaking-Tools, die den Besucherinnen und Besuchern helfen, ihre richtigen Partner zu finden und jedes Meeting optimal zu nutzen. 84 Prozent des Messepublikums erreichten auf der letztjährigen Messe ihr Ziel, wieder mit Anbietern und Lieferanten in Kontakt zu treten.
«Da der Bereich der Fein- und Spezialchemikalien weiterhin einer der sich am schnellsten verändernden Märkte der Branche ist, war der Bedarf an gezielten persönlichen Kontakten noch nie so gross wie heute», erklärt Christiane Beck, Veranstal -
Impression der letzten Chemspec-Ausgabe. (Bild: RX Global)
tungsleiterin der Chemspec Europe, im Namen des Messeveranstalters RX. Die Messe bietet eine hochwertige Ausstellungsfläche, auf der die neuesten chemischen Lösungen und Dienstleistungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette präsentiert werden. Gemäss RX Global stellten bei den vergangenen Ausgaben 88 Prozent der Aussteller neue Produkte vor. Als flankierende Ergänzung bietet die Chemspec Europe ein ausgefeiltes Konferenzprogramm mit zwei Themensträngen, das strategische Einblicke in Regulierung, Geopolitik und Lieferketten sowie technische Innovationen in den Bereichen Pharma, Landwirtschaft und anderen Spezialanwendungen thematisiert. Es ist auch dieses Format, das den direkten Zugang zu
Entscheidungsträgern aus den Bereichen Beschaffung, Forschung und Entwicklung, Fertigung und Unternehmensführung bietet.
Veranstalter: RX Global Information: www.chemspeceurope.com
Systematische, softwaregestützte Energieoptimierung mit PinCH 4.0
Intelligenter Einsatz thermischer Energie
In Schweizer Industrieunternehmen entfällt 50 Prozent des Energieverbrauchs auf Prozesswärme. Durch eine sinnvolle Kopplung von Prozessströmen basierend auf der Pinch-Methodik lassen sich die Energiekosten um bis zu 40 Prozent senken. Die Software PinCH unterstützt die systematische Prozessintegration, indem sie energetische Zusammenhänge transparent macht und Optimierungsmöglichkeiten aus technischer und wirtschaftlicher Sicht bewertet. Damit ist sie ein wichtiges Instrument, um Energieeffizienzpotenziale im industriellen Umfeld ganzheitlich und praxisnah zu erschliessen.
Bianca Böhi, Elisa Frink, Donald Olsen ¹
Heizen und Kühlen sind zentrale Anforderungen zahlreicher Produktionsprozesse und verursachen einen erheblichen Anteil des Gesamtenergiebedarfs in Schweizer Industriebetrieben. Vor dem Hintergrund der daraus resultierenden hohen Kosten sowie einem gestiegenen Umweltbewusstsein gewinnt die Energieeffizienz zunehmend an Bedeutung. Klassische Energieoptimierungsansätze konzentrieren sich meist auf die Effizienzsteigerung einzelner Komponenten oder Apparate mittels kostenintensiver technischer Massnahmen. Im Gegensatz dazu betrachtet die Pinch-Analyse als Methode der Prozessintegration den Produktionsprozess systemisch und zielt darauf ab, durch eine optimale Verknüpfung von Energieströmen eine maximale Effizienz bei minimalen Kosten zu erreichen. Abbildung 1 zeigt die erfolgreiche Umsetzung einer solchen Massnahme, eine Reihe von Wärmeübertragern, die zum Vorwärmen von Rohöl in einer industriellen Raffinerie verwendet werden.
PinCH 4.0
PinCH ist seit vielen Jahren ein bewährtes Werkzeug zur Durchführung von PinchAnalysen in der industriellen Energieplanung. Frühere Versionen boten bereits umfangreiche Funktionen, wie die Auslegung von Wärmeübertragernetzwerken
(Heat Exchanger Networks, HEN), die Substitution von Versorgungsmedien sowie die Integration von Energieumwandlungssystemen, wie Wärmepumpen und KraftWärme-Kopplungsanlagen (KWK). Zudem unterstützt PinCH bereits seit Version 3.0 die Einbindung thermischer Energiespeicher (TES) über geschlossene Zwischenkreisläufe – basierend auf etablierten Pinch-Prinzipien für technisch saubere und wirtschaftlich sinnvolle Lösungen. Mit PinCH 4.0 baut das Werkzeug auf einer soliden wissenschaftlichen Grundlage auf und entwickelt sich gleichzeitig zu einer noch leistungsfähigeren und praxisorientierteren Lösung für Ingenieure, Energieplaner und Unternehmen, die auf dem Weg zu klimaneutraler Prozesswärme sind. Zahlreiche neue Funktionen erweitern die Anwendungsmöglichkeiten der Software. Dazu gehören unter anderem erweiterte Modellierungsoptionen für die medienab -
hängige Auslegung von Wärmeübertragern, nicht-isotherme Mischungen in der HEN-Auslegung, neue Energieumwandlungsmodule, verbesserte grafische Analysefunktionen sowie optimierte Exportfunktionen. Besonders hervorzuheben ist das neue Feature zur Modellierung offener TES-Systeme – ein Schritt, der noch flexiblere und innovativere Lösungen für industrielle Wärmesysteme ermöglicht.
Abbildung 2: Prozessanlage Brauerei.
Abbildung 1: WRG zum Vorwärmen von Rohöl in einer Raffinerie. (Bilder: Adobe Stock)
Abbildung 3: Wärmeübertrager- und Wärmespeichernetzwerk einer Brauerei mit Schichtspeicher und offenem Speicher. (Grafik: HSLU)
Neue Funktion zur Integration von Energiespeichern
In der Industrie werden viele Produkte mittels diskontinuierlicher Verfahren (Batch-Verfahren) hergestellt. Oft ist der Produktionszeitplan unregelmässig oder die Anforderungen an die zeitliche Flexibilität so hoch, dass eine Wärmerückgewinnung mit Zwischenspeicherung die einzige praktikable Optimierungsstrategie darstellt. Der Einsatz von Wärmespeichern erschliesst dabei zusätzliches Energieeinsparungspotenzial.
Eine neue Funktion für offene TES-Systeme ermöglicht, die Anzahl notwendiger Wärmeübertrager zu reduzieren und Zwischenkreisläufe zu vermeiden: Prozessströme können direkt als Speichermedium genutzt werden, beispielsweise Brauwasser in Brauereien. Dies senkt die Kosten und vereinfacht das Gesamtsystem. Mit PinCH 4.0 lässt sich die systematische Integration solcher offenen Wärmespeicher realisieren. Dabei können sowohl die relevanten Wärmequellen und -senken untersucht als auch die optimalen Speicherka -
pazitäten und -temperaturen ermittelt werden, einschliesslich einer wirtschaftlichen Bewertung des Systems. Ein offenes Speichersystem wird vor allem dort eingesetzt, wo grosse Mengen Heisswasser direkt im Prozess benötigt werden. Vorteile sind: einfachere Steuerung durch Fixed-Temperature-Variable-Mass (FTVM), stabilere Temperaturen ohne Mischungsprobleme sowie ein geringerer Bedarf an Wärmeübertragern. Wird zusätzlich ein Pufferspeicher benötigt, kann dieser mit weniger Temperaturstufen ausgeführt werden. Die genannten Vorteile führen in der Regel zu geringeren Investitions- und Betriebskosten, auch wenn teurere Materialien (z. B. Edelstahl statt Stahl) und ein grösseres Speichervolumen notwendig sind. Die maximale Wassertemperatur ist bei einem offenen System auf unter 100 ° C beschränkt. Ausserdem kann ein offenes Speichersystem in manchen Anwendungen weniger flexibel sein als ein Geschlossenes. Insgesamt bietet das System eine technische Vereinfachung und ökonomische Vorteile, ist im Gegenzug jedoch auf
bestimmte Temperatur- und Materialanforderungen begrenzt.
Praxisbeispiel Brauerei
Bei der Herstellung von Bier in einer Brauerei treten im Produktionsprozess diskontinuierliche Ströme mit stark variierenden Temperaturen auf. Während des Brauprozesses gibt es sowohl Heiz- als auch Kühlanforderungen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Ein Speichersystem erlaubt es, überschüssige Prozesswärme zwischenzuspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt für andere Prozessschritte zu nutzen. Dadurch wird die Energieeffizienz des Gesamtprozesses signifikant gesteigert. Da das Brauwasser selbst als Speichermedium dienen kann, werden zusätzliche Apparate wie Wärmespeicher oder Zwischenkreisläufe reduziert. Dies senkt sowohl Investitions- als auch Betriebskosten und ermöglicht eine flexible Anpassung an den Produktionszeitplan. Abbildung 2 zeigt die Prozessanlage einer Brauerei.
In der betrachteten Brauerei ermöglicht die Investition von 1,71 Millionen Euro in ein geschlossenes Speichersystem eine Integration von 5,8 MWh an indirekter Wärmerückgewinnung pro Batch. Bei einer Jahresproduktion von 764 Batches ergibt sich eine Amortisationszeit von 3,8 Jahren. Zum Vergleich: Ein offenes Speichersystem kann mit einer geringeren Investition von 1,21 Mio. Euro installiert werden und weist aufgrund der niedrigeren Investitionskosten bei gleichem Energierückgewinnungspotenzial eine Amortisationszeit von lediglich 2,7 Jahren auf. Abbildung 3 zeigt das dazugehörige Wärmeübertrager- und Wärmespeichernetzwerk (Heat Exchanger and Storage Network, HESN).
Die Pharmaindustrie als global grösster Anwender von (U)HPLC Systemen gilt als Treiber für die kontinuierliche Produktentwicklung. So werden Spezifikation, Funktionalität und Bedienbarkeit verbessert, dem aktuellen Stand der Technik angepasst und in jüngster Zeit mehr «Analytical Intelligence» implementiert, um Ausfallzeiten zu reduzieren, notwendigen Service anzukündigen und im laufenden Betrieb Störungen wie zum Druckabfall und damit einhergehende Basislinienfluktuationen durch Spülen und nachgeschaltetem Systemtest zu registrieren und zu beheben.
Dr. Björn-Thoralf Erxleben ¹
Mit der aktuellen modularen (U)HPLCProduktserie stehen dem Anwender Systeme für den Einsatz im HPLC-Bereich (bis 44 MPa) und verschieden UHPLC-Varianten (bis 70 MPa, bis 100 MPa oder 130 MPa) zur Auswahl, die als quaternärer Gradient (mit Mischen der mobilen Phase auf der Niederdruckseite) und binäre oder ternäre Hochdruckgradienten genutzt werden können. Bei den Detektoren stehen neben Standard-Detektoren (UV, PDA, Brechungsindex, Fluoreszenz) auch unterschiedliche massenspektrometrische Detektoren (MS) zur Auswahl: Single-Quadrupol, verschiedenen Triple-Quadrupole oder Quadrupol-Time of Flight.
Mit den (U)HPLC-Modulen sind diverse Konfigurationen realisierbar: Systeme mit grosser Probenkapazität, Systeme für mehrdimensionale Trennungen oder mit mehreren Trennsäulen, gegebenenfalls mit Auswahlmöglichkeiten von mobilen Phasen zur Methodenentwicklung, oder Kombinationen mit anderen Analysentechniken.
GC bleibt wichtig –SFC wird Routine
Die Fortschritte im Bereich der Flüssigchromatographie lassen die Gaschromatographie (GC) oftmals unberechtigterweise etwas in den Hintergrund geraten, ist diese doch für die Analyse von leicht flüchtigen Verbindungen (zum Beispiel in Inhala -
1 Senior Manager, Shimadzu Europe GmbH
Brevis GC-2050 – Das vielseitige, kompakte GC-System, das die Laboreffizienz maximiert. (Bilder: Shimadzu)
tionsnarkotika) und für die Analyse von Lösungsmittelrückständen im Wirkstoff oder Endprodukt unverzichtbar. Stetig wachsende Anforderungen an den Nachweis auch geringster Konzentrationen von Verunreinigungen und Abbauprodukten unterstreichen die Notwendigkeit einer «High-end»-Gaschromatographie in Technik und Detektion.
Neben der weit verbreiteten HPLC und GC galt die Superkritische Flüssigchromatographie (SFC) lange als technisch aufwendig und wenig routinetauglich. Umweltaspekte und innovative Konzepte für Gegendruckstabilisierung und die Trennung von Flüssig- und Gasphase haben dies in den letzten Jahren geändert. So setzt Shimadzu
auf die SFC als komplementäre Technik –wachsende Akzeptanz und Zahl von Anwendern ist eine Bestätigung dieser Strategie.
UHPLC und SFC in einem System vereint
Die Möglichkeit, in einem System entweder die UHPLC oder SFC verwenden zu können, und somit die Vorteile beider Techniken nutzen zu können, verändert und erweitert deren Einsatzbreite deutlich. Sind es auf der einen Seite die Vielfalt der Applikationen einer UHPLC durch grosse Auswahl von Kombinationen von stationären und mobilen Phasen, bietet auf der anderen Seite der Einsatz von superkritii-Series LC-2070/2080 – Die kompakte und integrierte (U)HPLC-Serie von Shimadzu.
Nexera UC Prep – Ein präparatives System für SFC mit Multifraction Collection und dem patentierten Lotus Stream-Separator.
schem Kohlendioxid als Lösungsmittel neue Möglichkeiten – gerade für chirale Trennungen – und eine Chance, umweltschonender zu arbeiten, ohne auf chromatographische Trennleistung verzichten zu müssen.
Für den Einsatz in Aufreinigung und Aufkonzentrierung kleiner Substanzmengen ist eine Semi-prep-SFC (Nexera UC prep) verfügbar. Für die effiziente Trennung von Flüssig- und Gasphase ist ein patentiertes Zubehör (Lotus Stream) für analytische oder präparative Anwendungen entwickelt worden. So kann eine SFC je nach analytischer Fragestellung eine wertvolle Alternative sein, ohne HPLC oder GC zu verdrängen.
«Grüne» Superkritische Flüssig-Extraktion
Probenvorbereitung und deren Automatisierung gewinnen immer mehr an Bedeutung, hier sind neben der automatischen Abarbeitung vormals manueller Arbeitsschritte auch Anpassungen am bestehenden Arbeitsablauf gefragt. Eine bislang selten genutzte Technik ist die Superkritische Flüssig-Extraktion. In Kombination mit einem SFC-System ergibt sich hier eine «grünere» Alternative zur klassischen Flüssig-flüssig-Extraktion und Trennung ohne Verwendung grösserer Mengen an organischen Lösungsmitteln.
Alternativen zu Standard-Lösungsmittel wie Bio-Ethanol, Bio-Methanol und anderen Lösungsmitteln sind derzeit vielerorts
im Test und sind im Zusammenspiel gerade mit SFE und SFC künftig ein interessanter Ansatz auch für die pharmazeutische Industrie.
Für Biomoleküle sind bioinerte/biokompatible Pumpen und Probengeber im Portfolio, die insbesondere bei Applikationen für Oligonukleotide in Bezug auf geringste Probenverschleppungen von Interesse sein könnten.
Speziell für den Routine-Einsatz im Bereich der Qualitätskontrolle ist das kompakte i-Series-System konzipiert. Auch hier sind HPLC oder UHPLC (bis 70 MPa) auswählbar. Geringe Ausfallzeiten und wenig Wartungsaufwand haben die i-Series in vielen Unternehmen als robustes System etabliert. Falls der integrierte Standard-Detektor (UV oder PDA) nicht ausreicht, sind andere Detektoren zusätzlich nutzbar und werden vom System unterstützt.
Eine Steuerungssoftware für alle
Alle hier beschriebenen Systeme und Konfigurationen werden durch die LabSolutions TM Software gesteuert, die neben Chromatographie- (LC und GC) und MS-Systemen auch die Spektroskopie, TOC-Instrumente sowie physikalische Testmethoden (Partikelmesstechnik, Druck- und Zugprüfsysteme) kontrolliert sowie deren Daten in einer gemeinsamen Datenbank verwalten kann. Ein entscheidender Punkt für den Einsatz eines HPLC-Systems ist und bleibt die
Kompatibilität zu einem bestehen Chromatographie-Datensystem. Auch hier war es eine Forderung der pharmazeutischen Industrie, die die Entwicklung von Softwaretreibern für die anderen Netzwerkanwendungen (Empower®; Chromeleon®, OpenLab®) getrieben hat. So werden derzeit HPLC- und GC-Systeme in derartigen Softwareumgebungen in der Industrie genutzt. Darüber hinaus ist die Instrumentenkontrolle auch in MS-Softwarepaketen anderer Hersteller realisiert.
Bei präparativen Anwendungen bietet Shimadzu semi-präparative (für Flussraten bis 20 ml/min) und präparative (für Flussraten bis 150 ml/min) Lösungen, kombinierbar mit Fraktionssammler oder Liquidhandler (Kombination von Probengeber und Fraktionssammler). Ein spezielles Setup ist die UFPLC (Ultra Fast Preparative and Purification Liquid Chromatograph) dabei werden präparative Trennung, Aufkonzentrierung, Aufreinigung, Elution und Fraktionierung der Moleküle in einem System kombiniert. Als Detektor wird hier idealerweise ein massenspektrometrischer Detektor (LCMS-2050) eingesetzt. Spezielle Trap-Säulen ermöglichen den Einsatz für verschiedene Wirkstoffe (anionisch oder kationisch) für Kapazitäten von bis zu 100 mg. Aktuelle Chromatographie-Systeme sind in den letzten Jahren in Bezug auf Energieverbrauch und Umweltfreundlichkeit optimiert worden, so dass die aktuelle Geräteserie gegenüber ihren Vorgängern deutlich besser abschneidet. Die neu vorgestellte 4. Generation der i-Series verwendet für das Gehäuse zum Beispiel recycelte Materialien.
Nicht alle möglichen oder bereits umgesetzte Systemkonfigurationen können in diesem Beitrag erwähnt werden. Anfragen nach speziellen Lösungen und neuen Funktionen sind immer Ansatz und Ansporn für die Entwicklungsabteilungen.
Die Valegro Serie ist eine neue Generation von Umlaufkühlern, die Julabo als verlässlicher Partner für präzise und effiziente Temperierung entwickelt hat. Mit ihrer starken Kühlleistung und dem modernen Design passen die Geräte perfekt in jede Arbeitsumgebung und liefern genau die Temperaturkontrolle, die die Anwendung erfordert.
Dabei schonen die Umlaufkühler nicht nur wertvolle Ressourcen, sondern auch die Umwelt: Dank des Einsatzes natürlicher Kältemittel und einer intelligenten, energieeffizienten Technik arbeiten die Geräte nachhaltig und zukunftssicher. Intuitive Bedienung, clevere Features und flexible Anpassungsmöglichkeiten machen Valegro zum Allrounder, der den Arbeitsalltag spürbar erleichtert – vom präzisen Laborversuch bis hin zur anspruchsvollen industriellen Daueranwendung.
Valegro überzeugt durch Benutzerfreundlichkeit
Bei der Entwicklung der Valegro Umlaufkühler lag der Fokus auf maximaler Anwenderzufriedenheit. Das ergonomisch geneigte OLED-Display, die leicht erreichbaren Schnittstellen darunter sowie die deutlich erkennbare, beleuchtete Füllstandsanzeige sorgen für eine besonders komfortable Bedienung und ermöglichen zugleich die platzsparende Aufstellung unter dem Labortisch. So lassen sich Arbeitsabläufe effizienter gestalten und wertvoller Raum im Labor gewinnen. Das abnehmbare Lüftungsgitter erleichtert zudem die Reinigung des Verflüssigers und trägt damit langfristig zur gleichbleibenden Leistung und hohen Betriebssicherheit des Geräts bei.
Die Menüführung unterstützt eine sichere Bedienung
Alle Funktionen lassen sich einfach und intuitiv bedienen. Volltext-Hinweise in Deutsch und Englisch unterstützen den Anwender bei einer schnellen Reaktion auf mögliche Störungen und gewährleisten jederzeit einen sicheren Betrieb. Praktische Features wie Timer, Autostart und Datenaufzeichnung erleichtern die Prozessüberwachung, steigern die Effizienz und sparen wertvolle Zeit im Arbeitsalltag.
Für höchsten Bedienkomfort: OLED-Touch-Display mit intuitiver Menüführung. (Bild: Julabbo)
Valegro Schnittstellen zur Systemanbindung
Die RS232- und USB-C-Schnittstellen sind standardmässig integriert, direkt unter dem Front-Display positioniert und jederzeit bequem zugänglich. Optional steht eine Ethernet-Schnittstelle zur Verfügung, über die sich das Gerät nahtlos in jedes Netzwerk einbinden lässt – für vollen Zugriff auf alle Funktionen direkt vom PC aus.
Präzise gesteuerter
Pumpendruck
Alle Valegro Modelle sind mit einer leistungsstarken Pumpe ausgestattet. Die Standardmodelle bieten einen Pumpendruck von maximal 1.1 bar, welcher in einzelnen Prozentschritten über das Menü gesteuert werden kann. Die Modelle mit bis zu 3.5 bar Pumpendruck verfügen darüber hinaus über einen integrierten Drucksensor, wodurch eine präzise Druckregelung über den Touchscreen möglich ist.
Die Valegro Serie spart Energie
Bei den Modellen mit einer Kälteleistung ab 800 Watt kommen besonders energieeffiziente Komponenten wie drehzahlge -
regelte Verdichter und Lüfter zum Einsatz. Das reduziert den Energiebedarf deutlich und senkt die Betriebskosten in vielen Anwendungen spürbar – mit dem Ergebnis einer schnelleren Amortisation der Anschaffung. Gleichzeitig trägt der geringere Energieverbrauch aktiv zum Klimaschutz bei.
Das passende Valegro Modell
Valegro Umlaufkühler lassen sich in vier Kategorien aufteilen, die je nach Kundenbedürfnis die ideale Lösung für Temperieranwendungen aller Art darstellen:
– Valegro Umlaufkühler
– Valegro Umlaufkühler mit erweitertem Temperaturbereich
– Valegro Umlaufkühler mit erhöhter Pumpenleistung
– Valegro Umlaufkühler mit erweitertem Temperaturbereich und erhöhter Pumpenleistung
Sicher vor Überfüllung und Leckage geschützt: Dutzende Vibrationsgrenzschalter und Radar-Füllstandsensoren von Vega überwachen die Lagerbehälter der Friedrich Scharr KG und gewährleisten so die sichere Handhabung von Kraftstoffen und Lösungsmitteln.
Armin Scheuermann ¹
Dutzende Messstellen regelmässig zu überprüfen, ist keine leichte Aufgabe –aber immer dann ein absolutes Muss, wenn es um die Überwachung wassergefährdender Flüssigkeiten geht. Für die Friedrich Scharr KG in Stuttgart-Vaihingen, Spezialist für Kraftstoffe und Lösungsmittel, hat der Anlagenbau-Spezialist Göhler eine neue Tankanlage mit 22 oberirdischen Lagerbehältern mit einem Gesamtlagervolumen von 2 Mio. Litern gebaut. Insbesondere in puncto Umweltschutz überzeugt die Tankanlage, welche in Sachen Umweltschutz Massstäbe setzt. Besondere Bedingungen wie Erdbebensicherheit und Unterbringung der Lagerbehälter auf mehreren Stockwerken im Gebäude mussten beim Bau der neuen Tankanlage berücksichtigt werden. Und die Messtechnik dafür kommt von Vega –auch weil die Lösung die regelmässigen WHG-Prüfungen (Wasserhaushaltsgesetz) deutlich vereinfacht.
Zwei Millionen Liter stehen für Versorgungssicherheit: Mehr als 250.000 Kunden versorgt die Friedrich Scharr KG mit ihren Tochtergesellschaften in Süddeutschland mit Mineralöl, Flüssiggas, Erdgas, Strom, Biokraftstoffen und Lösungsmitteln – vom Privathaushalt bis zum Industriebetrieb. Zwei Millionen Liter fasst das im Juli 2024 eingeweihte neue Chemietanklager von Scharr in Stuttgart-Vaihingen – aufgeteilt auf 40 Tankkammern mit einem Fassungsvermögen zwischen 40.000 und 100.000 Litern. Abgefüllt werden daraus vollautomatisch Kleingebinde für Gerätebenzin, Lösungsmittelgebinde,
1 Chemieingenieur und freiberuflicher Fachjournalist
Sicherheit in Reih und Glied: rund 170 Vibrationsgrenzschalter VEGASWING 63 sind im neuen Chemietanklager bei Scharr in Stuttgart-Vaihingen verbaut und schützen Tank und Betrieb vor Überfüllung und Leckagen. (Bilder: Göhler)
Kanister, Fässer und IBC. Und auch ein 15.000 Liter fassender Mischkessel, in dem Lösemittel individuell nach Kundenwunsch gemischt werden, gehört zum aktuellen Projekt. Mit der neuen Tankanlage hat das Traditionsunternehmen sein Chemietanklager in Stuttgart auf den neuesten Stand der Technik gebracht.
Die Projektziele waren von Anfang an klar definiert: verbesserte Wirtschaftlichkeit, maximale Anlagensicherheit und eine Minimierung der Umweltbelastung. Geplant und gebaut, wurde das Chemikalienlager vom Gefahrstoffspezialisten Göhler Anlagentechnik, einem langjährigen Partner der Friedrich Scharr KG. Das Unternehmen aus dem unterfränkischen Hösbach realisiert seit über 70 Jahren schlüsselfertige Lösungen für die Lagerung gefährlicher Medien und bietet Dienstleistungen über den gesamten Lebenszyklus der Anlagen an.
Weniger Emissionen, sicher vor Produktaustritt
Das neue Anlagenkonzept sieht vor, dass die Tankwagen an zwei Be- und Entlade -
stationen auf geeichten Bodenwaagen befüllt bzw. entladen werden. Dadurch entfallen die bisher notwendigen Pendelfahrten zwischen dem alten Tanklager und der LKW-Waage auf dem Betriebsgelände. Da die Tankwagen bis zu sieben Tankkammern haben und die Produkte einzeln verwogen werden müssen, kam es bisher zu erheblichem innerbetrieblichen Verkehr mit entsprechenden Emissionen. Mit der neuen Tankanlage entfällt dieser nun komplett, wodurch die Wirtschaftlichkeit steigt, und die Umweltbelastung sinkt. Letzteres wird auch durch den Einsatz erneuerbarer Energien wie Photovoltaik und die Nutzung von Nahwärmenetzen erreicht. Eine zentrale Rolle für Sicherheit und Umweltschutz spielt im neuen Chemikalientanklager die eingesetzte Messtechnik. Diese plante Göhler gemeinsam mit seinem langjährigen Partner Vega. «Die Vega-Messtechnik setzt Massstäbe in der Betriebssicherheit und der Messgenauigkeit für diese Prozesse», sagt René Kozica, Projektleiter bei Göhler. Überfüllund Leckagesicherung spielen dabei eine
Der fokussierte Messstrahl der Radar-Füllstandmessgeräte VEGAPULS 6X in 80-GHz-Technik erlaubt den Einbau mit kleinen Prozessanschlüssen.
wesentliche Rolle. Durch den Einsatz modernster Sensorik wird sichergestellt, dass keine umweltgefährdenden Stoffe unkontrolliert austreten können.
Die Überfüllsicherungen sind so konzipiert, dass sie präzise und zuverlässig arbeiten. Bei der Friedrich Scharr KG sind zahlreiche Sensoren installiert, die den Füllstand kontinuierlich überwachen. Wird ein kritischer Punkt erreicht, schlagen die Systeme Alarm und verhindern so ein Überlaufen der Tanks. Auch Leckagesensoren sind fester Bestandteil der Sicherheitsmassnahmen. Sie werden strategisch an potenziellen Schwachstellen platziert, um selbst kleinste Lecks sofort zu erkennen. Diese Massnahmen minimieren das Risiko von Umweltschäden erheblich.
Zuverlässige Messtechnik gefragt
Für die Umsetzung der Messtechnik wurden Geräte von Vega gewählt. Das Unternehmen ist bekannt für seine robusten und zuverlässigen Lösungen im Bereich der Füllstand- und Druckmesstechnik.
«Die Entscheidung für Vega fiel aufgrund des hohen Qualitätsstandards und der innovativen Technologien. Die eingesetzten Geräte bieten einzigartige Features, die sie speziell für die Anforderungen der Friedrich Scharr KG prädestinieren», sagt René Kozica.
Dazu gehört beispielsweise eine Testtaste an den Steuergeräten, mit der die Funktion der Überfüllsicherungen effizient und unkompliziert getestet werden kann. Diese
Doch auch die Simulation führt in der Praxis zu einem erheblichen Aufwand: Im neuen Tanklager von Scharr sind fast 170 Vibrationsgrenzschalter als Überfüll- und Leckage-Sicherungen sowie rund 40 kontinuierliche Radar-Füllstandmessgeräte VEGAPULS installiert. Bei einer Simulation über Gerätetaster müssten die Überfüllsicherungen vom Prüfpersonal vor Ort aufgesucht und betätigt werden. Und oft sind die Geräte in der Anlage nicht nur schwer zugänglich, sondern auch in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen installiert – im Chemikalienlager von Scharr beispielsweise überwiegend im Ex-Bereich.
WHG-Prüfung am Schaltschrank statt vor Ort
Innovation spart nicht nur Zeit, sondern auch Kosten, da die Prüfungen regelmässig und ohne grossen Aufwand durchgeführt werden können.
Ein Blick auf die herkömmliche Prüfprozedur für Überfüllsicherungen verdeutlicht die Vorteile der Vega-Lösung: Mindestens einmal im Jahr, manchmal auch deutlich häufiger, muss sich der Betreiber davon überzeugen, dass die Überfüllsicherung auch tatsächlich funktioniert. Überfüllsicherungen an Behältern und Tanks sind durch das WHG und die darauf basierenden Verordnungen vorgeschrieben. Wie oft geprüft werden muss, ergibt sich zum einen aus der Gefährdungsbeurteilung des Anlagenbauers und -betreibers und zum anderen aus den Vorgaben der zuständigen Überwachungsbehörde – in jedem Fall mindestens einmal pro Jahr. Bei der Prüfmethode hat der Betreiber die Wahl: Bei der Inbetriebnahme wird in der Regel «nass angefahren», d. h. der Behälter wird bis zur Ansprechhöhe gefüllt. Im laufenden Betrieb ist diese Prüfmethode mit einem hohen Aufwand verbunden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Überfüllsicherung auszubauen und die Sonde in einen Behälter zu halten, der mit dem Medium oder einer Ersatzflüssigkeit gefüllt ist. Auch hier ist der Aufwand gross und das Gefährdungspotenzial für das prüfende Personal hoch.
Daher hat sich die Prüfung durch Simulation der Grenzwerte durchgesetzt. Dazu wird am Grenzsignalgeber ein Taster betätigt, der das Ansprechen des Sensors simuliert.
Bei Vega hat man sich schon vor Jahren darüber Gedanken gemacht und das Problem anders gelöst: Nämlich mit einem im Schaltschrank eingebauten Steuergerät (VEGATOR). Dieses überträgt NAMUR-Signale (IEC 60947-5-6) zur Grenzstandmeldung und stellt einen Relaisausgang für die Vibrationsgrenzschalter VEGASWING, VEGAVIB und VEGAWAVE zur Verfügung. Die Prüftaste für die Funktionsprüfung nach WHG wandert damit vom Grenzschalter auf dem Behälter zum Steuergerät im Schaltschrank – und dort befinden sich schliesslich die Steuergeräte für viele Grenzschalter aufgereiht nebeneinander. «Das vereinfacht die Prüfung erheblich, da das Anlagenpersonal die Prüfung zentral am Steuergerät durchführen kann», erklärt Manuel Hildebrandt, der das Projekt für Vega betreut hat. Ein überzeugendes Argument für Scharr und Göhler.
Der Anlagenbauer profitierte bei diesem Grossauftrag auch von einer weiteren Besonderheit der Vega-Sensoren: Dank einer flexiblen Arretierverschraubung lassen sie sich in der Höhe individuell anpassen. So ist es möglich, für nahezu alle Anwendungen Vibrationsgrenzschalter in der gleichen Standardlänge zu bestellen – was nicht nur die Planung, sondern auch die Lagerhaltung deutlich vereinfacht.
Dass neben der kontinuierlichen Füllstandmessung in einigen Tanks auch Überfüllsicherungen installiert wurden, liegt vor allem an der rigiden Sicherheitsphilosophie von Göhler. Denn obwohl kontinuierlich messende Radargeräte teilweise auch als WHG-konforme Überfüllsicherung einge -
Wirkungsvoll gegen Pumpenschäden durch Überhitzung oder fehlende Schmierung: der VEGASWING-Trockenlaufschutz.
setzt werden können, setzt der Anlagenbauer hier auf diversitäre Redundanz. Dies erhöht die Sicherheit, was auch der Betreiber zu schätzen weiss.
Für den Einsatz als Leckagesensor an Pumpen bringen die Vibrationsgrenzschalter eine weitere clevere Eigenschaft mit: Die Empfindlichkeit ist einstellbar. Denn üblicherweise muss die Schwinggabel bei einem Medium mit einer Dichte von 1 kg/l (Wasser) 13 Millimeter tief eintauchen, bevor das Gerät umschaltet – bei Medien wie Lösungsmittel, die eine deutlich geringere Dichte haben, ist noch mehr Leckage nötig.
«Je nach Grösse der Auffangwanne können 13 mm und mehr schon eine grosse Leckage bedeuten», erklärt Manuel Hildebrandt, Vertriebsinnendienst Vega. «Deshalb lässt sich die Empfindlichkeit der VegaSWING-Sensoren so einstellen, dass bereits Füllhöhen von wenigen Millimetern ausreichen, um den Kontakt auszulösen.»
80-GHz-Radar ermöglicht kleine Prozessanschlüsse
Dass die Wahl für die Radarmessungen auf das 80-GHz-Freistrahlgerät VEGAPULS fiel, war ebenfalls kein Zufall. Die starke Bündelung des Messstrahls ermöglicht kleine Prozessanschlüsse. Ob grosser Tank oder kleiner Behälter – ein Einschraubgewinde mit 1,5 Zoll Durchmesser reicht für den Anschluss der leistungsstarken Radargeräte aus. Hinzu kommt, dass der stark gebündelte Messstrahl richtig positioniert
in der Regel unbeeindruckt von Einbauten oder Rührwerken im Behälter misst. «Das freistrahlende Radar hat aber noch einen weiteren Vorteil», erklärt Hildebrandt. «Sonde und Prozessanschluss werden nicht vom Medium berührt – so gibt es keine Probleme mit der Materialbeständigkeit.» Die sind bei Vega-Geräten ohnehin eher selten, denn der Hersteller verwendet hochwertigen Edelstahl (316 L) und Radarantennen aus dem extrem widerstandsfähigen Kunststoff PEEK.
Fazit für Tanklager-Planer und -Betreiber
Das neue Chemikalientanklager der Friedrich Scharr KG ist ein Beispiel dafür, wie durchdachte Planung und der Einsatz modernster Technik zur Verbesserung der Umweltbilanz beitragen können. Die Zusammenarbeit mit Göhler und die Wahl der Vega-Messtechnik zeigen, dass nachhaltige Lösungen nicht nur möglich, sondern auch wirtschaftlich sinnvoll sind. «Die Anlage zeigt, wie technologische Innovationen dazu beitragen können, die Herausforderungen der modernen Welt zu meistern und gleichzeitig den ökologischen Fussabdruck zu reduzieren – ein Vorzeigeprojekt für die Chemielogistik», resümiert Kozica.
Vega Messtechnik AG CH-8330 Pfäffikon (ZH) info.ch@vega.com www.vega.com
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Bioinerte Chromatographie in der biopharmazeutischen Analytik
Peakform und Recovery – gezielt stabilisiert
In der biopharmazeutischen Analytik entscheiden oft Details über die Qualität einer Trennung. Gerade bei empfindlichen Biomolekülen zeigen sich kleine Wechselwirkungen schnell in der Peakform oder Recovery. Nicht immer liegt die Ursache in der Methode selbst – häufig spielt die Systemoberfläche eine entscheidende Rolle.
Um unerwünschte Wechselwirkungen zu minimieren, gewinnen bioinerte Materialien sowohl im LC-System als auch in der Säulentechnologie zunehmend an Bedeutung. Dabei reicht es nicht aus, einzelne Komponenten zu beschichten oder punktuell zu optimieren. Entscheidend ist die konsequente Betrachtung aller analytenberührenden Oberflächen als funktionale Einheit.
Bioinerte Oberflächen
Denn gerade bei metallsensitiven Biomolekülen oder niedrigen Konzentrationen zeigen sich selbst minimale Oberflächenaktivitäten unmittelbar in der Peakform oder Recovery. Bioinertheit ist daher weniger ein Ausstattungsmerkmal als vielmehr ein konstruktives Prinzip.
Eine durchgängige Inertisierung von Säulenkörper und Fritten kann dazu beitragen: – Adsorption empfindlicher Analyten zu reduzieren – Carry-Over-Effekte zu minimieren – die Probenrückgewinnung zu verbessern – reproduzierbare Peakformen zu erzielen. Mit zunehmender Sensitivität analytischer Fragestellungen wird diese ganzheitliche Betrachtung zum Qualitätsfaktor.
Einige Hersteller haben begonnen, Bioinertheit nicht als Zusatzoption, sondern als integralen Bestandteil der Säulenarchitektur zu verstehen. So verfolgt YMC mit der Accura-Serie einen konsequent durchgängigen Ansatz, der auf minimale Wechselwirkungen ausgelegt ist.
Dieser konstruktive Gesamtansatz ermöglicht eine stabile Analytik auch bei stark adsorbierenden oder metallsensitiven Verbindungen – ohne aufwendige Workarounds oder Systemanpassungen. Gerade in der Methodenentwicklung sowie beim Transfer vom Labor- in den Produktionsmassstab zahlt sich diese konstruktive
Es ist die Betrachtung aller analytenberührenden Oberflächen als funktionale Einheit, die in der Chromatographie von Biomolekülen zum Erfolg führt. (Bild: YMC Europe)
Konsequenz aus. Robustheit entsteht nicht zufällig, sondern durch systematisch minimierte Einflussfaktoren.
Selektivität und Robustheit
Die gezielte Selektivität der stationären Phase spielt eine zentrale Rolle. Unterschiedliche Trennmechanismen – etwa RP, HILIC oder IEX – werden je nach Molekülklasse eingesetzt und erfordern stabile Materialien mit definierter Oberflächenchemie. Moderne bioinerte HPLC- und UHPLCSäulen, wie beispielsweise die Accura-Serie von YMC, kombinieren eine inerte Oberflächenbeschichtung mit bewährten stationären Phasen. Dadurch lassen sich auch stark adsorbierende oder metallsensitive Verbindungen analysieren, ohne dass eine aufwendige Proben-Vorkonditionierung erforderlich ist.
Von Analytik bis Prozess
In der biopharmazeutischen Entwicklung ist die Übertragbarkeit chromatographischer Methoden von der analytischen Charakterisierung hin zur präparativen oder industriellen Aufreinigung ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Ein konsistenter Methodentransfer reduziert Entwicklungsrisiken, verkürzt Time-to-Market-Zeiten und unterstützt regulatorische Anforderungen.
Neben analytischen Säulen umfasst das Portfolio spezialisierter Hersteller daher häufig auch Resins für die Prozesschromatographie sowie Laborglas- oder Pilotsäulen. Entscheidend ist dabei nicht nur die Leistungsfähigkeit einzelner Materialien, sondern vor allem deren Reproduzierbarkeit und langfristige Materialkonstanz – insbesondere unter GMP- und regulatorischen Rahmenbedingungen. Hersteller mit durchgängiger Expertise entlang der gesamten Entwicklungskette ermöglichen hier eine konsistente Skalierungsstrategie. Unternehmen wie YMC verfolgen einen integrierten Ansatz, der analytische und präparative Produkte technologisch aufeinander abstimmt und so eine belastbare Grundlage für den Methodentransfer schafft.
Komfortabel zur Methode
Gerade bei komplexen Biomolekülen ist die Auswahl geeigneter stationärer Phasen eng mit der Applikationsentwicklung verknüpft. Materialeigenschaften, Selektivität und chemische Stabilität beeinflussen nicht nur die analytische Charakterisierung, sondern auch die spätere Prozessrobustheit. Technische Beratung, Trainingsangebote und anwendungsnahe Unterstützung gewinnen daher zunehmend an Bedeutung. Anbieter wie YMC begleiten Entwicklungsprojekte mit applikationsspezifischer Expertise – von der ersten Methodenoptimierung bis zur prozessnahen Validierung. Ziel ist es, Entwicklungszeiten zu verkürzen und gleichzeitig robuste, skalierbare und regulatorisch belastbare Methoden zu etablieren.
Verschlusskappen für Probenfläschchen sind funktional kritisch: Sie müssen zuverlässig abdichten, mit dem Probenmedium chemisch kompatibel sein, vor Kontamination schützen und reproduzierbare Resultate ermöglichen. Besonders beim Einsatz im Autosampler beeinflusst die gewählte Verschlusskappe unmittelbar die Prozesssicherheit und die Qualität analytischer Ergebnisse.
Bördelkappen aus Aluminium galten über Jahrzehnte als technischer Referenzstandard und sind besonders für flüchtige Proben und druckkritische Anwendungen relevant. Die mechanische Verpressung stellt eine definierte axiale Ausrichtung sicher, die gewindebedingte Fehlpositionierungen ausschliesst und eine zuverlässige Abdichtung erlaubt. Die Bördelkappe wirkt als Siegel, das beim Öffnen zerstört wird und so die Probenintegrität sichert. Das Aluminium ist thermisch hoch belastbar; das thermische Einsatzlimit wird durch das verwendete Septummaterial bestimmt. Die reproduzierbare und dichte Verbördelung hängt jedoch stark vom Bördelprozess ab. Da die Einstellung der Zange und deren Verschleiss neben der individuell angewendeten Kraft die Über- bzw. Unterbördelung beeinflussen, sollten sie regelmässig kontrolliert werden.
Schrauben statt Bördeln
Auf Grund des Bördelprozesses waren schon früh Schraubverschlüsse gefragt. Die ersten Schraubkappen hatten ein 8-425-Gewinde (8 mm), die dazugehörigen Flaschen eine Öffnung von 5 mm, was eine exakte Zentrierung der Autosamplernadel bedingt und das Füllen mit der Pipette diffizil macht. Durch die Steigung des Gewindes sitzen beide Kappentypen etwas schief und dichten daher schlechter als Bördelkappen.
Um den Einsatz auf allen etablierten Analysensystemen zu ermöglichen, wurde die 9-mm-Schraubkappe entwickelt, die in der Dimension der 11-mm-Bördelkappe entspricht. Der kurze Kappenrand erfordert ein Feingewinde mit geringer Steigung. Die Kappe hat dadurch einen geraden Sitz und erreicht eine bessere Dichtung dank gleichmässiger Septumskompression. Sie
Aus eigener Herstellung, produziert nach unserem Motto «Qualität – Glasklar». Die grosse Auswahl an Kappentypen und Farben sind auch erhältlich in gewaschener, partikelfreier, steriler und pyrogenfreier Ausführung, verarbeitet im hauseigenen Sauberraum. (Bild: infochroma)
verdrängt die anderen Gewindekappen zusehends vom Markt.
Glasfaserverstärktes Polyamid statt Polypropylen
Schraubkappen bestehen meist aus Polypropylen, einem elastischen Kunststoff mit limitierter thermischer Belastbarkeit (–20 ° C bis +135 ° C). Für einen erweiterten Temperaturbereich lässt infochroma ihre Kappen aus glasfaserverstärktem Polyamid herstellen. Durch die geringere Elastizität wird der Verschluss reproduzierbarer, erfordert jedoch eine präzisere Abstimmung von Kappen- und Flaschengewinde Ergänzend kommen Schnappringkappen aus Polypropylen zum Einsatz. Sie lassen sich durch einfaches Aufdrücken fixieren und ermöglichen eine schnelle, einhändige Handhabung, eignen sich jedoch aufgrund der begrenzten Dichte vor allem für wässrige Proben und Kurzzeitanwendungen.
Anwendungsspezifische Wahl des Verschlusssystems
Lange erfüllten primär Bördelkappen die Anforderungen an Dichtigkeit und Prozessicherheit im Autosamplerbetrieb. Durch optimierte Geometrien und Materialien erreichen moderne Schraubkappensysteme heute in vielen Anwendungen vergleichbare Leistungen. Die Auswahl des geeigneten Verschlusssystems bleibt dennoch anwendungsabhängig und Teil des analytischen Gesamtkonzepts, ein Entscheidungsprozess, den infochroma ag mit fundierter technischer Beratung unterstützt.
Aus der Luft über den Regen in die Gewässer: Das PFAS-Molekül TFA ist sehr mobil und zugleich extrem persistent. (Bild: Shutterstock)
Entstehung und Verbreitung von Trifluoressigsäure in der Atmosphäre modelliert
So gelangt TFA in unsere Gewässer
Die Empa hat in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) und der Universität Bern untersucht, wie Trifluoressigsäure (TFA), das kleinste der PFAS-Moleküle, in der Atmosphäre entsteht und von dort über Niederschläge in Gewässer gelangt. Das Resultat: Der Eintrag der Chemikalie in die Umwelt hat sich in den letzten Jahrzehnten vervielfacht – und wird auch in Zukunft weiter zunehmen.
Anna Ettlin ¹
PFAS, kurz für «per- und polyfluorierte Alkylverbindungen», tragen nicht umsonst den Übernamen «Ewigkeitschemikalien». Diese fluorhaltigen organischen Moleküle sind nur schwer abbaubar und verbleiben voraussichtlich über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte in der Umwelt, wo sie sich in Menschen und Tieren anreichern und gesundheitsschädlich wirken können. Ein triftiger Grund, um Vorsorgemassnahmen zu ergreifen.
Abbauprodukt vieler Treibund Kältemittel
Die Stoffklasse der PFAS umfasst tausende von chemischen Verbindungen. Lange
1 Empa
nicht alle davon sind gut untersucht. Die Freisetzung, Ausbreitung, Anreicherung und Wirkung zahlreicher PFAS sind Gegenstand laufender Forschung. Im Visier der Forschenden ist unter anderem Trifluoressigsäure, kurz TFA. Das kleinste Molekül der PFAS-Familie entsteht als Abbauprodukt unterschiedlicher anderer Substanzen, etwa vieler Treib- und Kältemittel. Einmal gebildet, wird TFA in der Umwelt kaum abgebaut. «TFA, die in der Atmosphäre gebildet wird, gelangt schnell in den Niederschlag, und von dort in Oberflächengewässer und dann ins Grundwasser», sagt Stefan Reimann, Empa-Forscher aus dem Labor «Luftfremdstoffe/Umwelttechnik».
Wie und wo genau sich TFA in der Atmosphäre bildet und in welchen Mengen die Substanz in die Gewässer gelangt, wurde bislang wenig untersucht. In einer gemein -
samen Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift Atmospheric Chemistry and Physics veröffentlicht wurde, gingen die Forschenden in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Umwelt und der Universität Bern dieser Frage genauer nach und haben die Entstehungs- und Transportwege von TFA in der Atmosphäre modelliert und mit TFAMessungen aus Umweltproben verglichen. Das BAFU hat dabei über 3 Jahre Proben von Niederschlägen und Oberflächengewässern auf TFA analysiert und auch archivierte Wasserproben bis in das Jahr 1984 beigezogen. Die Forschenden der Empa erstellten parallel dazu ein detailliertes Modell des atmosphärischen Eintrags von TFA. «Wir modellieren die bekannten Vorläuferstoffe von TFA, ihre Abbaupfade und Zwischenprodukte sowie die Deposition der so gebildeten TFA, sowohl über den Niederschlag als auch direkt an Oberflä -
chen», erläutert Stephan Henne von der Empa, Erstautor der Studie. Das komplexe Modell erlaubt Vorhersagen über lange Zeiträume, und zwar mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung. «Wir können für jeden Ort in Europa berechnen, wie viel TFA dort in einem bestimmten Monat in die Umwelt gelangt», sagt Henne.
Weitere Zunahme erwartet
Die Resultate der Studie zeigen: Die Konzentrationen von TFA im Niederschlag und in den Oberflächengewässern haben sich in den letzten Jahrzehnten vervielfacht. Dies sei gemäss den Forschenden in erster Reihe auf den vermehrten Einsatz von sogenannten Hydrofluorolefinen (HFO) zurückzuführen. Diese fluorierten Gase dienen als Kühl- und Treibmittel und ersetzen in dieser Rolle die klimaschädlichen Hydrofluorkohlenwasserstoffe (HFKW). Im Gegensatz zu den langlebigen HFKW zersetzen sich die HFO in der Atmosphäre schnell – unter anderem zu TFA. «Da die Nutzung der HFO in Kühl- und Klimaanlagen weiter zunimmt, gehen wir davon aus, dass auch die TFA-Einträge in Zukunft ansteigen werden», so Reimann.
Eine weitere bedeutende Quelle von TFA ist der Abbau von Pestiziden.
Hier nimmt die Substanz allerdings keinen Umweg über die Atmosphäre, sondern gelangt über die Böden mehr oder weniger direkt in die Gewässer. «Ist TFA einmal im Wasser, verbleibt es praktisch ausnahmslos im Wasser,» ergänzt Stephan Henne. Der finale Anreicherungsort für die persistente fluorierte Säure ist deshalb auch der Ozean.
Unbekannte Vorläufersubstanzen und Entstehungspfade
Nebst den Antworten, die die Studie bietet, wirft sie auch neue Fragen auf. «Unser Modell erklärt rund 2 Drittel des gesamten gemessenen atmosphärischen Eintrags von TFA», sagt Stephan Henne. «Das heisst, es gibt wahrscheinlich weitere Vorläufersubstanzen und Entstehungspfade, die wir noch nicht kennen.» Dafür spricht auch, dass selbst in den historischen Nie -
derschlagsproben TFA enthalten ist, wenn auch in sehr viel geringeren Konzentrationen als heute. Die bekannten Vorläuferstoffe sind aber erst seit den 1990er-Jahren im Einsatz. In Zukunft wollen die Forschenden diese noch unbekannten Vorläufer genauer unter die Lupe nehmen und in ihr atmosphärisches Modell einbauen. Wie schädlich TFA für Lebewesen ist, auch für den Menschen, ist noch nicht abschliessend erforscht. Einige neue Studien liefern
Hinweise auf eine mögliche Langzeit-Toxizität. «TFA ist sehr persistent, akkumuliert sich immer mehr in unserem Wasser, und lässt sich kaum wieder entfernen», ermahnt Reimann. «Wir sollten daher nach dem Vorsorgeprinzip handeln und den Einsatz der Vorläuferstoffe so gut es geht einschränken.»
www.empa.ch
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Neue Art von denitrifizierenden Endosymbionten in Abwässern entdeckt
Symbiotische Bakterien klären Abwasser
In Kläranlagen auf der ganzen Welt gedeihen verborgene, mikroskopisch kleine Partnerschaften, wie Forschende entdeckt haben. Die winzigen Verbündeten – spezialisierte Bakterien, die in einzelligen Wirtstieren leben –spielen eine überraschende Rolle sowohl bei der Reinigung des Abwassers als auch bei der potenziellen Entstehung von Treibhausgasen.
Eine vielfältige Gemeinschaft von Mikroorganismen entfernt in Kläranlagen Schadstoffe aus landwirtschaftlichen, industriellen und häuslichen Abwässern und ist damit unerlässlich zum Schutz unserer Gesundheit und der Umwelt. Bislang konzentrierte sich die Forschung vor allem auf freilebende Bakterien innerhalb dieser Gemeinschaft. Eine neue Studie zeigt jetzt, dass auch mikrobielle Symbiosen – Bakterien, die in anderen Mikroorganismen leben – dort weit verbreitet und aktiv sind. Vor einigen Jahren entdeckte eine Forschungsgruppe um Jana Milucka vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie seltsame winzige Partnerschaften: Bakterien, die symbiontisch zusammenleben mit Ciliaten – das sind einzellige Lebewesen, die überall dort vorkommen, wo es Wasser gibt. Die Symbionten versorgen ihre Wirte, die Ciliaten, mit Energie, ähnlich wie Mitochondrien unsere eigenen Zellen mit Energie versorgen – eine bis dahin beispiellose Verbindung. Die Daten der Forschenden deuteten darauf hin, dass diese Organismen besonders häufig in Abwässern vorkommen könnten. So beschlossen Milucka und ihr Team, dort weiter zu suchen.
Weit verbreitet im Abwasser-Mikrobiom
Durch die Analyse von Daten aus Kläranlagen auf der ganzen Welt identifizierten die Forschenden 14 neue Arten dieser endosymbiotischen Bakterien. «Durch die sogenannte Denitrifikation helfen die Bakterien, Nitrat aus dem Abwasser zu entfernen. Gleichzeitig unterstützen sie ihre Wirte bei der Energiegewinnung, indem sie schädliche Nitrate in Stickstoffgas umwandeln», erklärt Erstautorin Louison Nicolas-Asselineau. Die Forschenden
Der Endosymbiont Candidatus Azoamicus mariagerensis und sein Ciliatenwirt unter dem Fluoreszenzmikroskop. Zu sehen sind der Endosymbiont (gelb) und der Ciliat (violett). Der Zellkern des Ciliaten ist mit einem DNA-Farbstoff (blau) angefärbt. (Bild: Linus Matz Zeller, MaxPlanck-Institut für Marine Mikrobiologie)
fanden solche Symbiosen in bis zur Hälfte aller untersuchten Kläranlagen. Sie sind also vermutlich ein wichtiger, aber bislang übersehener Teil des Ökosystems. Und möglicherweise gibt es noch mehr davon: «Wir haben festgestellt, dass die Zahl der Symbionten in den einzelnen Kläranlagen zeitlich stark schwankt. Es ist also gut möglich, dass wir einige übersehen haben.»
Denitrifizierende Endosymbionten, darunter auch die neu identifizierten Arten aus Kläranlagen, verfügen typischerweise über einen vollständigen Denitrifikationsweg. Sie können also Nitrat vollständig zu Distickstoffgas (N2) veratmen. Darüber hinaus besitzen die meisten dieser Endosymbionten auch ein Enzym namens Cytochrom-
cbb3-Oxidase, das es ihnen ermöglicht, neben Nitrat auch Sauerstoff zu veratmen.
Verbreitete Art setzt dabei starkes Treibhausgas frei
Eine Art sticht jedoch hervor: Candidatus Azoamicus parvus kann nicht nur keinen Sauerstoff veratmen, sondern ist auch nicht in der Lage, Lachgas (N2O), ein Zwischenprodukt im Denitrifikationsprozess, weiter abzubauen. Anstatt N2O in harmloses N2 umzuwandeln, setzt sie dieses starke Treibhausgas also in das umgebende Wasser frei. Lachgas ist 300 Mal stärker als CO2, und die Abwasserbehandlung trägt bekanntermassen zu den vom Menschen verursachten N2O-Emissionen in die Atmosphäre bei.
Nachden sie Daten aus internationalen Datensätzen und Kläranlagen gesammelt hatte, war die Doktorandin Louison Nicolas-Asselineau mit der Auswertung und Interpretation beschäftigt. (Bdil: Hailey-Hannah Cottet, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)
Es ist besorgniserregend, dass gerade diese Art weltweit in Kläranlagen häufig zu finden ist. «Dies ist das erste Mal, dass wir einen denitrifizierenden Endosymbionten gefunden haben, der Lachgas produziert, und zu-
fällig ist es ausgerechnet derjenige, der in Kläranlagen am weitesten verbreitet ist», sagt Jana Milucka, die leitende Autorin der Studie. Abwasserbehandlung ist einer der grössten Anwendungsbereiche der Mikrobiolo -
gie und entscheidend, um die Umwelt und Gesundheit zu schützen. Die mikrobiellen Partnerschaften, die jetzt in der Fachzeitschrift ISME Communications beschrieben werden, wurden bislang weitgehend übersehen. «Wir waren sehr überrascht, dass denitrifizierende Endosymbiosen in Abwässern so häufig vorkommen und weit verbreitet sind, da in diesen Systemen sehr veränderliche Bedingungen und starker ökologischer Druck herrschen», sagt Nicolas-Asselineau. «Unsere Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, die an den Klärprozessen beteiligten Mikroorganismen besser zu verstehen. Sie könnten der Schlüssel zur Verbesserung der Abwasserbehandlung und zur Verringerung ihrer Umweltauswirkungen sein.»
www.mpi-bremen.de
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Die Umlaufkühler wurden mit größtem Fokus auf Benutzerfreundlichkeit und Betriebssicherheit innerhalb eines Arbeitstemperaturbereichs von -20 ... +40 °C entwickelt.
Die neuen Umlaufkühler punkten mit einer im Verhältnis zu der kleinen Baugröße sehr starken Leistung.
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Beseitigung von Altlasten
Mit Elektrolyse gegen DTT
Ein neues Verfahren macht Umweltgifte wie DDT und Lindan vor Ort unschädlich und wandelt sie in wertvolle Chemikalien um – ein Durchbruch für die Altlastensanierung.
Walter Schmid ¹
Sie galten einst als Wundermittel – Insektizide wie Lindan oder DDT, die im 20. Jahrhundert millionenfach produziert und eingesetzt wurden. Doch was als Fortschritt gefeiert wurde, führte zu einer globalen Umweltkatastrophe: Persistente organische Schadstoffe (POPs) sind chemisch so stabil, dass sie jahrzehntelang in Böden, Gewässern und Lebewesen verbleiben. Sie reichern sich im Fettgewebe von Tieren an und gelangen so in die menschliche Nahrungskette. Viele dieser Substanzen wurden längst verboten, doch ihre Spuren finden sich noch heute – sogar im menschlichen Blut.
Die Sanierung solcher Altlasten in Böden, Gewässern und Deponien ist eine der grossen offenen Fragen des Umweltschutzes. Wie lassen sich hochstabile Gifte unschädlich machen, ohne neue Probleme zu schaffen? Forschende der ETH Zürich unter der Leitung von Bill Morandi, Professor für synthetische organische Chemie, haben jetzt einen vielversprechenden Ansatz gefunden. Mit einer neuartigen elektrochemischen Methode gelingt es ihnen, die langlebigen Schadstoffe nicht nur abzubauen, sondern sie in wertvolle Grundstoffe für die chemische Industrie umzuwandeln.
Schadstoffe werden zu Rohstoffen
Ein wesentlicher Unterschied zu früheren Arbeiten besteht darin, dass das Kohlenstoffgerüst der Schadstoffe recycelt und wieder verwertbar gemacht wird. Die Halogenidkomponenten werden als harmloses anorganisches Salz gebunden. «Auch von einem energetischen Punkt aus be -
Insektizide aus verunreinigten Böden beseitigen – Patrick Domke fand zusammen mit weiteren Forschenden die Lösung in der Elektrolyse. (Bild: Hannes Cullum, IVY Filmstudio GmbH)
trachtet waren die bisherigen Methoden ineffizient», sagt Patrick Domke, Doktorand in Morandis Gruppe, und erklärt: «Die Verfahren waren kostspielig und führten trotzdem noch zu umweltschädlichen Resultaten.»
Gemeinsam mit dem Elektrochemie-Spezialisten Alberto Garrido-Castro, früherer Postdoc in dieser Gruppe, entwickelte Domke ein Verfahren, das die betreffenden Schadstoffe vollständig unschädlich macht. Dabei konnten die beiden Forschenden auf die langjährige Erfahrung von ETH-Professor Morandi zurückgreifen, der sich seit Jahren mit der Umwandlung solcher Verbindungen beschäftigt. «Der entscheidende Durchbruch gelang mit dem Einsatz von Wechselstrom bei der Elektrolyse. Sie spaltet die Halogenatome ab, wobei harmlose Salze wie NaCl (Kochsalz) und gleichzeitig wertvolle Kohlenwasserstoffe erzeugt werden», erklärt Morandi.
Gifte zerlegen mit Strom
Die Elektrolyse ermöglicht eine nahezu vollständige Enthalogenierung der Schadstoffe unter milden, umweltfreundlichen und kosteneffizienten Bedingungen. Sie spaltet die stabilen Kohlenstoff-HalogenBindungen. Zurück bleiben lediglich harmlose Salze wie Kochsalz sowie nützliche Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Diphenylethan oder Cyclododecatrien. Diese sind wiederum gefragte Zwischenprodukte in der chemischen Industrie, etwa für Kunststoffe, Lacke, Beschichtungen oder pharmazeutische Anwendungen. Damit leistet die Technologie nicht nur einen Beitrag zur Sanierung von Altlasten, sondern auch zur nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. «Was unser Verfahren technisch besonders macht: Wir haben es geschafft, Wechselstrom zu nutzen, also ganz normalen Haushaltsstrom. Eine billigere Ressource gibt es in der Chemie eigentlich nicht», erklärt Garrido-Castro. «Zudem schützt
Wechselstrom die Elektroden vor Verschleiss, weswegen wir sie für viele nachfolgende Elektrolysezyklen wiederverwenden können. Ausserdem unterdruckt der Wechselstrom unerwünschte Nebenreaktionen oder die Entstehung von giftigem Chlorgas, sodass die Schadstoffe vollständig in anorganische Salze umgewandelt werden können». Der von den Forschenden verwendete Reaktor besteht aus einer ungeteilten Elektrolysezelle, wobei Dimethylsulfoxid (DMSO) als Lösungsmittel eingesetzt wird, das selbst wiederum ein Nebenprodukt des Zellstoffprozesses bei der Papierherstellung ist.
Kreislaufwirtschaft zu Ende gedacht
Aus der mit den Schadstoffen verunreinigten Erde (Soil + HCH) wird durch Elektrolyse Kochsalz (NaCl), Benzol (C6H6) und saubere Erde. (Bild: Patrick Domke, ETH Zürich)
Angewendet werden kann das Verfahren nicht nur auf Reinstoffe, sondern auch auf Gemische aus kontaminierten Böden. Erde oder Schlamm kann also ohne Vorreinigung oder weitere Trennverfahren behandelt werden. Ein Prototyp des Reaktors wurde bereits erfolgreich an klassischen Umweltgiften wie Lindan und DDT getestet. «Unsere Anlage ist mobil und lässt sich vor Ort zusammenbauen. Somit entfällt
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der Transport der gefährlichen Stoffe», erklärt Domke.
https://ethz.ch/
Siloxane und organische Schwefelverbindungen aufspüren
Biogas-Analytik für den universellen Einsatz
Eine neue Analysemethode erfasst selbst geringste Mengen kritischer Verunreinigungen in Biogas. Der Vorteil: Auch kleine Biogasanlagen können das Verfahren ohne grossen Investitionsaufwand einsetzen – das befördert die Energiewende.
Brigitte Osterath ¹
Der Markt für Biogas wächst: Nach Angaben des Bundesamts für Energie hat die Schweiz im letzten Jahr 471 Gigawattstunden des Energieträgers ins Erdgasnetz eingespeist – in etwa doppelt so viel wie noch vor zehn Jahren. Damit wächst auch die Notwendigkeit, schnell und zuverlässig Verunreinigungen in Biogas messen zu können, denn das grüne Gas unterliegt strengen Qualitätskriterien.
Dafür haben Forschende am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI jetzt eine Lösung parat. Sie haben erstmals eine Analysemethode entwickelt, welche die beiden kritischsten Verunreinigungen in Biogas gleichzeitig erfasst: Schwefelverbindungen und Siloxane. Ihre
Ayush Agarwal hat sich während seiner Doktorarbeit am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI mit der Analyse von Biogas beschäftigt. (Bild: PSI, Markus Fischer)
Methode haben sie in der Fachzeitschrift Progress in Energy präsentiert
Landesweite Produktion
Über 160 Biogasanlagen im Land produzieren das wertvolle Gasgemisch aus Abfällen sowie aus Gülle und Mist; hinzu kommen hunderte Abwasserreinigungsan -
lagen, die Klärschlamm in Faultürmen zum ähnlich zusammengesetzten Klärgas vergären, einer Unterart des Biogases. Das grüne Gas besteht zu 50 bis 75 Prozent aus Methan und mindestens einem Viertel Kohlendioxid. Durch Abtrennen des Kohlendioxids entsteht Biomethan, welches sich ins Erdgasnetz einspeisen lässt. Biogas – und damit auch Biomethan –kann aber viele Verunreinigungen in nur millionstel Anteilen enthalten. «Diese verursachen trotz ihrer winzigen Konzentration riesige Probleme», sagt Ayush Agarwal, der sich in seiner Doktorarbeit am PSI der Analyse von Biogas gewidmet hat und Erstautor der Studie ist.
Gefürchtete Störstoffe sind etwa organische Schwefelverbindungen: Sie entstehen, wenn Bakterien Proteine zerlegen, die Schwefelatome enthalten. Siloxane wiederum sind siliziumhaltige Verbindungen, die beispielsweise in Duschgelen für ein angenehmes Hautgefühl sorgen. Mit
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dem Duschgel werden auch die Siloxane den Abfluss heruntergespült und landen in der Kläranlage – und schliesslich im Biogas.
Pures Gift für Brennstoffzellen
W ird Biomethan für die Energieerzeugung verbrannt, etwa in Gaskesseln, reagieren die Siloxane in äusserst unerwünschter Weise: Sie bilden Siliziumdioxid – Bestandteil von Sand und eine der stabilsten Verbindungen auf der Erde. «Es verstopft die Brennsysteme, beispielsweise benötigen die Anlagen dann mehr Energie, um die gleiche Menge an Wasser zu erwärmen», erklärt Agarwal. Ähnlich also einem Wasserkocher, der sich dicht mit Kalk zugesetzt hat.
Sowohl Siloxane als auch organische Schwefelverbindungen verhindern zudem bisher, dass sich Biomethan in einer Brennstoffzelle nutzen lässt. Brennstoffzellen produzieren Strom aus energiereichen Gasen; Schwefelverbindungen aber sind für sie pures Gift. Mit Biomethan lassen sich deshalb momentan keine Brennstoffzellen betreiben. Auch bei der Aufbereitung von Biogas zum einleitbaren Biomethan stören die Verunreinigungen. Kurzum: «Selbst in Spuren sind Siloxane und organische Schwefelverbindungen schädlich.»
Messen, um zu verbessern
In der Schweiz gelten wie im Rest von Europa strenge Grenzwerte für Schwefelverbindungen und Siloxane in Biogas − Voraussetzung für die Einspeisung von Biomethan ins öffentliche Gasnetz und für den Betrieb von Biogasanlagen als Kraftstofflieferant.
Grössere Biogasanlagen besitzen Reinigungssysteme, um das Gas von den unerwünschten Substanzen zu säubern. Mit analytischen Gerätschaften messen die Betreibenden die Zusammensetzung ihres Biogases und können so überprüfen, wie gut ihre Reinigungssysteme arbeiten. Eine gute Analytik ist also die Voraussetzung, damit das gesamte System Biogas funktioniert: «Man kann nur etwas verbessern, wenn man es auch gut messen kann», fasst Agarwal zusammen.
Der Wissenschaftler entwickelte im Rahmen seiner Doktorarbeit am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI eine robuste Analytikmethode, die
gleichzeitig Siloxane und organische Schwefelverbindungen erfasst − bis zu Spuren von fünfzehn milliardstel Anteilen, das bedeutet, dass auf eine Milliarde Mo leküle genau fünfzehn Moleküle der Verun reinigung kommen – eine wirklich winzige Menge.
Schub für die Energiewende
Auch für kleine Biogasanlagen, die keine Analysegeräte vor Ort haben, entwickelten die PSI-Forschenden eine praktische Lö sung. Biogasproben lassen sich mit einem mobilen Gerät entnehmen, das die Gase in einer Flüssigkeit löst. Darin halten sich selbst geringe Mengen Verunreinigungen nachweislich für mindestens 28 Tage –ausreichend Zeit, die Proben einem Analy selabor zukommen zu lassen, die es dann misst.
Die universelle Anwendbarkeit der Analy semethode ermöglicht es, sie breit im gan zen Land einzusetzen und so den Einsatz von Biogas voranzutreiben. «Das ist ein gutes Beispiel dafür, wie wir am PSI angewandte Forschung betreiben, die konkrete Lösungen für aktuelle Herausforderungen liefert», sagt Christian Ludwig, ebenfalls Forscher am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften und Co-Autor der Studie.
So funktioniert die Methode
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Ein Gaschromatografiegerät trennt zunächst die Bestandteile im Biogas auf. Anschliessend werden sie der Reihe nach mittels der «Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma» erfasst. Dabei werden die Probenbestandteile verdampft, in ihre atomaren Bestandteile zerlegt und zu geladenen Teilchen umgewandelt. Anschliessend erfasst das Massenspektrometer die Isotope der einzelnen Elemente und quantifiziert sie.
Der Trick dabei: Das Gerät erfasst nur ganz bestimmte, zuvor ausgewählte Elemente und ignoriert alle anderen. So ist es möglich, Schwefel und Silizium auch in sehr geringen Mengen neben einer Fülle anderer Verbindungen im Biogas nachzuweisen. «Unseres Wissens ist das die erste Methode dieser Art, die Schwefel- und Siliziumverbindungen gleichzeitig bestimmen kann», sagt Agarwal.
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Impfstoffe zum Einatmen
Fortschritt für effektive pulmonale mRNA-Impfstoffe: Neuartige hybride polymere Nanocarrier ermöglichen die Aufnahme von Impfstoffen über die Lunge und eine gezielte Aktivierung von Immunzellen.
Forschende unter der Leitung von Professorin Olivia M. Merkel, Inhaberin des Lehrstuhls für Drug Delivery an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), haben ein
Olivia M. Merkel leitet den Lehrstuhl für Drug Delivery und hat mit ihrem Team ein neues Transportsystem für mRNA-Impfstoffe entwickelt, die über die Atemwege aufgenommen werden. (Bild: LMU)
neues Transportsystem für mRNA-Impfstoffe entwickelt, die über die Atemwege aufgenommen werden. Die in der Fachzeitschrift Cell Biomaterials veröffentlichte Studie stellt eine neuartige Wirkstoffkombination aus Poly(lactid-coglycolid) (PLGA) und Poly ( βaminoestern) (PBAEs) vor, die gezielt darauf ausgelegt ist, zentrale biologische Barrieren in der Lunge zu überwinden. «Um eine effektive Immunisierung der Schleimhäute durch Inhalation zu erreichen, braucht man Trägersysteme, die den Schleim der Atemwege durchdringen können und dabei die empfindlichen RNA-Moleküle schützen, die sie transportieren», erklärt Merkel. Ist die Lungenbarriere überwunden, müssen die Nanocarrier aus den sie transportierenden Bläschen (Endosomen) entweichen und die mRNA effizient in Immun -
zellen einbringen (transfizieren), die dann auf ihrer Oberfläche die entsprechenden Antigene präsentieren.
Stabiles und effizientes Transportsystem
Das Team hat ein System entwickelt, das diese Anforderungen über einen räumlich und zeitlich koordinierten Mechanismus erfüllt. Die Forschenden konnten zeigen, dass ihre hybriden Nanopartikel die angesteuerten Zellen des Immunsystems effizient transfizieren, was eine zentrale Voraussetzung für eine starke Immunaktivierung ist und sowohl die Antigenpräsentation als auch die Reifung von Immunzellen unterstützt. Zudem durchdrangen die Partikel erfolgreich die Schleimbarriere und ermöglichten die mRNAExpression in ex vivo humanen Präzisions-Lungenschnitten,
Outdoor-Bouldern: im Einklang mit der Natur?
Der Klettersport boomt. Doch wie wirkt er sich auf die Vegetation und die Oberflächenstruktur verschiedener Naturfelsen aus? So beliebt Klettern in der Natur ist, so sensibel sind die Ökosysteme, die dabei berührt werden: Seltene, geschützte Tierund Pflanzenarten finden in den Felsen einen einzigartigen Lebensraum, der bislang nahezu unangetastet blieb. Um die Auswirkungen des Sports am Fels zu verstehen, haben Forschende an der Universität Bayreuth experimentelle Untersuchungen an drei Felsen unterschiedlichen Gesteins durchgeführt. Hier für wurden bislang unberührte Blöcke aus Kalkstein, Granit und Sandstein jeweils 500mal beklettert. In Vergleichen
vor und nach den Begehungen zeigte sich ein Verlust der Moos- und Flechtenbedeckung von bis zu 15 Prozent an Handgriffen und Fusstritten. Insbesondere die ersten Begehungen verzeichneten die grössten Vegetationsverluste. Hierbei zeigte sich Sandstein als besonders anfällig, eine Erholung der Vegetationsbedeckung fand am Sandstein innerhalb von 3 Jahren nur teilweise statt. «Eine Erholung des Ökosystems findet nur langsam statt», sagt Sofie Paulus, Universität Bayreuth. «Zudem weisen unsere Experimente auf ein bislang wenig beachtetes Problem hin: Mikroplastikverschmutzung.» Mithilfe von spektroskopischen Methoden wurde Mik-
einem besonders relevanten menschlichen Lungenmodell. «Ein wesentlicher Vorteil des neuen Systems ist seine hohe Stabilität während der Zerstäubung des Wirkstoffs», erklärt Merkel. Nach der Vernebelung mittels Vibrationsmembran-Inhalator behielten die PLGA/ PBAE-Nanocarrier eine höhere Transfektionseffizienz als klinisch zugelassene Lipidnanopartikel, was ihre Eignung für inhalative Impfstoffanwendungen unterstreicht. «Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein datenbasiertes Polymerdesign in der Lage ist, mehrere Transportbarrieren gleichzeitig zu adressieren. Diese hybride Plattform stellt eine vielversprechende Alternative zu Lipidnanopartikeln für die nächste Generation pulmonaler mRNA-Impfstoffe dar.»
www.lmu.de
Bouldern verursacht Vegetationsverluste und hinterlässt Mikroplastik. (Bild: Depositphotos)
roplastik vom Abrieb der Kletterschuhsohlen auf Kalkstein nachgewiesen – bereits nach moderater Nutzung. «Durch das Bouldern wird Mikroplastik direkt in sensible Ökosysteme eingebracht und könnte hier Auswirkungen, unter anderem auf die mikrobielle Gemeinschaft, haben», ergänzt Prof. Dr. Manuel Steinbauer, Universität Bayreuth.
Auch ohne die Verwendung von Kletterchalk oder die übliche Praxis des Putzens der Felsen vor ersten Begehungen wurden Auswirkungen am Naturfels dokumentiert. Die Forschenden gehen davon aus, dass diese Methoden zur Erhöhung des Halts am Fels den negativen Effekt von Bouldern erhöhen würden. Deshalb plädieren sie für Managementstrategien, die eine Balance zwischen Freizeitnutzung und Naturschutz schaffen. Das könnte durch zonenbasierte Regulierung geschehen, bei denen gewisse Felsen zum Schutz des Ökosystems periodisch oder gar nicht beklettert werden.
www.uni-bayreuth.de
Seltene Erden belasten Zürcher Gewässer
Eine Untersuchung im Kanton Zürich hat gezeigt, dass über Kläranlagen einzelne Elemente von seltenen Erden in Konzentrationen in die Gewässer gelangen, die ein Risiko für Wasserorganismen darstellen. Elemente der seltenen Erden sind omnipräsent in unserem Alltag: Als essenzieller Bestandteil moderner Technologien etwa in Smartphones, LEDs oder Elektromotoren. Im Rahmen einer Untersuchung der Eawag und des Oekotoxzentrum wurden während den letzten 2 Jahre die Gehalte der Elemente von seltenen Erden in den Abläufen von 60 Kläranlagen sowie an 41 Messstellen in Fliessgewässern gemessen.
Da Seltene Erden auch in der Erdkruste vorkommen, wurden die zu erwartenden natürlichen Hintergrundwerte mit den gemessenen Werten verglichen. Dabei fielen 3 Elemente durch überhöhte Gehalte auf: Gadolinium wurde vor allem im ge -
reinigten Abwasser, aber auch in Fliessgewässern in stark erhöhten Konzentrationen gemessen. Auch Lanthan und Cer wiesen im Ablauf einzelner Kläranlagen aussergewöhnlich hohe Werte auf.
Gadolinium: Vom Urin bis in die Gewässer
Bei Gadolinium sind vor allem Kontrastmittel, die bei der Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt werden, für die Verunreinigungen verantwortlich. Sie gelangen über den Urin der Patienten ins Abwasser – ein bereits bekannter Zusammenhang. Die neue Studie zeigt jetzt das flächendeckende Ausmass dieser Verunreinigungen. Gadolinium liegt in den Kontrastmitteln in Form von stabilen organischen Komplexen vor, die in den Kläranlagen nur unzureichend zurückgehalten werden und von dort in Gewässer gelangen. Welches Risiko sie dort für Gewässerorganismen mit sich brin -
gen, wurde auf Basis von ökotoxikologischen Daten bestimmt. Demnach können sich die gemessenen Konzentrationen langfristig negativ auf die Lebewesen in den Gewässern auswirken. Die Autorinnen empfehlen daher Massnahmen an der Quelle, um die Einträge zu reduzieren. Dafür kann der Urin von Patienten unmittelbar nach MRT-Untersuchungen in Beuteln gesammelt und mit dem Abfall entsorgt werden. Die Wirksamkeit dieser Massnahme sollte im Rahmen eines Pilotprojekts untersucht werden.
Lanthan und Cer aus Phosphor-Fällmitteln
Bei Lanthan und Cer wurden in der Kläranlage mit den höchsten Werten im Ablauf Fällmittel zur Entfernung von Phosphor aus dem Abwasser als Ursache identifiziert. Weil es bei den klassischen Fällmitteln auf Basis von Eisen oder Aluminium vor einigen Jahren zu Lieferengpässen kam, setzten einzelne ARA-Betreiber auch Lanthan-Cer-basierte Fällmittel ein. Die Bewertung des Risikos ergab, dass die lokal sehr hohen Konzentrationen sehr wahrscheinlich negative Effekte auf Gewässerorganismen haben. Allerdings lagen nicht genügend ökotoxikologische Daten für eine definitive Bewertung vor. Bis diese vorliegt, sei der Einsatz von Fällmitteln auf Basis von Lanthan und Cer im Sinne des Vorsorgeprinzips nicht empfehlenswert, schreiben die Forschenden.
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Das Anwendungsspektrum von Druckmessumformern schliesst so unterschiedliche Einsatzbereiche wie Reinräume, Klima- und Prozesstechnik, Labore, pharmazeutische Anlagen und Sonderanwendungen im Maschinen- und Anlagenbau ein. Zum Beispiel lässt sich der Leitungsdruck in hydraulischen Systemen bestimmen oder die Füllstandsmenge in Behältern. Über die reine Messung hinaus können beispielsweise Heizungs- und Lüftungsanlagen oder Prozesse in der chemischen Industrie gesteuert werden. Stets kommt es darauf an, den Druck von Flüssigkeiten oder Gasen
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