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Energie gewinnen 1 I Aus der Potenzialdifferenz von Salz- und Süßwasser lässt sich theoretisch über umgekehrte Elektrodialyse elektrische Energie gewinnen (Osmosekraftwerk). Bisher gibt es keine wirtschaftlich arbeitenden Anlagen dafür. Liping Wen und Kollegen vom Institut für Physik und Chemie der chinesischen Wissenschaftsakademie haben nun eine nanoporige Kompositmembran aus Seide-Nanofibrillen und Aluminiumoxid als Trägersubstrat hergestellt. Die negativ geladene Oberfläche des Fibroins sorgt dabei für Ionentransport, das amphotere Aluminiumoxid für Stromfluss. Je nach Salzkonzentration ergaben sich Energiedichten von bis zu 2,86 W·m−2, was zu einer wirtschaftlich arbeitenden Anlage führen könnte.Nature Commun. 2019, 10, 3876Energie gewinnen 2 I Eine Arbeitsgruppe am Institut für Mikrobiologie der chinesischen Wissenschaftsakademie beschreibt eine mikrobielle Brennstoffzelle. Darin assimilieren gentechnisch veränderte Cyanobakterien im sichtbaren Licht CO2 und bilden daraus d-Milchsäure, die sie ins Medium ausscheiden. Ein zweiter Mikroorganismus, Shewanella-Bakterien, oxidiert die d-Milchsäure und leitet die dabei entstehenden Elektronen über einen Membranproteinkomplex auf eine Elektrode. Das bakterielle Konsortium produzierte 40 Tage lang eine bisher unerreichte durchschnittliche Energiedichte von 135 mW·m−2.Nature Commun. 2019, 10, 4282Klimawandelfolgen untersuchen I Chinas Satellit BNU-1 (Eispfadfinder) soll zwei Jahre lang in einer sonnensynchronen Umlaufbahn Klima und Umwelt von Arktis und Antarktis aus 730 km Höhe analysieren. Er wiegt 16 kg und trägt eine hochauflösende Kamera, eine Multispektralkamera und ein Identifikationssystem für Schiffe.Grundlagenforschung finanzieren I Nach amtlichen Angaben wurden in China im Jahr 2018 knapp 2 Trill. CNY (umgerechnet 256 Mrd. Euro) für Forschung und Entwicklung ausgegeben. Davon gingen etwa 15,7 % mehr als im Vorjahr in die Grundlagenforschung – zu wenig nach Meinung der chinesischen Regierung.Rolf Schmid, <a href="https://www.window-to-china.eu" target="_blank">www.window-to-china.eu</a>

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Blick nach China

Energie gewinnen 1 I Aus der Potenzialdifferenz von Salz- und Süßwasser lässt sich theoretisch über umgekehrte Elektrodialyse elektrische Energie gewinnen (Osmosekraftwerk). Bisher gibt es keine wirtschaftlich arbeitenden Anlagen dafür. Liping Wen und Kollegen vom Institut für Physik und Chemie d...

Probengeber, Spektrometer, Chromatographen, Thermostate und Datenbanken sollen untereinander so kommunizieren wie Menschen und dabei so präzise und effektiv arbeiten wie Roboter. Damit dies gelingt, müssen sich Anwender und Hersteller dafür öffnen, Daten und Know-how in eine gemeinsame digitale Infrastruktur einzubringen.
Der Konzern BASF hat in ihren Analyselaboren bereits Verfahrensschritte und ganze Verfahren automatisiert. Aber auch in einem großen Unternehmen stößt die Digitalisierung an Grenzen, und zwar dort, wo unterschiedliche Systeme miteinander kommunizieren müssen oder die Aufgaben komplex sind.<figure><img src="https://media.graphcms.com/FqKg07gT0iGukoZlIS8Q"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Eine Laborantin bestückt in einem BASF-Testlabor einen Hochdurchsatzroboter. Foto: BASF</figcaption></figure>
<h2>Beispiel NMR-Spektroskopie und Elementanalytik</h2>Für NMR-Messungen greift schon heute ein Roboter selbstständig Probe um Probe, pipettiert ein bestimmtes Volumen in deuteriertes Lösungsmittel und startet die Messung. Das NMR-Spektrum gelangt über das hauseigene Laborinformations-Management-System (Lims) als PDF-Datei per E-Mail an den internen oder externen Kunden. Input bekommt das System über einen Barcode auf der Probe.Bei der Auswertung endet die Automatisierung. Hier könnten die chemischen Verschiebungen noch automatisch mit NMR-Datenbanken abgeglichen und Strukturinformationen abgeleitet werdenIn der Analytik von Schwermetallen in organischen Proben ist die Situation ähnlich wie in der NMR: Die Probe wird automatisch homogenisiert; Roboter schließen sie auf, um organische Komponenten zu entfernen. Die Schwermetalle transferiert das System automatisch zum ICP-OES. Die Ergebnisse werden in das Lims eingespeist – über Nacht bis zu 400 Proben bei Bestimmung von 30 Elementen in jeder Probe.<h2>Automatisierung endet bei der Methodenentwicklung</h2>In der Chromatographie analysieren Roboter die Proben nach vorgegebenen Methoden. Das schließt die Probenvorbereitung ein, zum Beispiel Derivatisierungsschritte.An Grenzen stößt die Automatisierung dort, wo es um die Methodenentwicklung geht: Die Peaks zweier Substanzen sind nicht vollständig getrennt. Was tun: Zusammensetzung des Eluenten ändern? Andere Derivatisierung? Den Detektor wechseln? An dieser Stelle ist immer noch menschlichens Denken gefragt, auch wenn Experten hier an automatisierten Workflows arbeiten.Solche komplexen Aufgaben kann kein Unternehmen in absehbarer Zeit allein lösen – auch keines der großen. Stattdessen ist Kooperation gefragt. Chemieriesen wie spezialisierte Anbieter von Labor- und Analysentechnik müssen hier zusammenarbeiten.Automatisierung des chemischen Labors bleibt eine der schwersten Aufgaben. Ein Hauptgrund ist das heterogene Equipment: Autosampler, HPLC-Säulen, Detektoren und Greifroboter und andere sind im Einzelnen zwar ausgereift, doch zwischen ihnen herrscht Sprachverwirrung.<h2>Kommunizieren können</h2>Für Automatisierung und Digitalisierung müssen Laborsysteme lernen, miteinander zu kommunizieren, sich voneinander abzugrenzen, zu sagen, in welchen Zustand sie sich befinden (Maschinendiagnose). Sie müssen weitergeben, in welchem Format sie Daten liefern und aufnehmen. Zurzeit stehen dafür keine ausreichend standardisierten Sprachen, Schnittstellen und Inhalte zur Verfügung. Sie sind auch nicht in Sicht – obwohl man schon seit Jahrzehnten gemeinsam daran arbeitet.Ein grundlegender Zielkonflikt wirkt hier hinderlich: Laborgerätehersteller möchten ihre Produkte verkaufen. Sie haben ein Interesse daran, selbst den Standard zu setzen, den Anwender mit einem geschlossenen System an sich zu binden und das eigene Know-how keinesfalls Anwendern oder gar Wettbewerbern preiszugeben. Teilen? Lieber nicht.Das führt allerdings dazu, dass die Systeme geschlossen sind. Sie können zum Beispiel pipettieren, Flüssigkeit erwärmen oder kühlen, aber kein Massenspektrometer steuern. Daher ist in der heutigen, nichtstandardisierten Welt extrem viel Anpassungsprogrammierung zu leisten, um alle Geräte miteinander kommunikationsfähig zu machen. Das beginnt schon bei Temperatureinheiten (Grad Celsius oder Fahrenheit).Dem stehen Ideen gegenüber, wie etwa diese: Proben kommen in einer anderen Reihenfolge an. Der Autosampler registriert dies, steuert entsprechende HPLC-Methoden um und gibt Detektor sowie Auswerteprogrammen die nötigen Anweisungen.<h2>Schnittstellenmanagement</h2>Mit entsprechendem Aufwand lassen sich technisch heute alle Laborgeräte in Netzwerke einbinden – selbst die analogen. Als Werkzeuge stehen Analog-Digital-Wandler zur Verfügung. Darüber hinaus gibt es zumindest für Touchscreen-Geräte die vom Verein Deutscher Ingenieure, VDI, favorisierte OPC-Schnittstelle oder die weit verbreitete serielle Schnittstelle RS232, gegebenenfalls aufgerüstet mit einem Moxa-Adapter. Eventuell ist noch ein Treiber zu programmieren, und dann funktioniert die Kommunikation.Besonders gut gelingt das Auslesen von Daten aus Laborgeräten, weniger zufriedenstellend die Umwandlung zu lesbarer Information (zum Beispiel von Graphiken) für die Laborbücher. Kompliziert machen diesen Schritt im Pharmabereich die Forderungen der Zulassungsbehörden FDA (U.S. Food and Drug Administration) und EMA (European Medicines Agency) nach unveränderbaren Daten, auch bei Transformationsschritten.Die Kommunikation in die andere Richtung, also Steuerungsbefehle direkt aus elektronischen Laborbüchern an Laborsysteme, funktioniert heute noch nicht.<h2>So einfach wie möglich</h2>Ein Lösungsweg – der vielleicht zum Trend wird – setzt auf möglichst simple Geräte. Statt eines integrierten Computers schrumpft das Messsystem bis fast zu einem Sensor, während die Software-Funktionalitäten in eine Cloud verlagert werden. „Sie müssen dort in einer separaten Ebene angeordnet sein, getrennt von der Datenebene“, betont Burkhard Feigel, Geschäftsführer Deutschland von Infors HT, Stuttgart, das Steuerungs- und Vernetzungssysteme für Labore anbietet. Die separaten Ebenen würden verhindern, dass Daten versehentlich hochgeladen und dann von Industriespionen kopiert werden könnten.Wenn die Kommunikationsfähigkeit entscheidend ist: Werden die großen Anwender denn proprietäre Laborlösungen einfach nicht mehr kaufen, selbst wenn sie umfangreich sind und sich für viele Anwendungen eignen? „Über kurz oder lang wird es so kommen“, prophezeit Joachim Richert, Vorsitzender der Fachgruppe Analytische Chemie der GDCh. „Als Anwender möchte ich mir mein Gerät frei aussuchen und seine Interoperabilität und komfortable Netzanbindung einfach voraussetzen können.“ Also: Plug &amp; play, wie von der Unterhaltungselektronik gewohnt.Vorbildfunktion hat die Prozesstechnik für Großanlagen, denn hier setzen die Namur (Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der Chemischen Industrie) und die daraus hervorgegangenen DIN-Normung (DIN EN 60947–5–6) allgemein akzeptierte Standards. Günstig dabei ist, dass der Nutzerverband Namur auf Herstellerseite mit dem Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie ZVEI einen Gesprächspartner hat.Sollte sich der Markt für Labor- und Analysentechnik in diese Richtung entwickeln, ist ein Verdrängungswettbewerb unter den Herstellern absehbar: Die Nase vorn werden robuste und komfortable Geräte haben, die sich in jede vorgegebene digitale Infrastruktur einfügen. Wer schnell ist und offene Systeme anbietet, läuft womöglich dem Hersteller ausgefeilter geschlossener Systeme den Rang ab, selbst wenn diese in der Praxis Vorteile bieten.Neue Geschäftsmodelle eröffnen sich dann durch das Cloud-Computing: Wenn etwa der Anbieter von Labor- und Analysentechnik auch die Instandhaltung der Geräte organisiert oder ein externer Dienstleister die Laborchemikalien verwaltet.Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Unterschiedliche Laborgeräte oder Geräte unterschiedlicher Hersteller verstehen sich in der Regel nicht.Eine über Insellösungen hinausgehende Laborautomatisierung erfordert eine übergreifende digitale Infrastruktur.Ein Lösungsweg könnten möglichst einfache Geräte ohne internen Computer sein, angeschlossen an eine externe Steuerung.

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