Industrie + Technik

Die chemisch-pharmazeutische Industrie hat einen überdurchschnittlichen Erfinderinnenanteil. Insgesamt sind Chemieerfindungen wichtig. Dennoch rechnet die deutsche Chemieindustrie mit sinkenden Umsätzen.
Der Chemieanteil aller Erfindungen im Jahr 2018 betrug in Deutschland 12 Prozent; 15 Prozent davon kamen von Frauen. Nur etwas mehr als 6 Prozent aller Erfindungen stammen von Frauen. Dennoch hebt der Jahresbericht des Deutschen Patent- und Markenamts (DPMA) in der Rubrik „Vor 50 Jahren“ das Polyamidmaterial Kevlar hervor. Dies ist eine Erfindung der polnisch-stämmigen US-Chemikerin Stephanie Kwolek.Der Jahresbericht nennt zudem den Deutschen Zukunftspreis, der im Jahr 2018 an ein chemisch-pharmazeutisches Projekt ging, an dem eine Frau beteiligt war. Helga Rübsamen-Schaeff und Holger Zimmermann erhielten die Auszeichnung, die mit 250 000 Euro dotiert ist, für den Wirkstoff Letermovir [Nachr. Chem. 2019, 67(1), 20]. Er verhindert bei Transplantationen Infektionen mit dem Cytomegalievirus. DPMA-Präsidentin und Zukunftspreis-Kuratoriumsmitglied Cornelia Rudloff-Schäffer sagte dazu: „Ihre Erfindungen decken ein großes Spektrum ab und zeigen, wie breit der Innovationsstandort Deutschland selbst in der absoluten Spitze aufgestellt ist.“<h2>Deutsche Patente: Vor allem Verbrennungsmotoren</h2>Dem DPMA-Jahresbericht zufolge stammten 47 Prozent aller im Jahr 2018 vom DPMA und vom Europäischen Patentamt (EPA) veröffentlichten Patentanmeldungen für Verbrennungsmotoren von deutschen Unternehmen. Bei Elektroantrieben waren es 39 Prozent, bei Hybridantrieben 36 Prozent. Allerdings sank die Zahl der Patentanmeldungen zu Verbrennungsmotoren gegenüber dem Vorjahr um 4,5 Prozent. Insgesamt veröffentlichten die beiden Ämter im Jahr 2018 für Antriebe 7679 Patentanmeldungen für Deutschland.Bei Verbrennungsmotoren ist ein wichtiges Thema, Stickoxide aus Abgasen von Dieselmotoren zu entfernen. Katalytische Verfahren (selective catalytic reaction, SCR) behandeln die Abgase mit Harnstoff-Reduktionsmitteln. Die Entwicklungen betreffen sowohl Verfahren, die mit anderen Katalysatoren zusammenwirken, als auch die Peripherie wie Tank, Leitungen, Düsen und Pumpen.Zu Kommunikationstechnik, Halbleitern, Datenverarbeitungsverfahren und audiovisueller Technik veröffentlichten DPMA und EPA insgesamt 21 050 Patentanmeldungen. Davon bezogen sich fast ein Viertel mehr Anmeldungen als im Vorjahr auf Computertechnik, darunter Anwendungen zum Internet der Dinge, in denen Maschinen und Geräte in Häusern und Wohnungen oder in der Industrie miteinander kommunizieren.Mit 4230 Anmeldungen und damit 4,8 Prozent mehr als im Vorjahr führt Robert Bosch in der Rangliste der meisten Anmeldungen beim DPMA. Es folgen der Automobilzulieferer Schaeffler Technologies (2417 Anmeldungen, +1,4 %) und das US-amerikanische Unternehmen Ford Global Technologies LLC (1921 Anmeldungen, –6,2 %). Damit sind die ersten drei Plätze der aktivsten Unternehmen und Institutionen gegenüber dem Vorjahr unverändert.Chemieunternehmen wie BASF und Bayer listet der DPMA-Jahresbericht nicht; sie melden ihre Patente bei internationalen Patentämtern an.<h2>Chemieindustriekennzahlen</h2>Der weltweite Chemiemarkt ist in den letzten Jahren nicht in den Industrieländern, sondern in den Schwellenländern gewachsen. In Asien wächst die Produktion überdurchschnittlich, und neue Wettbewerber entstehen. China etwa verbrauchte nach Angaben des Verbands der Chemischen Industrie (VCI) im Jahr 2017 Chemikalien im Wert von 1752 Mrd. Euro. Es folgen die USA, Japan und Deutschland mit Waren im Wert von 748 Mrd. Euro, 206 Mrd. Euro beziehungsweise 160 Mrd. Euro. Auch bei den Chemie- und Pharmaproduzenten lagen deutsche Unternehmen mit 209 Mrd. Euro an vierter Stelle nach China (1697 Mrd. Euro), den USA (723 Mrd. Euro) und Japan (210 Mrd. Euro).Für das laufende Jahr rechnet der VCI damit, dass die deutsche Chemieproduktion um 3,5 Prozent zurückgeht. Die Erzeugerpreise steigen demnach im Jahr 2019 um 1 Prozent, und der Branchenumsatz sinkt um 2,5 Prozent auf 198 Mrd. Euro. Im ersten Quartal betrug er 48,3 Mrd. Euro und war gegenüber dem Vorquartal um 1,1 Prozent sowie gegenüber dem Vorjahreswert um 3,8 Prozent gesunken.Das umsatzstärkste deutsche Chemieunternehmen war im Jahr 2018 wie im Jahr zuvor BASF. Es folgen Bayer und Henkel. Alle drei investierten im vergangenen Jahr mehr in Forschung und Entwicklung als im Jahr zuvor (Tabelle unten). MB* Werte in Mio. US-Dollar, 1 USD ≈ 0,9 Euro;** Werte in Mio. Schweizer Franken, 1 CHF ≈ 0,9 Euro;–: nicht ausgewiesen.Ebit: Gewinn vor Zinsen und Steuern;Ebitda-Marge: (Gewinn vor Zinsen, Steuern und Abschreibungen)/Umsatz;F+E: Forschungs- und Entwicklungskosten;F+E-Quote: F+E/Umsatz.Zahlen in Klammern: Veränderung zum Vorjahr, Hochgestellte Zahlen: Bilanzberichte in Nachr. Chem. 2019, 67(4),1) 67(5)2) und 67(6)3).<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Unternehmen, sortiert nach umgerechnetem Umsatz 2018.</h2><img src="https://media.graphcms.com/XF3ZW5s8R6LIfTgr4uQZ">

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Artikel

Industrie und Patente

Die chemisch-pharmazeutische Industrie hat einen überdurchschnittlichen Erfinderinnenanteil. Insgesamt sind Chemieerfindungen wichtig. Dennoch rechnet die deutsche Chemieindustrie mit sinkenden Umsätzen. Der Chemieanteil aller Erfindungen im Jahr 2018 betrug in Deutschland 12 Prozent; 15 Prozent...

PD Dr.rer.nat.habil.

Mikrocontroller erfassen Messdaten und übermitteln sie an einen PC, auch im Labor. Dabei sind selbst gebaute Messgeräte mit Open-Source-Controllern preiswerter als kommerzielle Geräte, arbeiten aber ebenso präzise.
Das können wir hier nicht messen“, „Dieses Gerät haben wir nicht“ oder „Dafür ist gerade kein Geld da“ – Laboralltag für viele Chemiker. Dabei sind zum Erfassen von Messwerten nur ein Sensor, ein Mikrocontroller und ein PC, der die Daten speichert und verarbeitet, nötig (Abbildung 1, S. 32). Sensoren für verschiedene Messgrößen gibt es bereits für weniger als 30 Euro. Als preiswerte Mikrocontroller eignen sich Arduino-Boards (zur Namensherkunft siehe Kasten). Sie sind für 20 bis 40 Euro erhältlich. Dazu liefern die Hersteller Anleitungen, Beispiele und eine Entwicklungsumgebung, über die sich das Board programmieren lässt.<figure><img src="https://media.graphcms.com/D0HhWevZT8y8RiXcHtKU"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Ein Arduino als flexibler und günstiger Mikrocontroller mit Analog-Digital-Wandler für die Messwerterfassung.</figcaption></figure>
<h2>INFO: Woher kommt der Name „Arduino“?</h2>Die Entwickler des Mikrocontrollers trafen sich häufig in einer Bar in der norditalienischen Stadt Ivrea. Diese Bar ist nach Arduin von Ivrea benannt (siehe Abbildung). Dieser war von 1002 bis 1014 König von Italien. Er gilt als der letzte einheimische König von Italien im Mittelalter und hatte daher eine besondere Bedeutung in der italienischen Nationalbewegung im 19. Jahrhundert. In Anlehnung an den Namen der Bar nannten die Entwickler ihren Mikrocontroller „Arduino“.<div>König Arduino von Italien. <named-content>Quelle: Wikimedia Commons,17) Lizenz CC BY-SA 3.0</named-content><img src="https://media.graphcms.com/DsE1JtPcRtCD1FkWgrP2">

</div><h2>Offen kontrollieren</h2>Ein Arduino besteht aus einem Mikrocontroller, also einem Computersystem auf einem Chip, und mehreren analogen und digitalen Ein- und Ausgängen. Mikrocontroller sind in vielen technischen Gebrauchsartikeln enthalten und werden häufig gar nicht wahrgenommen. Sie sind Bestandteil von Fernbedienungen, Waschmaschinen oder elektronischen Geldkarten.Die Besonderheit des Arduino: Dieser ist im Sinne von Open Source völlig offen. An die Hardware lassen sich Geräte auch von Laien anschließen, Nutzer mit Programmierkenntnissen können die Software für die Umsetzung der Projekte selbst programmieren und modifizieren.1,2) Dafür stehen Bibliotheken und Beispielprogramme zur Verfügung.Daten zeigt das Gerät über ein angeschlossenes Display an oder sendet sie per USB-Schnittstelle an den PC. Jede moderne Programmiersprache kann am PC die serielle Schnittstelle ansteuern, mit dem Kontroller kommunizieren und so die Daten aufzeichnen oder Steuerinformationen an den Mikrocontroller schicken.Es gibt Boards für unterschiedliche Aufgaben.3) Sie unterscheiden sich vor allem in der Zahl der Ein- und Ausgänge sowie in der Auflösung des Analog-Digital-Wandlers.<h2>Messwerte übergeben</h2>Die meisten Arduinoboards haben eine USB- oder Ethernet-Schnittstelle, über welche die Stromversorgung und die Datenübertragung laufen. Selten werden andere Stromquellen wie Batterie, Powerbank oder Netzteil genutzt. Alle Boards haben einen Analog-Digital-Konverter sowie digitale und analoge Ausgabepins.4) Die Analogausgabe erfolgt über Pulsdauermodulation PDM (auch Pulsweitenmodulation PWM). Dabei bildet Ein- und Ausschalten einer elektrischen Spannung das analoge Signal nach.Um physikalische Parameter wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit oder pH-Wert zu messen, sind entsprechende elektrotechnische Schaltungen erforderlich. Preiswerte Sensormodule für solche Messungen vertreiben zum Beispiel die Firmen Adafruit (<a href="https://www.adafruit.com" target="_blank">www.adafruit.com</a>) und SparkFun (<a href="https://www.sparkfun.com" target="_blank">www.sparkfun.com</a>). Die Module werden einfach an den Mikrocontroller gesteckt. Die Hersteller liefern Anleitungen mit, wie die Sensoren anzusteuern sind. Viele Sensoren eignen sich für Anwendungen im Labor (Tabelle). Sie erreichen die gleichen Genauigkeiten wie kommerzielle Geräte.5)<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Beispiele für Sensoren, die für den Arduino verfügbar sind, und mögliche Anwendungen im Labor.</h2><img src="https://media.graphcms.com/whir9079RjebWOVQPnJY">

</table-wrap>Arduino-Boards haben einige Vorteile:<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>Der Bauplan des Geräts ist offengelegt, es ist keine Blackbox.<list-item>Das Gerät lässt sich über USB oder Ethernet mit einem PC verbinden.</list-item><list-item>Das Board benötigt nicht zwingend eine externe Stromquelle.</list-item><list-item>Es arbeitet im Sicherheitskleinspannungsbereich, der für Menschen ungefährlich ist.</list-item>Größere Ströme werden über Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren oder Relais geregelt. Damit lassen sich auch größere Geräte wie ein Rohrofen steuern, und auch dafür gibt es bereits fertige Module.Ein weiterer Vorteil ist der geringe Platzbedarf: Die besonders kleine Version des Arduino auf einem Steckbrett, der Arduinin-Nano, ist weniger als 9 × 6 × 3 cm groß (L × B × H), abhängig von der Höhe der Sensoren (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/UCNBDUAcSamHyRVxopTa"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Ein Arduino-Nano mit angeschlossenen Sensoren für Temperatur (Thermoelement Typ K) und Druck (MPX4250AP) auf einem Steckbrett.</figcaption></figure>
Außerdem ist ein Arduino samt Sensormodul oder Sensor und ein paar Elektronikbauteilen meist günstiger als eine kommerzielle Lösung: Sensoren kosten von wenigen Cent bis zu einigen Euro.<h2>Arbeitsaufwand</h2>Mit einem Steckbrett können Nutzer eine Schaltung aufbauen, ohne zu löten. Für sensiblere Anwendungen wie die Messung von Temperaturdifferenzen kleiner 0,5 K sollte die Schaltung auf eine Lochplatine gelötet werden. Ebenfalls möglich ist, vorgefertigte Platinen zu bestellen und diese mit den elektronischen Bauteilen zu bestücken. Für häufig genutzte Anwendungen gibt es fertige Platinen, die über ein Steckbrett mit einem Arduino zu verbinden sind.Die Programmierung läuft über die von den Entwicklern des Arduinos bereitgestellte quelloffene Entwicklungsumgebung. Die Platinenhersteller bieten vorgefertigte Bibliotheken an. Damit beschränkt sich die Programmierung auf einfache Algorithmen.Die Messwerte erreichen über den USB-Port den PC, für die Auswertung der Daten muss der Nutzer weitere Arbeit investieren. Es ist ein Programm zum Aufzeichnen der Daten nötig. Ein Python-Skript hierzu finden Sie in der Wiley-Online-Library bei diesem Artikel im Kasten Listing.Um Apparaturen zu steuern, sind weitere Funktionen zu programmieren. Wir nutzen C++ mit der Bibliothek Qt oder Python-Skripte, um die Messdaten während der Aufzeichnung zu visualisieren, abzuspeichern und reproduzierbar auszuwerten.<h2>Anwendungen generell</h2>Ein Beispiel, ein Arduino-Board sinnvoll einzusetzen, ist das Aufzeichnen des Temperaturverlaufs einer Reaktion. In der Industrie sind integrierte Systeme bereits Standard, während im Forschungslabor oft noch ein in die Lösung eintauchendes Flüssigkeitsthermometer abgelesen werden muss.Ein Arduino kann ein Widerstandthermometer (Pt100 oder Pt1000) oder ein Thermoelement (zum Beispiel Typ K) problemlos jede Sekunde oder noch häufiger auslesen und sendet den aktuellen Wert per USB an den Computer. Diese Daten lassen sich genauer statistisch auswerten als manuell aufgenommene Punkte.Um die Temperatur mit einem Widerstandsthermometer oder Thermoelement zu messen, gibt es fertige Module. Auch für Aufgaben wie die Messung des pH-Werts stehen Module zur Verfügung.6) Außerdem können Arduinos je nach Sensor Druck, Luftfeuchtigkeit, Redoxpotenziale, Spannungen, Lichtintensität, Masse (über Wägebalken) und andere Größen erfassen (Tabelle). Es gibt bereits eine Quarz-Mikrowaage, die auf der Arduino-Plattform basiert.7)<h2>In Freiberg . . .</h2>Im Institut für Anorganische Chemie der TU Bergakademie Freiberg haben wir ein sperriges Tischmultimeter zur Temperaturmessung durch einen Arduino mit den gleichen Funktionen ersetzt. Das spart Platz, Geld und Strom. Sollte einmal etwas kaputtgehen, lässt sich jede Messeinheit einzeln austauschen. Eine Waage wird ebenfalls mit einem Arduino per USB ausgelesen. Damit verfolgen wir den Verlauf einer Gasadsorption direkt und kostengünstig. Die gleiche Reaktion verfolgen wir in einem Miniautoklaven mit einem Drucksensor. Diesen liest der Arduino aus.Ein weiterer Arduino dient der Schmelzpunktbestimmung (Abbildung 3). Ein Thermoelement misst die Temperatur eines kleinen Ofens, der auf dem Tisch eines optischen Mikroskops steht. Der Ofen wird ebenfalls vom Arduino gesteuert. Strom bekommt der Ofen über ein Labornetzteil. Durch das Mikroskop lässt sich das Schmelzen der Substanzprobe (wenige mg) beobachten. Den Temperaturverlauf zeichnen ein PC oder ein Raspberry Pi8) auf. Der Nutzer muss nur einmal beim Erreichen des Schmelzpunkts die Leertaste drücken. Ein entsprechender kommerzieller Aufbau arbeitet mit 230 V und kostet mehrere tausend Euro. Der Arduino-Aufbau kostet weniger als 250 Euro und arbeitet im Sicherheitskleinspannungsbereich, also bei maximal 30 V und kleiner als 20 W.<figure><img src="https://media.graphcms.com/Mt0MnAIaQyC0BgQecYLw"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Kompakte und preiswerte Apparatur, um Schmelzpunkte mit dem Arduino zu bestimmen. Der PC, der die Daten aufzeichnet, ist nicht abgebildet.</figcaption></figure>
<h2>. . . und anderswo</h2>Andere Anwender nutzen den Arduino, um Studenten auszubilden. So gibt es an der Slowakischen Technischen Universität Bratislava einen Aufbau für die Remote-Prozessüberwachung. Hier haben die Studenten über das Internet Zugriff auf bestimmte Laborexperimente.9) Weitere mögliche Anwendungen sind die Fernüberwachung von Umweltdaten,10) die Messung von Kohlendioxidkonzentrationen,11) die Cyclovoltammetrie,12) die Laborautomatisierung13) und einiges mehr.14,15) Es gibt inzwischen auch professionelle Automatisierungsanwendungen für die Industrie, die auf dem Arduino basieren.16)<h2>Drei Fragen an den Autor: Marcus Herbig</h2>Wie kommt es, dass Sie sich mit Technik Marke Eigenbau im Labor beschäftigen?Seit meinem 14. Lebensjahr beschäftige ich mich mit Programmierung und nutze Linux als quelloffenes Betriebssystem im Alltag und bei der Arbeit.Wie viele Kosten konnten Sie dadurch schätzungsweise in den letzten Jahren sparen?Das ist schwer zu sagen, sicher mehrere Tausend Euro.Welche Geräte im Labor haben Sie ersetzt?Ein Widerstandsmess- und ein Schmelzpunktbestimmungsgerät, vier Geräte zur Datenerfassung von Temperaturmessfühlern, eine Mikrowaage und einen Drucksensor. Die Geräte lassen sich innerhalb von Minuten mit neuen Sensoren kombinieren. Diese Flexibilität eröffnet sehr viele Möglichkeiten.Der Chemiker Marcus Herbig ist Doktorand am Institut für anorganische Chemie der TU Bergakademie Freiberg.<div><img src="https://media.graphcms.com/I9Pqmdi5SJ6F2adsyTcy">

</div>Coautor Uwe Böhme beschäftigt sich am Institut für anorganische Chemie der TU Bergakademie Freiberg mit silicium- und metallorganischen Verbindungen.
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1 <a href="https://www.arduino-tutorial.de/programmieren/" target="_blank">www.arduino-tutorial.de/programmieren/</a></li><li>
2 <a href="https://funduino.de/anleitung" target="_blank">https://funduino.de/anleitung</a></li><li>
3 <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Arduinoboards" target="_blank">https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Arduinoboards</a></li><li>
4 <a href="https://www.elv.de/Arduino-verstehen-und-anwenden-Teil-1-Einstieg-in-die-Hardware-Arduino-und-AVR-Mikrocontroller/x.aspx/cid_726/detail_44820" target="_blank">www.elv.de/Arduino-verstehen-und-anwenden-Teil-1-Einstieg-in-die-Hardware-Arduino-und-AVR-Mikrocontroller/x.aspx/cid_726/detail_44820</a></li><li>
5 <a href="http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-voltage-measurements/measuring-voltage-arduino-adc-resolution-and-accuracy/" target="_blank">http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-voltage-measurements/measuring-voltage-arduino-adc-resolution-and-accuracy/</a></li><li>
6 <a href="https://www.exp-tech.de/zubehoer/labor/chemie/6134/ezo-ph-circuit-schaltung-zur-messung-des-ph-werts?c=1128" target="_blank">www.exp-tech.de/zubehoer/labor/chemie/6134/ezo-ph-circuit-schaltung-zur-messung-des-ph-werts?c=1128</a></li><li>
7 <a href="https://openqcm.com/" target="_blank">https://openqcm.com/</a></li><li>
8 M. Herbig, U. Böhme, Nachr. Chem. 2018, 66, 525–527</li><li>
9 M. Kalúz, Ľ. Čirka, R. Valo, M. Fikar, IFAC Proceedings Volumes 2014, 47, 9057–9062</li><li>
10 D. Călinoiu, R. Ionel, M. Lascu and A. Cioablă, Arduino and LabVIEW in educational remote monitoring applications, 2014 IEEE Frontiers in Education Conference (FIE) Proceedings, Madrid, 2014, pp. 1–5</li><li>
11 H. Pino, V. Pastor, C. Grimalt-Álvaro, V. López, J. Chem. Educ. 2019, 96, 377–381</li><li>
12 G. N. Meloni, J. Chem. Educ. 2016, 93, 1320–1322</li><li>
13 J. Bai, A. La Rosa, International Journal of Science and Research (IJSR) 2017, 6, 640 – 644. <a href="https://www.ijsr.net/archive/v6i5/ART20173325.pdf" target="_blank">www.ijsr.net/archive/v6i5/ART20173325.pdf</a></li><li>
14 T. Nguyen, S. Zoëga Andreasen, A. Wolff, D. Duong Bang, Micromachines 2018, 9, 403</li><li>
15 J. S. Furter, P. C. Hauser, Anal. Chim. Acta 2019, 1058, 18–28</li><li>
16 <a href="https://www.sps-magazin.de/?inc=artikel/article_show&amp;nr=103454" target="_blank">www.sps-magazin.de/?inc=artikel/article_show&amp;nr=103454</a></li><li>
17 <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arduino_d%27ivrea_(2).jpg" target="_blank">https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arduino_d%27ivrea_(2).jpg</a></li></ul>

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