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Immer mehr Kunststoff | Im Jahr 2018 wuchs die weltweite Kunststoffproduktion (Thermo- und Duroplaste, Elastomere, Polyurethane sowie Additive, Beschichtungen, Dichtmittel und PP-Fasern) auf etwa 359 Mio. Tonnen und damit um 3 % gegenüber 2017. Der Studie „Plastics – the Facts“ zufolge ging die Kunststofferzeugung in Europa um 4 % auf 61,8 Mio. Tonnen zurück. Damit fiel der Anteil Europas an der Weltproduktion auf 17,2 %. Asien dominiert den Markt mit 58 % (davon China mit 30 %), Nordamerika bleibt bei 18 %.Innovationsländer 2019 | Weltweit hat Deutschland die höchste Zahl an Patentanmeldungen und liegt ebenfalls bei Logistik sowie bei den Investitionen in Forschung und Entwicklung vorn. Im Global-Innovation-Index belegt Deutschland damit Platz neun im Gesamtranking. Der Index bewertet die Innovationskraft einzelner Staaten. Auf Platz eins liegt die Schweiz.<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.globalinnovationindex.org/gii-2019-report" target="_blank">www.globalinnovationindex.org/gii-2019-report</a></ext-link>Klimaneutral bis 2050 | Die Klimaneutralität der deutschen Chemieindustrie bis zum Jahr 2050 ist technisch möglich. Allerdings setzt dies hohe Stromproduktion und Investitionen voraus. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie des Verbands der Chemischen Industrie (VCI). Im Jahr 2020 rechnet der VCI mit 112,8 Mio. Tonnen Treibhausgasemissionen der chemischen Industrie. Die Emissionen ließen sich bei gleichbleibendem Stromverbrauch durch Optimieren des Anlagenparks und mehr erneuerbare Energien bis 2050 um etwa ein Drittel senken. Um bis dahin nahezu vollständig klimaneutral zu produzieren, seien Investitionen von 45 Mrd. Euro notwendig.Klimaneutraler Einkauf | Die Mehrheit der deutschen Chemieunternehmen sieht in der Anpassung der Einkaufsstrategie einen Hebel, um Treibhausgasneutralität zu erreichen und Wettbewerbsnachteile zu kompensieren. Bei der Rohstoffbeschaffung seien Nachhaltigkeitsaspekte bereits ein zentraler Entscheidungsfaktor. Drohende Zölle sowie der Handelskonflikt zwischen den USA und China gelten als größte Risiken für die Versorgungssicherheit. Das sind Ergebnisse einer Studie von Camelot Management Consultants zum Einkauf in der deutschen Chemieindustrie. Für die Studie hat das Beratungsunternehmen etwa 200 Manager aus großen und mittelgroßen Chemieunternehmen in Deutschland befragt.Jörg Wetterau

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Studien von Kunststoff bis klimaneutral

Immer mehr Kunststoff | Im Jahr 2018 wuchs die weltweite Kunststoffproduktion (Thermo- und Duroplaste, Elastomere, Polyurethane sowie Additive, Beschichtungen, Dichtmittel und PP-Fasern) auf etwa 359 Mio. Tonnen und damit um 3 % gegenüber 2017. Der Studie „Plastics – the Facts“ zufolge ging die K...

Hinhalten, messen, und das Ergebnis ist sofort da – das wünscht sich die Industrie für die Qualitätskontrolle, die Polizei bei der Spurensicherung oder auch die Feuerwehr bei Einsätzen nach Explosionen. Dafür eignen sich Analysensysteme, die in eine Hand passen.
Ramanspektrometer füllten noch vor wenigen Jahren ganze Räume. Obwohl sich der Platzbedarf verringert hat, sind die analytischen Möglichkeiten gewachsen. Heute eignen sich Ramanspektrometer, die kaum größer sind als ein Mobiltelefon, für die Vor-Ort-Analytik. Inzwischen sind Handheld-Systeme mit unterschiedlichen Techniken auf dem Markt, neben Raman- sind das Infrarot(IR)-, Nahinfrarot(NIR)-, Mittelinfrarot(MIR)- und Massenspektrometrie.<h2>Traditionelle Analytik ersetzen</h2>Die heute verfügbaren Geräte verändern den Markt sowie die Arbeitsweise in Labor und Produktion. Sie können beispielsweise eine Alternative zur Karl-Fischer-Titration sein. Diese quantitative Bestimmung der (Rest-)Feuchte und des Wassergehalts erfordert klassischerweise einen Probenzug mit Probennahme und -vorbereitung. Dies möchte man aber vermeiden, insbesondere bei toxischen Stoffen und allgemein bei gefährlichen Materialien in der Chemie- und Pharmaindustrie. Außerdem kann der Probenzug eine der Hauptfehlerquellen innerhalb des analytischen Gesamtablaufs sein.Messungen sollen idealerweise ohne Probenkontakt funktionieren. Bei Gebinden aus Glas oder durchsichtiger Plastikfolie funktioniert das mit einem handgehaltenen Nahinfrarot- oder Ramanspektrometer (zum Beispiel MicroNIR onsite W, TruScan RM, Analyticon Instruments; i-Raman Pro, Metrohm; NanoRam-1064; B&amp;W Tek). In der pharmazeutischen Produktion bringt dieses Verfahren Vorteile in der – mittlerweile auch für Hilfsstoffe oftmals geforderten – 100-Prozent-Identitätsprüfung von Rohstoffen im Wareneingang.Auch durch den Übergang von Batch- zu kontinuierlichen Prozessen bekommen handgehaltene Systeme Auftrieb. Die At-line-Kontrolle mit NIR- oder Ramanhandgeräten erfolgt hier wenn möglich an einem Sichtfenster und eng am Prozess, um direkt reagieren und regulieren zu können. Der Weg ins Labor und die Wartezeit entfallen so.Ebenfalls zunehmend nachgefragt werden In-line-Verfahren mit fest im Prozess installierten NIR- und Ramansonden (zum Beispiel von MicroNIR PAT W, MicroNIR PAT U oder Hyperflux, Analyticon Instruments; Ousaf22, Endress+ Hauser).<h2>Vorteile und Grenzen</h2>Die Umstellung von einem bewährten Verfahren, etwa Karl-Fischer-Titration, auf ein neues ist auch unter den regulatorischen Bedingungen in der Pharmaindustrie machbar. Für die Alternative handgehaltenes Nahinfrarot- oder Ramanspektrometer spricht: Behörden und Auditoren schätzen berührungslose analytische Verfahren, weil sie unter anderem die Kontaminationsgefahr des Analyten und die Expositionsgefahr reduzieren – gegebenenfalls bis auf null. Den Methodenwechsel muss das betreffende Unternehmen beim jährlichen Audit ankündigen und die Gleichwertigkeit oder Überlegenheit der neuen Methode nachweisen.Handspektrometer haben allerdings ihre Grenzen: Absolute Werte bis hinunter in den ppm-Bereich lassen sich hiermit nicht nachweisen, und auch dunkle Substanzen sind schwer zu analysieren. Eine spektroskopische Variante speziell für dunkle Stoffe ist die FT-IR-Spektroskopie.FT-IR- und Ramanspektroskopie sind Alternativen zu NIR, weil es einfach ist, für sie Spektrendatenbanken aufzubauen. Besondere Schwierigkeiten bereiten Gemische mit unterschiedlichen Matrixbestandteilen, vor allem wenn diese im Vergleich zum Analyten viel höher konzentriert sind. Schlimmstenfalls sind die Analyten verdeckt. Allerdings helfen hier Algorithmen und spezielle Funktionen in den Geräten. Diese sorgen dafür, dass auch solche Anwender die handgehaltenen Versionen nutzen können, die keine naturwissenschaftliche Ausbildung haben.<h2>Neue Anwendungsmöglichkeiten, neue Anwender</h2>Dass auch Nutzer ohne naturwissenschaftlichen Hintergrund handgehaltene Raman- und FT-IR-Spektrometer bedienen und zuverlässige Ergebnisse erhalten können, macht diese zu einer Standardtechnik bei der Beweisaufnahme an Tatorten durch Polizei oder Zoll, beim Militär oder im Katastrophenfall für die Feuerwehr. Die Geräte heißen zum Beispiel FirstDefender RM und RMX oder TruDefender FTX (Foto S. 34).<figure><img src="https://media.graphcms.com/BLjbtusfQoiwhijmk41b"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Messung mit einem Ramanspektrometer durch ein Schauglas. Foto: Analyticon Instruments</figcaption></figure>
Auch andere Techniken aus dem Labor eignen sich mittlerweile für Vor-Ort-Analysen durch die Sicherheitsbehörden. Um Spuren zu detektieren, was insbesondere bei chemischen Kampfstoffen das Ziel ist, stehen inzwischen handgehaltene Massenspektrometer zur Verfügung (zum Beispiel MX908, Analyticon Instruments). Gefahren durch Sporen oder Organismen, etwa Milzbrandsporen in Briefen, sind mit mobilen PCR-Analysatoren erkennbar (Razor EX, Analyticon Instruments). Handgehaltene Colorimeter leisten Spurenanalytik von Explosivstoffen und Betäubungsmitteln (zum Beispiel Seekere, Analyticon Instruments).<h2>Unterschiedliche technische Ansätze</h2>Bei der technischen Konstruktion handgehaltener Analysensysteme nimmt die Vielfalt zu. Einige miniaturisierte NIR-Sensoren zeichnen sich etwa durch die Möglichkeit aus, sie direkt auf die Platine eines Messgeräts zu setzen. Der Sensor wird in einer ultradünnen Verkapselung vor der Einwirkung von Wasser, Sauerstoff und anderen Umwelteinflüssen geschützt (Hertzstück, TrinamiX, Ludwigshafen). Das Ergebnis ist ein kompaktes, handgehaltenes Analysensystem zur Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und Pharmazeutika (Foto oben). Selbst ungeschultes Personal kann damit relevante Kenngrößen von Produkten ermitteln, zum Beispiel Wasser-, Protein- und Fettgehalt.<figure><img src="https://media.graphcms.com/KS5FOSl9R3yoLkst3xW3"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Tragbare NIR-Spektrometer für Probenanalysen auch außerhalb des Labors. Foto: TrinamiX</figcaption></figure>
<h2>Keine Artefakte durch Handbewegungen</h2>Ein technisch etwas anderes Verfahren für handgehaltene IR-Spektrometer hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Freiburg, in Zusammenarbeit mit dem Schwesterinstitut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden, entwickelt: Im EU-Projekt „Compact High Performance Quantum Cascade Laser Sensors“ (Chequers) entwarfen und bauten sie eine Laserquelle (Foto links). Mit dabei waren Industriepartner aus Polen und Großbritannien. Sie steuerten die Auswerte- und Bediensoftware sowie Know-how zur Messtechnik bei.<figure><img src="https://media.graphcms.com/YCqOfpHNRsebGwhG9X9X"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Quantenkaskadenlasermodul für spektroskopische Anwendungen, konstruiert am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik. Foto: Fraunhofer IAF</figcaption></figure>
Bei dem Messverfahren handelt es sich um die diffuse IR-Rückstreuspektroskopie. Dabei wird die Probe mit einem durchstimmbaren Laser beleuchtet, und die Substanz wird anhand des Rückstreusignals identifiziert. Gemessen wird die Strahlungsintensität als Funktion der Beleuchtungswellenzahl (1000 cm–1 bis 1300 cm–1).Das Messverfahren berücksichtigt dabei, dass handgehaltene Geräte unweigerlich bewegt werden – ein entscheidendes Detail. Mit der speziellen Laserquelle wird der 300 cm–1 breite Abstimmbereich innerhalb einer Millisekunde gescannt, sodass die Bewegungen nicht zu Artefakten führen. Wichtig für die Arbeitssicherheit: Die Leistungsdichte der IR-Strahlung und des MIR-Rückstreulichts muss augensicher sein.Diese Konstruktion nutzt die Mems-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems), durch die das gesamte Sensorsystem besonders klein und handlich sein kann. Die aktuelle Version des Lasermoduls hat eine Grundfläche von 6,1 Zentimeter mal 4,5 Zentimeter, und die Elektronik ist nicht größer als eine Scheckkarte.Allerdings ist das Gerät das Ergebnis eines Forschungsprojekts, also ein Demonstrationsgerät, kein fertiges Messgerät. Der Laser selbst ist in der Entwicklung inzwischen etwas weiter. Er wird zwar noch nicht in Serie hergestellt, aber der entsprechende Transfer in die Industrie ist das nächste Ziel.Grundsätzlich eignet sich das System für alle Substanzen mit einem ausreichend charakteristischen MIR-Rückstreuspektrum. Dabei haben die Entwickler an Polizeieinsätze gedacht, an die unmittelbare Identifikation unbekannter Stoffe auf eine Messdistanz von einigen 10 cm (Foto rechts).<figure><img src="https://media.graphcms.com/KnMpqg4jRrWA7qCx6l69"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Tragbarer Gefahrenstoffscanner; das Gerät erkennt explosive, toxische und andere gefährliche Substanzen und soll Einsatzkräften zur Vor-Ort-Detektion dienen. Foto: M-Squared Lasers</figcaption></figure>
In der Endausbaustufe wäre auch eine Aufrüstung auf Remote-Betrieb denkbar, um zum Beispiel auf Vergleichsspektren zurückgreifen zu können. Diese nimmt man idealerweise an Referenzproben selbst auf, denn Rückstreuspektren eines Stoffes zeigen häufig mehr Varianz als Absorptionsspektren.Die Grenzen dieses IR-spektroskopischen Ansatzes liegen dort, wo Stoffe durch eine Verpackung hindurch detektiert werden sollen. Allenfalls Pulver in dünnen Plastiktütchen sind manchmal noch messbar, aber die Infrarotstrahlung wird bei diesem System in der Regel stark absorbiert und gelangt nicht in ausreichendem Maße durch Glas, einen Rucksack oder ähnliches hindurch.<h2>Knifflige Aufgaben gehören ins Labor</h2>Das klassische Labor bleibt dort stark, wo es auf scharf definierte Protokolle ankommt, wo Umgebungsbedingungen genau eingehalten werden müssen oder wo die analytische Aufgabe komplex und der Ideenreichtum eines analytischen Chemikers gefragt ist. Damit verschiebt sich das Leistungsspektrum hin zu den besonders kniffligen Aufgaben.Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Innerhalb ihrer Grenzen sind handgehaltene analytische Geräte immer häufiger eine Alternative zu klassischen Verfahren.Für feste und flüssige Substanzen eignen sich insbesondere Handheld-NIR-, -IR- und -Ramangeräte.Interessenten für die kompakten Geräte sind typischerweise die pharmazeutische und chemische Industrie, Recycling- und metallverarbeitende Betriebe sowie Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben.

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