Bachelorarbeiten 2018 Chemie - ZHAW Zürcher Hochschule für ...
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Bachelorarbeiten
2018
Chemie
Zürcher Fachhochschule
Sie haben Freude am Verbinden von Theorie und Praxis. Wir vermitteln Ihnen das Verständnis für die Entwicklung und Analyse von Substanzen und Verfahren.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 5 Sauter Nicolas 34
Die Diplomandinnen und Scheidt Marie-Desirée 35
Diplomanden
Scherer Raffael 36
Aeberhard Lukas 6
Scheurer Nicolas 37
Albrecht Josha 7
Spada Samuel 38
Arnold Remo 8
Stehrenberger Manuel 39
Baillod Tobias 9
Stiffler Nicole 40
Brühwiler Robin 10
Thalmann Oliver 41
Canonica Elia 11
Useini Flutra 42
Critelli Giulia 12
Wenger Andrina 43
Erni Oliver 13
Witschard Sandra 44
Faes Lola 14
Fournier Jean 15
Gilsing Silija 16 IAESTE-Praktikum 45
Graf Dominik 17 Institut für Chemie und
Biotechnologie (ICBT) 47
Hauenstein Fabian 18
Perspektiven 48
Häner Raffaela 19
The Science and Art of
Hodel Selina 20 Coffee (CAS) 51
Hüppi Rolf 21 TEDD Competence Centre 52
Ismaili Dafina 22 Natural Products
Drug Discovery 53
Keller Thomas 23
ALUMNI ZHAW 54
Lüthi Mario 24
ZHAW LSFM 55
Mettler Patrick 25
Mistretta Alexander 26
Moeschlin Amélie Nicole 27
Mol Gioele 28
Nauer Angela 29
Papalo Salvatore 30
Pfister Claudio 31 Titelbild: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
von mesoporösem Silica SBA-15 (Ø = 3–4 μm), z. B. für
Rey Natascha 32 Anwendungen in der Sensortechnologie.
Aus der Forschung der Fachgruppe Polymerchemie:
Rupacher Joanna 33 zhaw.ch/icbt/polymer
3
Die Absolventinnen und Absolventen des Bachelorjahrgangs CH 15 4
Vorwort
Wädenswil, September 2018
Liebe Leserin, lieber Leser!
Dieses Booklet, in dem Sie gerade blättern, enthält die gesammelten Werke aller
Bachelorstudierenden des Abschlussjahrs 2018. Jede dieser Bachelorarbeiten steht
für eine selbstständig und individuell bearbeitete Aufgabenstellung mit praktischem
Bezug. In enger Kooperation mit der Industrie wurden dabei zahlreiche Lösungen zu
aktuellen Themen erarbeitet.
Die Studierenden haben dazu ihr über drei Jahre disziplinär erworbenes theoretisches
und praktisches Wissen interdisziplinär angewandt. Diese Interdisziplinarität und Breite
der Themen begeistert mich jedes Jahr aufs Neue. Doch machen Sie sich selbst ein
Bild beim Lesen und Blättern. Entdecken Sie Neues aus den verschiedenen Bereichen
der Chemie und sehen Sie, was es für uns bedeutet, eine moderne Auffassung der
Chemie zu leben. Sie finden Beiträge zu Themen wie Grüne Chemie, Digitalisierung /
Industrie 4.0, Nanotechnologie, Biokatalyse, neuartiges Wirkstoff-Design, Mikroreak
tionstechnik und High-Tech-Analytik.
Liebe Diplomandinnen und Diplomanden, diese Bachelorarbeiten
sind die Krönung Ihres Chemiestudiums, worauf Sie sehr stolz sein können. Wir gra-
tulieren Ihnen herzlich zum erfolgreichen Abschluss Ihres Chemiestudiums und freuen
uns mit Ihnen!
Ihr Achim Ecker
Studiengangleiter Chemie
Institut für Chemie und Biotechnologie
5
Neuer Syntheseweg zur Herstellung eines
Intermediates für ein H¹-Antihistaminika
Diplomand Lukas Aeberhard
Korrektor ZHAW PD Dr. Christian Frech Nabold
Korrektor extern Dr. Roman Gerber
In der vorliegenden Arbeit wurde in Zusam- Der Prozess wird im Folgenden anhand eines
menarbeit mit einem Industriepartner versucht, Beispiels erläutert, welches nicht Teil dieser
ein Intermediat für einen pharmazeutischen Arbeit war. Bei der Herstellung des Wirkstoffs
Wirkstoff (API) über einen neuen, patentier- Dapagliflozin, ein Antidiabetikum, wurde nach
baren Weg zu synthetisieren. Der gewerb- der Markteinführung vom Hersteller ein wei-
liche Vertrieb von APIs wird von ihren Erfin- terer Syntheseweg patentiert, durch welchen
dern durch Patente geschützt. Diese Patente das Zielmolekül effizienter produziert werden
haben jedoch eine zeitliche Beschränkung, konnte. Dabei wurden mehrere Schritte einge-
wodurch der Syntheseweg auch geschützt spart und die Verwendung teurer Reagenzien
wird, sodass andere Firmen den Wirkstoff konnte umgangen werden. Dieser Weg steht
nicht auf die gleiche Art herstellen können anderen Herstellern nun nicht mehr zur Ver-
und so eine Markteinführung erschwert wird. fügung, da auch dieser patentiert ist. Beide
Daher wurde insbesondere der grosstech Möglichkeiten sind in der Abbildung 1 darge-
nischen Anwendung und der Möglichkeit zur stellt. Dapagliflozin ist ein gut erforschtes API,
Patentanmeldung in dieser Arbeit Aufmerk- weshalb viele verschiedene Syntheserouten
samkeit geschenkt. publiziert und patentiert wurden.
Abb. 1: Zwei verschiedene patentierte Synthesewege eines Herstellers zur Darstellung des API Dapagliflozin
6
Synthese von neuen antibiotischen Wirkstoffen
Diplomand Josha Albrecht
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Rainer Riedl, Dr. Stefan Höck
Korrektor extern Dr. Samuel Derrer
Immer mehr Bakterien entwickeln Resistenzen Durch kristallografische Analysen ist es gelun-
gegen Antibiotika. Die WHO geht aufgrund gen, den Wirkmechanismus von Pseudo
resistenter Bakterien bis 2050 von jährlich 10 uridimycin zu verstehen und dadurch Wirk-
Millionen Todesopfern aus und nennt es eine stoffbibliotheken von an Pseudouridimycin
der drei grössten Gefahren der Welt. 2017 angelehnten Substanzen anzulegen.
haben nun Forscher aus Italien, Deutschland Über mehrere Synthesestufen wurden nun
und der USA beim Screening einer Bibliothek verschiedene potentielle RNA-Polymerase-In-
aus 3000 Extrakten ein neues Nukleosid-Ana- hibitoren synthetisiert. In einem letzten Schritt
logon, das Pseudouridimycin, entdeckt. Pseu- werden die Substanzen in biologischen Tests
douridimycin ist sowohl gegen gramnegative auf ihre Aktivität getestet.
wie auch gegen grampositive Bakterien aktiv,
die bereits Resistenzen gegen andere Antibio-
tika aufweisen. Pseudouridimycin ahmt die
Struktur von Uridin-5’-triphosphat nach, wel-
ches die RNA-Polymerase benützt, um RNA
aus DNA-Doppelsträngen herzustellen. Da
sich die prokaryotische RNA-Polymerase von
eukaryotischen unterscheidet, ist es möglich,
bakterielle RNA-Polymerase selektiv zu inhi-
bieren.
Abb. 1: Bindungsmodus von
Pseudouridimycin (PUM)
7
Suzuki-Miyaura-Kupplungsreaktionen mit
Arylborsäure-Derivaten
Diplomand Remo Arnold
Korrektor ZHAW PD Dr. Christian Frech Nabold
Korrektor extern Dr. Roman Gerber
Für die Herstellung asymmetrischer Biaryle Aryl-MIDA-Boronate und Pinakolborsäure
wird meist auf die Suzuki-Miyaura-Kupplungs- ester gelegt. Für die Versuche wurde der Kata-
reaktion zurückgegriffen. Bei dieser Reaktion lysator Dichlorbis(1-(dicyclohexylphosphanyl)
werden in Anwesenheit einer Base und ge pyperidin)palladium verwendet. Dieses Kata-
ringer Mengen eines Palladium-Katalysators, lysatorsystem zeichnet sich durch mehrere
Arylborsäuren (oder Derivate) und Arylhalogene gute Eigenschaften aus: Es ist hoch aktiv,
zu Biarylen umgesetzt. Anwendung findet die- luftbeständig, selektiv und hat vor allem eine
se Reaktion in den verschiedensten Industrie- sehr gute Toleranz bezüglich vieler funktionel-
feldern wie der Polymerchemie, auch bei der ler Gruppen. So können Aryl-Bromide für die
Produktion von Flüssigkristallen und bei der Suzuki-Miyaura-Kupplungsreaktion verwendet
Herstellung von Naturstoffen. Ebenfalls sehr werden, die aktivierende, deaktivierende und
interessant ist diese Kupplungsreaktion für nicht aktivierte funktionelle Gruppen enthal-
die Herstellung von pharmazeutischen Sub ten, aber auch solche, die sterisch gehindert
stanzen, wie dies beispielsweise bei Losartan, sind. Ausserdem weist der Katalysator einen
einem Nonpeptid Angiotensin II Rezeptor An Chamäleon-Charakter auf, d. h. er kann die
tagonist, der Fall ist. Reaktion nach dem homogenen Mechanis-
mus katalysieren, aber auch über in situ her-
In dieser Bachelorarbeit wurden verschiede- gestellte Palladium Nanopartikel, welche über
ne Arylborsäure-Derivate in Suzuki-Miyaura- das Aminophosphin-basierende Ligandensys-
Kupplungsreaktionen eingesetzt und unter- tem gesteuert werden.
sucht, welche davon sich für die Kupplungs-
reaktion eignen und ob Limitationen vorhan-
den sind. Der Fokus wurde hauptsächlich auf
Br N
O
0.05 mol% [(P{(NC5H10)(C6H11)2})2Pd(Cl2)]
B O O in THF
+ O
K2CO3
R R R
R
Abb. 1: Generelle Reaktionsbedingungen bei den Suzuki-Miyaura-Kupplungsreaktionen: 1 mmol Arylbromid, 1.1 mmol
Arylborsäure-Derivat (hier dargestellt der MIDA Ester), 5 mmol Kaliumcarbonat, 2.5 ml Lösungsmittel (n-Butanol / Wasser 9:1),
0.1 ml Katalysatorlösung (0.05 M in THF), Reaktionstemperatur: 100 °C.
8
Optimierung eines SpinChem-Prozesses für eine
immobilisierte Ene-Reduktase
Diplomand Tobias Baillod
Korrektor/-in ZHAW Prof. Dr. Rebecca Buller, Prof. Dr. Achim Ecker
Durch ihre hohe Chemo-, Regio- und Enan- genutzt. Zur Regenerierung des verwendeten
tioselektivität sind Biokatalysatoren für den NADPHs wurde das Enzym Glucose Dehy-
Einsatz in der nachhaltigen Produktion von drogenase (GDH) verwendet. Dieses oxidiert
chiralen und hochfunktionellen chemischen D-Glucose zu D-Glucono-1,5-lacton und
Verbindungen prädestiniert. Vorteile der Bio- reduziert dabei NADP+ zu NADPH.
katalyse können die Vermeidung von Schutz- Um die CrS besser industriell nutzen zu kön-
gruppenchemien, der Verzicht auf giftige oder nen und eine Rezyklierung des Katalysators
teure anorganische Katalysatoren und der Ein- zu ermöglichen, wurde die Immobilisierung
satz von milden Reaktionsbedingungen sein. von CrS überexprimierenden Zellen durch
Ene-Reduktasen der Old Yellow Enzyme Alginat und Chitosan optimiert und ein Scale-
(OYE) Familie sind NAD(P)H-abhängige Flavin Up in einem SpinChem Reaktor durch-
mononucleotid (FMN)-enthaltende Oxidoreduk- geführt. Der SpinChem ist ein rotierender
tasen, welche die stereo- und enantio- Bett-Reaktor, der häufig im Kontext mit immo-
selektive Reduktion von α, β-ungesättig- bilisierten Biokatalysen verwendet wird. Die
ten Ketonen, Aldehyden, Nitroalkanen und Wiederverwendbarkeit der immobilisierten
Carbonsäuren katalysieren können. Die Zellen wurde für bis zu drei biokatalytische
asymmetrische Hydrierung in der klassi- Zyklen untersucht. Im ersten Zyklus wurden
schen organischen Chemie basiert meist nach 6 h 85 % des 5 mM Substrats umge-
auf Edelmetall-Katalysatoren wie Ruthenium setzt. Durch die optimierte Alginat-Chitosan
in Kombination mit Wasserstoff. Immobilisierung konnte im 3. Zyklus sogar
Die Chromat Reduktase (CrS), welche zur Old noch ein Umsatz von 74 % erreicht werden.
Yellow Enzyme (OYE) Familie gehört, wurde
in E. coli exprimiert und für die biokatalyti-
sche Umsetzung von 2E-Hexenal zu Hexanal
Abb. 1: 3D-Modell der Kristallstruktur der Ene-Reduktase Abb. 2: Der immobilisierte Biokatalysator befindet sich
CrS (PDB-code: 3HF3) aus Thermus scotoductus. während des Betriebs im Rührer des SpinChem Systems
(Quelle: SpinChem).
9
Modellprädiktive Regelung der Temperatur eines
automatisierten Reaktors
Diplomand Robin Brühwiler
Korrektor ZHAW Dr. Elias August
Korrektor extern Dr. sc. tech. ETH Zürich Benedikt Schenker
Die Regelungstechnik ist in vielen Bereichen In dieser Arbeit wurde eine MPC am EasyMax
der Industrie entscheidend für die Prozess 102 von Mettler Toledo (Abbildung 1) erfolg-
überwachung und -führung. Dabei sind reich implementiert, um die Reaktortempera-
PID-Regler die am weitest verbreiteten Regler, tur dieser Kalorimetrie-Arbeitsstation zu regeln,
und zwar seit rund 100 Jahren. Mit der zuneh- und zwar mit dem Ziel, gängige PID-Regler zu
menden Rechenleistung von Mikroprozesso- übertreffen und ausserdem dafür zu sorgen,
ren ist es heute jedoch möglich, modernere dass sich der Regler selbstständig parametri-
Regelungen einzusetzen. Bei der modellprä- siert, d. h., ohne dass sich die Kunden darum
diktiven Regelung (MPC) wird anhand eines kümmern müssen. Abbildung 2 zeigt, wie
Prozessmodells der zukünftige Zustand des vortrefflich die implementierte MPC die Reak-
Systems betrachtet und über mathematische tortemperatur (blaue Linie) regelt. In den ers-
Optimierungsverfahren der optimale System ten 10 Betriebsminuten wird die MPC para-
input berechnet, um einen gewünschten Soll- metrisiert und folgt danach beinahe lückenlos
zustand zu erreichen. der vorgegebenen Temperatur (rote gestri-
chelte Linie).
Abb. 1: Aufbau eines EasyMax-Reaktors. Abb. 2: MPC für die Regelung der Reaktortemperatur.
10Massenspektrometrische Analyse von
Chlorparaffinen in Kunststoff-Produkten
Diplomand Elia Canonica
Korrektor ZHAW Dr. Peter Lienemann
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Betreuer extern Dr. Norbert Heeb, Empa
Vorwiegend in China werden jährlich über der Gehalt an SCCPs in vier Kunststoff-
eine Million Tonnen Chlorparaffine (CPs) pro- Produkten bestimmt. Die Materialien wurden
duziert. CPs sind daher von grosser indus- extrahiert und chromatographisch aufgerei-
trieller Bedeutung. Sie dienen als Additive nigt. Anschliessend wurden die vier Extrakte
in Schneidölen und Farben oder werden als mit einem GC-Orbitrap-Massenspektrometer
Flammschutzmittel und Weichmacher in Poly- analysiert. In allen vier Kunststoffen konnten
meren eingesetzt. So erstaunt es nicht, dass SCCPs und MCCPs nachgewiesen werden.
CPs heute an den entlegensten Orten der Welt Der Grenzwert an SCCPs in Schweizer Kon-
wiedergefunden werden. CPs sind bioakku- sumgütern von 0.15 % wurde in allen Proben
mulierend und wirken auf viele Wasserorganis- überschritten. In Abbildung 1 ist die CP-Ho-
men toxisch. Aufgrund dieser Eigenschaften mologenverteilung in einem Kunststoff-Extrakt
wurden die kurzkettigen Chlorparaffine (short- dargestellt. Bei technischen CP-Mischungen
chain chlorinated paraffins, SCCPs: C¹0–C¹³) handelt es sich um mehrfach chlorierte
im Mai 2017 in die Stockholm-Konvention n-Alkane, welche einen Chlorierungsgrad von
aufgenommen, als persistente organische 40–70 % aufweisen. Es wird angenommen,
Schadstoffe eingestuft und deren Verwendung dass jedes Kohlenstoffatom maximal ein Chlo-
somit verboten. Die mittel- und langkettigen ratom gebunden hat. Insgesamt gibt es über
Chlorparaffine (medium- und long-chain chlo- 7000 Konstitutionsisomere der SCCPs. Jedes
rinated paraffins, MCCPs: C¹4–C¹7, LCCPs: Konstitutionsisomer kann wiederum in mehre-
C¹8–C³ 0) fallen nicht unter die Stockholm- ren stereoisomeren Formen vorkommen. Die
Konvention. CP-Analytik gestaltete sich aufgrund dieser
In dieser Bachelorarbeit wurden verschiedene grossen Anzahl von Konstitutions- und Ste-
massenspektrometrische Methoden zur CP- reoisomeren als äusserst anspruchsvoll, was
Analytik von Kunststoffen und technischen sich auch in den Massenspektren der CPs
SCCP-Mischungen entwickelt. Dazu wurde zeigte.
Abb. 1: CP-Homologenverteilung im
Kunststoff-Extrakt P25
11Bioanalytische Charakterisierung von
Exosomen aus HEK-Zellen
Diplomandin Giulia Critelli
Korrektorin ZHAW Dr. Sabina Gerber
Korrektor extern Joël de Beer
Exosomen sind Membranvesikel, welche aus Folge mit unterschiedlichen Methoden auf-
dem Endozytoseweg entstehen und einen konzentriert und durch CaptoCore® Chroma
Durchmesser von 30 –100 nm aufweisen tographie aufgereinigt. Die Aufreinigung und
(Abb. 1). Sie werden aus fast jedem Zelltyp die Anreicherung der Exosomen wurden
gebildet und es konnte gezeigt werden, dass mittels Protein- und Phospholipidgehalt über
sie z. B. dem Austausch von Proteinen, RNA einen ELISA für Exosomenmarker und über
oder Lipiden zwischen benachbarten und die Partikelgrösse und Partikelgrössenvertei-
distalen Zellen dienen. Das Interesse für the- lung charakterisiert (Abb. 2).
rapeutische Anwendungen von Exosomen ist
gross und die bioanalytische Charakterisie-
rung der Proteine, RNA und Lipide der Exo-
somen ist für eine therapeutische Nutzung
unerlässlich.
In dieser Bachelorarbeit wurden Exosomen
aus Zellkulturüberständen einer HEK 293T-
Zellkultur geerntet und mittels differentieller
Zentrifugation und Filtration von Zellen und
Zellresten abgetrennt. Die Vesikel wurden in
Abb. 2: Histogramm der Partikelgrössenverteilung der
Exosomen.
Weiter wurde das Proteom der Exosomen
elektrophoretisch mittels SDS-PAGE, Coo-
massie- und Silberfärbung sowie chromato-
graphisch mit Anionenaustauschchromato-
graphie analysiert. Die Exosomen konnten
erfolgreich aufgereinigt und angereichert wer-
den und prävalente membranständige Exoso-
menmarker wurden identifiziert.
[1] T. Skotland, K. Sandvig, and A. Llorente, «Lipids in exo-
somes: Current knowledge and the way forward,» Prog.
Abb. 1: Ausbildung der Exosomen aus dem Endozytose-
Lipid Res., vol. 66, pp. 30–41, 2017
weg [1].
12Synthese von silbermodifizierten Titandioxid-
Partikeln im Mikroreaktionssystem
Diplomand Oliver Erni
Korrektor ZHAW Dr. Peter Riedlberger
Korrektorin extern Dipl. Chem. Ing. Franziska Morganti
Fossile Rohstoffe werden in Zukunft in gerin- phologie der Titandioxid-Partikel zu untersu-
gerem Umfang verfügbar sein, daher ist die chen. Im Anschluss wurden die hergestellten
Suche nach alternativen Energiequellen und Partikel mit verschiedenen Analysetechniken
neuen Rohstoffen für die chemische Industrie charakterisiert.
essentiell. Durch die Politik wurde die Herstel-
lung von Biodiesel gefördert, u. a. da dieses Eine der wichtigsten Eigenschaften eines
CO²-neutral ist. Bei der Biodieselproduktion Katalysators ist seine spezifische Oberfläche.
entsteht als Koprodukt Glycerin. Durch den Die im kontinuierlichen Prozessbetrieb herge-
stetigen Anstieg der Biodieselproduktion sinkt stellten silbermodifizierten Titandioxid-Partikel
der Preis von Glycerin markant, daher wird Gly- hatten eine relativ kleine spezifische Oberflä-
cerin als Plattformchemikalie diskutiert. Dabei che, weshalb hier weitere Optimierungen not-
stehen modifizierte Titandioxid-Partikel (TiO²) als wendig sind. Des Weiteren sollte die Vertei-
heterogener Katalysator für die Reaktion von lung des Silbers auf Titandioxid noch genauer
Glycerin zu Milchsäure zur Diskussion. untersucht werden.
Ziel dieser Bachelorarbeit war es, silbermo-
difizierte Titandioxid-Partikel mit definierten
Eigenschaften in einem kontinuierlichen Mik-
roreaktionssystem herzustellen sowie den
Einfluss von Syntheseparametern auf die Mor-
Abb. 1: REM-Aufnahme eines synthetisierten, silbermodifi- Abb. 2: Silbermodifizierte TiO²-Partikel. Das Silber ist nicht
zierten TiO²-Partikels. homogen auf dem Titandioxid verteilt.
13Vereinfachung der Methode zur Herstellung eines
3D-kutisäquivalenten Modells mittels Alvetex®
Diplomandin Lola Faes
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Michael Raghunath, Dr. Markus Rimann
Seit 2013 ist in der Europäischen Union (EU) In der vorliegenden Arbeit wurde die Herstel-
die Durchführung von Tierversuchen für kos- lung eines Kutismodells mit Alvetex® Scaffolds
metische Produkte und deren Inhaltsstoffe erprobt. Ein Kollagengel mit eingemischten
gesetzlich verboten. Die Schweiz ist von die- Fibroblasten wurde in das hochporöse Poly
sem Gesetz ebenfalls betroffen, da sie in Mit- styrolgerüst eingebracht und bildete damit
gliedstaaten der EU exportiert. Neue Gesetz- die Dermis. Für die Konstruktion der Epider-
gebungen wie diese verlangen nach Modellen, mis wurden Keratinozyten und Melanozyten
welche Tierversuche ersetzen. ausgesät und durch Luftexposition zur Ver-
Etablierte Methoden zur Herstellung eines hornung gebracht. Die Modelle wurden mit
Kutismodells existieren bereits. Dabei wird für Hämatoxylin-Eosin-, Kollagen I-, III-, IV- und
die Bereitstellung einer 3D-Umgebung auf ein VII-, Elastin-, Fibrillin-1- und Filaggrin-Färbun-
Kollagengel zurückgegriffen, in das Fibroblas- gen untersucht. Die Antikörper wurden vorher
ten eingemischt werden. Später werden dann an einer Hautbiopsie validiert (Abb. 2, Bsp.
Oberhautzellen (Keratinozyten) darauf ausge- Filaggrin).
sät. Diese Methode ist zeitintensiv, weil man
darauf warten muss, dass die Fibroblasten
innert einer Woche die Kollagenfasern zusam-
menziehen, wodurch das Gel unkontrollierbar
schrumpft (Abb. 1). Diese Kontraktion könnte
durch Alvetex® Scaffolds, einem Gerüst aus
Zellkulturpolystyrol, verhindert werden.
Abb. 2: Validierung des Antikörpers gegen Filaggrin an einer
Hautbiopsie eines Oberschenkels
Das Scaffold verhinderte die Kontraktion der
Kollagengele, jedoch stellte die ungenügende
Haftung von Paraffinschnitten der Alvetex®-
Kutismodelle eine unerwartet grosse Hürde
dar. Sie konnte mit der Verwendung von
mit POMA (Poly(octadecen-alt-maleinsäure
anhydrid) gecoateten Objektträgern über-
wunden werden. Zukünftig sollte einer repro-
duzierbaren Analysemethode für Alvetex®
Abb. 1: Kollagengel mit Fibroblasten als Dermismodell am
Scaffold-basierte Kutismodelle nichts mehr im
Tag 31; 17 Tage nach der Besiedlung mit Keratinozyten Wege stehen.
14Eine Evaluation der DCC-Methode zum Screenen
von niedermolekularen Inhibitoren
Diplomand Jean Fournier
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Rainer Riedl
Korrektor extern Dr. Samuel Derrer
Die dynamisch kombinatorische Chemie der Methodik und Analyse, damit abgeschätzt
(dynamic combinatorial chemistry, DCC) ist werden konnte, wie gut sich diese Methode
ein Verfahren, bei dem Substanzbibliotheken für Screenings eignet. Als Reaktion wurde die
mithilfe einer reversiblen Reaktion erstellt Acylhydrazon-Bildung gewählt. Die grösste
werden. Durch einen externen Stimulus wird untersuchte Bibliothek bestand aus 11 ver-
versucht, eine Amplifikation zu erzeugen, schiedenen Komponenten. Die Analytik wur-
um durch einen Vergleich die Substanz mit de mit einem UHPLC-TQ-MS durchgeführt.
der besten Affinität zum Stimulus zu finden. Es wurde eine starke Amplifikation nachge-
Dieses Prinzip weckt grosse Neugier für die wiesen, ausserdem konnte gezeigt werden,
Entdeckung und Weiterentwicklung von nie- dass MS-gekoppelte Untersuchungen mehr
dermolekularen Inhibitoren. Potenzial besitzen als klassische HPLC Unter-
Um dieses Prinzip auszutesten, wurde in suchungen.
dieser Arbeit eine DCL (dynamic combinato-
rial library) erstellt, um einen Inhibitor für das
Enzym Carboanhydrase II (bCA II) zu finden.
Schwerpunkt der Arbeit war die Optimierung
Abb. 1: Aufbau eines typischen DCC-Experiments: Es werden zwei Bibliotheken – eine mit und eine ohne Stimulus – mitein-
ander verglichen.
15Oxidation von 5-Hydroxymethylfurfural zu
Furan-2,5-dicarbonsäure
Diplomandin Silija Gilsing
Korrektoren ZHAW Prof. Dr. Peter Riedlberger, Dr. Elias August
Die Entwicklung biobasierter Kunststoffe hat angelegtem O²-Druck über mehrere Zwischen-
in den letzten zehn Jahren zunehmend an produkte zu FDCA oxidiert (Abb. 1). Das Pro-
Bedeutung gewonnen. Diese besitzen nicht dukt wurde mittels HPLC auf Konzentration
nur das Potenzial, anthropogene Treibhaus und Reinheit von FDCA analysiert. Der Pt / C
gasemissionen zu reduzieren, sondern Katalysator zeigte mit einer Ausbeute von
gewährleisten auch den erforderlichen Über- 60 % die beste Leistung und ist leicht wieder-
gang von fossilen zu erneuerbaren biobasier- verwendbar. Bei den beiden anderen Kataly-
ten Rohstoffen. Polyethylenterephthalat (PET) satoren konnte zwar die Bildung von FDCA
ist das meist verwendete Polymer für Geträn- detektiert werden, allerdings aufgrund einiger
keverpackungen. Ein aussichtsreicher Ansatz, Nebenprodukte zu wenig, um dieses auszu-
PET zumindest teilweise durch einen bioba- fällen. Die Sauerstoffversorgung hatte dabei
sierten Kunststoff zu ersetzen, ist die Verwen- einen grossen Einfluss auf die Art und Menge
dung von Polyethylendicarboxyfuranoat (PEF). der Nebenprodukte und muss bei weiteren
Dieses Polymer kann nicht nur zu 100 % aus Versuchen zur Reaktionsoptimierung stärker
erneuerbaren Rohstoffquellen gewonnen wer- mit einbezogen werden.
den und ist recyclebar, sondern besitzt als
direktes Furan-Analogon zu PET auch sehr
ähnliche Eigenschaften. Als Ausgangsstoff für
die PEF Herstellung dient 2,5-Furandicarbon-
säure (FDCA).
In dieser Arbeit wurde nach einem selektiven
und kostengünstigen Prozess gesucht, der
sich auch dazu eignet, FDCA im industriellen
Massstab herzustellen. Die Wahl ist dabei
auf die heterogene Katalyse gefallen, da sich
diese aufgrund des einfachen Recyclings des
Katalysators und der Möglichkeit der kontinu- Abb. 1: Katalysierte aerobe Oxidation von HMF zu FDCA
über mehrere Zwischenprodukte
ierlichen Reaktionsführung bewährt hat. Es
wurden drei Katalysatorsysteme untersucht:
Zwei kommerziell erhältliche Katalysatoren,
Platin (Pt) und Palladium auf Kohlebasis und
ein selbst hergestellter MnOx-CeO² Kataly- Bildquelle: Yi, G., Teong, S.P. and Zhang, Y. (2016) Base-
free conversion of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandi-
sator. Dabei wurde 5-Hydroxymethylfurfural carboxylic acid over a Ru/C catalyst. Green Chem., 18, 4,
(HMF) in einer basischen Umgebung unter 979–983.
16Untersuchungen zur Stabilität eines Biozids
Diplomand Dominik Graf
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Jürgen Stohner
Korrektor extern Prof. Dr. Robert Berger
In dieser Arbeit wurde ein Biozid untersucht, zu finden, wurden Proben der Produktions-
das in Wasserkreisläufen eingesetzt, Biofouling anlage mittels REM und EDX untersucht. Da
verhindert. Das Produkt enthält vier Wirkstoffe, die färbende Substanz dennoch nicht ein-
die in Ethylenglykol gelöst vorliegen. Bei den deutig identifiziert werden konnte, wurde eine
Wirkstoffen handelt es sich um kleine orga- Methode entwickelt, bei der durch regelmäs-
nische Moleküle, die vor allem Thiolgruppen siges photographisches Ablichten einer Probe
in Enzymen angreifen und so das Wachstum deren Farbverlauf quantitativ untersucht wer-
von unerwünschten Mikroorganismen ver- den konnte. Dadurch konnten Einflüsse diver-
hindern. Das Problem ist, dass das Biozid ser Faktoren, die aufgrund der Untersuchun-
während der Lagerung nicht stabil bleibt und gen als mögliche Auslöser für die Färbung
nach einiger Zeit eine Braunfärbung aufweist. identifiziert wurden, getestet werden.
Um diese Färbung in Zukunft zu verhindern,
Abb. 1: Proben für die Bestimmung des Farbverlaufs bei Abb. 2: Proben am Ende des Versuchs
Versuchsbeginn
wurde versucht, die Zerfallsprodukte, welche
die Färbung verursachen, zu identifizieren. Es
sollte ein Weg gefunden werden, um die Zer-
fallsreaktionen zu inhibieren. In UPLC-MS und
¹H-NMR Spektren wurden Signale erkannt,
die nur im verfärbten Produkt auftreten. Die-
se wurden mit Zerfallsprodukten nach schon
bekannten Zerfallsmechanismen der Wirkstof-
fe verglichen. Um die Ursache für die Färbung Abb. 3: Berechneter Farbverlauf der untersuchten Proben
17Schwermetallrückgewinnung in Kehricht
verbrennungsanlagen
Diplomand Fabian Hauenstein
Korrektor ZHAW Dr. Jürgen Ebert
Korrektor extern Dr. Christoph Jansen
In Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) laufen ternen Reinigung des Abschlämmwassers
sehr komplexe technische Prozesse ab, die durch Fällungsreaktionen entstehen gerei-
aus vielen Teilprozessen bzw. Verfahren zu nigtes Abwasser sowie ein schadstoffbelas-
sammengesetzt sind. Damit ist man auch in teter fester Rückstand (Hydroxidschlamm).
der Lage, ein breites Spektrum von Abfallarten Zur Abscheidung der Schwermetalle stehen
zu behandeln. verschiedene Methoden zur Verfügung, u. a.
Die Mehrheit der zurzeit in der Schweiz in Ionentauscher und / oder Fällungsreaktionen
Betrieb stehenden KVAs sind nach dem mit anschliessender Filtration über einen Ker-
Abhitzekessel mit einem Elektrofilter zum zenfilter.
Abscheiden der Flugaschen sowie mit einer Um die bestehende Quecksilberabscheidung
nachgeschalteten nassen Rauchgasreinigung in der KVA Linth in Niederurnen zu optimie-
ausgestattet. Als Rückstände aus der Rauch- ren, wurden verschiedene Ionentauscher-
gasreinigung fallen somit die Flugaschen und harze getestet. In einer selbst konstruierten
das saure Abschlämmwasser der nassen Versuchsanlage konnten vier Ionentauscher
Rauchgasreinigung an. Aus der betriebsin- zugleich auf ihre Effektivität getestet wer-
den (siehe Abbildung 1). Zudem
konnten die Versuchsparameter,
wie unterschiedliche Durchfluss-
geschwindigkeiten des sauren
Abwassers und Einsatzvolumen
des Harzes, variiert werden. Des
Weiteren wurde die Effektivität
von verschiedenen sulfidischen
Quecksilberfällungsmitteln über-
prüft.
Abb. 1: Schema der Versuchsanlage zur
Austestung unterschiedlicher Ionentauscher
18Expression, Aufreinigung und Charakterisierung
eines IgG und eines bispezifischen scFv-IgG aus
zwei verschiedenen Säugerzelllinien
Diplomandin Raffaela Häner
Korrektorin ZHAW Prof. Dr. Christiane Zaborosch
Korrektor extern Dr. Roger Beerli
Monoklonale Antikörper (mAb) haben in eine maximale Expression des scFv-IgG von
den letzten Jahren vielfach Anwendung in 420 mg/l und damit eine Steigerung um den
der Medizin gefunden und sind ein stetiger Faktor 40 im Vergleich zu der Expression in
Wachstumsmarkt im Pharmabereich. NBE- den HEK-Zellen erzielt werden. Nach der Auf-
Therapeutics AG ist an der Evaluation von neu- reinigung mittels einer Protein A Affinitätschro-
artigen bispezifischen ADC (antibody drug con- matographie erfolgte eine Charakterisierung
jugates) interessiert. Diese Moleküle weisen – hinsichtlich Reinheit mittels SDS-PAGE, Ag
im Gegensatz zu monospezifischen klassi- gregat-Anteil mittels Size Exclusion Chromato-
schen IgG – bispezifische Eigenschaften auf. graphie (SEC) und Affinität zum Antigen mittels
Dies bedeutet, dass ein IgG-Molekül an zwei Surface Plasmon Resonance (SPR) Spektro-
verschiedenen Epitopen eines Antigens oder skopie. Die Charakterisierung bezüglich der
an zwei verschiedene Antigene binden kann. Glykosylierung der IgG-Formate erfolgte mit-
Zur Herstellung von mAb werden im Produk- tels Massenspektrometrie.
tionsmassstab am häufigsten stabile CHO-
Zelllinien verwendet. In der frühen Entwicklung
im Forschungsbereich werden die Moleküle
im Milligramm-Bereich benötigt. Dabei erfolgt
die Expression der mAb häufig unter Verwen-
dung von HEK-Zelllinien.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde die
Expression eines bispezifischen scFv-IgG-
Formats in zwei verschiedenen Säugerzell-
linien (HEK 293T, ExpiCHO-S) im Vergleich
zur Expression eines monospezifischen IgG Abb. 1: Schematische Darstellung eines IgG und eines
bispezifischen scFv-IgG
untersucht. Die Expression der IgG-Formate
erfolgte in HEK 293T-Zellen mittels episoma-
ler Expression und in den ExpiCHO-S-Zellen
mittels transienter Expression unter Verwen-
dung zwei verschiedener Vektoren und unter-
schiedlicher Protokolle bei der Expression. Die
Bestimmung der Expressionshöhen erfolgte
mit einem Enzyme-linked Immunoabsorbent
Assay (ELISA). Mit den CHO-Zellen konnte
19Optimierung der Expression einer rSAM
abhängigen Epimerase
Diplomandin Selina Hodel
Korrektor/-in ZHAW Prof. Dr. Rebecca Buller, Dr. Lukas Neutsch
Die Resistenzbildung von Mikroorganismen Ziel dieser Arbeit war es, die Expression des
gegen Antibiotika stellt ein immer grösser wer- Fusionsproteins Strep-YydG in E. coli BL21
dendes Problem dar (WHO Bericht 2014). Als (DE3) zu optimieren. Dazu wurden verschie-
Konsequenz sind neue Klassen von Antibiotika dene Parameter wie zum Beispiel der Einfluss
gefragt, die eine schnelle Resistenzbildung der Temperatur, die Expressionszeit und der
verhindern können. Ein vielversprechender Zellaufschluss sowie der Zusatz von Chapero-
Ansatz sind dabei antimikrobielle Peptide nen untersucht. Dabei stellte sich die Expres-
(AMPs). Ein Problem der AMPs und allgemein sion bei 16 °C in TB-Medium als die beste
aller Peptide, die als Wirkstoff eingesetzt wer- Option heraus. Es wurden Biokatalysen mit
den sollen, ist ihre Anfälligkeit gegenüber Pro- dem Enzym Strep-YydG durchgeführt. Der
teasen bei in vivo Anwendungen. Es konnte Nachweis der Epimerisierung an einer gekürz-
bereits gezeigt werden, dass ein Austausch ten Variante des natürlichen Substrates (YydF-
einiger L-Aminosäuren durch D-Aminosäu- Core) konnte nicht erbracht werden. Nach
ren in der Peptidsequenz von Indolicidin (ein dem tryptischen Verdau des Reaktionsge-
AMP) eine höhere Stabilität bei Versuchen mit misches waren zwar neue Peaks neben den
Trypsin und α-Chymotrypsin bewirken kann zu erwartenden Fragmenten des Substrates
(Abb. 1, Chang et al., 2013). vorhanden, jedoch muss noch bestimmt wer-
Radikale S-Adenosylmethionin (rSAM) Epi- den, ob diese neuen Peaks von Epimerisie-
merasen sind eine Klasse von Enzymen, die rungen stammen oder Verunreinigungen aus
in der Lage sind einzelne Aminosäuren eines dem Reaktionsgemisch sind. Die Katalyse mit
Peptides in die D-Konfiguration umzuwandeln Strep-YydG und OspAcore (natürliches Sub
(Freeman et al. 2012). Eine rSAM Epimerase strat der Epimerase OspD) zeigte einen neuen
ist YydG, das ursprünglich aus Bacillus subtilis Peak, der auf eine einfache Epimerisierung
isoliert wurde (Benjdia et al. 2017). hindeuten könnte. Die Aktivität von Strep-
YydG konnte durch den
Nachweis der Bildung
von 5-Desoxyadenosin
(Nebenprodukt des kata-
lytischen Zyklus) aus
SAM während der Bio-
katalyse gezeigt werden.
Abb. 1: Verdau von Indolicidin (Δ)
und LD-Indolicidin (Δ) mit α-Chy-
motrypsin (Chang et al. 2013).
20Entwicklung von BfR-konformen Konzentrat-
Entschäumern
Diplomand Rolf Hüppi
Korrektor ZHAW Dr. Marc Bornand
Korrektor extern Dr. Dominique Huber
Betreuer extern Dr. Karsten Holtin, Kolb Distribution AG
Entschäumer werden als Prozesshilfsstoffe
überall dort eingesetzt, wo Schaumbildung
den Prozess stören würde und wo bereits
gebildeter Schaum möglichst schnell zerstört
werden muss. Besonders in der Papierin-
dustrie werden sie in sehr vielen Prozessen
eingesetzt, da der Schaum die Prozess
effektivität häufig beeinträchtigt. Um Papier Abb. 2: Entlüftungsverlauf einer Faserstoffsuspension mit
dem Produkt BA 7 als Wirkstoff bei 43 °C.
oder Kartonagen als Verpackungsmaterial in
der Lebensmittelindustrie auf dem deutschen
Markt verwenden zu können, muss der bei Veresterung wurde optimiert, indem unter-
der Herstellung verwendete Entschäumer schiedliche stöchiometrische Verhältnisse
die Anforderungen des deutschen Bundes der Edukte unter Zusatz eines ebenfalls
instituts für Risikobewertung (BfR) für Lebens unbedenklichen Katalysator- und Antioxidati-
mittelverpackungen erfüllen. Diese sollen onssystems umgesetzt wurden. Von den syn-
sicherstellen, dass keine gesundheitlichen thetisierten Produkten wurden jeweils die klas-
Risiken durch die verbliebenen Zusatzstoffe sischen Fettkennzahlen (Säure-, Hydroxyl-,
im Papier hervorgerufen werden können. Verseifungs- und Esterzahl), der Wassergehalt
In dieser Arbeit wurden solche Entschäumer und die Wirkung als Entschäumer in einem
durch Veresterung von verschiedenen natürli- Labortest bestimmt. Später wurde bei der
chen Fettsäuregemischen mit ebenfalls lebens- Partnerfirma Kolb Distribution AG die Ent-
mittelverträglichen Polyethylenglykol / Polypro- schäumerwirkung in einem praxisnahen Zir-
pylenglykol Blockcopolymeren hergestellt. Die kulationstest überprüft. Die Entschäumerwir-
kung eines der hergestellten Produkte, BA7,
erreichte in diesem Test sogar einen ähnli-
chen Entschäumungsverlauf wie die nicht-
BfR-konforme Vergleichsverbindung (s. Abb. 1).
Die mit einem Luftgehalttester (LGT) an einer
Faserstoffsuspension überprüfte Entlüftungs-
wirkung konnte jedoch noch nicht mit einem
anderen BfR-konformen Vergleichsprodukt
mithalten. Hier liegt noch Optimierungspo-
Abb. 1: Entschäumer-Zirkulationstest aller hergestellten
tential, um einen voll konkurrenzfähigen Ent-
Produkte bei 42 °C. schäumer zu erhalten.
21Heterotypische multizelluläre Tumorsphäroide
und deren Anwendung zur Evaluierung von
Kombinationstherapien
Diplomandin Dafina Ismaili
Korrektor ZHAW Dr. Markus Rimann
Korrektor extern Dr. Jens Kelm
Das hier beschriebene Projekt wurde in durchgeführt werden müssen, erlaubt dies
Zusammenarbeit mit dem Industriepartner keinen hohen Durchsatz beim Medikamenten-
PreComb Therapeutics AG durchgeführt. screening. Die Nachfrage nach zellbasierten
Heutzutage besteht immer noch ein drin- Testverfahren, an denen kombinatorische
gender Bedarf an effektiven Krebstherapien. Wirkstofftests durchgeführt werden können
Obwohl viele Wirkstoffe in vitro vielverspre- und der Tumor genauer untersucht werden
chende Ergebnisse zeigen, eignen sich die kann, wächst demzufolge stark an.
meisten davon aufgrund der geringen Anti- In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene
tumoraktivität sowie der toxischen Neben- heterotypische 3D-Mikrogewebe aus PANC-1/
wirkungen nicht für die in vivo-Anwendung. NIH3T3 und A549/WI38 Ko-Kulturen (s. Abb. 1)
Primärtumore bestehen grundsätzlich aus nach einem etablierten Herstellungsverfahren
Krebszellen, Stroma und der extrazellulären in GravityTRAPTM Platten gezüchtet, welche
Matrix (ECM). Die Nachbildung der Kom- einen nicht-vaskularisierten Pankreas- sowie
plexität und Heterogenität eines Tumors ist Lungentumor nachahmen sollen. Daran wur-
demnach eine wesentliche Herausforderung. den Wirkstofftests mit verschieden kombinier-
Dieser biologische, genomische und physiolo- ten Wirkstoffen durchgeführt. Der Nachweis
gische Hintergrund wird von heterotypischen des erzielten Wirkstoffeffektes an den 3D-Mik-
dreidimensionalen (3D) Mikrogeweben besser rogeweben erfolgte über eine mikroskopische
abgebildet als von Standard 2D-Monolayer- Grössenanalyse zu verschiedenen Zeitpunkten.
Kulturen. Deshalb werden sie zunehmend in Anhand der generierten Wachstumskurven soll-
der Wirkstoffentwicklung verwendet. ten signifikante Kombinationseffekte sowie
Durch die Anwendung von vielzähligen Kom- potenzielle Tumorrezidive ermittelt werden.
binationstherapien wird versucht, die Überle-
benschancen der betroffenen Krebspatienten
zu verbessern sowie die potenzielle Gefahr
von Tumorrezidiven zu minimieren, indem bei-
spielsweise Strahlungstherapien mit verschie-
denen Zytostatika oder die Zytostatika unter-
einander kombiniert werden, um dadurch
mögliche Kombinationseffekte zu erzeugen.
Die bisher erfolgten Kombinationstherapien 200 μm
für die Krebsbehandlung stützen sich mehr- Abb. 1: 3D-Mikrogewebe aus einer PANC-1/NIH3T3 Ko-Kultur
heitlich auf Resultate klinischer Studien. Da (links) resp. aus einer A549/WI38 Ko-KulturTM(rechts) jeweils
nach viertägiger Inkubation in GravityTRAP Platten vor der
klinische Therapien jedoch an Patienten Wirkstoffbehandlung.
22Chemometrische Quantifizierung von Mischungen
chiraler Substanzen mittels Schwingungs
zirkulardichroismus
Diplomand Thomas Keller
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Jürgen Stohner
Korrektor extern Prof. Dr. Robert Berger
Chiralität ist in der Natur omnipräsent. Zur
Aufklärung der absoluten Konfiguration von
kleinen chiralen Molekülen stehen verschie-
dene Methoden wie Röntgenkristallographie
oder Massenspektrometrie zur Verfügung.
Die Quantifizierung von Mischungen chiraler
Substanzen kann mittels Chromatographie
oder Schwingungszirkulardichroismus (VCD)
durchgeführt werden. Die VCD-Spektrosko-
pie ermöglicht eine effiziente Messung der
Substanzen in Lösung. Durch die Anwen-
Abb. 1: Messung einer Mischung aus zwei Substanzen bei
dung chemometrischer Methoden können konstanter Konzentration und abweichender enantiomeren
ganze Spektren unter Berücksichtigung von Zusammensetzung.
Störsubstanzen quantifiziert werden. Der ent-
scheidende Vorteil ist, dass keine weitere che- Signal ist nur innerhalb eines schmalen Kon-
mische Aufbereitung nötig ist. zentrationsintervalls messbar. Die Stabilität der
In dieser Bachelorarbeit wurden verschiede- Methoden muss in weiteren Versuchen durch
ne Mischungen chiraler Substanzen mittels komplexere Mischungen verifiziert werden.
VCD-Spektroskopie gemessen (s. Abb. 1),
womit der Gehalt einer unbekannten Probe
bestimmt wurde. Mittels MATLAB wurde ein
Auswerteprogramm für die Spektren ent-
wickelt. Die chemometrischen Methoden:
Hauptkomponenten Regression (PCA), Partial
Least Squares (PLS) Regression und multiple
lineare Regression (MLR) wurden implemen-
tiert. Die implementierten Methoden führten zu
unterschiedlichen Resultaten, woraus metho-
denspezifische Voraussetzungen für erfolgrei-
che Messungen abgeleitet werden konnten.
Es gilt zu beachten, dass die VCD Signal
intensität stark durch die absolute Analytkon-
zentration beeinflusst wird. Ein auswertbares
23Synthese und Charakterisierung von
Polyglycerinestern
Diplomand Mario Lüthi
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Achim Ecker
Korrektor extern Dr. Denis Planchenault
Tenside sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigen- zu charakterisieren. Die als Ausgangsmaterial
schaften ein wichtiger Teil unseres Alltags und zur Verfügung gestellten, mit einer speziellen
finden in vielen Bereichen Anwendung. So Synthesemethode hergestellten, hochlinearen
können sie beispielsweise als Emulgatoren Polyglycerinether wurden in dieser Arbeit mit
eingesetzt werden. Der Trend von fossilen unterschiedlichen Fettsäuren verestert. Die
Rohstoffen unabhängig zu werden und dafür Syntheseprodukte wurden mit bereits am
auf natürliche Ressourcen zurückzugreifen, Markt etablierten Typen von Polyglycerines-
ist für eine nachhaltige Gestaltung unserer tern sowie untereinander mit verschiedenen
Zukunft wichtig. Die Entwicklung neuer Ten- nasschemischen Analysemethoden und mas-
side, welche ohne Petrochemikalien auskom- senspektrometrisch (MALDI-TOF-MS) vergli-
men, ist daher von grosser Bedeutung. Poly- chen. Ausserdem wurden bereits erste Unter-
glycerinester gehören zu den nichtionischen suchungen im Hinblick auf die Applikation der
Tensiden und basieren auf nachwachsenden Produkte als Emulgatoren mittels dynamischer
Rohstoffen. Im Gegensatz zu anderen Ten- Lichtstreuung und Fluoreszenzmikroskopie
sidsorten sind sie weniger empfindlich gegen durchgeführt.
Elektrolyte oder pH-Änderungen. Aufgrund
ihres Aufbaus aus polymerisiertem bzw. oli-
gomerisiertem Glycerin und Fettsäuren gelten
sie als ungiftig und biokompatibel. Dadurch
eignen sie sich besonders für den Lebens-
mittel- oder Kosmetikbereich. Darüber hinaus
können sie aufgrund ihrer molekularen Struk-
tur sehr spezifisch und anwendungsorientiert
hergestellt werden. Ziel der Bachelorarbeit war Abb. 2: Synthetisierte Polyglycerinester
es, eine Reihe von unterschiedlichen Polygly-
cerinester reproduzierbar zu synthetisieren
und anhand ausgewählter Analysemethoden
100 μm
Abb. 3: Emulsion aus Mandelöl, Wasser und Polyglycerinester
Abb. 1: Einfach veresterter, linearer Polyglycerinester als Emulgator
24Extraktion von Farbstoffen aus Rotkohl-, Avocado-
und Zwiebelabfällen für das nachhaltige Färben
von Textilien
Diplomand Patrick Mettler
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Achim Ecker
Korrektor extern Dr. Denis Planchenault
Heutige Textilien werden mit synthetischen, vollständig ausgelaugt werden (siehe Abb. 2).
erdölbasierten Farbstoffen gefärbt. Dieses Alternativ wurde diskontinuierlich in einem
Verfahren ist jedoch nicht sehr nachhaltig. gerührten Reaktor extrahiert und die Extrak-
Die Idee des Projektes Local Colours (siehe tionsbedingungen wurden so optimiert, dass
Abb. 1) ist es daher, Farbstoffe aus Pflanzen die Ausbeute an Extraktstoff der Referenzme-
abfällen zu gewinnen, um das Färben von thode möglichst entsprach. Um den Extrakti-
Textilien nachhaltiger zu gestalten. Als Pflanzen onsverlauf in Echtzeit zu verfolgen, wurde eine
abfälle werden initial Avocado-, Zwiebelscha- UV/VIS-Messsonde verwendet. Der Endpunkt
len und die äusseren Rotkohlblätter verwendet, der Extraktion konnte so zuverlässig bestimmt
wie sie in der Schweiz anfallen. Im Gegensatz werden und die Menge an Extraktstoff konn-
zu Färberpflanzen wird so die Konkurrenz zum te mittels Kalibrationen jeweils abgeschätzt
Anbau von Nahrungsmitteln vermieden. werden. Eine quantitative Inline-Bestimmung
In dieser Arbeit wurden im Rahmen des Pro- gelang jedoch aufgrund störender Pflanzen-
jektes Local Colours verschiedene Ex trakti- partikel bei der Extraktion noch nicht.
onsmethoden getestet, um mit Wasser die Das Extraktionsverfahren konnte im Rahmen
Farbstoffe aus den Pflanzenabfällen zu gewin- dieser Arbeit mit den optimierten Parametern
nen. Die Soxhlet-Extraktion wurde als Refe- auch auf den 10 L Massstab skaliert werden.
renzmethode verwendet, da die Pflanzen Mit dem so erhaltenen Rotkohlextrakt wurden
abfälle bei dieser Extraktionsart annähernd schliesslich verschiedene textile Gewebe wie
Baumwolle, Seide und Leinen exemplarisch
gefärbt.
Abb. 1: Verfahrensfliessbild des Local Colours Färbe Abb. 2: Extraktion von Rotkohlblättern in der Soxhlet-
prozesses Apparatur
25Evaluierung und Aufbau eines unbemannten
Luftfahrzeugs zur Vermessung von Luft
Diplomand Alexander Mistretta
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Christian Hinderling
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Drohnen haben in den letzten 15 Jahren S1000+ von DJI ein System zur Messung von
einen enormen Boom erlebt. Mit militäri- Feinstaub (PM1, PM2.5, PM10), Kohlendioxid
schen Einsätzen hat die Geschichte der (CO²), Ozon (O³) und Stickoxiden (NO² und
Drohnen begonnen und schon bald hat die NO) entwickelt. Das Ziel war es, eine fliegende
Wissenschaft das grosse Potential der UAVs Plattform zu entwickeln, welche in der Lage
(Unmanned Aerial Vehicles), wie Drohnen ist, lokal ausgeprägte Konzentrationen zu
in der wissenschaftlichen Literatur genannt messen und diese in annähernder Echtzeit
werden, entdeckt. Neben den bekannten an eine Bodenstation zu übermitteln. Mit
Methoden zur Vermessung der Luftqualität dem Computer, der die Bodenstation bildete,
wie Satelliten oder Bodenstationen stellen die erfolgte anschliessend eine grafische Echtzeit-
UAVs eine Möglichkeit dar, diese noch lokaler datendarstellung.
zu erfassen. Ausser der Verwendung für die In dieser Bachelorarbeit konnte erfolgreich
dreidimensionale Vermessung des Luftraums eine elektronisch eigenständige Sensorbox
können auch Gaslecks, Emissionen oder geo- entwickelt werden, welche mit elektrochemi-
logische Phänomene wie ausbruchsbereite schen Sensoren O³, NO² und NO, einem nicht-
Vulkane untersucht werden. Vor allem in gebir- dispersiven Infrarotsensor CO² und einem auf
gigen und nicht immer einfach zu modellieren- Laserstreulicht basierenden Partikelzähler
den Gebieten wie in der Schweiz sind Daten Feinstaub misst. Durch einen Einplatinencom-
von UAVs ein guter Ansatz zur Erweiterung der puter (Raspberry Pi) konnten die Sensoren
Datenvielfalt. ausgelesen und die Daten mit einem 868 MHz
Unter anderem deshalb wurde in dieser Funkmodul an die Bodenstation übertragen
Bachelorarbeit mit dem UAV Spreading Wings werden.
Abb. 1: Schema zum Aufbau des
Messsystems zur Luft-Vermessung
mittels UAV. Abgebildet sind: das
UAV, die Sensoren-Box, die UAV-
Steuerung, das Echtzeit-Bildsystem
und die Darstellung der Echtzeit
daten mit dem PC.
26Graphen / Carbon-Nanofaser Aerogele (GK-NFA)
zur kombinierten Gas- und Partikeladsorption
Diplomandin Nicole Amélie Moeschlin
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Christian Adlhart
Korrektor extern Dr. Markus Läubli
Wird die Qualität der Atemluft beeinträchtigt, die Nanofaser Aerogele kalziniert, wodurch
sei es durch Abgase, Brände, chemische die enthaltenen Polyacrylnitril-Nanofasern zu
Waffen, Naturkatastrophen, Blütenstaub, Pollen, Carbon-Nanofasern und das Graphenoxid zu
Milben, Pilzsporen, Viren oder Bakterien, kann Graphen reduziert wurde. Es wurden GK-NFA
die Gesundheit der Betroffenen gefährdet wer- mit Dichten von 3,52 mg/cm³ – 5,00 mg/cm³
den. Dadurch wird die Forschung für bessere hergestellt und charakterisiert (Abb. 1). Durch
Gas- sowie Partikelfilter angetrieben. In frühe- eine Porosität bis zu 99,98 %, eine Permea-
ren Arbeiten konnte bereits gezeigt werden, bilität von 4,29 · 10-4 mm², eine spezifische
dass sich nanofaserbasierte Aerogele als Par- Oberfläche von 61,28 m²/g und ein E-Modul
tikelfilter eignen. Nanofaser Aerogele stellen von 17,19 ± 2,49 kPa (n = 3,68 %) weisen die
eine neue Klasse von Materialien dar, die aus GK-NFA gute Eigenschaften zur Gas- und
vorgeformten Nanofasern hergestellt werden Partikeladsorption auf. Es konnte gezeigt wer-
können. Sie sind sehr porös, ultra-leicht und den, dass die GK-NFA bei einer Temperatur
haben eine moderate spezifische Oberfläche. von 25 °C eine CO²-Adsorptionskapazität bis
zu 36,36 mg/g aufwiesen. Dank vollständiger
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde thermischer CO²-Desorption liessen sich die
untersucht, ob sich Nanofaser Aerogele auch GK-NFA über viele Zyklen zur CO²-Adsorption
für die Gasadsorption eignen. Zur Vergrösse- verwenden.
rung der spezifischen Oberfläche wurde Gra-
phen als Additiv dazugegeben.
Zur Herstellung der Graphen / Carbon Nano
faser Aerogele (GK-NFA) wurden in einem
ersten Schritt Polyacrylnitril-Nanofasern in
Form von Nanofasermatten mit primären
Poren mittels Elektrospinning produziert. Die
Nanofasermatten wurden getrocknet, mecha-
nisch geschnitten und in Wasser suspen-
diert. Die Nanofaser Suspension wurde mit
einer Graphenoxid Suspension vermengt und
anschliessend kryogen verfestigt, wodurch
Wasserkristalle wuchsen. Durch die nachfol- Abb. 1: Demonstration des geringen Gewichts eines Graphen /
Carbon Nanofaser Aerogels
gende Gefriertrocknung sublimierten diese,
und es entstanden sekundäre Poren im Nano-
faser Aerogel. In einem letzten Schritt wurden
27Synthese von Janus-Nanopartikeln als Säulen
material für die Chromatographie
Diplomand Gioele Mol
Korrektor ZHAW Prof. Dr. Andrei Honciuc
Korrektor extern Dipl. Chem. (FH) Wolfgang Schöb
Die Ionenchromatographie ist eine sehr be Brom-ATRP-Initiator, erfolgte durch Quellung
kannte und etablierte Technik. In den letzten und kontrollierte Phasentrennung. Anschlies-
Jahren wurden mehrere neue Anionen-Trenn- send wurde durch atom transfer radical poly-
materialien entwickelt, die auf bekannten und merization (ATRP) ein Amin-Monomer, das mit
seit langem verwendeten Techniken basieren. Anionen interagieren kann, selektiv auf einen
In dieser Arbeit wurde eine neue Klasse von Lappen gepfropft. Die Reaktionskontrolle
Materialien für die Trennung von Anionen vor- erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie,
geschlagen und dazu – in Zusammenarbeit FT-IR-Spektroskopie und energiedispersiver
mit der Metrohm AG – eine einfache Methode Röntgenspektroskopie.
zur Herstellung von Janus-Nanopartikeln mit Mit den vielversprechenden Teilchen aus die-
einer Länge von 1.7 μm entwickelt. ser Arbeit (siehe Abb. 2) wurden von der Met-
Janus-Partikel sind eine der neuen Entde- rohm AG Chromatographiesäulen gepackt.
ckungen in der Polymerchemie. Mit ihren Die Säulenkapazität wurde anhand der Auf-
besonderen Eigenschaften wie Amphiphilie trennung von sieben gewöhnlichen anorgani-
und einzigartiger Morphologie werden sie die schen Anionen gemessen.
neue Spitze des Eisbergs in einer Vielzahl von
Anwendungen sein. Die Partikel weisen auf
der Oberfläche eines Lappens eine perma-
nente positive Ladung auf (quaternäres Amin)
und wurden über drei Syntheseschritte herge-
stellt. Die Janus-Partikel wurden aus Polysty-
rol-Teilchen (siehe Abb. 1) mittels tensidfreier
Emulsionspolymerisation synthetisiert. Das
Wachstum des zweiten Lappens, bestehend Abb. 2: REM-Aufnahme eines synthetisierten Januspartikels
mit einer Länge von 1.7 μm. Der leichtere Lappen interagiert
aus einem Silica-basierten Monomer und dem
mit den Anionen.
Abb. 1: Synthese von Janus-Nanopartikeln zur Trennung von Anionen. Auf der Oberfläche des Partikels wirkt Brom als
Initiator für ATRP, wobei es durch ein Ammonium-Monomer ersetzt wird.
28Charakterisierung der OmpT Protease für
massenspektrometrische Anwendungen
Diplomandin Angela Nauer
Korrektorin ZHAW Dr. Sabina Gerber
Korrektorin extern Dr. Paula Carranza
Eine Vielzahl von Krankheiten wird mit Bio- Anwendungen evaluiert (Abb. 1). Zusätzlich
therapeutika behandelt. Deren Herstellung zum Wildtyp wurden zwei Mutanten der Pro-
und Qualitätskontrolle unterliegen strengen tease mit unterschiedlichen Spezifitäten mit-
Regulationen. Akkurate Molekülmassen, Ami- tels ortsspezifischer Mutagenese hergestellt.
nosäuresequenzen und post-translationale Die Expression der Enzyme erfolgte in E. coli
Modifikationen werden dabei mittels Massen mit folgender Isolierung und Anreicherung der
spektrometrie untersucht. Für die Sequenz äusseren bakteriellen Membran. Die Proteine
analyse wird das Zielprotein mit Proteasen wurden mit Detergenzien solubilisiert, mittels
verdaut und die Peptide werden in Folge Affinitätschromatographie aufgereinigt und
mittels MS/MS sequenziert. Das kommerzielle auf deren Aktivität hin untersucht. Für die
Angebot von Proteasen, welche an spezifi- Charakterisierung wurden Proteolysen eines
schen Stellen schneiden, ist jedoch gering. Zielproteins unter variierenden Bedingungen
Die membranständige Protease OmpT aus durchgeführt und mittels SDS-PAGE und
E. coli schneidet Proteine spezifisch zwischen RPLC-ESI-MS/MS untersucht (Abb. 2). Es
den Aminosäuren Lysin und Arginin und wur- konnte nachgewiesen werden, dass die OmpT
de in dieser Bachelorarbeit für bioanalytische Protease unter stark denaturierenden Bedin-
gungen und über einen breiten Temperatur-
und pH-Bereich eine hohe proteolytische Akti-
vität aufweist.
Abb. 2: Total Compound Chromatogramm (TCC). Peptide
eines Zielproteins nach Verdau mit OmpT.
Abb. 1: 3D-Modell der Kristallstruktur der OmpT Protease.
PDB ID 1i78.
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