Automationslösungen in der analytischen Messtechnik

Theorie, Konzepte und Anwendungen

Heidi Fleischer, Kerstin Thurow

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2019
• ISBN:
  9783527822836
• Auflage: 1
• Thema: Physical Sciences
• Thema: Analytic Chemistry

Das Buch behandelt die Entwicklung und Systematisierung geeigneter Automatisierungssysteme in der analytischen Messtechnik. Anwendungen aus verschiedenen Bereichen werden vorgestellt, beispielsweise aus der Umweltmesstechnik, Arzneimittelentwicklung und Qualitätssicherung.

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Einleitung

1.1 Lebenswissenschaften – eine Definition

1.1.1 Eine kurze Definition des Begriffs „Leben“

Die Begriffe „Lebenswissenschaften“ bzw. „Lifesciences“ sind ubiquitär in unseren Alltag integriert und mittlerweile zu Standardausdrücken geworden. Um die Inhalte, Herausforderungen und Tendenzen der Lebenswissenschaften zu verstehen, ist es notwendig, den Begriff „Leben“ zu definieren. Es gibt heute mehr als 50 verschiedene Definitionen, die sich in Abhängigkeit vom wissenschaftlichen Bereich und der strategischen Ausrichtung unterscheiden. Im Allgemeinen kann das Leben als eine charakteristische Eigenschaft definiert werden, die lebende Materie von anorganischer Materie unterscheidet. Zu den Hauptmerkmalen des Lebens im biologischen Kontext gehören der Austausch von Materie und Energie sowie Reproduktion und Wachstum.

Auch die Definition des Begriffs „Leben“ in der Philosophie folgt diesen Kriterien [1]. Aristoteles differenzierte drei Ebenen des Lebens in einer hierarchischen Ordnung. Die unterste Ebene umfasste Pflanzen, deren Leben nur durch Ernährung und Fortpflanzung gekennzeichnet ist. Die nächsthöhere Stufe beinhaltete Tiere, die die zusätzlichen Merkmale der Sinneswahrnehmung und Bewegung aufweisen. Der Mensch ist die höchste Stufe der Aristoteles-Hierarchie und zeichnet sich neben den grundlegenden Funktionen vor allem durch seine Denkprozesse aus. In der westlichen Philosophie der Neuzeit entwickelten sich mit dem Mechanismus [2] und dem Vitalismus [3] zwei gegensätzliche allgemeine Meinungen. Verfechter des Mechanismus erklären Lebensprozesse aus den physikalischen Gesetzen der Bewegung; der lebende Organismus wird als eine Maschine betrachtet. Hauptunterstützer dieser Idee waren William Harvey (1578–1657), Rene Descartes (1596–1650) und Wilhelm Roux (1850–1924). Im Gegensatz zu dieser Idee beinhaltete die Theorie des Vitalismus einen signifikanten Unterschied zwischen organischer und anorganischer Materie, wobei das Leben mit organischen Verbindungen verbunden ist. Eine gezielte „lebendige Kraft“ (lat. vis vitalis) charakterisiert alle Lebewesen. Hauptanhänger des Vitalismus waren Jan Baptist van Helmont (1577–1644), Georg Ernst Stahl (1660–1734), Albrecht von Haller (1708–1777) und Johann Friedrich Blumenbach (1752–1840). Seit der Synthese von Harnstoff durch Friedrich Wöhler (1800–1882) war dieser Ansatz veraltet, da gezeigt werden konnte, dass für die Synthese organischer Verbindungen keine besondere „lebende Kraft“ benötigt wird. Eine Kombination aus Mechanismus und Vitalismus ist der Organizismus [4]. Dieser Ansatz aus dem späten 19. Jahrhundert erklärt Lebensprozesse anhand wissenschaftlicher Prinzipien aus Physik und Chemie. Lebende Organismen haben danach auch Eigenschaften, die in anorganischer Materie nicht gefunden werden können. Befürworter dieser Idee führten die Hypothese ein, dass biologische Fragen nur unter Berücksichtigung des gesamten Organismus beantwortet werden können. Hauptförderer des Organizismus waren u. a. William Emerson Ritter (1856–1944) [5], Karl Friederichs (1831–1871) [6–8] und August Thienemann (1882–1960) [9].

In den heutigen Naturwissenschaften beschreibt der Begriff „Leben“ charakteristische Eigenschaften, durch die lebende Organismen definiert werden. Dazu gehören der Austausch von Energie, Materie und Information, das Wachstum, die Reproduktion sowie Reaktionen auf sich ändernde Umweltbedingungen. RNA und DNA werden heute als die Hauptbausteine des Lebens definiert. Diese allgemeine Definition des Lebens wurde bereits von Naturwissenschaftlern früherer Jahrhunderte eingeführt. Carl-Friedrich Kielmeyer (1765–1844) definierte Sensibilität, Reizbarkeit, Fortpflanzungskraft, Sekretionskraft und Antriebskraft als wichtige Kriterien des Lebens [10]. Als früher Evolutionswissenschaftler beschrieb er lange vor Charles Darwin (1809–1882) eigene Vorstellungen von der Evolution lebender Organismen [11]. Wahrnehmung, Fortpflanzung, Bewegung, Ernährung und Wachstum waren auch nach Ansicht des deutschen Zoologen und Philosophen Ernst Haeckel (1834–1919) die Hauptmerkmale des Lebens [12]. Francis Crick (1916–2004), der 1962 gemeinsam mit James Watson (geb. 1928) den Nobelpreis für die Entdeckung der DNA erhielt, definierte Selbsterhaltung, Genetik, Evolution und Metabolismus als Hauptmerkmale des Lebens. Der als Vater der Quantenphysik geltende bekannte Physiker und Wissenschaftsphilosoph Erwin Schrödinger (1887–1961) führte 1944 in seiner Arbeit „What is Life?“ den Begriff „Negentropie“ ein, der erheblichen Einfluss auf die Weiterentwicklung der Molekularbiologie in den kommenden Jahrzehnten hatte [13]. Befürworter der Negentropie versuchten biologische Themen mit physikalischen Wissenschaften zu erklären und begannen, sich auf den zu dieser Zeit noch unbekannten Mechanismus der Vererbung zu konzentrieren. John Maynard Smith (1920–2004) führte das „Konzept der evolutionären stabilen Strategie“ ein und identifizierte alle „Populationen von Einheiten, die zu Vermehrung, Vererbung und Variation fähig sind“ als Leben [14]. Die heute allgemein akzeptierte Definition des Lebens basiert auf den acht Säulen genetisches Programm, Reproduktion, Anpassung, Kompartimentierung, Metabolismus, Katalyse, Regulation und Wachstum.

1.1.2 Was sind Lebenswissenschaften?

Der Begriff Lebenswissenschaften stammt aus den 1990er-Jahren und wurde ursprünglich als Marketinginstrument der pharmazeutischen und chemischen Industrie etabliert. Mit der Definition des Begriffs sollte die Aufmerksamkeit auf die hohe Anzahl von pharmazeutischen Produkten und Pestiziden gerichtet werden, die für eine ausreichende Ernährung und die Erhaltung der Gesundheit der Weltbevölkerung benötigt werden. Inzwischen hat der Begriff seine Unabhängigkeit erlangt und eine weitaus umfassendere Bedeutung. Alle Prozesse, Produkte und Bedingungen, die mit dem „Leben“ selbst zusammenhängen, sind in dem Begriff „Lifesciences“ zusammengefasst. Heute bezeichnen Lebenswissenschaften nicht nur die biologischen Wissenschaften, sondern auch Teile der Medizin. Die Entwicklung neuer Medikamente (z. B. unter Verwendung biokatalytischer Verfahren) oder die umweltfreundliche Optimierung von Prozessen sind dabei ebenso eingeschlossen wie die Sequenzierung des Genoms von Pflanzen, Tieren und Menschen oder die Entwicklung neuer therapeutischer Formen für verschiedene Krankheiten.

Die Lebenswissenschaften im Allgemeinen umfassen alle Forschungsbereiche, die sich mit Prozessen und Strukturen lebender Organismen befassen. Dazu gehören neben der klassischen Biologie auch verwandte Bereiche wie Medizin, Biomedizin, Biochemie, Molekularbiologie, Biophysik, Bioinformatik, Humanbiologie, aber auch Agrartechnologie, Lebensmittel- und Ernährungswissenschaften bis hin zur Nutzung biogener Naturressourcen und Biodiversitätsforschung. Das Methodenspektrum umfasst das gesamte Geräte- und Analyseinventar und erreicht auch die Bereiche der Geistes- und Sozialwissenschaften. Die methodische Arbeit und der theoretische Hintergrund sind hochgradig interdisziplinär, haben aber immer einen klaren Bezug zu lebenden Organismen und insbesondere zu Menschen. Damit sind die Lebenswissenschaften eine ähnliche große wissenschaftliche Gruppe wie die Geisteswissenschaften.

Gemäß der allgemein anerkannten Klassifizierung der Biotechnologie wird heute zwischen „grünen“ (Landwirtschaft, Pflanzen), „roten“ (Medizin, Pharmazie), „blauen“ (Produkte aus dem Meer), „weißen“ (Industrieprodukte), „grauen“ (Umwelt) und „gelben“ (Produktion von Lebensmitteln) Lebenswissenschaften unterschieden.

Aufgrund der immer noch hohen Zahl von Krankheiten ohne geeignete medikamentöse Behandlungsmöglichkeiten (z. B. Viruserkrankungen), des Auftretens neuer Krankheiten (z. B. Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom (SARS) oder Vogelgrippe), des Wissens über Nebenwirkungen von kommerziell erhältlichen Medikamenten [15–17] oder der zunehmenden Resistenz gegen Mikroorganismen (z. B. gegen Antibiotika [18, 19]), besteht auch heute eine hohe Nachfrage nach der Entwicklung neuer Medikamente. Darüber hinaus erfordert der Ablauf zahlreicher Patente – und die damit mögliche Synthese kosteneffizienter Generika – die Entwicklung neuer Blockbuster für die Pharmaindustrie. Zahlreiche neue potenzielle Medikamente müssen daher synthetisiert und getestet werden; bekannte Medikamente und Arzneimittelkandidaten mit Nebenwirkungen müssen modifiziert werden, oder es müssen völlig neue Verbindungen (z. B. aus Naturprodukten) identifiziert und isoliert werden. Die roten Lebenswissenschaften widmen sich der Entwicklung neuer Medikamente und therapeutischer Methoden, einschließlich moderner Entwicklungen auf den Gebieten der Geno-mik und Stammzellenforschung.

Typische Themen der grünen Lebenswissenschaften sind Pflanzenforschung (Heilpflanzen, Nahrungspflanzen, Pflanzen als Rohstoffe, Pflanzen als Energielieferant etc.), Anbaumethoden sowie Resistenz gegen Ungeziefer. Darüber hinaus können Pflanzenzellen für die Herstellung von industriellen Verbindungen oder von Arzneimitteln verwendet werden [20]. Ihre Verwendung für die Sanierung von Böden (Phytoremediation) oder als Umweltsensoren wurde ebenfalls dokumentiert.

Die blauen Lebenswissenschaften beschäftigen sich mit dem enormen Potenzial noch unentdeckter natürlicher Wirkstoffe aus Meeresorganismen. Extraktion, Isolierung, Testung und Identifizierung neuer Verbindungen sowie die Entwicklung geeigneter Synthesekonzepte für die industrielle Produktion dieser Verbindungen stehen im Mittelpunkt der aktuellen Forschung. Besonders die unter extremen Bedingungen lebenden Bakterien werden als potenzielle Quelle für biologische Substanzen angesehen, die für technische Prozesse nutzbar sind. Während klassische Enzyme bei höheren Temperaturen denaturieren, sind Biokatalysatoren von Tiefseebakterien auch in extrem heißen Umgebungen aktiv.

Gegenstand der grauen Lebenswissenschaften (auch Umweltbiologie genannt) sind Prozesse zur Erhaltung und Regeneration der Umwelt. Dazu zählen Methoden zur Trinkwasseraufbereitung, Abwasserreinigung, Abfallbehandlung sowie zur Sanierung kontaminierter Böden und Luft [21]. Methoden der grauen Lebenswissenschaften im Umweltschutz werden hauptsächlich am Ende der Prozesskette (Abwasserreinigung, Biofilter, Biowäscher etc.) eingesetzt. Innovative Ansätze beinhalten nicht nur die Entsorgung von auftretenden Umweltverschmutzungen, sondern auch die Vermeidung von Schadstoffen während des Produktionsprozesses. Genetisch veränderte Enzyme können den Energie- und Rohstoffverbrauch bei der Herstellung von Textilien, Lebensmitteln, Wasch- und Reinigungsmitteln verringern und das Auftreten unerwünschter Nebenprodukte reduzieren.

Die weißen Lebenswissenschaften (auch engl. industrial life sciences genannt) beziehen sich auf den Einsatz von biologischen Methoden in industriellen Fertigungsprozessen. Industrielle Lebenswissenschaften transferieren biologisches und biochemisches Wissen und Prozesse in technische Anwendungen. Bei diesen Verfahren werden Bakterien wie z. B. Escherichia coli und Corynebacterium glutamicum, Hefen und Enzyme verwendet. Der Begriff industrielle Lebenswissenschaften ist ziemlich jung, obwohl einige Methoden seit über 1000 Jahren von der Menschheit verwendet werden. Viele Kulturen verwendeten z. B. die alkoholische Fermentation unter Verwendung von Hefen, die malolaktische Gärung unter Verwendung von Lactobacillus-Stämmen oder die Essigsäureherstellung unter Verwendung von Acetobacter-...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Inhaltsverzeichnis
• Vorwort
• 1 Einleitung
• 2 Automatisierung in den Lebenswissenschaften – eine kritische Betrachtung
• 3 Automationskonzepte für die Lebenswissenschaften
• 4 Automationssysteme mit zentralem Systemintegrator
• 5 Automationssysteme mit flexiblem Roboter
• 6 Automatisierte Datenauswertung in den Lifesciences
• 7 Management automatisierter Prozesse
• Stichwortverzeichnis
• Endbenutzer-Lizenzvereinbarung