Industrie & Technik

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<p>Die Arbeitsgruppe um Jens Beckmann am Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie beschäftigt sich mit metallorganischer Chemie der leichten und schweren Hauptgruppenelemente (<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.uni-bremen.de/de/beckmann.html" target="_blank">www.uni-bremen.de/de/beckmann.html</a></ext-link>). Für die Arbeit mit sauerstoff- und hydrolyseempfindlichen Substanzen nutzt die Arbeitsgruppe zwei Gloveboxen (Abbildung 1), beide mit jeweils einer großen und einer kleinen Schleusenkammer. An jeder Glovebox sitzt eine Drehschieberpumpe.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/PJO4QMeCQcyTgks5Eige"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Glovebox-Anlage an der Universität Bremen mit Kühlkammer, Einrichtung zur Lösemittelentnahme (rechts), Transferkammern mit Vakuumpumpe und Vakuummessgerät (links). <named-content>Fotos: Vacuubrand</named-content></figcaption></figure>
<p>Der Druck im Arbeitsbereich der Glovebox muss zwischen +15 mbar und –15 mbar um den umgebenden Atmosphärendruck gehalten werden. Bei einem zu niedrigen Druck würden die Handschuhe nach innen gesaugt und bei einem zu hohen Druck zu stark nach außen gedrückt. Bereits beim Einführen der Hände in die Handschuhe und Eintauchen in den Arbeitsbereich verringert sich das Gasvolumen in der Box und der Druck im Arbeitsraum steigt. Diesen Druckanstieg gleicht die Drehschieberpumpe aus, indem die Steuerung der Glovebox ein Ventil zur Vakuumleitung öffnet, bis der Schaltpunkt an der unteren Druckbereichsgrenze erreicht ist (Abbildung 2).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/xI8O8RqYSnKRgzEQQZIl"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Druckbereiche im Inneren der Glovebox.</figcaption></figure>
<h2>Das Problem</h2><p>Generell werden in der Forschung an metallorganischen Verbindungen neben typischen organischen Lösungsmitteln Salz- und Salpetersäure, Königswasser, Brom, Chlor, Ammoniak, SO<sub>2</sub> sowie Chlorsilane eingesetzt.</p><p>Je nach Dampfdruck der Chemikalien und Lösemittel verdampfen Teile davon durch das Evakuieren der Glovebox-Schleusen und gelangen so in die Vakuumpumpe. In der Pumpe können die Substanzen kondensieren und sich in ölgedichteten Pumpen mit dem Pumpenöl mischen. Einige Substanzen bilden mit dem Öl Polymerharze, wodurch es in der Pumpe zähflüssig wird. Zudem verursachen die Stoffe Korrosion im Inneren der Vakuumpumpe.</p><p>Auch Stäube von Feststoffen können durch das Evakuieren in die Pumpe gelangen und Schmierfähigkeit und Korrosionsschutzwirkung des Öls herabsetzen. Zudem belastet das Evakuieren der Schleusenkammer von Atmosphärendruck auf das Endvakuum die Vakuumpumpe.</p><p>Die Belastung der Vakuumpumpe beim Betrieb an Gloveboxen setzt sich also aus vier Faktoren zusammen:</p><p><list list-type="simple"><list-item></list-item></list></p><p>zyklisches Evakuieren von Atmosphärendruck auf Endvakuum,</p><list-item><p>Kompensation von leichten Überdrücken in der Glovebox,</p></list-item><list-item><p>Verunreinigung des Öls und der Pumpe durch Chemikalien,</p></list-item><list-item><p>Dauerbetrieb, also 24 Stunden an 365 Tagen im Jahr.</p></list-item><p></p><p>In Summe führten diese vier Faktoren dazu, dass die Drehschieberpumpen mindestens zweimal pro Jahr gewartet oder instand gesetzt werden mussten. Pro Wartung und gegebenenfalls Reparatur fielen dabei Kosten zwischen 500 bis 1000 Euro pro Vakuumpumpe an. Zum Teil wurden dabei Vakuumpumpen ersetzt, wenn sich eine Instandsetzung als unwirtschaftlich herausstellte.</p><p>Durch den Ausfall der Vakuumpumpe konnten die Mitarbeiter des Arbeitskreises die Glovebox oft längere Zeit nicht nutzen. Im Extremfall verlängerte dies die Dauer von Doktorarbeiten oder gefährdete Drittmittelanträge.</p><p>Der Aufwand für Wartung, Betriebs- und Ersatzteilkosten hat letztendlich dazu geführt, dass Malte Hesse, Universitätslektor am Institut, nach anderen Lösungen für die Vakuumtechnik an den Gloveboxen gesucht hat.</p><p>Die neue Technik sollte sowohl den Zeitaufwand für die Wartung als auch die Betriebs- und Ersatzteilkosten senken und die Zuverlässigkeit der Vakuumversorgung erhöhen. Angestrebt wurde eine für das Institut mittelfristig wirtschaftlichere Lösung. Diese sollte die Nutzung der Glovebox weder einschränken noch die Bedienung komplizierter machen.</p><p>Üblicherweise wechselt in der Forschung häufig das Personal, das an den Gloveboxen arbeitet. Daher ist einfache Bedienung wichtig.</p><h2>Die Lösung</h2><p>Neben Drehschieberpumpen produziert Vacuubrand Membranvakuumpumpen. Der Vorteil dieser Technik liegt in der Chemikalienbeständigkeit der Pumpen und in ihrer Langlebigkeit bei minimalem Wartungsaufwand. Das erreichbare Endvakuum beträgt allerdings 0,6 mbar – das reicht für den Betrieb an der Glovebox nicht aus, wenn der Restsauerstoffgehalt im ppm-Bereich liegen muss. Die gewünschte Sauerstoffkonzentration ließe sich mit diesem Pumpentyp nur durch mehrfaches Abpumpen der Transferkammer und Fluten mit Inertgas erreichen. Dadurch würde sich der Argonverbrauch pro Ein- oder Ausschleusevorgang erhöhen und die Zeit für das zumindest zweifache Abpumpen auf 1 mbar deutlich verlängern.</p><p>Die chemische Beständigkeit der Membranpumpen ist naturgemäß im höheren Druckbereich – dem Grobvakuum – besonders wichtig, da hier die Chemikalienkonzentration am höchsten ist. Der Vorteil der ölgedichteten Drehschieberpumpe liegt im sehr guten Endvakuum von um die 2·10<sup>–3 </sup>mbar, der Voraussetzung für die niedrige Restsauerstoffkonzentration bei einmaligem Evakuieren.</p><p>Die Frage war nun, wie sich die beiden Pumptechniken – ölgedichtete Drehschieberpumpen und Membranpumpen – so kombinieren lassen, dass sich weder die Zeit für das Evakuieren verlängert noch der Argonverbrauch steigt.</p><p>Lösungsvorschlag war, die Schaltpunktfunktion der Vakuummessgeräte dazu zu nutzen, Magnetventile automatisch zu schalten. Mit dieser Funktion lässt man ein Ventil schalten, sobald ein bestimmter Druck erreicht ist. Man kann die Transferkammer also zunächst mit der Membranpumpe als Vorpumpe bis zu einem vorgegebenen Druck abpumpen und dann auf die Drehschieberpumpe umschalten, die dann bis auf das benötigte Endvakuum evakuiert. Diese Geräteanordnung belastet die Drehschieberpumpe deutlich weniger. Den für diesen Pumpentyp kritischen Bereich im Grobvakuum übernimmt die robustere Membranpumpe.</p><p>Ein Vergleich der Auspumpkurven einer Chemiemembranpumpe und der vorhandenen Drehschieberpumpe zeigte, dass der optimale Schaltpunkt zwischen 10 mbar und 2 mbar liegt, damit sich die Auspumpzeit für die Transferkammer nicht wesentlich verändert (Abbildung 3).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/UpL84hy5S3K6XwMWnyjd"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Beispiel für die Überlagerung der Auspumpkurven einer Chemiemembranpumpe MD 12C NT und einer Drehschieberpumpe RZ 9 – damit lässt sich der optimale Schaltpunkt und die Auspumpzeit ermitteln.</figcaption></figure>
<h2>Implementierung</h2><p>Am Institut waren bereits zwei Drehschieberpumpen und zwei Vakuummessgeräte DCP 3000 mit Pirani-Vakuumsensoren vorhanden. Zunächst zur Erprobung erhielt das Institut zusätzlich einen Membranvakuumpumpstand, ein Magnetventil sowie einen Vakuumsensor für den Grobvakuumbereich. Die Abteilung Haustechnik der Uni Bremen verlegte die Rohre. Joachim Richter, Außendienstmitarbeiter des Herstellers, und Malte Hesse installierten die Vakuumtechnik. Während der sechswöchigen Testphase lief das neue Vakuumsystem nur an einer der Gloveboxen.</p><p>Der Schaltpunkt für das Saugleitungsventil vor der Drehschieberpumpe wurde auf 5 mbar eingestellt. Um beide Vakummpumpen zu entkoppeln, wurde vor die Membranpumpe ein Rückschlagventil installiert. Das Messgerät DCP 3000 schaltete automatisch zwischen Membranpumpe und der Drehschieberpumpe um, und das sowohl beim Abpumpen als auch beim Fluten mit Argon. Die Wissenschaftler konnten also arbeiten wie bisher, ohne sich umgewöhnen zu müssen.</p><p>Nach der Erprobungsphase wurde die Technik bei einer weiteren Glovebox installiert. Dabei arbeitet eine Membranpumpe an beiden Gloveboxen, da nie beide Transferkammern parallel genutzt werden. Dies setzt allerdings voraus, dass sich die Bediener der beiden Gloveboxen absprechen.</p><p>An jeder Glovebox wurden also lediglich der zusätzliche Sensor für den Grobvakuumbereich, das Magnetventil und das Rückschlagventil installiert. Die Vakuumleitungen wurden miteinander verbunden und an die Membranpumpe angeschlossen (Abbildung 4). Je nachdem, wie häufig die Schleusenkammern genutzt werden, ist es denkbar, mit einer Membranpumpe Vorvakuum an mehr zwei als zwei Gloveboxen zu erzeugen.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/YFaNr2wxRXKKqrZY9ABJ"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Beispiel für die Vakuumversorgung von zwei Gloveboxen; 1: Glovebox, 2: Vakuummessgerät DCP 3000, 3: Vakuummessgerät Vacuu·View extended, 4: Vakuumventil, 5: Drehschieberpumpe RZ 9, 6: Rückschlagventil, 7: Chemie-Vakuumsystem MD 12C NT + AK + EK. <named-content>Bild: Vacuubrand, mbraun</named-content></figcaption></figure>
<h2>Resümee</h2><p>Die Anlage mit zwei Gloveboxen, den Drehschieberpumpen und der Membranpumpe als Vorpumpe arbeitet mittlerweile seit drei Jahren störungsfrei im Dauerbetrieb. Während dieser Zeit war an keiner der beiden Drehschieberpumpen Wartung erforderlich. Unimitarbeiter wechseln lediglich halbjährlich präventiv das Pumpenöl. Durch den Einsatz der Membranvorpumpe wird das Pumpenöl nicht mehr sichtbar verschmutzt. Nach drei Jahren Dauerbetrieb ohne Wartung ist nun geplant, die Verschleißteile der Membranpumpe auszutauschen.</p><p>Die Instandhaltungskosten für zwei Drehschieberpumpen sanken auf nahezu Null.</p><p>Die höhere Investition hat sich bereits in weniger als drei Jahren amortisiert. Das Ziel, den Betrieb der Glovebox zu optimieren, ist erreicht. Die freigewordenen Mittel fließen in die Forschungsarbeiten.</p><p>Achim Melching ist Produktmanager bei Vacuubrand, Wertheim. Am Beitrag mitgewirkt haben der Professor für anorganische Chemie an der Universität Bremen Jens Beckmann, Universitätslektor Malte Hesse sowie Vacuubrand-Außendienstmitarbeiter Joachim Richter. <a href="mailto:achim.melching@vacuubrand.com">achim.melching@vacuubrand.com</a></p><h2>Quergelesen</h2><p>Chemikalien, Stäube, zyklisches Evakuieren und Dauerbetrieb belasten ölgedichtete Drehschieberpumpen an Gloveboxen.</p><p>Membranpumpen sind chemikalienbeständig, erreichen aber nur Grobvakuum, das für Gloveboxen mit oxidationsempfindlichen Substanzen nicht ausreicht.</p><p>Eine Kombination aus Membranpumpen für das Vorvakuum und Drehschieberpumpen für das Feinvakuum senkt die Belastung der Pumpen und so die Betriebskosten.</p><p>Über eine Schalteinheit mit Vakuumsensoren und Magnetventilen lässt sich der Pumpvorgang mit mehreren Pumpen automatisieren.</p>

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Mehr Pumpen, weniger Kosten

undefined Die Arbeitsgruppe um Jens Beckmann am Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie beschäftigt sich mit metallorganischer Chemie der leichten und schweren Hauptgruppenelemente (www.uni-bremen.de/de/beckmann.html). Für die Arbeit mit sauerstoff- und hydrolyseempfindlichen Substa...

Bildung & Gesellschaft

<h2>Mehr Wissenschaftler aus dem Ausland</h2><p>Im Jahr 2014 arbeiteten 10 441 ausländische Wissenschaftler an mathematischen und naturwissenschaftlichen Fachbereichen deutscher Hochschulen (Abbildung). Das waren die beliebtesten Fächer bei Ausländern gefolgt von Humanmedizin und Gesundheitswissenschaften. Insgesamt waren 84 700 ausländische Wissenschaftler in Deutschland tätig. Die Zahl ist im Vergleich zum Vorjahr um 6 % gestiegen. 48 % waren als wissenschaftliche Mitarbeiter an deutschen Hochschulen und 10 % als Wissenschaftler an sonstigen Forschungseinrichtungen beschäftigt. 39 % ausländische Gastwissenschaftler kamen für Forschungsaufenthalte nach Deutschland und 3 % als Erasmus-Gastdozenten für Lehraufenthalte.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/w8vHZWeSQWCDwNuamuQu"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Zahl der Forscher aus dem Ausland an Hochschulen in Deutschland. Nicht mitgezählt sind die Wissenschaftler an außeruniversitäten Forschungsinstitutionen. <named-content>Quelle: DAAD</named-content></figcaption></figure>
<p>Im selben Jahr forschten 43 000 deutsche Wissenschaftler im Ausland. Es wanderten 2 % der deutschen Wissenschaftler aus, ein Viertel von ihnen kehrte nicht wieder zurück. Der Deutsche Akademische Austauschdienst schätzt, dass mindestens zwei Drittel nach zwei bis fünf Jahren wieder heimkehren. SB</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.wissenschaft-weltoffen.de/" target="_blank">www.wissenschaft-weltoffen.de/</a></ext-link></p><h2>Preis für biomedizinische Forschung</h2><p>Bis zum 15. Januar können sich Forscher unter 35 Jahren um den Eppendorf Award bewerben. Der Preis zeichnet Leistungen in der biomedizinischen Forschung aus, die auf molekularbiologischen Methoden basiert. Teilnahmebedingung ist eine Promotion sowie eine Tätigkeit in Europa. Die Auszeichnung ist mit 20 000 Euro dotiert. Der Gewinner darf seine Forschung in Nature veröffentlichen. SB</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.eppendorf.com/award" target="_blank">www.eppendorf.com/award</a></ext-link></p><h2>Gemeinsames Labor</h2><p>Analytik Jena und die private Hochschule Fresenius haben in Idstein ein gemeinsames Anwendungslabor eingerichtet. Die Hochschule stellt an ihrem Standort die Infrastruktur, Analytik Jena finanzierte sechs Messgeräte, vor allem für die Wasser-, Umwelt-, und Lebensmittelanalytik. Für Analytik Jena nutzt die Einrichtung als Demonstrationslabor. Die Hochschule baut mit dem Labor die Analytik aus. HM</p><h2>Mehr Professorinnen</h2><p>In den vergangenen zehn Jahren hat der Anteil von Frauen unter Deutschlands Professoren stetig zugenommen. Während er 14 % im Jahr 2005 betrug, lag er 2015 bei 23 %. Die Gesamtzahl der Professoren und Professorinnen stieg im selben Zeitraum um 22 %. Damit erreichte die Zahl der Professorinnen im vergangenen Jahr mit rund 10 500 einen Höchststand. Den größten Frauenanteil gibt es mit 36 % bei den Geisteswissenschaften. In der Fächergruppe Mathematik, Naturwissenschaften lag er bei 17 %, in den Ingenieurwissenschaften bei 12 %.</p><p>Unter den Habilitanden betrug der Anteil von Frauen 28 % im Jahr 2015, zehn Jahre zuvor waren es 23 %. In Mathematik und Naturwissenschaften lag er im Vorjahr bei 27 %. Zum Zeitpunkt der Habilitation sind Frauen durchschnittlich 42 Jahre und Männer 41 Jahre alt. MS</p><h2>Preis für Vermittlung von Wissenschaft in der Öffentlichkeit</h2><p>Die deutsche Forschungsgemeinschaft schreibt den Communicator-Preis 2017 aus. Dieser zeichnet Leistungen aus, die den Dialog zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit voranbringen. Die Bewerbungsfrist endet am 31. Dezember. Als Preis gibt es 50 000 Euro. Bewerben können sich sowohl einzelne Wissenschaftler als auch Forschergruppen aus dem deutschsprachigen Raum. SB</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.dfg.de/communicator-preis" target="_blank">www.dfg.de/communicator-preis</a></ext-link></p><h2>EU-Forschungsbudget für 2017</h2><p>Das Europäische Parlament hat ein Wissenschafts- und Forschungsbudget in Höhe von 800 Mio. Euro für das Jahr 2017 beschlossen. Erasmus Plus, ein Förderprogramm für Auslandsaufenthalte von Studenten, erhält 400 Mio. Euro. Genauso viel bekommt Horizon 2020. In diesem Programm geht das Geld zu gleichen Teilen an den Europäischen Forschungsrat, das Europäische Innovationsinstitut, das Programmelement zur Verbreitung von Exzellenz und Ausweitung der Beteiligung sowie die Förderung der weltweiten Zusammenarbeit. SB</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.horizon2020.de" target="_blank">www.horizon2020.de</a></ext-link></p><h2>Weiterhin mehr Hochschulabsolventen</h2><p>Zum vierzehnten Mal in Folge stieg im Jahr 2015 die Zahl der Absolventen von Universitäten und Fachhochschulen. Insgesamt haben 481 588 Studenten in Deutschland ihr Studium abgeschlossen, 17 % davon in Mathematik und in den Naturwissenschaften. Das Statistische Bundesamt führt diesen Anstieg zum einen auf die zunehmende Zahl der Studienanfänger zurück. Zum anderen wirkt sich die Bachelor-Master-Reform aus: So erwerben Studenten schneller Bachelorabschlüsse und haben nach dem Masterabschluss zwei Hochschulabschlüsse. Diese Studenten zählen in der Statistik entsprechend doppelt. SB</p>

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Mehr Pumpen, weniger Kosten

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