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Was ist im Grippe-Impfstoff drin?

Eigentlich will ich mich ja gegen die Grippe impfen lassen… aber eine wirklich penetrante Erkältung lässt mich (noch) nicht. Während die ausheilt habe ich Zeit, mich zu fragen: Was ist eigentlich in so einem Grippe-Impfstoff drin?

Die Frage kommt nicht von ungefähr, sind doch Impfungen einmal mehr in aller Munde. Nicht nur die Grippesaison steht vor der Tür. Zudem macht Deutschland mit dem Beschluss einer Impfpflicht gegen die Masern von sich reden.

Heute möchte ich aber vornehmlich beim Grippeimpfstoff bleiben, der einerseits ein spezieller Fall in der Impfstoff-Familie ist, andererseit aber als Beispiel für andere Impfstoffe herhalten mag.

Warum ist der Grippeimpfstoff speziell?

Letztlich aufgrund seiner eingeschränkten Wirksamkeit. Die beruht darauf, dass Grippeviren ganz besonders fiese Arschlöcher sind. Die mutieren nämlich schneller zu immer neuen Stämmen, als die Forscher Impfstoffe gegen sie entwickeln können (wie genau sie das machen, erklärt Mai Thi sehr gut in ihrem aktuellen Video).

So müssen Forscher schon zu Anfang eines neuen Jahres Vermutungen anstellen, wie der fieseste Grippevirus – besser die fiesesten Grippeviren – der kommenden Saison aussehen mögen. Denn Entwicklung, Herstellung und Erprobung einer neuen Impfstoff-Variante dauern gut ein halbes Jahr. Und danach können die Forscher nur hoffen, dass die tatsächlich grassierenden Viren den vermuteten zumindest ähnlich sind.

Anders als die Impfstoffe gegen Masern und andere Kinderkrankheiten, die nahezu immer schützen, bietet eine Grippeimpfung damit nur eingeschränkt Schutz gegen Grippe. Wenn es aber darum geht, ob man eine Woche statt drei Wochen flach liegt, ins Spital muss oder nicht bzw. mit einer massgeblich geringeren Wahrscheinlichkeit krank wird, lohnt sich die Impfung allemal. Auch jedes Jahr aufs Neue. Besonders, wenn man zu einer der Risikogruppen zählt, die das Schweizerische Bundesamt für Gesundheit nennt.

Die Grippeimpfung ist übrigens auch für Kinder einschliesslich Säuglingen ab 6 Monaten möglich. Und wenn die Kinder in die Krippe, den Kindergarten oder die Schule gehen, mag die Impfung sich für sie ebenso lohnen wie für ihre Lehrer und Erzieher.

Anbei: Für die aus medizinischen Gründen Gefährdeten (Senioren, Bewohner von Pflegeheimen, Kranke, Schwangere, Frühgeborene) übernimmt in der Schweiz die obligatorische Krankenversicherung die Kosten für die Impfung.

Aber was ist nun drin im Impfstoff?

In Impfkritiker-Kreisen kursieren zahllose Gerüchte um Quecksilber, Aluminium und andere angeblich fiese Hilfsstoffe, ganz zu schweigen von angeblich unsicheren Wirkstoffen.

Dabei lassen sich im Netz ziemlich einfach Fachinformationen mit genauen Inhaltsstofflisten im Netz auftreiben. Zum Beispiel im Arzneispezialitätenregister des Österreichischen Bundesamts für Sicherheit im Gesundheitswesen. Das einzige, was man dafür braucht, ist der Handelsnahme eines Impfstoffs.

Den habe ich mir aus einer Broschüre des Schweizerischen Bundesamtes für Gesundheit herausgepickt. Der Umstand, dass ich einen in der Schweiz gebräuchlichen Impfstoff in der österreichischen Datenbank gefunden habe, lässt mich darauf schliessen, dass solche Impfstoffe im DACH-Raum grenzübergreifend zum Einsatz kommen. Was jetzt kommt, wird demnach auch für Impfstoffe in Deutschland gelten.

Mein Beispiel-Impfstoff ist Fluarix Tetra®, zugelassen für Kinder ab drei Jahren und Erwachsene. Dieser Impfstoff kommt übrigens seit Jahren mit jeweils angepassten Virenstämmen zum Einsatz. Darin sind enthalten:

Inaktivierte Influenza-Virus Spaltantigene

Das ist der eigentliche “Wirkstoff” im Impfstoff, welcher das Immunsystem veranlassen soll, die Informationen über die gefährlichen Grippeviren zu speichern. Wie das Immunsystem arbeitet und wie das genau funktioniert, könnt ihr übrigens hier in Keinsteins Kiste nachlesen.

Aber was bedeutet dieser Fachausdruck eigentlich?

Um das Immunsystem zur Informationsverarbeitung zu veranlassen, müssen ihm Krankheitserreger “vorgeführt” werden. Damit der Körper dabei aber nicht krank wird, müssen diese Erreger entweder in einer abgeschwächten (“zahnlosen”) Version daher kommen (das nennt man dann einen Lebendimpfstoff), oder man führt dem Immunsystem funktionslose Bruchstücke der Erreger vor (als Totimpfstoff).

Um solche Bruchstücke herzustellen, züchten die Entwickler in speziellen Labors Grippeviren und zerlegen sie dann in ihre Bestandteile. Dabei lösen sie unter anderem Proteine (die fiesen “Stacheln”, die in vielen Virus-Darstellungen zu sehen sind) aus der Aussenhülle der Viren, trennen sie vom Rest und packen sie in den Impfstoff.

Keine Kunst, sondern ein echtes, koloriertes “Foto” von einem Grippe-Virus, aufgenommen mittels Elektronen-Tomographie (mit einem Elektronenmikroskop, das zum MRT für winzigkleine Dinge umgerüstet wurde). Die Protein-Stacheln in der Virushülle (blau) sind hier grün und gelb dargestellt. (US gov [Public domain], via Wikimedia Commons )

An diesen Proteinen erkennt nämlich unser Immunsystem die Viren. Nur – die Proteine allein, ohne Virenhülle und vor allem ohne Virenerbgut, können keine Grippe verursachen.

Moleküle, die unser Immunsystem erkennt, werden nun Antigene genannt. Da unsere Antigene bei der Herstellung von Viren “abgespalten” wurden, sprechen die Entwickler von Spaltantigenen. Und da sie allein keine Grippe (“Influenza”) mehr verursachen können, sind diese Spaltantigene “inaktiviert”.

Wie züchtet man Grippeviren?

Viren können sich nicht selbst vermehren (und sind damit nach landläufiger Definition der Biologen keine Lebewesen), sondern müssen dazu lebende Zellen befallen und deren Vermehrungsanlagen kapern. Deshalb sind zur Virenzucht lebende Wirtszellen nötig.

In den 1960er Jahren haben Forscher dafür geeignete Zellen in befruchteten Hühnereiern entdeckt. Darin wachsen nämlich nebst dem Küken auch verschiedene blasenartige Hilfsorgane. Und die Zellen von deren Aussenhäuten sind offenbar besonders gut geeignet, um in kurzer Zeit viele Grippe- und andere Viren herzustellen. Und zwar so gut, dass man diese Methode bis heute verwendet:

Befruchtete Hühnereier werden 10 bis 11 Tage lang im Brutschrank bebrütet. Dann wird durch ein kleines Loch in der Schale der gewünschte Virenstamm in das Anhangsorgan eingebracht und drei Tage lang weiter bebrütet. In dieser Zeit vermehren sich die Viren sehr stark und gelangen in die Flüssigkeit im Innern “ihres” Wirtsorgans. Dann wandern die Eier für einige Stunden in den Kühlschrank, sodass die Embryonen darin absterben (ich habe mir ja sagen lassen, dass der Tod durch Unterkühlung eine schmerzlose Angelegenheit sein soll, aber probiert habe ich es nicht), ehe die Flüssigkeit samt Viren entnommen wird.

Im Eier-Labor der FDA, USA: Ein Mitarbeiter spritzt Grippeviren in befruchtete Hühnereier, damit sie sich darin vermehren können. Im industriellen Massstab gibt es allerdings viel mehr Eier und das Ganze läuft automatisiert. (The U.S. Food and Drug Administration [Public domain], via Wikimedia Commons )

Es folgt das Zerlegen (“Inaktivieren”) der Viren mit Hilfe von speziellen Tensiden (Stoffen mit Superwaschkraft – diese können Proteine aus Virushüllen “waschen”, ohne dass die Proteine babei beschädigt werden!) und die Reinigung des Ganzen, damit am Ende nur in der Impfdosis landet, was dort hinein soll.

Moment – dabei sterben doch Tiere?!

Ja, das ist bis dato leider unvermeidbar, wenn wir uns vor der Grippe schützen möchten. Denn einen anderen Schutz vor der Grippe gibt es – besonders für irgendwie geschwächte Menschen – aktuell nicht.

Natürlich ist man heute schon weiter als vor sechzig Jahren und kann Viren auch in Zellkulturen züchten. Bloss funktioniert das mit Grippeviren nicht besonders gut. Die Ausbeuten an Grippeviren aus Zellkulturen sind so schlecht, dass es im Normalfall viel zu teuer wäre, die gewünschte Impfstoffmenge auf diese Weise herzustellen.

Warum Grippe-Impfstoffe manchmal knapp werden

Einzig wenn ein besonders ansteckender oder/und gefährlicher Grippe-Stamm auftritt und besonders flächendeckend geimpft werden soll, können die Entwickler nicht genügend Eier für die Zucht auftreiben und müssen auf die teureren Zellkulturen ausweichen. Doch dabei gibt es ein neues Problem:

Zum Arbeiten mit besonders ansteckenden (“pandemischen”) Grippe-Viren braucht man ein Labor der Sicherheitsstufe (BSL) 3. Und die haben viele Eier-Labors nicht. So bleiben die Produktionsmöglichkeiten auch unabhängig von den Kosten beschränkt.

Aber: Abhilfe ist bereits in Sicht

Da die Forscher jedoch weder Tiere töten noch Engpässe bei der Auslieferung wollen, arbeiten sie fleissig an neuen Möglichkeiten für die Virenzucht. Wie zum Beispiel in Münster mit Wimperntierchen (das sind Einzeller) als Wirten. Vielleicht gibt es ja schon ab 2025 eine wirtschaftliche Alternative zu den Hühnereiern.    

Anorganische Salze

Davon finden sich in Fluarix Tetra® eine ganze Reihe:

  • Natriumchlorid, NaCl (das “Kochsalz”)
  • Natriummonohydrogenphosphat, Na2HPO4
  • Kaliumdihydrogenphosphat, KH2PO4
  • Kaliumchlorid, KCl
  • Magnesiumchlorid, MgCl2 * 6 H2O

Alle diese Salze sind im Impfstoff in Wasser aufgelöst, sodass letztendlich folgende Ionen im Impfstoff enthalten sind: Na+, K+, Mg2+, Cl, HPO42-, H2PO4 (und für alle Chemiker, die es ganz genau nehmen, sind in verschwindender Menge auch PO43- und Phosphorsäure H3PO4 zu erwarten). Jedes dieser Ionen ist natürlicher Bestandteil praktisch jeder Körperflüssigkeit.

Die beiden Phosphat-Ionen ergeben zusammen einen Phosphat-Puffer, der dafür sorgt, dass der pH-Wert des Impfstoffs irgendwo zwischen 6 und 8 – also im “biologietauglichen” Bereich – stabil bleibt. So werden die Virus-Proteine darin nicht durch pH-Abweichungen beschädigt – und der pH-Wert des Impfstoffs passt weitgehend zu dem des Muskels, in welchen er gespritzt werden soll.

Die übrigen Ionen sorgen vermutlich dafür, dass die Impfstoff-Flüssigkeit einer Körperflüssigkeit ähnlich ist (sodass nach der Injektion z.B. kein ungewollter osmotischer Druck entsteht (was der anrichten kann, könnt ihr mit diesen Experimenten – mit Ei, aber ohne Küken – erfahren)).

RRR-alpha-Tocopherolhydrogensuccinat

Oder mit anderen Worten: Vitamin E. Also ein alter Bekannter aus der Ernährung und Hautpflege, der für seine Wirkung als Antioxidans bekannt ist. Das heisst, Vitamin E reagiert gern mit Stoffen, die sonst andere Bestandteile unseres Körpers oxidieren und für Stress in unseren Zellen sorgen würden.

Und ausserhalb des Körpers kann es ebenso gut mit Stoffen reagieren, die sonst Virenproteine und andere Impfstoff-Bestandteile kaputt oxidieren könnten. Damit ist das Vitamin E der einzige Konservierungsstoff (nagut, ausser dem Phosphatpuffer), den ich auf der Liste gefunden habe!

Polysorbat 80 (“Tween 80”) und Octozinol 10 (“Triton 100”)

Zwei der speziellen Tenside, die mit ihrer Superwaschkraft die Proteine aus den Virenhüllen lösen können. Da die Hüllen von Grippeviren aus fettähnlichen Stoffen (Lipiden) bestehen, sind Proteine, die daraus entfernt werden, naturgemäss nicht sehr scharf darauf, sich in Wasser zu lösen (fettfreundliche Stoffe mischen sich nicht mit Wasser und wasserfreundliche Stoffe nicht mit Fetten!).

Da die genannten Tenside – im Grunde spezielle “Seifen” –  nicht weitestgehend aus dem Impfstoff entfernt werden, vermitteln sie dort wohl auch weiterhin zwischen Proteinen und Wasser und sorgen so dafür, dass alle Bestandteile des Impfstoffs sich miteinander mischen.

Auf Lebensmittelpackungen werden solche Stoffe als “Emulgatoren” vermerkt. Tatsächlich ist Polysorbat 80 als Lebensmittelzusatzstoff (E 433) zugelassen, da es chemisch wie biologisch als weitgehend reaktionsträge gilt. Ausserdem zählt es zu den wenigen Emulgatoren, die man nicht nur problemlos verspeisen, sondern auch spritzen kann.

Solvent-Detergent-Verfahren: Eine sichere Sache

Auch Triton 100 ist für seine Sicherheit in Sachen medizinische Anwendungen bekannt. Das “Solvent-Detergent-Verfahren” (SD-Verfahren), mit welchem die Grippeviren bei der Impfstoffherstellung zerlegt werden, wurde nämlich ursprünglich zur Reinigung von Blutplasma zur Transfusion von darin unerwünschten Viren entwickelt (Und wer hats erfunden…? Nein, ein Amerikaner. Aber die Schweizer – genauer gesagt eine Firma aus dem von hier aus übernächsten Dorf – haben es finanziert und zur Marktreife gebracht).

Die Blutplasma-Reiniger hatten ein ähnliches Problem wie die Impfstoff-Hersteller: Mögliche Viren in gespendetem Blutplasma müssen unschädlich gemacht werden (damit sie den Empfänger nicht infizieren können), aber die Proteine im Plasma – insbesondere die Gerinnungsfaktoren – dürfen dabei ihre Funktion nicht verlieren.

Das SD-Verfahren leistet beides äusserst gründlich: Die Gerinnungs-Proteine in SD-Plasma bleiben zu wesentlichen Teilen funktionsfähig, während nach rund 10 Millionen Transfusionen bis 2009 keine einzige Infektion durch Viren mit Hülle (bei “nackten” Virenarten funktioniert das Verfahren nicht, sodass man sich um solche anders kümmert) gemeldet worden ist. Ebensowenig wurde je beobachtet, dass mit dem SD-Verfahren gereinigtes Plasma (wobei auch “Triton 100” zum Einsatz kommt/kam!), in irgendeiner Weise toxisch gewirkt oder eine Allergie ausgelöst hätte.

Wasser zu Injektionszwecken

Lösungsmittel – und zwar das Lösungsmittel, wenn es um lebende Organismen geht. “Zu Injektionszwecken” meint keimfrei und vermutlich so sauber wie irgend möglich. Schliesslich soll das ja in menschliche Körper gespritzt werden.

Gemäss meiner Annahme ausserdem der Grund dafür, dass die beiden oben genannten Emulgatoren noch in nennenswerter Menge im Impfstoff enthalten sind. Denn ohne sie würden sich die Virenproteine schlecht mit dem Wasser mischen. Und würde man auf ein fettfreundliches Lösungsmittel für den Impfstoff ausweichen, würde der sich mit der wasserfreundlichen Umgebung im Muskel gewiss nicht gut vertragen.

Weitere mögliche Inhaltsstoffe im Spurenbereich

Natürlich ist kein Reinigungsverfahren perfekt. So bleiben in jedem Produkt, das Reinigungsschritte durchläuft, winzige Spuren von Stoffen aus der Produktion zurück. So auch bei Impfstoffen. Die heutige Analytik ist allerdings derart präzise, dass damit festgestellte “Spuren” wirklich extrem winzig und meist gar nicht von Bedeutung sind.

In Fluorix Tetra® können folgende Stoffe in solch winzigen Spuren gefunden werden:

Bestandteile von Eiern

Unter anderem Proteine: Die bleiben bei der Trennung der Viren (-Bestandteile) vom Material aus dem Ei übrig. Unglücklicherweise (in diesem Fall) ist unser (adaptives) Immunsystem noch präziser als die moderne Spurenanalytik. So können schon einzelne Proteinmoleküle, die das Immunsystem “in den falschen Hals bekommt”, heftige allergische Reaktionen auslösen.

Menschen, die allergisch auf Ei-Proteine reagieren, können daher nicht mit den üblichen Impfstoffen gegen Grippe geimpft werden und sind deshalb auf Herdenschutz angewiesen!

Gentamicinsulfat

Ein Antibiotikum. Die kommen bei der Virenzucht in Eiern nicht zu knapp zum Einsatz (auch das ist ein Grund dafür, bald einen Ersatz für diese Methode zu finden). Die winzigen Mengen, die mit einer Impfdosis in den Muskel wandern, werden dort aber sicher rasch verstoffwechselt, bevor sie irgendetwas bewirken können.

Formaldehyd

Auch: Methanal, CH2O. Ist als Chemikalie in Flaschen ein ziemlich fieser Geselle (ein giftiges, ätzendes, erbgutschädigendes und krebserzeugendes wasserlösliches Gas).

Formaldehyd entsteht allerdings auch als Stoffwechselabfall im menschlichen Körper (und anscheinend auch in Hühnereiern bzw. beim Zerlegen von Viren). Und das in rauhen Mengen von 50 Gramm (!) pro Erwachsenem am Tag! Da solche Mengen Gift uns natürlich nicht zuträglich wären, baut der Körper diesen Abfall aber ratzfatz ab: Die Halbwertszeit von Formaldehyd im menschlichen Körper liegt bei 90 Sekunden bzw. 1,5 Minuten. Nach dieser Zeit ist von ursprünglichem Formaldehyd also nur noch die Hälfte vorhanden.

Mit einer Impfdosis gelangen nun schätzungsweise 1 bis 200 Mikrogramm Formaldehyd in den Körper. Zum Vergleich: Ein Liter Blut enthält normalerweise 2 bis 3 Milligramm davon. Das ist die 10- bis 1000-fache Menge! Enthält eine Impfdosis tatsächlich solche Spuren von Formaldehyd, fallen die vor dem Hintergrund des natürlichen Formaldehyds im Körper gar nicht auf.

Natriumdesoxycholat

Noch ein Tensid, das beim Virenzerlegen zum Einsatz kommt. Und ein Salz der Desoxycholsäure, einer sekundären Gallensäure, die in der Leber und von bestimmten Darmbakterien für den Einsatz im Fettstoffwechsel hergestellt wird.

Das Anion in diesem Salz ist Steroid-Hormonen sehr ähnlich. Vermutlich wird es deshalb – anders als die oben genannten Emulgatoren – vor der Fertigstellung des Impfstoffs vollständig wieder entfernt. Aber falls doch mal ein paar Ionen zurückbleiben, werden auch die zwischen den natürlichen Steroiden nicht weiter auffallen.

Was in diesem Impfstoff nicht enthalten ist

Nicht auf der Liste und damit nicht im Impfstoff enthalten sind folgende berüchtigte Kandidaten:

  • In irgendeiner Form krank machende Viren oder Virenbestandteile
  • Quecksilberverbindungen wie Thiomersal
  • Aluminiumverbindungen
  • Sonstige Konservierungsmittel (ausser Vitamin E und dem Phosphat-Puffer)

In den heutigen Impfstoffen, die meist als Einzeldosen verpackt und gekühlt auf den Markt kommen, ist generell kein Thiomersal mehr enthalten – weil es gar nicht mehr notwendig ist.

In früherer Zeit kamen solche Konservierungsstoffe zum Einsatz, als Impfstoffe noch in handlichen Flaschen zum vielfachen Aufziehen in die Spritze durch ein Septum ausgeliefert wurden.

Vorratsflasche mit Septum zum Durchstechen: So wird die Grippeimpfung bei uns in der Regel nicht mehr verabreicht (Jim Gathany [Public domain], via Wikimedia Commons )

Und solche Flaschen kommen heute allenfalls dann noch zum Einsatz, wenn eine Pandemie droht und die Verteilung des Impfstoffs schnell gehen muss.

Und was ist mit anderen Impfstoffen?

Einen kurzen Blick habe dann doch noch auf die Fachinformation zu einem MMRV-Impfstoff (Priorix Tetra, neueste Zulassung in Österreich 2010): Masern-Mumps-Röteln-Windpocken) geworfen. Der wird tatsächlich in Durchstechflaschen vertrieben, allerdings in Pulverform, mit einem Lösungmittel (Wasser), das direkt vor der Benutzung dazugespritzt wird.

So kommt der MMR(V)-Impfstoff Priorix in den Handel: Im Fläschchen links das Impfstoff-Pulver, in der Einwegspritze Wasser als Lösungsmittel, und zwei Kanülen, die auf Spritzen aus dem Bestand jeder Arztpraxis passen (Dctrzl [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons ).

Es handelt sich um einen Lebendimpfstoff, der aus “zahnlosen” Viren besteht, die wiederum in Zellkulturen gezüchtet werden (Masern und Mumps in embryonalen Hühnerzellen, weshalb Probleme für Ei-Protein-Allergiker auch hier nicht ganz ausgeschlossen werden können).

Darüber hinaus ist in diesem Impfstoff sogar noch weniger drin als im Grippe-Impfstoff. Neben den vier Virenstämmen nämlich Lactose (Milchzucker), die Süssstoffe Sorbitol und Mannitol (irgendetwas braucht man wohl als Trägersubstanz für die Viren) und verschiedene natürliche Aminosäuren. Ausserdem können Spuren des Antibiotikums Neomycin (auch Zellkulturen kommen nicht ohne Antibiotika aus) enthalten sein.

Auch hier: Kein Thiomersal, keine Aluminiumverbindungen, keine anderen Konservierungsmittel (Pulver halten sich oft besser als Flüssigkeiten).

Fazit

Auch wenn ich mir willkürlich nur einen einzigen Grippe-Impfstoff (und einen MMRV-Impfstoff) herausgegriffen habe, zeigt die Auflistung doch deutlich, dass praktisch alle Schreckensgeschichten über “böse” Bestandteile von Impfstoffen Mythen sind. Und die Stoffe, die tatsächlich darin sind, sind so verträglich, wie Stoffe nur sein können.

Einzig die Herstellung der Impfstoffe in den Hühnereiern ist ein Wehrmutstropfen – vegan oder vegetarisch sind (die meisten) Grippe-Impfstoffe damit sicherlich nicht. Auch als bekennende Allesesserin drücke ich fest die Daumen, dass wir bis in 5 Jahren Alternativen ohne tote (Vielzeller-)Tiere, Probleme für Allergiker und all zu viel Antibiotikaeinsatz haben werden.

Nichts desto trotz werde ich mich gegen die Grippe impfen lassen, sobald meine Erkältung überstanden ist. Nicht nur um meinetwillen, sondern auch aus Solidarität gegenüber meinen Schülern und ihren Familien (denn als Nachhilfelehrerin und eifrige ÖV-Nutzerin habe auch ich mit vielen Menschen zu tun).

Und was ist mit euch? Habt ihr euch gegen die Grippe impfen lassen? Oder werdet ihr noch?

Zeolithe: Wo die nützlichen Steine uns im Haushalt helfen

Zeolithe sind nicht nur im Haushalt äusserst nützlich. Auch als Nahrungsergänzungsmittel für Entgiftungskuren ist “Zeolith” überaus populär. Da diese Anwendung dieser vielseitigen Stoffgruppe hier aber den Rahmen sprengen würde, kommt ein zweiter Artikel zu Zeolithen und Detox nächste Woche!

Was ist eigentlich in unserem Waschpulver drin? Diese Frage kam neulich beim Nachtessen mit der Schwiegermutter auf. Na klar: Seife. Oder in der Chemiker-Sprache: Tenside. Und über deren Super-Waschkraft habe ich hier ja schon geschrieben. Aber nachsehen schadet ja nichts, dachte ich. Und siehe da: Mein Universal-Waschpulver vom orangen M enthält nur 5-20% Tenside – und 15%-30% Zeolithe. Was ist das denn nun schon wieder?

Was sind Zeolithe?

Laut Definition im Chemiebuch oder auf Wikipedia sind Zeolithe eine Gruppe von “kristallinen Alumosilikaten”… mit anderen Worten: Steine. Und zwar Steine, welche die chemischen Elemente Silizium und Aluminium enthalten. Das ist an sich nichts besonders, sind Silizium und Aluminium doch das zweit- und dritthäufigste Element in der Erdkruste.

So hübsch sind Zeolithe selten: Natrolith aus meiner Mineraliensammlung – ein natürlicher Zeolith auf Basalt. Dieses Grundgestein hat Naturzeolithen auch die Bezeichnung als “natürliches Vulkangestein” eingebracht.

Das Ionengitter der Zeolith-Kristalle, aus welchen diese Steine bestehen, ist allerdings ein ganz besonderes: Es enthält grosse Lücken, die den ganzen Kristall zu einem porösen Schwamm machen!

Wie sind Zeolith-Kristalle aufgebaut?

Die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe lautet:

Mn+x/n [(AlO2)x (SiO2)y. z H2O

Ein Schweizer Käse aus Si- und Al-Atomen

Der Inhalt der eckigen Klammer beschreibt das eigentliche Kristallgitter: Es besteht aus Silizium (Si)-, Aluminium (Al)- und Sauerstoff (O)-Atomen, wobei auf x Silizium-Atome stets y Aluminium-Atome kommen. Jedes dieser Atome ist mit vier Sauerstoffatomen verbunden (die wiederum werden dazu je zweimal verwendet, weshalb die Formel nur 2 Sauerstoff-Atome je Metallatom enthält). Anders eingeteilt besteht das Zeolith-Gitter somit einander überlappenden Sauerstoff-Tetraedern mit je einem Silizium- oder Aluminiumatom im Zentrum.

Molekülmodell: Tetraeder

Molekülmodell in Form eines Tetraeders: Die vier weissen Kugeln befinden sich in den vier Ecken dieses geometrischen Körpers, die pinke Kugel liegt in dessen Zentrum.

Wer sich ein etwas mit organischer Chemie auskennt (da sind es Kohlenstoff-Atome, die mit ihren Nachbarn Tetraeder bilden), weiss, dass man aus Tetraedern die vielfältigsten Gerüste bauen kann. Deshalb gibt es ein wahres Sammelsurium von Zeolithen:

60 natürlich vorkommende Mineralien gehören zu dieser Gruppe, über 150 weitere sind von Chemikern entworfen und künstlich hergestellt worden!

Sie alle haben eines gemeinsam: Ihre Gitter umfassen mehr oder weniger grosse Hohlräume – ein richtiger molekularer Schweizer Käse. In Waschmitteln findet man vor allem der synthetische Zeolith A, dessen Kristallgitter so aussieht:

Kristallgitter von Zeolith A

Jede Ecke in der Skizze steht für ein Silizium- oder Aluminium-Atom. Die Sauerstoff-Atome sind dazwischen entlang der Verbindungslinien angeordnet.

Grundbaustein der Zeolithe: Sodalith-Käfig mit Si-, Al- und O-Atomen
Ein Element des Zeolith-A-Gitters mit eingezeichneten Atomen

In der Mitte zwischen acht dieser Einheiten bleibt ein relativ grosses Loch, dessen Wände die Chemiker als alpha-Käfig” bezeichnen.

Gitter des Zeolith A mit markiertem alpha-Käfig
Die Wände des Alpha-Käfigs in diesem Ausschnitt aus dem Zeolith-A-Gitter sind dunkel eingefärbt.

Im Zeolith A sind ebenso viele Silizium- wie Aluminium-Atome enthalten – die Verhältnisformel für diesen Zeolith lautet damit:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O

Zeolith-Kristalle sind Riesen-Anionen

Wenn ihr euch die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe oder die für Zeolith A genauer angesehen habt, ist euch vielleicht das “-” an der Aluminium-Einheit aufgefallen. Richtig: Jeder Aluminium-Tetraeder im Gitter trägt eine negative elektrische Ladung. Damit ist das ganze Kristallgitter eines Zeoliths ein einziges riesiges und tausendfach geladenes Anion!

So etwas lässt die Natur aber nicht einfach frei und einsam existieren…entgegengesetze Ladungen müssen für den Ausgleich her. Hier kommen die positiven Metall-Ionen Mn+, die ganz links in der Verhältnisformel stehen, ins Spiel. Für jede negativ geladene Aluminium-Einheit muss ein einfach positiv geladenes (n = 1) Metall-Ion her. Wenn mehrfach positiv geladene (n > 1) Metall-Ionen zur Hand sind, ist die Anzahl x der Aluminium-Einheiten durch die Ladungszahl der Metall-Kationen zu teilen (x/n).

Zeolith A enthält einfach geladene Na+-Ionen – 12 davon für 12 Aluminium-Einheiten, die in den Lücken im Gitter Platz finden und sich locker um das negativ geladene Gerüst herum anordnen.

Zeolithe sind molekulare Schwämme

Ausserdem ist in den Lücken noch reichlich Platz für Wassermoleküle. Die finden sich ganz rechts in der Verhältnisformel wieder. Die Wassermoleküle umhüllen sowohl die Metall-Kationen als auch das Gitter selbst, was den Metallionen den Aufenthalt im Gitter erst richtig gemütlich macht (eine Wasserhülle (in Chemikersprache: “Hydrathülle”) um ein wasserlösliches Ion enthält weniger Energie als das Ion ohne Hülle, was den umhüllten Zustand erstrebenswerter macht).

Durch Erhitzen können diese Wassermoleküle jedoch zum Verdampfen gebracht werden und den Kristall verlassen. Das ist eine charakteristische Eigenschaft von sogenanntem “Kristallwasser”, das einer chemischen Formel mit einem “*” bzw. Multiplikations-Punkt angehängt wird.

Auf eine Grundeinheit des Zeolith-A-Gitters kommen so normalerweise 27 Wassermoleküle.

Was hat die grosse Menge Zeolith A in Waschmitteln zu suchen?

Zeolithe können Wasser enthärten!

Die Hohlräume der Kristalle der Zeolithe enthalten von Wasser umhüllte Natrium-Ionen. Diese Ionen sind damit regelrecht im Kristallwasser gelöst. Das macht sie leicht darin beweglich. Tatsächlich können sie sich durch den ganzen Kristall und hinaus bewegen. Wenn sich nun andere Metall-Ionen finden, die es in einem Zeolith-Kristall noch behaglicher finden, können die Natrium-Ionen deshalb ganz leicht gegen solche ausgetauscht werden.

Und in unserem Leitungswasser, mit welchem wir unsere Wäsche waschen, finden sich solche Ionen zuhauf. Es ist schliesslich mehr oder weniger “hart” – es enthält Kalk: Calciumcarbonat, genauer gesagt Calcium- (Ca2+) und Carbonat- (CO32-) Ionen.

[Für die Chemiker unter euch: Carbonat CO32- ist natürlich eine Base und reagiert mit Wasser zu Hydrogencarbonat- (HCO3) und Hydroxid-Ionen (OH) weiter, anstatt einfach gelöst zu werden. Aber das ist hier für einmal nicht von Bedeutung.]

Zusammen bilden diese beiden die gefürchteten Kalkbeläge, welche die Leitungen in unseren Waschmaschinen verstopfen und die Wäsche steif machen können. So etwas will keiner haben.

Wenn Zeolithe im Waschwasser sind, machen es sich die Calcium-Ionen jedoch lieber in den Hohlräumen des Zeolith-Gitters gemütlich und verdrängen dabei die Natrium-Ionen aus dem Zeolith A. Einen vollständigen Austausch von Natrium- gegen Calcium-Ionen könnte man so beschreiben:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 6 Ca2+(aq) –> Ca6((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 12 Na+(aq)

Nachdem die Calciumionen sich im Zeolith eingerichtet haben, bleiben im Wasser Natrium- und Carbonat-Ionen zurück. Und Natriumcarbonat (auch als “Soda” bekannt) ist sehr gut wasserlöslich. So lagert es sich weder in der Maschine noch in der Wäsche ab und kann einfach fortgespült werden.

Das Gleiche geschieht mit dem Zeolith-Pulver. Das ist zwar nicht wasserlöslich, aber so fein gemahlen, dass es einfach mit weggeschwemmt wird.

Womit hat man früher Wasser enthärtet?

Künstliche Zeolithe wie Zeolith A kommen erst seit den späten 1970er Jahren in Waschmitteln zum Einsatz. Davor haben Gerüste aus Phosphor und Sauerstoff – also Phosphate – diese Aufgabe übernommen. Die Phosphat-Gerüste neigen allerdings dazu zu zerfallen, was sie zu ergiebigen Nährstoffen für Pflanzen macht.

Als solche Phosphate vermehrt mit Abwässern in die Umwelt gelangten, wurde das rasch zum Problem: Die Nährstoff-Schwemme führte zu Überdüngung und brachte viele ökologische Systeme aus dem Gleichgewicht. So wurden die Phosphate zunehmend durch Zeolithe ersetzt. Denn letztere sind schliesslich Steine – die taugen nicht als (unnötiger) Dünger.

Einen Haken haben Steine aber dennoch: Sie sind wasserunlöslich. Damit gelangt das ganze Zeolith-Pulver unverändert mit dem Abwasser in die Kläranlagen…und was gibt pulverisiertes Gestein in Wasser? Richtig: Schlamm. Und der sammelt sich in den Klärbecken. Seit Zeolithe in Waschmitteln zum Einsatz kommen, müssen Klärwerke deshalb mit merklich mehr Klärschlamm fertig werden – Grund genug, auch phosphatfreie (und zeolithhaltige) Waschmittel nicht in übertriebenen Mengen einzusetzen.

Zeolithe als Helferlein im Katzenklo

Habt ihr Katzen daheim? Dann kennt ihr Zeolithe wahrscheinlich auch von anderswo. Nämlich aus dem Zoohandel. Da wird nämlich gerne ein Naturzeolith (also ein natürlich vorkommendes Mineral) namens Klinoptilolith als Katzenstreu angeboten.

Die porösen Kristallgitter lassen sich nämlich nicht nur als Ionenaustauscher nutzen, sondern auch wie ein richtiger Schwamm! Das geht dann besonders gut, wenn der Zeolith etwa ebenso viele Silizium- wie Aluminiumatome enthält. Das synthetische Zeolith A ist ein gutes Beispiel dafür: Hier ist das Verhältnis zwischen Silizium und Aluminium 1:1. Aber auch Klinoptilolith mit 5:1 ist noch ein wunderbarer Schwamm.

Diese Zeolithe sind nämlich wahnsinnig heiss darauf, ihre Poren mit zusätzlichem Wasser aus ihrer Umgebung zu füllen (buchstäblich: Da es das Wasser in den Poren so bequem hat, wird eine Menge Energie, genannt “Adsorptionswärme”, dabei frei.

Doch damit nicht genug: Mit dem Wasser saugen sie auch vieles auf, was darin gelöst ist. Zum Beispiel Geruchsstoffe im Katzenurin. So werden die Nasen der menschlichen Dosenöffner geschont, während die Katze ihr Geschäft in natürlichem Gesteinsschutt verscharren kann.

Von Zeolith-Katzenstreu zu Pflanzenerde

Natürlicher Gesteinsschutt, der Wasser und überdies noch Nährstoffe (Urin, auch von Katzen, enthält naturgemäss Stickstoffverbindungen) speichert, kann zudem als Bestandteil von Pflanzenerde nützlich sein (andere formstabile Wasserspeicher sind “Superabsorber” aus organischen Polymeren (“Kunststoffen”), die ich in diesem Experiment als Ersatz für Pflanzenerde verwendet habe). Deshalb gilt Katzenstreu aus Naturzeolithen als geeignet für den Kompost.

Eigentlich sollte für synthetische Zeolithe dasselbe gelten – es handelt sich dabei schliesslich um Designer-Steine. Aber “natürlich” hat nunmal die weitaus grössere Werbewirkung – und ist in diesem Fall überdies billiger. Naturzeolithe kommen nämlich nahe der Erdoberfläche vor und können im Tagebau gewonnen werden (mit allen Konsequenzen für die Landschaft). Das künstliche Nachstellen der Entstehung von Steinen – so werden synthetische Zeolithe gemacht – ist hingegen ziemlich aufwändig. Mehr zum Vergleich von natürlichen und synthetischen Zeolithen findet ihr hier.

Zeolith im Geschirrspüler

Die “Saugfähigkeit” von Zeolithen wird seit einigen Jahren auch in der Küche genutzt. Hier kommt eine fest eingebaute Schale mit Zeolith-Pellets in der Spülmaschine zum Einsatz. Und zwar zur energiesparenden Trocknung.

Die Idee dahinter: Nach dem Spülgang ist das Maschineninnere samt Geschirr und Luft noch nass. Ein Ventilator bläst diese feuchte Luft durch den Behälter mit dem Zeolith, welcher das Wasser “aufsaugt” und dabei eine grosse Menge (Adsorptions-)Wärme abgibt. Die Luft kommt also trocken und warm in den Geschirrspüler zurück und bringt dort weiteres Wasser zum Verdampfen, das anschliessend vom Zeolith aufgenommen werden kann.

Beim nächsten Spülgang wird dagegen der Zeolith geheizt, sodass das Wasser aus den Poren im Kristallgitter verdampft und in den Geschirrspüler zurückgeführt werden kann. So wird der Zeolith für die nächste Trocknung wieder einsatzbereit gemacht.

Das Ganze gilt als sehr energieeffizient – allerdings liest man im Netzt viele Berichte über Geschirrspüler Zeolith-Trocknung (zum Beispiel hier und hier), die bereits nach drei bis fünf Jahren reif für eine unwirtschaftlich teure Reparatur sind. Ob diese Berichte repräsentativ sind, kann ich natürlich nicht sagen – aber es scheint, als wäre diese Technologie noch ausbaufähig.

Schaden oder nützen Zeolithe der Gesundheit?

Mehr dazu gibt es nächste Woche im zweiten Teil über Zeolith für Detox-Kuren!

Und wo sind euch Zeolith bzw. Zeolithe bislang begegnet?