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Entwicklung eines Simulationstools zur Prozessauslegung und –führung biotechnologischer Aufgabenstellungen im Festbettreaktor

IGF-Nr. 14996 N

Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs für die Auslegung von enzymkatalysierten Reaktionen auf Basis von experimentellen Daten. Das zu entwickelnde Werkzeug soll insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (kmU) bei der Prozessauslegung und -führung unterstützen.

Als Bezugsprozess wurden dabei enzymatische Veresterungen im diskontinuierlich betriebenen Festbettreaktor gewählt.
Zunächst wurde eine Versuchsanlage konzipiert, beschafft und aufgebaut sowie anschließend erfolgreich in Betrieb genommen. Das diskontinuierliche Reaktionssystem besteht aus einem Rührkessel, einer Umlaufpumpe sowie dem Festbettreaktor. Der Rührkessel dient dabei der Vorlage und Durchmischung des Reaktionsgemisches sowie der Abtrennung des Nebenproduktes. Die Reaktion findet ausschließlich im Festbettreaktor statt. Ergänzt wird der Aufbau durch moderne Messtechnik zur Bestimmung zeitlicher wie örtlicher Temperatur- und Druckprofile. Zur Verfolgung des Reaktionsfortschrittes wurden geeignete Methoden der Analytik eingesetzt bzw. entwickelt.

Als Referenzeaktion wurde die Veresterung von Decanol und Ölsäure zu Decyloleat und Wasser gewählt und unter Variation der Reaktionsparameter untersucht. Als Katalysator wurde das Enzym candida antarctica lipase B (CALB) in Form des Enzymimmobilisates Novozym® 435 der Firma Novozymes A/S verwendet.

Das Reaktionssystem wurde sowohl theoretisch, als auch experimentell hinsichtlich seiner Hydrodynamik und Reaktionskinetik sorgfältig analysiert. Ergänzend wurde das Scale-up-Verhalten des Reaktionssystems untersucht.

Zunächst wurde eine Auswahl industriell geeigneter Kinetikansätze (Potenzansatz bzw. ein Ansatz 1. Ordnung) ermittelt. Die Temperaturabhängigkeit ist bei diesen gut über einen Arrheniusansatz darstellbar. Weitere Untersuchungen dienten der Ermittlung der Abhängigkeit des Stofftransportes von der Strömungsgeschwindigkeit.

Zur Beschreibung der Hydrodynamik wurde zunächst eine exakte Analyse der Partikel- und Schüttungsgeometrie durchgeführt. Diese Ergebnisse konnten über zusätzliche Experimente zum Quellverhalten des Enzymträgers mit den Herstellerangaben in Bezug gesetzt werden. Die ermittelten Geometrien erlaubten die Anwendung klassischer Ansätze zur Bestimmung von Druckverlusten in Partikelschüttungen. Für die Anwendung in kmU ermöglicht dies eine erhebliche Reduzierung des experimentellen Aufwandes.
Für ein Scale-up konnte die Methode der Dimensionsanalyse durch Experimente als valide nachgewiesen werden. Hierdurch wird dem Anwender in kmU ein direktes Scale-up vom Labormaßstab in den industriellen Maßstab ermöglicht.

Alle ermittelten Forschungsergebnisse wurden im Simulationswerkzeug STEP integral zusammengefasst. Dieses beruht auf einer rigorosen Modellierung aller verfahrenstechnischen Einzelapparate und bietet dem industriellen Anwender in kmU somit eine hohe Flexibilität in der Auslegung beliebiger Anlagen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Forschungsstelle: Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik
Leiter des Projektes:  Prof. G. Fieg
Laufzeit: 01.05.2007-31.08.2009
Betreut durch: AK 1

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 14996 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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