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Modellbasierte Analyse und Identifizierung von Optimierungspotentialen bei enzymatisch katalysierten Reaktionen in dreiphasigen Flüssig-Flüssig-Fest-Systemen

IGF-Nr. 17003 N

Die großtechnisch durchgeführte Fettspaltung und die Produktion vielfältiger oleochemischer Basischemikalien sind bereits seit Jahrzehnten Stand der Technik und liefern die Grundstoffe für zahlreiche Synthesen hochprofitabler Produkte. Eine vielversprechende Alternative zu den sich hinter konventionellen Prozessen verbergenden Produktionsrouten stellen biotechnologische Verfahren dar. Deren industrielle Umsetzung macht es erforderlich, abgesicherte, für die Maßstabsübertragung geeignete Modelle zu entwickeln, die in bereits existierenden Berechnungswerkzeugen einsetzbar sind. Aufgrund des umfassenden industriellen Anwendungsfelds von Lipasen (Veresterung, Hydrolyse und Umesterung) und der damit verbundenen Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse wurde in diesem Projekt die Hydrolyse von Methyloctanoat zu Octansäure und Methanol als Referenzsystem verwendet. Als Katalysator wurde das Enzym Candida antarctica lipase B (CALB) in Form des Enzymimmobilisates Novozym® 435 der Firma Novozymes A/S verwendet. Die primäre Ausrichtung liegt auf Festbettreaktorsystemen, deren Einsatz in der chemischen Industrie sehr weit verbreitet ist.

Das Hauptforschungsziel dieses Projektes besteht darin, Modellgrundlagen für eine fundierte industrielle Entwicklung enzymatischer Flüssig-Flüssig-Fest-Systeme beinhaltender Prozesse zu schaffen. Sobald das angenommene Reaktionsprinzip nachvollzogen und validiert ist, ist die Übertragbarkeit auf ganze Klassen von vergleichbaren dreiphasigen Systemen denkbar. Damit trägt dieses Forschungsprojekt zur Erarbeitung einer Grundlage für die Verwendung klassischer Auslegungsverfahren und den Einsatz üblicher Simulationssoftware zur Auslegung enzymatischer Prozesse bei und hilft dabei die bestehende Lücke zwischen klassischer Auslegung und der Biotechnologie zu schließen. Auf Basis des im Verlauf dieses Projektes erarbeiteten Untersuchungskonzeptes wurde ein bestehender diskontinuierlicher Kreislauffestbettreaktor im Mini-Plant-Maßstab erweitert und in Betrieb genommen. Diese erweiterte Versuchsanlage zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass erstmals eine kontinuierliche Zentrifuge eingesetzt wird, um eine einphasige Durchströmung des Festbettes zu ermöglichen. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit, die Einzelvorgänge innerhalb eines Flüssig-Flüssig-Fest-Reaktionssystems räumlich zu trennen und separat zu untersuchen. Die entwickelte Versuchsanlage stellt somit eine Innovation an sich dar und bildete zugleich die Grundlage für die durchgeführten Experimente.

Die durchgeführten Experimente bilden eine integrale Betrachtung des Reaktionssystems, bei der alle relevanten Betriebsparameter berücksichtigt wurden. Dabei wurden sowohl die reaktionstechnischen Größen, wie die Konzentrationsverläufe aller Komponenten, als auch hydrodynamische Größen wie der Druckverlust berücksichtigt. Die experimentellen Daten liefern somit ein vertieftes Verständnis für die komplexen Wechselwirkungen und Zusammenhänge dreiphasiger Flüssig-Flüssig-Fest-Reaktionssysteme und die Datenbasis für eine detaillierte Modellentwicklung und -validierung.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 08/11 bis 07/14 an der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik (Schwarzenbergstr. 95, 21073 Hamburg, Tel.: 040/42878-3041) unter der Leitung von Prof. Dr. G. Fieg (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. G. Fieg).

 

 

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 17003 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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