Optimale modellgestützte Prozessauslegung und –führung industrieller enzymkatalytischer Aufgabenstellungen im Festbettreaktor

IGF-Nr. 16204 N

Das zentrale Ziel dieses Projektes ist die Ausnutzung und Fortführung der Ergebnisse der im Vorläuferprojekt (IGF 14996 N) geschaffenen Wissensbasis, um den Nutzen für kleine und mittlere Unternehmen (kmU) bei der Auslegung und Führung von enzymatisch katalysierten Prozessen im Festbett zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Methoden zur Prozessoptimierung sowie zur optimalen Prozessauslegung und -führung entwickelt. Dazu wurde die im Vorläuferprojekt generierte Wissensbasis ergänzt und vertieft, das erstellte Simulationswerkzeug konsequent weiterentwickelt und schließlich die benötigten detaillierten Prozessmodelle und Werkzeuge erstellt, validiert und exemplarisch angewandt.

Die primäre Ausrichtung liegt wie schon im Vorläuferprojekt auf diskontinuierlichen Festbettreaktorsystemen im Umlaufbetrieb. Aufgrund des umfassenden industriellen Anwendungsfelds von Lipasen (Veresterung, Hydrolyse und Umesterung) und der damit verbundenen Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse wurde auch in diesem Projekt die Veresterung von 1-Decanol und Ölsäure zu Decyloleat und Wasser als Referenzsystem verwendet. Als Katalysator wurde weiterhin das Enzym candida antarctica lipase B (CALB) in Form des Enzymimmobilisates Novozyme® 435 der Firma Novozymes A/S verwendet.

Zur Erweiterung des Wissensstandes bezüglich der Reaktionskinetik konnten zunächst Konzepte zur Reduzierung des experimentellen Aufwands entwickelt werden. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit, durch intrinsische Reaktionskinetiken den Anwendungsbereich zu vergrößern, sowohl theoretisch als auch experimentell erfolgreich untersucht. Ferner konnte das Desaktivierungsverhalten des Katalysators in Experimenten untersucht und anschließend mathematisch modelliert werden.

Zur Optimierung des Festbetts wurden sowohl Experimente an der erweiterten Versuchsanlage aus dem Vorläuferprojekt als auch Simulationsstudien mit wirtschaftlicher Bewertung durchgeführt. Es wurde einerseits die optimale Festbettgeometrie und andererseits der optimale Aufbau der Festbettschüttung bezüglich dessen Porosität, der Verwendung von Inertanteilen und dessen Verteilung untersucht. In diesem Rahmen konnte auch ein Werkzeug zur automatisierten Durchführung von Simulations- und Sensitivitätsstudien einschließlich wirtschaftlicher Bewertung erstellt werden.

Neben der Optimierung einzelner Prozesskomponenten konnten auch eine Methodik und ein Werkzeug sowohl zur getrennten als auch zur simultanen ganzheitlichen Optimierung der Prozessauslegung und -führung entwickelt werden. Dem industriellen Anwender ist es dazu möglich, das Optimierungsziel einschließlich Nebenbedingungen frei zu definieren. Nicht nur konnte das erstellte Werkzeug sowohl experimentell als auch anhand des Lösungsraums validiert werden, sondern auch in einer Vielzahl von Beispielen angewandt werden.

In das Auslegungswerkzeug STEP wurden alle ermittelten Forschungsergebnisse integriert und ferner dessen Allgemeingültigkeit erheblich verbessert. In Form von Zusatzmodulen wurden die Werkzeuge zur Durchführung von automatisierten Simulations- und Sensitivitätsstudien sowie zur ganzheitlichen Prozessoptimierung erstellt.

Im direkten Vergleich mit der Zielsetzung des Forschungsvorhabens kann somit festgestellt werden: Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Forschungsstelle:	TU Hamburg-Harburg Institut für Prozess-und Anlagentechnik
Leiter des Projekts:	Prof. Dr. G. Fieg
Laufzeit:	01.09.2009 bis 30.06.2012
Begleitender Arbeitskreis:	AK 1

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