Produktionsprozesse im Bereich der chemischen Industrie sind mit sich ständig wandelnden Anforderungen bezüglich Ökonomie, Ökologie und Nachhaltigkeit verbunden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig auf zuverlässige Methoden zur Entwicklung und Bewertung innovativer Prozesse zurückgreifen zu können. Dies gilt insbesondere für den Bereich biotechnologischer Verfahren, in dem der breite Einsatz modellbasierter Auslegungsmethoden noch immer mit großen Barrieren verbunden ist. Auch die Nutzung der mehrkriteriellen Optimierung stellt hier eine Seltenheit dar. Das Etablieren derartiger Methoden weist indes das Potential auf, die Effizienz biotechnologischer Prozesse und deren Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionellen Verfahren signifikant zu erhöhen.
Das Hauptforschungsziel dieses Projektes besteht darin, Grundlagen für eine modellbasierte Auslegung mit überlagerter Optimierung für Prozesse aus dem Bereich enzymatischer Flüssig-Flüssig-Fest-Systeme zu schaffen. Dazu wird anhand eines beispielhaften Produktionsprozesses eine systematische Vorgehensweise entwickelt und aufgezeigt, um von der Modellierung, über die modellbasierte Auslegung mit überlagerter Optimierung letztendlich zu optimalen Auslegungen zu gelangen.
Auf Basis der Ergebnisse des vorangegangenen Projektes 17003 N, wurde als beispielhaft betrachteter Referenzprozess die mittels immobilisierter Lipase (Candida antarctica Lipase B) katalysierte Hydrolyse von Methyloctanoat in einer kontinuierlichen, mehrstufigen Gegenstrom-extraktivreaktion gewählt. Den Gesamtprozess, bestehend aus dem eben genannten Reaktor, destillativer Trennung und Recycle der Edukte, galt es daher zunächst in ein mathematisches Modell zu überführen. Dazu erfolgte schrittweise die Entwicklung eines rigorosen Modells des einstufigen Reaktors, der mehrstufigen Gegenstromextraktivreaktion, der Trennsequenz und des Gesamtprozesses. Dieses Arbeitspaket liefert also das simulationsbasierte Auslegungswerkzeug.
Anschließend erfolgte die Erarbeitung und das Testen einer Methodik zu simulationsbasierten Pareto-Optimierung dieses Prozesses. Hierbei wurden der entsprechende evolutionäre Algorithmus gewählt und parametrisiert, die Zielfunktionen gewählt und implementiert, Funktionstests durchgeführt und schließlich Maßnahmen zur Handhabung der Komplexität der Optimierungsaufgabe entwickelt. Letztere umfassen unter anderem die Parallelisierung von Berechnungen und die gezielte Diskretisierung der Optimierungsvariablen. Das Ergebnis dieses Arbeitsschrittes stellt somit eine funktionsfähige, simulationsbasierte Auslegungsmethode mit überlagerter Optimierung dar.
Schließlich erfolgte die Entwicklung einer Systematik zur Analyse der Optimierungen und die schrittweise Erzeugung und Auswertung der Optimierungsergebnisse für den Prozess mit einstufigem und mehrstufigem Reaktor. Durch die Ergebnisse wird insbesondere der Nutzen mehrkriterieller Betrachtungen betont. Eine Methode zur Erstellung maßgeschneiderter Optimierungsverfahren runden die Ergebnisse des Forschungsprojektes ab.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 08/2014 bis 01/2017 an der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik (Schwarzenbergstraße 95, 21073 Hamburg, Tel.: 040/42878-3041) unter der Leitung von Prof. Dr. Georg Fieg (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. Georg Fieg).
Das IGF-Vorhaben Nr. 17673 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.