Einführung

- Nutzung chemischer Reaktionen im kommerziellen Maßstab

- Ziel: Erfolgreiches Design und Betrieb chemischer Reaktoren

- eigenständiger Ingenieurzweig

Biochemisches Ingenieurwesen:

• fokussiert sich auf biologische Prozesse und Biokatalysatoren.

• erfordert die Integration von Biologie, Chemie und Ingenieurwesen.

Chemische Reaktionstechnik

• konzentriert sich auf chemische Reaktionen und Reaktoren.

• ist spezifischer für chemische Reaktionen und ihre industrielle Anwendung.

Typischer chemischer/biologischer Prozess:

- Rohstoffe: Ausgangsmaterialien.

- Vorbehandlung: Vorbereitung der Rohstoffe.

- Produktsynthese: Hauptreaktion zur Produkterzeugung.

- Nachbehandlung: Reinigung und Veredelung des Endprodukts.

1. Welcher Reaktortyp passt zur Reaktion?

2. Welcher Betriebsmodus ist am besten geeignet?

3. Wie sollten Prozessparameter gewählt werden?

1. Betriebsmodus und Reaktortyp

2. Katalysator

3. Reaktion

- Das Haber-Bosch-Verfahren gilt als die erste chemische Revolution.

- Ermöglichte die industrielle Fixierung von Stickstoff.

- Trug zur weitverbreiteten Nutzung von Stickstoffdüngern in der Landwirtschaft bei.

Wirtschaftliche Bedeutung:

- Das Verfahren macht etwa 1-2% des globalen Energieverbrauchs aus (Stand 2018).

- Wichtige Rolle in der globalen Lebensmittelproduktion durch die Bereitstellung von Stickstoffdünger.

4. Katalysatoren:

- Verwendung von Eisenkatalysatorenh zur Erhöhung der Reaktionsrate und Effizienz

Prozessbeschreibung:

- Der fermentative Prozess nutzt Mikroorganismen zur Herstellung von Vitamin B2.

- Reduzierung der Anzahl der notwendigen Prozessschritte im Vergleich zur rein chemischen Synthese.

• Rohstoffe: Verwendung von pflanzlichen Ölen, Harnstoff und Glycin als Ausgangsmaterialien.

• Bedingungen: Durchführung der Fermentation bei 27°C unter aeroben Bedingungen.

• Downstream-Verarbeitung: Autolyse, Zentrifugation und Sprühtrocknung zur Gewinnung von Vitamin B2 (80% Reinheit).

Vorteile:

- Reduzierte Prozessschritte: Weniger Schritte führen zu einer höheren Gesamtausbeute.

- Effizienz

- Nachhaltigkeit: Nutzung biologischer Prozesse und nachwachsender Rohstoffe.

Definition:

• Katalysator: Eine chemische Substanz, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht ohne dabei selbst verbraucht zu werden.

Kernpunkte:

• Erhöhung der Reaktionsrate durch Senkung der Aktivierungsenergie.

• Der Katalysator bleibt unverändert und wird nicht verbraucht.

• Änderung des Reaktionsmechanismus zur Effizienzsteigerung.

1. Einzelne gereinigte Enzyme

2. Ganzzell-Biotransformation

3. Fermentation

Ganzzell-Biokatalyse:

• Definition: Nutzung lebender, aber nicht wachsender Zellen zur Durchführung enzymatischer Reaktionen, um spezifische Produkte zu synthetisieren.

  • Enzymatische Synthese von chiralen Produkten ist oft einfacher und spezifischer als chemische Synthese.

• Hohe Selektivität und Spezifität:

• Einfachere Reaktionsbedingungen:

• Nachhaltigkeit:

Definition:

• Chiralität: Eigenschaft von Molekülen, die in zwei spiegelbildlichen Formen existieren, die sich wie linke und rechte Hand verhalten.

Kernpunkte:

• Wichtigkeit der Chiralität: Unterschiedliche Enantiomere eines Moleküls können stark unterschiedliche biologische Wirkungen haben.

• Pharmazeutische Relevanz: Korrekte Enantiomere sind entscheidend für die Wirksamkeit und Sicherheit von Medikamenten.

• Geschmack und Aroma: Chiralität beeinflusst auch den Geschmack und Duft von Substanzen in der Lebensmittelindustrie.

Betriebsmodi:

1. Batch-Betrieb:

   • Beschreibung: Alle Reaktanten werden zu Beginn zugegeben und die Reaktion läuft für eine bestimmte Zeit ab.

   • Vorteile: Einfacher Aufbau, gute Kontrolle über die Reaktionsbedingungen.

   • Nachteile: Nicht kontinuierlich, daher nicht geeignet für große Produktionsmengen.

2. Kontinuierlicher Betrieb:

   • Beschreibung: Reaktanten werden kontinuierlich zugeführt und Produkte kontinuierlich entfernt.

   • Vorteile: Konstante Produktion, besser für große Mengen.

   • Nachteile: Komplexere Steuerung und Konstruktion, schwieriger zu betreiben und zu warten.

3. Fed-Batch-Betrieb:

   • Beschreibung: Frische Reaktanten werden während der Reaktion kontinuierlich oder in Intervallen zugegeben.

   • Vorteile: Bessere Kontrolle der Reaktionsbedingungen, Vermeidung von Inhibitionsproblemen durch hohe Reaktantenkonzentrationen.

   • Nachteile: Komplexer als Batch-Betrieb, erfordert genaue Steuerung der Zugaberate

Betriebsmodi:

1. Wiederholter Batch-Betrieb:

   • Beschreibung: Ein Zyklus aus Füllen, Reagieren und Entleeren wird wiederholt.

   • Vorteile: Flexibilität bei der Produktionsmenge, einfache Implementierung.

   • Nachteile: Stillstandszeiten zwischen den Zyklen, weniger effizient für kontinuierliche Produktion.

2. Halbkontinuierlicher Betrieb (Semi-Continuous):

   • Beschreibung: Ein Teil des Reaktionsgemischs wird periodisch entnommen und durch frische Reaktanten ersetzt.

   • Vorteile: Bessere Kontrolle über die Reaktionsbedingungen, kontinuierliche Produktion möglich.

   • Nachteile: Erfordert präzise Steuerung der Zu- und Abflüsse, komplexere Anlagenkonfiguration.

Vorteile biologischer Prozesse

• Hohe Selektivität und Spezifität

• Keine hohen Anforderungen an Rohstoffqualität

• Geringere Prozessschritte

• Milde physiologische Bedingungen —> geringere Anforderungen an Reaktoren

• Mehrzweckanlagen: Standardisierte, multipurpose Anlagen sind möglich.

• Kosteneffiziente Biokatalysatoren

Nachteile biologischer Prozesse

• Langsame Produktionsraten und große Reaktionsvolumina.

• Verdünnte Produkte

• Hohe Kühlkosten aufgrund niedriger Temperaturstufen.

• Keine Rückintegration

• Entwicklung von Biokatalysatoren: Die Suche und Entwicklung neuer Biokatalysatoren ist zeitaufwändig und teuer.

• Wettbewerb: Bioprozesstechnik muss sich gegen etablierte chemische Industrien behaupten.

• Hohe Kosten für die Reinigung der Endprodukte.

• Organische Abfälle im Abwasser.

• Schwierigkeiten, die Biokatalysatoren im Reaktor zu behalten