Projektierungskurs
2016

Gruppe 1, 2, 3 - Chemische Synthese

Prozessauslegung - Reaktorauslegung - Bereitstellung von Ausgangsstoffen

Benjamin Reif (Betreuer), Felix Warnecke (Betreuer),
Abebe Hailu Haabte, Christoph Krolovitsch, Martin Bayer,
Ting Zhang, Oliver Walter, Babak Pourhossein Baghali,
Dennis Bird, Ronny Zimmermann, Julia Joswig, Christian Dalmeir

Der diesjährige Projektierungskurs erfolgt in Kooperation mit der Wacker Chemie AG aus Burghausen und konzentriert sich auf die Herstellung von Astaxanthin. Aufgrund einer Vielzahl an beteiligten Reaktionsschritten stellt der CRT drei Arbeitsgruppen, die dafür verantwortlich sind, ein Prozesskonzept für die Synthese des Keto-Carotenoids zu entwickeln. Gemeinsam soll eine effiziente chemische Reaktionsroute gefunden und in ein geeignetes Reaktor- und Prozesskonzept überführt werden.

Gruppe 1 ist für das generelle Prozessdesign der Herstellung von Astaxanhin aus Aceton zuständig. Der Fokus sollte auf der Fertigstellung des Gesamtprozesses liegen. Genaue Bestimmung von Reaktionsbedingungen, Katalysatoren und beteiligten Phasen soll an Gruppe 2 übertragen werden. Sobald alle notwendigen Reaktandnen, Lösungsmittel und andere notwendige Hilfsstoffe durch Gruppe 1 und Gruppe 2 bestimmt sind, werden diese Informationen an Gruppe 3 weitergeleitet, welche die Versorgung oder Herstellung organisiert.

Gruppe 2 ist dafür zuständig, die genaue Reaktionstechnik jedes durch Gruppe 1 definierten Teilschrittes zu erstellen. Für die erhaltenen Reaktanden und Zielprodukte jedes einzelnen Reaktionsschrittes müssen geeignete Reaktorkonzepte und Operationsmodi bestimmen werden. Das beinhaltet die Wahl eines geeigneten Katalysators, notwendige Co-Reaktanden, Lösungsmittel, pH-Werte, Temperaturen sowie weitere Parameter. Wenn feststellt wird, dass ein Reaktionsschritt zu teuer, gefährlich oder andersweitig unbrauchbar ist, sind mögliche Alternativen mit Gruppe 1 zu besprechen.

Gruppe 3 ist dafür zuständig, die notwendigen Reaktanden, Lösungsmittel und notwendige Hilfsstoffe bereitzustellen. Insbesondere soll entschieden werden, ob es effizienter ist, eine Chemikalie einzukaufen oder in einem zusätzlichen Vorprozess selbst herzustellen. In enger Zusammenarbeit mit Gruppe 2 ist die notwendige Qualität und mit Gruppe 1 die notwendige Quantiät aller Reaktanden zu bestimmen. Vor- und Nachteile eines zusätzlichen Vorprozesses (Investitionskosten, Platzanforderungen, zusätzliche Komplexität) sind mit einem externen Einkauf von benötigten Reaktanden (höhere Kosten, Abhängigkeit von Dritten) abzuwägen.

Es ist zu beachten, dass die CRT-Gruppen nicht unabhängig voneinander arbeiten können, sondern für weiterführende Ergebnisse aufeinander angewiesen sind - Prinzipiell sollte wie in einer großen Gruppe gearbeiten weden. Deswegen ist eine frühe Aufnahme der Kommunikation für eine gute Zusammenarbeit und die Vermeidung nicht durchführbarer Ideen wichtig!


Gruppe 4 - Mikrobielle Astaxanthinproduktion

Michael Blank, Ernesto De la Garza Solis, Lena Neumeier,
Martin Rössler, Sandra Averweg,
Betreuer: Holger Hübner & Konstantin Präbst

Die Herstellung von natürlichen oder rekombinanten Produkten mit mikrobiellen Systemen ist heute Stand der Technik. Bakterien, Hefen und Pilze zeichnen sich dabei durch ein schnelles Wachstum, eine einfache Kultivierung und hohe Produktausbeuten bzw. Produktivität aus. Ein mögliches Produkt könnte hierbei Astaxanthin sein, ein Pigment, das als eines der stärksten Antioxidantien gilt. Dieses findet unter anderem Anwendung als Nutraceutical in Lebensmitteln und Futtermitteln. So wird Astaxanthin in der Aquakultur zugefüttert, damit z.B. Lachs seine charakteristische Fleischfärbung erhält.

Generell ist bekannt, dass Hefen, Pilze oder Bakterien grundsätzlich in der Lage sind Carotinoide, wie Astaxanthin, zu synthetisieren. Daher ist in einem ersten Schritt ein/e Screening/Literaturrecherche durchzuführen um potentielle Produzenten zu identifizieren, die analog zu Haematococcus pluvialis die S,S-Konfiguration synthetisieren. Anschließend soll in einer Wirtschaftlichkeitsrechnung abgeschätzt werden welcher dieser Organismen das größte Potential zur Herstellung von Astaxanthin aufweist. Hierbei sollen neben natürlichen auch rekombinante Quellen in Betracht gezogen werden. Ist ein vielversprechender Kandidat identifiziert, gilt es eine Fermentationsanlage auszulegen. Hierbei muss untersucht werden welcher Reaktortyp verwendet wird und welche Betriebsweise (batch, fed-batch, kontinuierlich) sich am besten für eine Produktion eignet. Auch sollen Aspekte wie Substrat, Vorkulturführung, Sterilisation und die eigentliche Kultivierung in Betracht gezogen werden. Diese Prozessschritte sind detailliert auszulegen. Die Zellernte ist nicht näher zu betrachten, da diese in den Aufgabenbereich einer anderen Gruppe fällt.


Gruppe 5 - Mikroalgen Astaxanthinproduktion

Hao Li, Carmen Dalmus, Jung Min Son, Stephan Kiermaier, Karola Gurrath,
Betreuer: Philipp Schwerna & Ringgeler Stefan

Im Vergleich zur chemischen Synthese zeigen biotechnologische Ansätze oftmals den Vorteil, dass durch enzymatisch katalysierte Reaktionen gezielt bestimmte Konformationen chiraler Moleküle erzeugt werden können. Das starke Antioxidans Astaxanthin ist ein solches Beispiel. Dieses wird vor allem in der Aquakultur eingesetzt, damit z.B. Zuchtfische, wie Lachs, die charakteristische orangerötliche Fleischfärbung erhalten. Wird Astaxanthin aus der chemischen Synthese zugefüttert, können im Fischfleisch alle Stereoisomere (R,R; S,S; S,R; R,S) nachgewiesen werden. Unter Einsatz von Astaxanthin aus natürlichen Quellen, wie der Mikroalge Haematococcus pluvialis, kann identisch zu wild gefangenem Lachs ausschließlich die S,S-Konfiguration beobachtet werden. Die Spezies H. pluvialis nimmt dabei innerhalb der Mikroalgen eine übergeordnete Stellung ein, da diese unter Stressbedingungen intrazellulär Astaxanthin in industriell interessanten Mengen akkumuliert.

Im Vergleich zu Bakterien, Hefen oder Pilzen erweist sich jedoch die Kultivierung von Mikroalgen als deutlich komplexer und anspruchsvoller, da diese zum einen langsamer wachsen und zum anderen, um Photosynthese betreiben zu können, auf die Verfügbarkeit von Licht in Form von Sonnenlicht oder künstliche Lichtquellen angewiesen sind. Damit die Zellen während der Kultivierung ausreichend mit Licht versorgt werden, wird bei der Auslegung von offenen und geschlossenen Reaktorkonzepten ein möglichst hohes Oberflächen-zu Volumenverhältnis angestrebt. Dies hat geringe Schichtdicken und eine schlechte Skalierbarkeit zur Folge. Beispiele für offene Systeme sind die sogenannten "open ponds" oder "raceway ponds". Bei den zahllosen geschlossenen Systemen, den Photobioreaktoren, finden Platten-, Rohrreaktoren und Blasensäulen Anwendung.

In einem ersten Arbeitspaket soll eine Wirtschaftlichkeitsstudie für die Herstellung von Astaxanthin erstellt werden, die sowohl eine photoautotrophe, photomixotrophe, wie auch eine heterotrophe Kultivierung in offenen wie auch in geschlossenen Systemen einbezieht. In Folge ist für das vielversprechendste Produktionskonzept eine detaillierte und vollständige Auslegung einer Kultivierungsanlage durchzuführen. Dabei sollen Punkte wie Vorkultur, Mediumherstellung und die Kultivierung Beachtung finden. Die Ernte ist nicht Bestandteil dieses Arbeitspaketes und wird von einer anderen Gruppe bearbeitet.


Gruppe 6 - Fluiddynamik - Biotechnologische Routen

Harish Abubaker (Betreuer), Simon Wagner (Betreuer),
Willibald Dafinger, Teresa Walter, Olivia Kullmann, Jianxiong Ye

Die Gruppe "Fluiddynamik - Biotechnologische Routen (LSTM)" wird in enger Zusammenarbeit mit Gruppe 5 (Mikroalgen Astaxanthinproduktion) Mischkonzepte für verschiedene Reaktorbauformen erarbeiten und einander gegenüberstellen.

Aufgrund der geringen fluidmechanischen Komplexität der offenen Photobioreaktoren wird die Betrachtung auf geschlossene Bauformen beschränkt, für die jeweils mindestens drei Mischverfahren überschlagsmäßig auszulegen und zu vergleichen sind.

Neben den, zusammen mit Gruppe 5 zu erarbeitenden, Anforderungen an Homogenisierung und Vermeidung unzulässiger mechanischer Belastung für die Algen, steht dabei energetische Effizienz im Vordergrund.

Nach einem abschließenden Abgleich der Reaktorgeometrie mit Gruppe 5 erfolgt für jede Reaktorbauform die fertige Ausarbeitung und Berechnung eines oder zweier Mischer mit jeweils unterschiedlichen Schwerpunkten.

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