Fluidverfahrenstechnik

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Herzlich Willkommen am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik!

Das Forschungsspektrum des Lehrstuhls für Fluidverfahrenstechnik (AVT.FVT) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Andreas Jupke umfasst die drei Grundoperationen der thermischen Trennverfahren Extraktion, Kristallisation und Chromatographie sowie mehrphasige Reaktionssysteme. Ziel unserer Forschung ist es, das Prozessverständnis in diesen Feldern durch gezielte Untersuchungen der grundlegenden Phänomene zu erweitern. Dafür analysieren wir auftretende Phänomene wie z.B. kinetische Effekte und thermodynamische Phasengleichgewichte mit einer Kombination aus experimentellen und modellbasierten Methoden. Sowohl mechanistische als auch datengetriebene Modelle werden eingesetzt und durch gezielte Messungen in maßgefertigten Messzellen mit hochauflösenden Messmethoden parametrisiert und validiert.

Basierend auf diesen Erkenntnissen können wir einzelne Apparate und komplexe Trennsequenzen modellbasiert auslegen. Genutzt werden sowohl kommerziell verfügbare Simulationswerkzeuge als auch über Jahre am Lehrstuhl entwickelte Simulationsmodelle, wie z.B. ratenbasierte Modelle, Populationsbilanz- und Kompartiment-Modelle. Mit den Simulationswerkzeugen entwickeln wir modellbasierte Methoden zur optimalen Auswahl von Extraktionsmitteln oder Adsorbentien.

Darüber hinaus ist das Verständnis der grundlegenden Phänomene der betrachteten Trennverfahren die Basis für die Entwicklung von Technologien zur Prozessintensivierung. Ein aktuelles Forschungsbeispiel ist die in-situ Produktabtrennung mittels Extraktion. Durch die Extraktion eines Zielproduktes in eine zweite flüssige Phase kann die Ausbeute und Selektivität von Reaktionen, die einer Gleichgewichtslimitierung, Produktinhibierung oder unerwünschten Folgereaktionen unterliegen, deutlich erhöht werden.

Ein weiteres Schwerpunktthema ist die elektrochemische Intensivierung von thermischen Trennverfahren. Die Integration von elektrochemischen Verfahrensschritten in Trennsequenzen ermöglicht es, Stoffkreisläufe prozessintern zu schließen und Hilfsstoffeinsatz sowie Abfallströme zu vermeiden. Ein erfolgreiches Konzept ist die integrierte elektrochemische Regeneration von Säure und Base zur Vermeidung von Salzabfällen bei Prozessen der industriellen Biotechnologie. In diesem Zusammenhang wurden bereits eine elektrifizierte pH-swing Reaktiv-Extraktion und ein elektrochemisch induziertes Kristallisationsverfahren für die Gewinnung von biobasierten Carbonsäuren entwickelt. Weitere am Lehrstuhl erforschte Technologien zur Prozessintensivierung sind Zentrifugal-Extraktion sowie Reaktiv- und Mikrogel-gestützte Extraktion.

Unsere Forschung richtet sich u.a. auf neue Verfahren der Bioökonomie, die den Wandel von fossilen zu nachwachsenden Rohstoffen zum Ziel haben. Die steigende Nutzung nachwachsender Rohstoffe und die zunehmenden biotechnologischen Synthesen führen zu einem erhöhten Einsatz der Trenntechniken Extraktion, Kristallisation und Chromatographie, da sie gegenüber der Destillation eine energiearme und produktschonende Aufarbeitung ermöglichen. Während in petrochemischen Verfahren überwiegend unpolare, fossile Rohstoffe in organischen Lösungsmitteln zu trennen sind, erfordern die stark funktionalisierten Bestandteile der Biomasse vorrangig wässrige Flüssigphasenprozesse. Die Auswirkungen von Begleitkomponenten der Biomasse und der wässrigen, biotechnologischen Synthesen auf grundlegende Phänomene der Extraktion, Kristallisation und Chromatographie sind bisher nur unzureichend verstanden.

Die zunehmende Nutzung von fluktuierend anfallenden erneuerbaren Energien stellen ebenfalls Herausforderungen an die Trennverfahren dar, da diese zukünftig ggf. dynamischer betrieben werden müssen. Die fortschreitende Digitalisierung der Prozessindustrie wie auch die Entwicklung neuer Sensortechnik bieten vielfältige Verbesserungspotentiale für das Design und den Betrieb von Trennverfahren. Extraktions-, Chromatographie- und Kristallisationsverfahren leisten zudem durch den Einsatz im Recycling unterschiedlicher Reststoffströme einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft. Wir entwickeln z.B. Verfahren zur Umwandlung von CO₂ und H₂ in Mehrphasenreaktionen, zur Rückgewinnung von Metallen und Seltenen Erden und zur Trennung von de-polymerisierten Kunstoffen. Die damit einhergehende Vielfalt der Prozesse und Lösungsansätze sowie deren Transfer in einen industrierelevanten Maßstab stellt die Entwicklung von Trenntechniken vor viele neue Herausforderungen.

Um eine interdisziplinäre und ganzheitliche Herangehensweise an die neuen Fragestellungen zu realisieren, kooperieren wir eng mit einer Vielzahl von Forschungsinstituten der RWTH und externen Partnern. In der Bioraffinerie der AVT im Forschungsgebäude „Next Generation Processes and Products“ (NGP²) werden die im Labor entwickelten Trennverfahren und gesamte Prozesse in den technischen Maßstab übertragen. Dies ermöglicht die Untersuchung der Phänomene und Mechanismen im technischen Maßstab und dient zur Analyse von Skalierungseffekten. In einem aktuellen Forschungsprojekt wird beispielsweise ein gesamter Prozess zur Herstellung einer Plattformchemikalie aus nachwachsenden Rohstoffen auf einen Technologiereifegrad (TRL) von 6 skaliert und techno-ökonomisch bewertet. Dies ist ein notwendiger Schritt, um neue Produkte und Prozesse vom Labor bis in die technische Umsetzung zu überführen.

 

 

Impressionen der AVT.FVT