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MPI / Fachgruppe: Physikalisch-Chemische Grundlagen der Prozesstechnik (PCG) / Prof. A. Seidel-Morgenstern

MPI / Research Group: Physical and Chemical Foundations of Process Engeneering (PCF)

Forschungsrichtungen

Der fortlaufende Prozess der Entwicklung und industriellen Herstellung neuer Produkte mit verbesserten bzw. vorher unbekannten Eigenschaften führt dazu, dass zunehmend kompliziertere Technologien zum Einsatz kommen. Für das prinzipielle Verständnis, die quantitative Analyse und die Optimierung komplexer Stoffwandlungsprozesse ist die Kenntnis zahlreicher Parameter und Stoffdaten von entscheidender Bedeutung. So erfordert beispielsweise die Auslegung einer Destillationskolonne Informationen zu den Siedetemperaturen der zu trennenden Komponenten. Für die Optimierung eines Trennprozesses durch eine Membran muss man u.a. die Wanderungsgeschwindigkeiten der einzelnen Komponenten in der Membran kennen. Will man in einem Lösungsmittel synthetisierte pharmazeutische Wirkstoffe effizient und in reiner Form durch Kristallisation gewinnen, muss man exakte Vorstellungen über die Temperaturabhängigkeit der Löslichkeiten haben.

In der Fachgruppe "Physikalisch-Chemische Grundlagen der Prozesstechnik" werden für verschiedene der am MPI untersuchten verfahrenstechnischen und biotechnologischen Prozesse wesentliche Parameter und Stoffdaten ermittelt. Dabei handelt es sich um:

Wachstumsgeschwindigkeiten von Kristallen,
Geschwindigkeiten von Transportprozessen in porösen Materialien (Diffusionskoeffizienten, Permeabilitäten),
Reaktionsgeschwindigkeiten,
Fest-Flüssig-Phasengleichgewichte (Schmelzdiagramme, Löslichkeiten),
Wärmekapazitäten, Phasenumwandlungsenthalpien,
Adsorptionsgleichgewichte.

Ausserdem werden in der Fachgruppe ausgewählte Trenn- und Reaktionsprozesse detailliert untersucht. Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung und Auslegung von Verfahren zur Gewinnung und Reinigung von Feinchemikalien. Eine besonders schwierige Aufgabe ist dabei gegenwärtig die Trennung von sogenannten Enantiomeren. Dies sind Moleküle, die wie unsere Hände zueinander spiegelbildlich aufgebaut sind. Für die Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen müssen zahlreiche Enantiomere in reiner Form gewonnen werden. Um die jeweils gewünschten Enantiomeren zu isolieren, d.h. um sie von ihren äuβerst ähnlichen Antipoden zu trennen, lassen sich spezielle Kristallisationsverfahren und die präparative Chromatographie einsetzen.

Ein weiteres aktuelles Forschungsgebiet zielt auf die Entwicklung neuartiger Reaktoren deren Wände aus Membranen bestehen. Die an der Reaktion beteiligten Komponenten können diese Membranen unterschiedlich schnell passieren. Bei vielen technisch interessanten Oxidations- und Hydrierreaktionen erfordert beispielsweise die Gewährleistung einer hohen Produktausbeute die sorgfältige Einstellung der Konzentration von Sauerstoff oder Wasserstoff. In diesem Umfeld interessiert uns die Möglichkeit, Reaktanden über Membranen gezielt in den Reaktionsraum zu dosieren.

Research Directions

The development and production of new products with improved or hitherto unknown properties increasingly requires the application of new and more complex technologies. To understand, to analyse quantitatively and to optimise the underlying processes a profound knowledge about a large number of physical and chemical data and parameters is of key importance. For example, to design a distillation column, information is needed about the boiling temperatures of the components that should be separated. To optimise a separation process using membranes, the specific migration rates of the individual components in the membrane must be known, as well as other data. If one is interested in efficiently isolating a drug component that was synthesised in a solvent by crystallisation, an understanding of the temperature dependence of the solubility is required.

It is one goal of the group "Physical and Chemical Foundations of Process Engineering" to determine physical and chemical data and parameters that are related to the chemical engineering and bioengineering processes investigated at the MPI. Examples are:

Growth rates of crystals,
Rates of transport processes in porous media (diffusivities, permeabilities),
Reaction rates,
Solid liquid phase equilibria (melting diagrams, solubilities),
Heat capacities, phase transition enthalpies,
Adsorption equilibria.

Besides determining various physical and chemical data, the group investigates several separation and reaction processes in detail. A main topic is currently the development and design of processes capable to isolate and purify fine chemicals. A particularly difficult task in this area is the separation of enantiomers. These are pairs of molecules which are - like our hands - mirror images to each other. To produce certain drugs, the pharmaceutical industry needs frequently the pure enantiomers. In order to isolate the desired specie, i.e. in order to separate it from its extremely similar antipode, special crystallisation strategies and preparative chromatography are under development. A current project goal is to exploit various techniques in a coupled manner.

Another research project is the development of new reactors with permeable membranes as their wall. Components involved in the chemical reaction process can pass these membranes with different rate. Membrane reactors offer various attractive possibilities to improve the performance compared to conventional concepts. For example, in several industrially relevant oxidation or hydrogenation reactions a high product yield requires the careful adjustment of the concentrations of oxygen or hydrogen. In this field an attractive possibility is offered by dosing the reactants over membranes in a controlled manner into the reaction zone.

Project groups and subprojects: