Forschungsrichtungen

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Die kontinuierlich ablaufende 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 Kenntnisse 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:

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

Darauf aufbauend 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 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.

Eine gegenwärtig untersuchtes zweites schwieriges Trennproblem besteht darin, eine spezifische Zielkomponente mit hoher Reinheit aus einer Mischung zu isolieren, die eine große Anzahl anderer Komponenten enthält. Beispiele sind die Isolation von Naturprodukte aus Pflanzenextrakten oder von Biomolekül aus Fermentationsbrühen. Dabei sind die Zielkomponenten häufig nur in geringen Konzentrationen vorhanden. Kürzlich konnten wir beispielsweise neue Reinigungskonzepte für die drei aus Pflanzen gewinnbaren Wertstoffe Artemisinin, Curcumin und Rutin entwickeln. Ein wichtiges Ergebnis war dabei die Entdeckung des Potenzials von zusammen mit den Zielmolekülen aus Pflanzenblättern extrahierbaren Chlorophyll als effizienter und buchstäblich grüner Photokatalysator.

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