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Downstreaming Bioanlagen

Einsparpotentiale bei biotechnologischen Verfahren

| Autor / Redakteur: Katharina Bauer, Gordana Hofmann-Jovic, Michael Strack / Matthias Back

Simulation ist ein Werkzeug, um Downstream-Prozesse zu optimieren.
Simulation ist ein Werkzeug, um Downstream-Prozesse zu optimieren. (Bild: InfraServ Knapsack)

Bei biotechnologischen Verfahren birgt der Downstream-Prozess oft erhebliches Einsparpotenzial. Ein systematischer, aus der Feinchemie entlehnter Ansatz lohnt sich auf alle Fälle.

Biotechnologische Verfahren werden auch in der klassischen chemischen Industrie immer interessanter, da sie Zugang zu neuen Stoffen z.B. Biopolymeren ermöglichen. Während die Synthese selbst in der Regel fermentativ erfolgt, wird der anschließende Downstream-Prozess zur Aufreinigung oft einfach aus vorhandenen Laborvorschriften hochskaliert, ohne mögliche Varianten im Detail und systematisch zu betrachten.

Biotechnologie lernt von der Spezialchemie

Dabei liegt hier ein großer Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit, die Aufreinigung kann 40 bis 70 Prozent der gesamten Produktionskosten ausmachen. Bei der Entwicklung eines günstigen Gesamtverfahrens lohnt sich daher eine besondere Betrachtung dieser Prozessschritte, das zeigen u.a. die Erfahrung des Industriedienstleisters InfraServ Knapsack. Bei der Planung biotechnologischer Prozesse kann das Engineering auf das Wissen aus der Spezialchemie zurückgreifen. Der Vergleich der Herausforderungen beider Fachdisziplinen hat nämlich gezeigt, dass sich weite Teile der in der Spezialchemie gemachten Erfahrungen auf die Biotechnologie übertragen lassen. Ein Grund hierfür ist die große Bandbreite der Spezialchemie. Viele Endprodukte sind Feststoffe, oft handelt es sich auch hier um Moleküle, über deren Eigenschaften wenig bekannt ist. Auch in der Spezialchemie starten Planer daher häufig mit einer sehr dünnen Datenbasis.

Im Gegensatz zu vielen biotechnologischen Prozessen bestehen die Gemische nach der Reaktion zwar meist nur aus wenigen Komponenten, aber auch hier liegen häufig unbekannte Nebenkomponenten vor, die einen starken Einfluss auf die Produktqualität, wie beispielsweise die Farbe, haben können. Hinzu kommt, dass in der Spezialchemie, genau wie bei biotechnologischen Verfahren, Batchanlagen und zum Teil Mehrproduktanlagen üblich sind. Ohne eine – zumindest grobe – Bilanzierung ist eine Produktionsplanung hier nicht möglich. Trotzdem lassen sich mit einer geschickten Wahl von parallelen und seriellen Equipments oft Einsparpotenziale finden. Die Produktionsplanung bildet deshalb eine wesentliche Grundlage für den Vergleich verschiedener Prozessoptionen.

Simulation als Methode

Eine weitere große Herausforderung bildet auch in der Spezialchemie meist die Bestimmung und Abschätzung von Stoffdaten, um mögliche Trennsequenzen entwickeln und idealerweise auch simulieren zu können. Auch wenn sich die Stoffe und Stoffgemische thermodynamisch beschreiben ließen, fehlen häufig die Daten um die Modellparameter zu bestimmen. Eine Methodik von InfraServ Knapsack in solchen Fällen ist, dass aus den wenigen vorhandenen experimentellen Daten und praktischen (Labor-)Erfahrungen Stoffdaten abgeschätzt und mittels geeigneter Modellkomponenten abgebildet werden. Damit ist eine vorhersagende Rechnung innerhalb enger Grenzen möglich. Bei einer späteren Simulation der Verfahren werden nicht nur die Einflüsse der Prozessschritte aufeinander dargestellt, es werden auch kritische Eigenschaften der Modellkomponenten identifiziert und gegebenenfalls innerhalb der bekannten Grenzen variiert. Somit lassen sich auch das Risiko und der noch notwendige experimentelle Aufwand einschätzen und diese Informationen können in die Auswahl eines Gesamtverfahrens einfließen.

Fazit: Die vielen Übereinstimmungen in der Entwicklung von Spezialchemie-Prozessen und von biotechnologischen Downstream-Prozessen ermöglichen es, Erfahrungen in der systematischen Entwicklung von Verfahrensalternativen, der Schätzung von Stoffdaten sowie der überschlägigen Bilanzierung zu übertragen.

* Die Autoren sind Mitarbeiter bei InfraServ Knapsack. E-Mail-Kontakt: katharina.bauer@infraserv-knapsack.de

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