Charakterisierung und Scale-up der Transportvorgänge in miniaturisierten, gerührt-pulsierten Extraktionskolonnen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Norbert Kockmann
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 275162778

Die Flüssigphasen-Extraktion ist nach der Destillation das wichtigste Trennverfahren in der Prozesstechnik und wird zunehmend wichtiger bei der Trennung komplexer Gemische insbesondere in der biotechnologischen Produktion. Eine Vielzahl an Apparaten steht dem Prozessentwickler zur Verfügung, die in den letzten Jahrzehnten kaum weiterentwickelt wurden. Zur Kolonnenauslegung sind neben den Stoffdaten auch Prozessdaten der Kolonne wie Dispersionsleistung, Koaleszenz und Trennleistung wichtig, die häufig in aufwändigen Pilotversuchen im Technikum gewonnen werden müssen. In miniaturisierten gerührt-pulsierten Kolonnen (DN15) konnte eine Verdopplung der Trennleistung zu herkömmlichen Kolonnen gezeigt werden. Allerdings sind die Transportprozesse in der intensivierten Kolonne noch nicht verstanden und die hohe Trennleistung noch nicht auf größere Kolonnen übertragbar.Mit dem beantragten Projekt sollen wichtige Phänomene wie Verweilzeitverhalten, Stofftransport und Trennleistung in der miniaturisierten, gerührt-pulsierten Extraktionskolonne mit unterschiedlichen Durchmessern (DN15, 32 und 50) untersucht werden. Neben standardisierten Stoffsystemen (EFCE-Testsysteme Toluol/Aceton/Wasser und n-Butylacetat/ Aceton/Wasser) dient noch die Trennung komplexer Gemische (Enantiomere und Saccharide) zur Charakterisierung der Kolonnen mit unterschiedlichen Einbauten. Damit können intensivierte Extraktionskolonnen auf verschiedenen Größenskalen vom Labor bis zum Technikum entwickelt und eingesetzt werden. Innerhalb der Laufzeit des Projektes sollen drei Hauptziele erreicht werden:i) das verbesserte Verständnis der Transportphänomene in gerührt-pulsierten Extraktionskolonnen bei unterschiedlichen Pulsationsarten (Hub, Intensität und Frequenz), Einbauten und Rührgeschwindigkeiten, ii) die Bestimmung und Modellierung der Trennleistung bei verschiedenen Rührer- und Bödengeometrien unter Einfluss der Pulsation, der Rührgeschwindigkeit, der Belastung und des Stoffsystems, inklusive kinetisch limitierte Systeme wie die Trennung von Enantiomeren und Sacchariden (mit Prof. Kragl, Uni Rostock),iii) die Übertragung und Validierung der Ergebnisse auf größere Kolonnen mit 32 mm Durchmesser (Miniplant-Maßstab) und 50 mm Durchmesser (Technikums-Maßstab) sowie Vergleich der Ergebnisse mit zwei weiteren Arbeitsgruppen (Prof. Bart, Uni Kaiserslautern, Prof. Pfennig, Uni Liège).Übergeordnetes Ziel ist das vertiefte Verständnis der miniaturisierten, gerührt-pulsierten Kolonne mit optimierter Rührzellgröße und -gestaltung sowie die Pulsation und Rührerdrehzahl. Mit der Übertragbarkeit der höheren Extraktionsleistung und längeren Verweilzeit in Kolonnen können neue Anwendungen der Flüssig-flüssig-Extraktion realisiert werden. Damit werden neue Impulse zur breiten Anwendung von Extraktionskolonnen erwartet, die auch für die chemische Industrie neue Möglichkeiten für bestehende, gerührte Kolonnen eröffnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen