Fachgruppe Chemieingenieurwesen

«Wir entwickeln neuartige chemische Prozesse.»
Dr. Peter Riedlberger
Fachgruppenleiter Chemieingenieurwesen

Die Fachgruppe Chemieingenieurwesen sieht ihre Hauptaufgabe in der Entwicklung und Erforschung von effizienteren und nachhaltigeren kontinuierlichen chemischen Prozessen. Hierbei bilden die Mikroreaktionstechnik für die Synthese heterogener Katalysatoren und für katalysierte Prozesse sowie die kontinuierliche Überwachung chemischer Prozesse («Quality by Design») die entscheidenden Ansätze.
Forschung und Kompetenzen
Herstellung heterogener Katalysatoren in Mikroreaktoren
Mikromischer mit ihren kleinen Kanälen im µm-Bereich bieten sehr kurze Mischzeiten und führen daher bei der Synthese von Feststoffen aus der Lösung heraus zu nm-grossen Partikeln mit enger Partikelgrössenverteilung. Sie sind daher hervorragend geeignet für die Herstellung von Feststoffkatalysatoren, die vielfach Anwendung in der Industrie finden, da über 80% aller chemischen Prozesse in der Industrie katalysiert verlaufen. Ziel unserer Arbeit sind kontinuierliche Prozesse im Mikromassstab, die eine gleichzeitige Synthese und Funktionalisierung des Katalysators erlauben, was einen enormen Fortschritt im Sinne der Prozessintensivierung bezüglich Energie- und Ressourcennutzung sowie der Betriebskosten bedeuten würde. Eine Herausforderung besteht in der Prozessstabilität, die vor allem durch Ablagerungen der entstehenden Feststoffe an den Rohrwänden (sogenanntes Fouling) gefährdet wird. Durch statistische Versuchsplanung („Design of Experiments“) können sämtliche Einflüsse der Prozessparameter auf die Katalysatoreigenschaften effizient erfasst werden, was einerseits die Optimierung und andererseits das Verständnis des Herstellungsprozesses ermöglicht.

Effiziente Prozesse zur Umwandlung von Biomasse in Kraftstoffe und Chemikalien

Die Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien aus biogenen Ausgangsmaterialien (Nutzpflanzen oder Bioabfälle) sind heutzutage schon Realität. So werden in Europa beispielsweise Benzin und Diesel Biokraftstoffe beigemischt. Sofern die Ausgangsstoffe nachhaltig bereitgestellt werden können und diese möglichst nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie stehen, eröffnet sich hierdurch ein Pfad in Richtung umweltverträglicher Produkte. Dies kann jedoch nur gelingen, wenn auch die Herstellungsprozesse selbst energie- und ressourcenschonend arbeiten. Deshalb forscht unsere Arbeitsgruppe an der Entwicklung von katalysierten Umwandlungsprozessen von Biomasse zu hochwertigen Chemikalien. Das sehr hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis in diesen kleinskaligen Anlagen erlaubt einen effizienten Wärmeaustausch und somit eine präzise Kontrolle der Reaktionsbedingungen. Darüber hinaus führt die hohe Mischeffizienz in diesen Systemen zu günstigeren Umsatzverhalten. Eine grosse Herausforderung besteht in der Entwicklung der benötigten heterogenen Katalysatoren und deren Integration in den Mikroreaktor.
System Engineering
Die Überwachung und Regelung von chemischen Prozessen nimmt einen immer wichtigeren Platz in der heutigen Industrie ein, die einerseits vom globalen Wettbewerb, andererseits von sich schnell verändernden wirtschaftlichen Verhältnissen sowie kurzen Produktentwicklungszeiten und strikten Umweltschutz- und Sicherheitsvorschriften dominiert wird. Zusammen mit der Prozessmodellierung und -optimierung sind sie entscheidend in der Entwicklung von zunehmend flexibleren und gleichzeitig komplexeren Produktionsverfahren für hochqualitative Produkte. Durch die rapide Kostenabnahme und gleichzeitige Steigerung von Rechenleistung auf engem Raum sind Hochleistungsmesssysteme und -regelungen bereits zum unverzichtbaren Bestandteil industrieller Anlagen geworden.
In chemischen Prozessen wird die kontinuierliche und damit kosteneffiziente sowie qualitätssichernde Betriebsweise breit eingesetzt. Im Gegensatz dazu ist in biochemisch orientierten Industriebereichen diese Art der Prozessführung häufig noch stark ausbaufähig, da sie hohe Anforderungen an die Mess- und Regeltechnik stellt. Ziel der Forschungsgruppe ist es daher Regelstrategien und Messmethoden zu entwickeln, die ein besseres Monitoring und Regeln des Produktionsbetriebs vom Reaktor bis zur Produktaufarbeitung erlauben. Gleichzeitig werden Verfahren für eine intelligente Evaluation der Prozessleistung untersucht.
Publikationen
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Ecker, Achim; Fourré, Caroline; Grandchamp, Tim,
2019.
Textilien färben mit Avocadoschalen oder Rotkohlblättern.
Transfer.
2019(2), S. 4.
Verfügbar unter: https://doi.org/10.21256/zhaw-18826
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Martin, Oliver; Bolzli, Nicole; Puértolas, Begoña; Pérez-Ramírez, Javier; Riedlberger, Peter,
2019.
Catalysis Science & Technology.
9(17), S. 4744-4758.
Verfügbar unter: https://doi.org/10.1039/C8CY02574F
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Ughetti, Manuel; Jussen, Daniel; Riedlberger, Peter,
2018.
Engineering in Life Sciences.
18(5), S. 281-286.
Verfügbar unter: https://doi.org/10.1002/elsc.201700141
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Allemann, Christophe; Marti, Roger; Vorlet, Olivier; Martin, Oliver; Riedlberger, Peter; Leonhardt, Tobias; Gössi, Angelo; Riedl, Wolfgang; Segura, Jean-Manuel; Zinn, Manfred; Crelier, Simon,
2017.
Continuous processes and flow chemistry at the universities of applied sciences in Switzerland.
Chimia.
71(7-8), S. 525-527.
Verfügbar unter: https://doi.org/10.2533/chimia.2017.525
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Martin, Oliver; Bolzli, Nicole; Riedlberger, Peter,
2017.
Continuous sol-gel synthesis of phosphated TiO2 catalysts in a microreactor[Poster].
In:
Fall Meeting 2017 of the Swiss Chemical Society, Zurich, 21-22 August 2017.
Projekte
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Baukasten Online-Didaktik
Aufgrund der beschränkten Ressourcen an Räumen und der erhöhten Nachfrage nach Angeboten des berufsbegleitenden Teilzeit-Studiums, wird der Online-Teil der Lehre und die Qualität der E-Learning-Didaktik in den Online-Kursen immer wichtiger. Im Projekt «Baukasten für die Inspiration in der…
abgeschlossen, 04/2023 - 12/2023
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Prozessentwicklung Hydrierung
Entwicklung neuartiger Hydrierverfahren.
abgeschlossen, 01/2023 - 12/2024
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Flow Chemistry für Enzymkaskaden
Mit diesem Anschubprojekt möchten wir die Grundlage für eine angewandte Nutzung der Flow Biokatalyse an der ZHAW insbesondere am ICBT legen. Dazu werden wir in den ersten Schritten, die an der ZHAW vorhandenen Microreactor Systeme auf die Nutzbarkeit evaluieren und gleichzeitig werden verschiedenen…
abgeschlossen, 02/2022 - 08/2023
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Härtung von Weichholz durch Imprägnation mittels überkritischem CO2
Die Innovation dieser Machbarkeitsstudie liegt in der Härtung von Weichholz durch Imprägnation mittels überkritischem CO2. Dazu werden dem Holz Silane als Vernetzungsmittel zugegeben, welche sich in ükCO2 lösen, mit diesem in das Holz diffundieren und dort die einzelnen Moleküle verbinden. Das…
abgeschlossen, 12/2020 - 12/2021
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Effiziente und nachhaltige Astaxanthinextraktion
Die Innovation dieses Projektes liegt in der gezielten Voraussage einer wirtschaftlichen Parameterkombination für die Astaxanthinextraktion aus der Alge Haematococcus pluvialis.
abgeschlossen, 11/2020 - 09/2021
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Neuartiger membranunterstützter jet-loop Reaktor für die Prozessintensivierung
Im Rahmen des Projektes "Neuartiger membranunterstützter jet-loop Reaktor für die Prozessintensivierung" soll ein neuartiger membranunterstützter Jet-Loop Reaktor für die Reaktionsintensivierung durch integrierte in situ Pervaporation (PV) entwickelt werden. Das Projekt wird durch das Institut für…
abgeschlossen, 02/2020 - 12/2020
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Prozessentwicklung von thixotropen Gelen für zelltherapeutische Anwendungen
Ziel des Innosuisse-Projektes ist die Entwicklung und Massstabvergrösserung (1 l - 10 l - 100 l) der Produktion von thixotropen Gelen mit Schwerpunkt auf geeignete Reaktionssysteme inklusive der Herstellung von verschiedenen Produkten im 100 l Maßstab und Prozessübergabe an den Umsetzungspartner.
abgeschlossen, 05/2019 - 04/2021
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CarbonATE - Biologische Methanisierung
Entwicklung einer Strategie zur enzymatischen CO2-Gewinnung als Basis einer optimierten mikrobiologischen Methanisierung
abgeschlossen, 03/2019 - 12/2022
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3D-Chemie - Plattform und App für den Unterricht - Digitalisierung
E-Learning
abgeschlossen, 11/2018 - 11/2019
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Local bioColours
Färben von Textilien mit lokalen Lebensmittelabfällen
abgeschlossen, 10/2018 - 09/2019
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Optimierte Zeolithsynthese mittels inline-Photonendichtewellenspektroskopie (PDWS) (PDWS)
ln diesem Projekt wird die Photonendichtewellenspektroskopie (PDWS) erstmals für die Entwicklung und Optimierung von Zeolithsynthesen eingesetzt, wo inline-Analytik bisher aufgrund von hohen Drucken, hoher Temperatur und hohen pH-Werten nur sehr begrenzt möglich war.
abgeschlossen, 03/2018 - 09/2018
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Intensified by Design® for the intensification of processes involving solids handling (IbD)
IbD® will create a holistic platform for facilitating process intensification in processes in which solids are an intrinsic part, the cornerstone of which will be an intensified-by-design® (IbD). The IbD approach is hinged on the use of robust data about a process to ‘redesign’, modify, adapt and…
abgeschlossen, 09/2015 - 08/2018
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Mikroaerobe Hydrolyse faserreicher Biomasse zur Steigerung der Biogasproduktion (HYDROFIB)
Die mikroaerobe Vorbehandlung faserreicher Biomasse und cellulosehaltiger biogener Abfälle vor der anaeroben Vergärung erlaubt eine signifikante Steigerung der spezifischen Methanproduktion. Im Rahmen des Projekts werden Biomassen mit einem ökologischen Potenzial in der Schweiz identifiziert und der…
abgeschlossen, 05/2015 - 12/2018
Lehre und Studium
Angebot an Bachelor- und Masterarbeiten
- Bestimmung der katalytischen Aktivität von heterogenen Katalysatoren
- Kontinuierliche Synthese heterogener Katalysatoren - Bestimmung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen
- Raman Spektrometrie als online-Analytik für eine heterogen katalysierte Reaktion in einer Mikroreaktoranlage
- Opportunities of micro reaction systems for controllable preparation of particles
- Impact of complex fluids in microchannel flows
- Sustainable Engineering – from concept to real plant
- Model predictive control in Chemical Engineering
- Machine learning for laboratory monitoring – Keyword: Industry 4.0