Fachgruppe Chemieingenieurwesen

Die Fachgruppe Chemieingenieurwesen sieht ihre Hauptaufgabe in der Entwicklung und Erforschung von effizienteren und nachhaltigeren kontinuierlichen (bio)chemischen Prozessen. Hierbei bilden die Mikroreaktionstechnik für die Synthese heterogener Katalysatoren und für katalysierte Prozesse sowie die kontinuierliche Überwachung biochemischer Prozesse («Quality by Design») die entscheidenden Ansätze.

Kompetenzen der Fachgruppe Chemical Engineering

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.

Schematische Darstellung "Herstellung heterogener Katalysatoren in Mikroreaktoren"

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 Biodiesel in Mikroreaktoren. 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.

Schematische Darstellung "Effiziente Prozesse zur Umwandlung von Biomasse in Kraftstoffe und Chemikalien"

Kontinuierliche Prozessführung und Quality by Design

Schematische Darstellung "Kontinuierliche Prozessführung und Quality by Design"

Die Überwachung und Regelung von (bio)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 des Produktionsbetriebs von der Kultivierung im Bioreaktor bis zur Produktaufarbeitung erlauben. Gleichzeitig werden Verfahren für eine intelligente Evaluation der Prozessleistung untersucht.

Team

Fachgruppenleitung

Dozierende

Mitarbeitende

Studierende

Lehre und Studium

Unser Kursangebot der Fachgruppe in verschiedenen Bachelor- und Masterprogrammen:

  • Prozess- und Verfahrenstechnik
  • Chemieingenieurtechnik 1
  • Chemieingenieurtechnik 2
  • Bioprozesstechnik 1
  • Mess- und Regeltechnik 1
  • Mess- und Regeltechnik 2
  • Modellbildung und Simulation
  • Projektwoche Chemieingenieurtechnik mit MATLAB Intensivkurs
  • Praktikum Chemieingenieurtechnik
  • Bioprozessinformatik
  • Prozessintensivierung (Masterkurs)

Angebot an Bachelor- und Masterarbeiten

Biodieselherstellung im Mikroreaktor: Ziel ist die Entwicklung eines kontinuierlichen, heterogen katalysierten Prozesses im Mikromassstab zur Synthese von Diesel aus biogenen Fetten.

Prozessentwicklung für die Synthese heterogener Katalysatoren I: Die simultane Herstellung und Funktionalisierung von heterogenen Katalysatoren (z.B. zur Biomasseumwandlung) in Mikroreaktorsystemen soll hinsichtlich der Stabilität des Prozesses (Verhindern von Fouling) untersucht werden.

Prozessentwicklung für die Synthese heterogener Katalysatoren II: Die simultane Herstellung und Funktionalisierung von heterogenen Katalysatoren (z.B. zur Biomasseumwandlung) in Mikroreaktorsystemen soll hinsichtlich dem Einfluss der Prozessparameter auf die Katalysatoreigenschaften mittels statistischer Versuchsplanung untersucht werden.

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