Feeds:
Beiträge
Kommentare

enzymes-bannerOk, it’s not magic but “hard science” – nonetheless, the performance of enzymes in some applications is really breathtaking, especially compared to “conventional” chemical synthesis routes. As research and development advance and ever more processes make it into industrial applications, some trends emerge that might lead the way for the development of the industry.

  • Combination is key

Even though enzymes are highly selective and can perform reactions that are hardly accessible to the synthetic chemist, there are also reactions where chemical catalysts are superior. Thus, the combination of chemical and enzymatic steps is the key to efficient synthetic pathways. Researchers are working on reaction cascades in one-pot systems with compartments where different steps are performed successively without cost-intensive intermediary purifications steps. To avoid solvent incompatibilities – enzymatic reactions usually require aqueous systems, organic chemical reactions are run in organic solvents – gel matrices have been successfully employed.

  • Unlock nature’s tool kit

While “engineered” enzymes may offer perfect properties, there remain applickey-1020000_640ations e.g. in the food industry calling for naturally-occuring enzymes. Fortunately, nature’s tool kit has an almost unlimited supply of different enzymes – turning the identification into the literal search in the haystack. Modern bioinformatics, a better understanding of metabolic pathways and genome mining methods allow for the screening of tens of thousands of genomes to find the right sequence and, hence, the most appropriate natural enzyme.

  • Design your own

Thanks to growing information on the structural biology of proteins, powerful bioinformatics and the integration of databases “tailor-made” enzymes have become more easily accessible. However, designing enzymes and enzymatic systems with desired properties, is still labour-intensive and time-consuming, especially with regard to structural analyses.

  • Leash your enzyme to unleash its potentialdog-1015660_640

Currently, cost is a major hurdle for the use of enzymes, especially if they cannot or only at high cost be recovered from the reaction. Immobilisation is the solution to this problem. A number of methods is available, ranging from the adsorption or covalent binding to mostly  textile carrier materials or covalent links between the enzyme molecules. Another principle is the encapsulation of enzymes in polymer networks or membranes. However, as the performance of an enzyme depends on its tertiary and quarternary structure, enzyme activity may be influenced negatively by the immobilisation. Other problems include steric factors hindering substrate access to the catalytic center. Thus, experts are still searching for more general immobilization procedures that reduce cost and allow for more or less “standardized” process designs.

  • Regard the bigger picture

Even the best enzymatic process is limited by poor reaction technology. Reactor designs that allow for tapping the full potential of the kinetics of enzymatic reactions are still being explored. The challenge lies not least in ensuring maximum mass transfer with minimum shearing of the enzyme-carriers. Thus,chemistry-1027781_640 the cooperation of biotechnologists, organic chemists and process engineers is crucial to ensure the most efficient – and consequently competitive process.

Do you want to know more? Join the PRAXISforum “Enzymes for Industrial Applications” on 8-9 November 2016 in Frankfurt

Nachwuchswissenschaftler aus ganz Deutschland trafen sich zur NaWuReT-Summerschool in Bayreuth Dr.-Ing. Florian Heym, Chemische Verfahrenstechnik, Universität Bayreuth Die Verfügbarkeit von Ressourcen ist für die chemische Industrie von zentraler Bedeutung. Deshalb stellt sie der Rohstoffwandel vor große Herausforderungen. Die Umsetzung unterschiedlichster Rohstoffe stellt dabei hohe Anforderungen an die Reaktionstechnik. Zu dieser Thematik veranstaltete der Nachwuchs der […]

über Ressourcen und Rohstoffwandel – Was kann die Reaktionstechnik zur Sicherung unserer Zukunft leisten? — ProcessNet – Wir schaffen Zukunft!

Politische Vorgaben zur Erreichung von Klimazielen, Energieeffizienz, Elektromobilität und ein gesteigertes Umweltbewusstsein spiegeln sich auch in der industriellen Fertigung wider. Leichtbauelemente spielen deshalb in der Fahrzeugproduktion und überall dort, wo Gewicht und Energie eingespart werden sollen, eine zentrale Rolle. Faserverstärkte Kunststoffe haben sich hier bewährt. In Kombination mit Stahlverbindungen werden sie in der Automobilindustrie sowie beim Bau von Nutz- und  Schienenfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen eingesetzt. Damit gewähmonorail-1636401_1920rleistet ist, dass die Klebeverbindungen nicht versagen und allen Anforderungen an Sicherheit und Belastbarkeit genügen, sind umfangreiche und kostspielige Testreihen notwendig.

In einem aktuellen Forschungsprojekt der industriellen Gemeinschaftsforschung entwickeln Wissenschaftler der Universitäten Paderborn und Kassel ein Simulationsmodell, um das Versagen der Klebschicht bzw. der Faserstrukturen zuverlässig vorherzusagen. Damit können Gestaltungs- und Auslegungsrichtlinien erstellt werden. Davon profitieren vor allem kleine und mittelständische Unternehmen. Sie können künftig aufwändige Testreihen reduzieren und wirtschaftlicher produzieren.

Ob der Klebstoff optimal auf dem Substrat haftet, hängt von der geometrischen Struktur der Oberfläche und der Ausrichtung der Fasern in den Kunstoffen ab. Die Klebverbindung kann entweder an der Grenzschicht oder im Innern der faserverstärkten Kunststoffe versagen. Solche Szenarien können mit Finite-Elemente-Analysen berechnet werden. Dabei wird der zu untersuchende Bereich in kleine Teilregionen, die Finiten Elemente aufgeteilt. Die Finite-Elemente-Analyse beruht auf dem Lehrsatz, dass belastete Strukturen sich so verformen, dass die potentielle Energie des Systems minimiert wird. Um das Deformationsverhalten zu beschreiben, gibt es eine Vielzahl von Elementtypen, die in Datenbanken hinterlegt sind. Damit künftig eine virtuelle Produktentwicklung und –prüfung auch für faserverstärkte Kunststoffe möglich ist, erarbeiten die Wissenschaftler in diesem Projekt entsprechende Simulationsmodelle.

Weitere Informationen zum Projekt Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Versagensverhalten von kalt ausgehärteten Stahl-FVK-Klebverbindungen unter schlagartiger Belastung 18337 N

Direkt zum Whitepaper Digitalisierung der Chemieindustrie

Digitalisierung ist in aller Munde – aber was damit gemeint ist, reicht vom Kühlschrank, der die Milch nachbestellt, bis zur automatisierten Fertigungsstraße, die die Stoßstange vor Montage blau, gelb oder grün lackiert. Auch in Verbindung mit der chemischen Industrie ist immer häufiger von Digitalisierung oder „Chemie 4.0“ die Rede. Das war der DECHEMA Anlass, um den Jahreswechsel 2015/16 eine Befragung in den rund 120 DECHEMA- und ProcessNet-Gremien durchzuführen und einen Thementag Digitalisierung mit deren Vertretern zu organisieren.

Digital integrierter Standort2.jpgDie Befunde waren teils überraschend: Zwar spielt Digitalisierung in fast allen Unternehmen und Organisationen eine Rolle, wurde aber bis dahin kaum in den Gremien diskutiert. Auch das Verständnis, was Digitalisierung bedeutet, ging sehr weit auseinander. High-Throughput-Technologie, „klassische“ Mess- und Regeltechnik, flexible Produktion, e-learning waren nur einige Schlagworte, die genannt wurden.

Diese Rückmeldungen und die Ergebnisse des Thementags im Februar 2016 wurden in den letzten Wochen gesichtet, geordnet und systematisiert. Die Ergebnisse wurden zudem in Beziehung gesetzt zu Papieren, die in der jüngeren Vergangenheit in verschiedenen Gremien publiziert wurden.

Daraus ist ein Whitepaper Digitalisierung entstanden, das heute kurz vorgestellt wird. Anliegen dieses Papiers ist es, die verschiedenen Themenbereiche der Digitalisierung und ihre Auswirkungen in Bezug zur chemischen Industrie zu setzen.

Auf den ersten Blick ist die chemische Industrie heute bereits in vielen Bereichen stark „digitalisiert“. Die wirklichen Veränderungen, die durch große Datenmengen, hohe Rechnerkapazitäten und neue Algorithmen möglich werden, stehen aber noch bevor:

Vermehrte Integration von Standorten und standortübergreifenden Systemen, aber auch die Entwicklung disruptiver Produktinnovationen auf Basis gewonnener Daten setzen die Kopplung interner und externer Daten (Kundendaten) voraus. Doch bislang gibt es Widerstände mit Blick auf Datensicherheit und kritisches Wissen, die diese Zusammenarbeit behindern. Diese Hürden können nur gemeinsam und auf Basis klarer Absprachen und nicht zuletzt Vertrauen überwunden werden.

Von der digitalen Transformation wird auch die modulare Produktion profitieren, da vielfach die Produktion flexibler werden muss. Modulare Produktionsanlagen können vor allem dort ihre Stärken ausspielen, wo viele unterschiedliche Reaktionsschritte nötig sind und nur geringe Mengen eines hochwertigen Produktes hergestellt werden, also insbesondere in der Fein- und Spezialchemie. Doch um eine ökonomisch sinnvolle Produktion sicherzustellen, sind noch viele Entwicklungsschritte notwendig. Insbesondere standardisierte Module und Datenschnittstellen werden benötigt, um beispielsweise ein einfaches “Plug&Play” und die digitale Kommunikation der modularen Anlagen untereinander zu ermöglichen.

Nur so ist ein schneller Austausch von Modulen möglich. Gleichzeitig gilt es auch, große Datenmengen („Big Data“), wie sie beispielsweise Echtzeitsensor-Netze liefern, zu analysieren. Für all diese Anforderungen benötigt die chemische Industrie neben der entsprechenden Hardware und geeigneten Algorithmen auch qualifiziertes Fachpersonal („Chemotroniker“, „IT-Chemiker“).

Produktionsseitig ist in der Fein- und Spezialchemie seit Jahren ein Trend zu modularer und kontinuierlicher Produktion auszumachen. Diese bei weitem noch nicht abgeschlossene Entwicklung soll der Branche dabei helfen, den zunehmend individuellen Kundenansprüchen zeitnah und ökonomisch zu entsprechen. Neuartige digitale Steuerungselemente und –software sind hierbei wichtig, um tatsächlich ökonomisch in Kleinstmengen individuell zu produzieren.

Neben all den genannten Beispielen liegt für die Chemiebranche das wahrscheinlich größte Entwicklungspotential in digitalen Service-orientierten Geschäftsmodellen. Die Weiterentwicklung der Agrarchemie hin zu einer Service-orientierten Branche, die dem Kunden einen Mehrwert durch die Kombination von Daten (Wetter, Schädlingsbefall, Bodenbeschaffenheit) und Agrarchemieprodukten verkauft, zeigt beispielhaft auf, welche Möglichkeiten in der Fein- und Spezialchemiebranche bestehen, bestehende Geschäftsmodelle weiter zu entwickeln und neue zu schaffen – unerlässliche Schritte zur Sicherung des Innovations- und Produktionsstandortes Deutschland. Wir wollen mit diesem Whitepaper auch einen Anstoß geben, die Diskussion über neue Geschäftsmodelle, die in unserer Industrie erst begonnen hat, weiter zu intensivieren und die Chancen zu nutzen.

Soweit in Kürze das Zwischenfazit des Whitepapers. Es handelt sich um eine „Work in Progress“ – auch deshalb haben wir davon abgesehen, es in gedruckter Form zu verteilen. Es ist stattdessen im DECHEMA-Blog veröffentlicht, wo wir uns Rückmeldungen und Ergänzungen aus unserer Community wünschen. Wir denken dabei auch an die Experten, die in den einzelnen Unternehmen intensiv mit der Digitalisierung befasst sind – auch wenn sich das Whitepaper im Ergebnis weniger an diese richtet, sondern eher an all die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Prozessindustrie, für die die Digitalisierung bislang ein großes, aber wenig greifbares Thema ist.

Wir freuen uns, wenn auch Sie als Fachmedien unsere Einladung annehmen, sich an der Entwicklung einer stringenten Vision einer digitalisierten Chemieindustrie zu beteiligen.

Zum whitepaper-digitalisierung_final

 

ProcessNet-Jahrestagung und 32. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen 14. September 2016, 17.15 – 18.30 Uhr Eurogress Aachen, Raum Brüssel Forschung in Deutschland, Produktion in China – das war gestern. Mittlerweile sind Forschungseinrichtungen über den ganzen Globus verteilt. Und das gilt nicht nur für die Industrie: Immer mehr Hochschulen kooperieren mit Universitäten in aller Welt oder gründen gar […]

über Podiumsdiskussion: Forschen und Entwickeln in einer globalen Welt — ProcessNet – Wir schaffen Zukunft!

turbine-471953_1920Energieeffizienz und Schadstoffminimierung spielen eine wichtige Rolle, damit die gesetzten Klimaziele erreicht werden. Leichte Bauteile und höhere Betriebstemperaturen können beispielsweise thermischen Anlagen und Turbinen klimafreundlicher machen. Mit leichten Bauteilen können bewegliche Komponenten schneller angefahren und angehalten werden. Durch höhere Temperaturen wird die Effizienz gesteigert.

Titan-Legierungen werden wegen ihrer Eigenschaften häufig als Strukturwerkstoffe eingesetzt. Dank ihrer geringen Dichte (ca. 4,5 g / cm³) und guten mechanischen Eigenschaften eignen sie sich hervorragend als Leichtbaumaterial. Allerdings treten bereits oberhalb von 500 °C Schäden durch Korrosion und Oxidation auf.

Bauteile in stationären Gasturbinen und in Hochdruckturbinen von Flugtriebwerken bestehen aus Nickel-Basislegierungen. Damit sie Temperaturen von 900 °C standhalten, muss aufwändig ein komplexes Wärmedämmschichtsystem aufgebracht werden.

Bisher werden die Oberflächen der beiden Legierungen durch Beschichtung aus der Gasphase (PVD) oder durch thermische Spritzverfahren (VPS) geschützt. Bei der Abscheidung aus der Gasphase wird das Beschichtungsmaterial im Vakuum verdampft und kondensiert auf der Oberfläche des Substrats. Beim VPS-Verfahren wird Beschichtungsmaterial durch eine mehrere 1000 Grad heiße Plasmaflamme auf das Substrat gespritzt. Für beide Verfahren sind mehrere Prozessschritte notwendig. Die so erzeugten Schutzschichten sind relativ dick (>50 um) und häufig spröde.

Wissenschaftler des DECHEMA-Forschungsinstituts versuchen, in diesem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung durch ein kostengünstiges Pulverpackverfahren in einem einstufigen Prozess die Oberflächen von Titan- und Nickel-Legierungen zu schützen, so dass auch Einsätze bei Temperaturen bis zu 1.100 °C über einen längeren Zeitraum möglich werden. Beim Pulverpackverfahren werden beispielsweise Aluminium, Chrom oder Silizium eingesetzt. Sie bilden gasförmige Halogenide, die für den Transport der Metalle an die Werkstoffoberfläche verantwortlich sind. Sie bilden homogene Metallschichten auf den Oberflächen, die wiederum resistente Oxidschichten ausbilden. In diesem Forschungsprojekt wird mit einer dünnen Aluminiumdiffusionsschicht (< 10 um) gearbeitet. Sie bildet eine sehr gut schützende α-Aluminiumoxidschicht aus, die die Lebensdauer erheblich verlängert. Die so optimierten Nickel- und Titan-Legierungen können in oxidierender Umgebung bei hohen Temperaturen beispielsweise im Industrieofenbau, der Automobil-, Luft-, Raumfahrt- und Gasturbinenindustrie eingesetzt werden.

Zum IGF-Projekt 18947N Hochtemperaturoxidationsschutz für technische Titan- und Nickellegierungen durch kombinierte Alitierung und Fluorierung in einem einstufigen Prozess

Integration, Individualisierung, Globalisierung – diese Trends werden die Biotechnologie und Verfahrenstechnik von morgen prägen. Und sie prägen auch das Programm der ProcessNet-Jahrestagung und 32. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen vom 12. bis 15. September 2016 in Aachen. Unter dem Generalthema „Nächste Generation von Produkten und Prozessen“ werden aktuelle Entwicklungen der chemischen Verfahrenstechnik und der Biotechnologie beleuchtet. Erstmals […]

über ProcessNet-Jahrestagung und 32. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen: Das volle Programm — ProcessNet – Wir schaffen Zukunft!