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Archive for the ‘Chemie / Chemische Technik’ Category

4 Fragen an…
Dr. Arren Bar-Even, Forschungsgruppenleiter „Systemischer und synthetischer Stoffwechsel“ am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Golm

Dr. Bar-Even, ein Schwerpunkt Ihres Forschungsteams ist der „Umbau“ des zentralen Stoffwechsels von Mikroorganismen. Was fasziniert Sie am meisten am gezielten „Design“ von Stoffwechselwegen?

Dr. Arren Bar-Even [Quelle Sevens Maltry]

Ich glaube, was mich wirklich fasziniert, ist der Stoffwechsel selbst, noch bevor wir über synthetische Biologie sprechen. Der Stoffwechsel ist im Grunde der Kern des Lebens. Die Menschen neigen dazu, immer die genetische Information, die DNA und so weiter, als das Grundphänomen des Lebens zu betrachten, aber ich bin anderer Meinung. Stoffwechsel ist Leben. Der Stoffwechsel ist die konzertierte Umwandlung von Molekülen in andere Moleküle; er reagiert auf Reize und erhält gleichzeitig die Homöostase aufrecht. Das ist Leben.

„Stoffwechsel ist Leben“

Das Faszinierende am Stoffwechsel, das mich besonders anspricht, ist die Tatsache, dass es sich um einen sehr organisierten, fast mathematischen Prozess handelt – dahingehend, dass er nach ganz bestimmten Regeln abläuft. Es ist leicht, den Stoffwechsel im Rahmen dieser Regeln zu betrachten. Wir versuchen ständig, neue Regeln aufzudecken und von ihnen zu lernen, um neue Stoffwechselwege zu entwerfen. Das ist es, was mich fasziniert. Im Grunde genommen braucht man zwei Komponenten: ein grundlegendes wissenschaftliches Verständnis der Designprinzipien des Stoffwechsels und eine eher angewandte, technische Komponente, die versucht, diese Erkenntnisse und Designprinzipien nutzbar zu machen. Das Design von Stoffwechselwegen, das „Pathway Engineering“, ist kein Ausprobieren, sondern das Durchdenken, Entwerfen und Analysieren potenzieller Routen nach bestimmten chemischen und mathematischen Regeln. Im Gegensatz zu vielen anderen biologischen Ansätzen geht es hier wirklich darum, Leben zu konstruieren.

In Ihrer jüngsten Veröffentlichung in Nature Chemical Biology beschreiben Sie einen neuen Weg, der es Bakterien ermöglicht, auf C1–Verbindungen wie Formiat und Methanol zu wachsen. Wie tragen diese Erkenntnisse zur nachhaltigen Produktion von Chemikalien bei?

Zunächst muss man sich klarmachen, dass fast alle Dinge um uns herum aus Kohlenstoff bestehen und dass dieser Kohlenstoff hauptsächlich aus fossilen Quellen stammt. Im Grunde genommen basiert also alles auf Öl . Ich spreche nicht nur von Kraftstoffen, sondern auch von Kunststoffen, Textilien, Pigmenten und Lösungsmitteln. Natürlich ist die Produktion von Dingen aus fossilem Kohlenstoff nicht nachhaltig. Letztendlich endet dieser Kohlenstoff als CO2 – das wollen wir nicht. Die Idee hinter unserer Veröffentlichung ist es deshalb, CO2 zur Herstellung all dieser Dinge um uns herum zu verwenden. In unserem Szenario schaffen wir eine zirkuläre Kohlenstoffwirtschaft, in der alle Dinge bei CO2 beginnen und in CO2 enden, aber ohne dass netto zusätzliches CO2 freigesetzt wird. Dies bringt uns zu der Hauptfrage: Wie kann man am besten mit CO2 beginnen und bei Chemikalien enden?

„Die Nutzung der Landwirtschaft zur Produktion von Chemikalien ist wahrscheinlich nicht die beste Lösung“

Zuckerrübenfeld [Quelle DarkWorkX / Pixabay]

Man kann viele verschiedene Ansätze verfolgen. Es gibt zum Beispiel rein biologische Ansätze, die sich auf die Landwirtschaft oder die Photosynthese stützen, um Kohlenstoff zu fixieren. Der Kohlenstoff wird in Zucker umgewandelt und an Bakterien verfüttert, die den Zucker in Chemikalien umwandeln. Dies ist einer der gängigsten Wege. Das Hauptproblem bei diesem Ansatz besteht darin, dass die Verwendung von landwirtschaftlichen Ressourcen zur Herstellung von Chemikalien in direkter Konkurrenz zum menschlichen Konsum steht. Folglich bedroht er die Ernährungssicherheit und erfordert die Ausweitung der Landwirtschaft, was auf Kosten des natürlichen Lebensraums geht und die biologische Vielfalt direkt bedroht. Deshalb ist die Nutzung der Landwirtschaft zur Herstellung von Chemikalien auf lange Sicht wahrscheinlich nicht die beste Lösung. Was diesen Ansatz noch komplizierter macht, ist, dass er ziemlich ineffizient ist. Im Grunde ist die Effizien von Pflanzen oder anderen fotosynthetischen Organismen, die Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln, sehr gering.
Auf der anderen Seite kann man versuchen, CO2 durch rein chemische Katalyse in Chemikalien umzuwandeln und dabei wesentlich höhere energetische Wirkungsgrade zu erzielen. Das Problem dabei ist, dass die chemische Katalyse in der Regel große Anlagen erfordert und unter extremen Bedingungen wie hohem Druck und sehr hohen Temperaturen arbeitet. Außerdem ist man sehr eingeschränkt, wenn es darum geht, ganz spezifische Verbindungen herzustellen. Häufig erhält man stattdessen eine Mischung aus vielen, vielen verschiedenen Molekülen.

„Wir kombinieren abiotische und biotische Katalyse“

Der Ansatz, den wir verfolgen, ist, abiotische Katalyse und biotische Katalyse so zu kombinieren, dass wir die Vorteile beider Ansätze nutzen können, ohne unter ihren Nachteilen zu leiden. Die Idee: Wir aktivieren CO2, in dem wir abiotisch einfache C1-Verbindungen herstellen. Diese C1-Verbindungen verfüttern wir an Mikroorganismen, die sie in komplexe Moleküle umwandeln. Beide Schritte können auf sehr effizient und spezifisch durchgeführt werden. Unsere Produktionskette geht also von CO2 aus, verläuft über die katalytische Herstellung von C1-Verbindungen und von dort zu den Mikroorganismen.

E. coli [Gerd Altmann / Pixabay]

Ameisensäure und Methanol, über die wir auch in der Veröffentlichung berichten, sind Schlüsselmoleküle, weil sie sehr effizient aus CO2 hergestellt werden können. Außerdem sind sie flüssig und löslich, sie können also bei Bedarf gelagert und transportiert werden, und sie können von lebenden Zellen leicht aufgenommen werden. In unserer Veröffentlichung haben wir E.coli-Bakterien so verändert, dass sie auf Formiat und Methanol wachsen können. Dieser Stamm kann nun so weiter manipuliert werden, dass er jede Chemikalie produziert, die Sie gerne hätten. Das könnte Kraftstoff sein, Kunststoffmonomere, irgendein chemischer Grundstoff und so weiter. In unserem Konzept bilden neue Bakterienstämme den Schlüssel für die Umsetzung einer Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft.

Das klingt vielversprechend und bringt mich zur nächsten Frage: Von welchem Stoffwechselweg träumen Sie? Und was ist nötig, damit dieser Stoffwechselweg zukünftig genutzt werden kann, um bio-basierte Chemikalien in großem Maßstab herzustellen?

Wenn es um den Stoffwechselweg meiner Träume geht, bin ich befangen: Ich glaube, es ist der, den wir in Nature Chemical Biology vorgestellt haben. An diesem Weg – der reduktiven Glycin-Route – arbeite ich schon sehr lange, und ich sehe ihn sehr optimistisch. Es gibt einige Gründe, warum ich gerade diese Route besonders mag. Erstens ist sie sehr effizient. Man kann sie nutzen, um Formiat oder Methanol mit wenig Aufwand für die Zelle herzustellen. Das heißt, man bekommt viel Biomasse und hohe Produktausbeuten, und das ist der Schlüssel für eine wirtschaftlich wettbewerbsfähigen und nachhaltigen Prozess.

„Diese Route scheint ein „plug-and-play“-Mechanismus zu sein“

Was aber noch wichtiger ist: Diese Route scheint ein „plug-and-play“-Mechanismus zur Verarbeitung von C1-Verbindungen zu sein, man kann sie also in verschiedenen Wirten einsetzen. Sie ist nicht spezifisch für einen Organismus. Neben dem Einsatz in E.coli, über den wir in Nature Chemical Biology berichten, haben wir sie auch in andere Mikrooganismen eingebracht. So könnte möglicherweise jedes Labor die Route im Organismus seiner Wahl einsetzen und ihn so befähigen, auf Methanol und Formiat zu wachsen und Wertstoffe zu produzieren.

„Es gibt noch viel zu tun”

Um die Frage zu beantworten, was getan werden muss, um synthetische Wege in der Industrie zu implementieren – es gibt noch viel zu tun. Derzeit können wir diese Technologie noch nicht im großen Maßstab einsetzen, weil viele Schritte noch optimiert werden müssen. Betrachtet man die rein biologischen Prozesse, muss die Fähigkeit der mikrobiellen Stämme, auf Formiat und Methanol zu wachsen, weiter verbessert werden. Langfristige Entwicklung, Anpassung und Optimierung sind erforderlich, damit die vielversprechendsten Stämme das volle Potenzial des Pfades ausschöpfen können. Wenn wir außerdem etwas ganz Bestimmtes aus Formiat oder Methanol herstellen wollen, müssen wir den Stamm weiter entwickeln und die metabolische Umwandlung von Formiat oder Methanol in das Produkt optimieren. Und wenn man andere Mikroorganismen zur Herstellung neuer Verbindungen verwenden will, muss man zunächst den reduktiven Glycinweg im neuen Wirt etablieren, was zusätzliche Arbeit erfordert.

„Vom CO2 zum Formiat“

Photo by ThisIsEngineering on Pexels.com

Darüber hinaus gibt es im abiotischen Teil noch viel zu tun. Wie schon dargestellt, ist unsere Technologie auf eine abiotische Aktivierung von CO2 angewiesen, um die Umwandlung in C1-Verbindungen zu ermöglichen. Viele Labore und Unternehmen auf der ganzen Welt forschen umfassend an diesen Verfahren, und viele Fortschritte haben dazu beigetragen, dass die Umwandlung wirtschaftliche rentabel wird. Der Prozess der Umwandlung von CO2 in Methanol ist relativ weit entwickelt und bereits kommerziell verfügbar. Was wir jedoch noch interessanter finden, ist die Umwandlung von CO2 in Formiat. Dieser Prozess befindet sich noch immer auf einem relativ niedrigen Technology Readyness Level. Es besteht noch eine Menge Optimierungsbedarf, um sowohl die Effizienz hoch als auch die Kosten des Elektrolyseurs so niedrig wie möglich zu halten. Deshalb arbeiten wir auch mit Chemikern und Chemieunternehmen zusammen, die sich auf CO2-Umwandlungstechnologien konzentrieren.
Wir sprechen also optimistisch von einem Zeitraum von mehreren Jahren, bis wir in der Lage sein werden, eine komplette Produktionskette vom CO2 bis zum Produkt im kommerziellen Maßstab umzusetzen.

Sie sind Teil eines nationalen Projekts namens ForceYield zu synthetischen Stoffwechselwegen, das vor kurzem angelaufen ist. Was ist der Mehrwert solcher Projekte mit vielen Partnern?

Ich kenne viele Leute, die sich alleine um eine Finanzierung bewerben, und ich kenne viele Leute wie mich, die sich in der Regel im Rahmen eines Konsortiums um eine Fördergelder bewerben. Ich glaube, der Hauptunterschied besteht darin, dass man sich für Grundlagenforschung tatächlich alleine um Fördermittel bewerben kann. Wenn man jedoch ein eher angewandtes Forschungsthema, einen methodischen Ansatz oder ein neues Produkt anstrebt, ist es fast unmöglich, ein solches Projekt allein durchzuführen. Man muss zusammenarbeiten; man muss ein Konsortium haben, das Fähigkeiten umfasst, die über das eigene Know-How hinausgehen.

„Man braucht Experten für verschiedene Aspekte“

Um von einer Idee zu einem Produkt zu kommen, bedarf es eines stark interdisziplinären Hintergrunds und sehr unterschiedlicher Fähigkeiten, um verschiedene Herausforderungen entlang der Entwicklung der Produktionskette anzugehen. Dies gilt auch für das ForceYield-Projekt. Wir haben Leute mit ganz unterschiedlischer Expertise an Bord und jeder von ihnen muss seinen Teil dazu beitragen, damit wir am Ende einen tragfähigen Prozess haben. Innerhalb des ForceYield-Teams haben wir Experten für Metabolic Engineering, die den inneren Aufbau der Zellen verändern können. Wir haben andere, die sich besonders gut mit Stammoptimierung und der langfristigen Evolution von Zellen auskennen, und wieder andere, die Experten in der Entwicklung und Optimierung von Bioprozessen sind. Eine enge Zusammenarbeit dieser Disziplinen ist für den Gesamtprozess unerlässlich. Darüber hinaus ist die Beteiligung von Industrieunternehmen, sowohl im Beirat als auch im Projekt selbst, entscheidend, um einen Ansporn und die richtigen Informationen zu erhalten, damit wir das Projekt auf einen wirtschaftlich tragfähigen Weg steuern können.

Dr. Bar-Even, vielen Dank für dieses Gespräch!

Neben dem ForceYield-Projekt arbeitet die DECHEMA e.V. auch im nationalen Projekt TRANSFORMATE mit Dr. Arren Bar-Even zusammen. Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung beider Projekte. Wenn Sie mehr über das ForceYield- und das TRANSFORMATE-Projekt erfahren möchten, dann schauen Sie doch mal unter www.dechema.de/forceyield und
https://dechema.de/Forschungsförderung/Projekte/TRANSFORMATE.html.

Das Ziel des ForceYield-Projekts ist die Entwicklung eines innovativen bakteriellen Plattformorganismus, der in der Lage ist, landwirtschaftliche Abfälle in wertvolle Chemikalien auf biologischer Basis umzuwandeln. Mit Hilfe eines neuartigen synthetischen Stoffwechselweges wird der Organismus in der Lage sein, außergewöhnlich hohe Produkterträge zu erzielen.

TRANSFORMATE
Das Ziel des TRANSFORMATE-Projekts ist die Umwandlung von CO2-haltigen Abgasströmen aus Industrieparks in wertvolle biologisch abbaubare Biokunststoffe. Dazu wird ein Verfahren entwickelt, das CO2 in einem ersten Schritt durch elektrochemische Umwandlung zu Ameisensäure reduziert und dann im Bioreaktor mit hoher Selektivität in Spezialchemikalien (PHB und Croto®) umwandelt.

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Obst haltbar machen, Atemluft reinigen, reaktive Gase stabiliseren: So unterschiedlich diese Fragestellungen sind, metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind die Antwort. Aus der unglaublichen Vielfalt an möglichen Strukturen und Zusammensetzungen von MOFs ergeben sich entsprechend viele Einsatzmöglichkeiten.

Die entscheidende Rolle bei den Anwendungen außerhalb der Katalyse spielt dabei die Fähigkeit der MOFs, insbesondere Gase selektiv zu adsorbieren und freizusetzen. Diese Eigenschaft kann sowohl zur Speicherung von Gasen wie Wasserstoff oder Methan dienen, zur Adsorption von CO2 aus Abgasströmen, aber auch zur gezielten Freisetzung von Gasen.

Durchbruch im Jahr 2016

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Letzteres war der Schlüssel zur laut Presseberichten ersten kommerziellen Anwendung von MOFs bei der Lebensmittellagerung: 2016 verkündeten der MOF-Hersteller MOF Technologies Ltd. und das Obstlogistik-Unternehmen Decco Worldwide Post-Harvest Holdings, man habe gemeinsam eine Technologie entwickelt, um Obst länger zu lagern. Kern des Verfahrens sind MOFs, die in der Verpackung 1-Methylcyclopropen freisetzen; es verhindert den Nachreifungsprozess bei Obst.

Auch in der Öl- und Gasindustrie kommen MOFs bereits zum Einsatz. Die Firma framergy hat sich darauf spezialisiert und bietet maßgeschneiderte MOFs für die Gasreinigung. Noch wichtiger könnte aber ein spezifisches Anwendungsfeld werden: framergy entwickelt Lösungen, um Fackelgase aufzufangen, und könnte damit einen signifikanten Beitrag für Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit bei der Öl- und Gasgewinnung leisten. Demonstrationsanlagen sind bereits in Betrieb.

Der Wert der Zuverlässigkeit

Wo der Preis gegenüber der Zuverlässigkeit nachrangig ist, können MOFs ihre Stärken voll ausspielen. Das gilt für den Einsatz in Atemschutzmasken, wo sie Lücken im Adsorptionsspektrum schließen könnten, die Aktivkohle und andere konventionelle Materialien bisher hinterlassen. Unter anderem forscht die Bundeswehr an entsprechenden Technologien.

Es gilt aber auch in der Halbleiterindustrie. NuMat Technologies, ein junges US-Unternehmen, hat sich dafür mit Versum Materials zusammengeschlossen, einem Anbieter von Ausgangsstoffen und Gasen für die Halbleiterindustrie. Die von NuMat entwickelten MOFs sollen in Gasbehältern dafür sorgen, dass Gase wie Arsin, Phosphin und Bortrifluorid mit höchster Reinheit auch bei Unterdruck gelagert und transportiert werden können. Das stabilisiert einerseits die reaktiven Gase und reduziert gleichzeitig die Risiken bei Lecks.

By JuliusEvola – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64506541

Das Schweizer Startup novoMOF AG untersucht ebenfalls zahlreiche mögliche Einsatzgebiete für ihre MOFs. Dazu gehört auch die Gewinnung von Edelgasen. Anstelle der sehr energieaufwändigen Luftfraktionierung sieht novoMOF die Möglichkeit, hochselektive MOFs zu nutzen, um insbesondere die seltenen Edelgase Krypton und Xenon zu gewinnen, und wirbt um Partner für die Pilotierung.

Wenn die Einsatzmöglichkeiten so zahlreich sind, warum sehen wir dann derzeit doch noch relativ wenige Anwendungen im Markt? Das liegt zum einen an den Kosten, zum anderen aber auch an Fragen wie der Stabilität der Verbindungen. Dazu mehr im nächsten Beitrag in der kommenden Woche.

https://dechema.de/MOF2020.html

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Faszinierende Grundlagenforschung, neue Funktionsmaterialien und dynamische Strukturen, die ganz neue Verfahren zugänglich machen: Die „MOF-Szene“ ist enorm vielfältig – und trotzdem kann eine Tagung alle Stakeholder integrieren. Warum das so ist und wo zur Zeit die Forschungsschwerpunkte bei metallorganischen Frameworks und anderen porösen Materialien liegen, hat uns Prof. Dr. Stefan Kaskel erzählt:

Die MOF findet 2020 bereits zum 7. Mal statt. Was zeichnet diese Konferenz aus Ihrer Sicht besonders aus?

Prof. Dr. Stefan Kaskel ist Professor für Anorganische Chemie an der TU Dresden und Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik am Fraunhofer Institut für Werkstoff-und Strahltechnik (IWS) in Personalunion. Er ist Chairman der MOF 2020.

Die ersten MOFs wurden Ende der 90er Jahre „gefunden“ und im Milligramm-Maßstab synthetisiert. Seitdem hat sich unglaublich viel getan; heute haben wir eine große Community, die gleichzeitig sehr breit und interdisziplinär aufgestellt ist.

Die erste MOF-Tagung fand 2008 in Augsburg statt. Damals ging es vor allem um das gegenseitige Kennenlernen und um die „klassischen“ Themen wie MOF-Synthese und Adsorptionsanwendungen, z.B. für die Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas.

Heute hat sich das Feld sehr stark gewandelt und differenziert. Im Bereich der Anwendung wird vor allem an optischen und elektronischen Funktionsmaterialien geforscht. Dabei geht es nicht nur um die Funktionalität selbst, sondern auch die Integration in Devices oder Bauteile. Dafür müssen MOFs als Schichten oder Nanopartikel hergestellt oder in Membranen integriert werden.

Welche Rolle spielt die Grundlagenforschung?

Die neuen Erkenntnisse der Grundlagenforschung sind faszinierend: Dort werden die Mechanismen bei der Bildung der Materialien untersucht. Durch Verfahren wie die Transmissions-Elektronenspektroskopie  ist eine noch genauere Charakterisierung möglich geworden. Eigenschaften und Feinstruktur von MOFs hängen eng miteinander zusammen. Dynamische MOFs zeigen ein reversibles Öffnen und Schließen der Porenstruktur, ein einzigartiges Verhalten im Vergleich zu klassischen starren Adsorbentien; das lässt sich mit in situ- oder Operando-Methoden beobachten. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen und der Festkörperchemie ist gerade auch bei jüngeren Forschern ein großes Thema.

Das Themengebiet, das die MOF adressiert, ist extrem breit. Was ist die gemeinsame Schnittmenge, und wie würden Sie das Verhältnis zwischen sehr spezialisierten Sessions und Konferenzteilen, die sich mehr oder weniger an alle Teilnehmer richten, beschreiben?

Da alle Aspekte miteinander zusammenhängen, ist die Community noch nicht „zerfallen“. Es gibt einige Sessions und Plenarvorträge, die für alle interessant sind, die sich irgendwie mit MOFs befassen. Andere Themen wie die Funktionsmaterialien sind dann spezieller. Insgesamt ist die Community erfreulich interdisziplinär.

Was können speziell erfahrene Wissenschaftler, Nachwuchswissenschaftler und Industrievertreter von der MOF 2020 erwarten?

Von Tony Boehle – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27335434

Für jüngere Wissenschaftler bieten wir zwei Workshops an: Die MOF 2020 Expert View Series ist ein Tutorial zum Einsatz von MOFs von den Grundlagen bis zur Anwendung und richtet sich besonders an Doktoranden oder Wissenschaftler mit anderen Forschungsschwerpunkten. Beim Young Investigators Forum können Doktoranden und PostDocs ihre eigene Forschung präsentieren.

Industrievertreter haben bei einem eigenen Workshop die Gelegenheit, sich über Synthese, Verarbeitung und Anwendungen von MOFs und porösen Polymeren in der Praxis zu informieren.

Womit beschäftigen Sie sich in Ihrer eigenen Forschung derzeit am intensivsten?

Wir beschäftigen uns mit dynamischen MOFs, die ihre Struktur responsiv ändern, wenn bestimmte Moleküle selektiv aufgenommen werden. Um diese Responsivität besser zu verstehen, kombinieren wir in-silico-Simulationen, Synthese und Analytik. Das ist extrem spannend für Trennprozesse, weil sich die Selektivität enorm erhöht.

Von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung, vom Doktoranden bis zum Industrieexperten – die 7th International Conference on Metal-Organic Frameworks and Open Framework Compounds vom 20.-23. September 2020 in Dresden hat für jeden etwas zu bieten. Mehr unter https://dechema.de/en/MOF2020.html

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IoT, Prozessflexibilität oder Predictive Control sind nur einige der aktuellen Schlagworte, die die Diskussion in der Chemie-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie beherrschen. Sie alle beruhen auf einem gemeinsamen Kern: Ohne Prozessanalytik geht es nicht.

Kein Wunder also, dass einerseits enorme Fortschritte gemacht werden, andererseits aber auch der Bedarf an weiterer Forschung immens ist. Auf der Europact 2020 werden führende Experten zusammenkommen, um die neuesten Trends zu diskutieren – und es gibt viel zu besprechen.

Die Prozessanalytik ist ein vielfältiges und multidisziplinäres Thema. Angefangen von der zugrundeliegenden analytischen Methodik bis hin zur Entwicklung von Sensoren, die eine kontinuierliche Inline-Analytik in Echtzeit ermöglichen, der Integration von Daten aus verschiedenen Quellen und den Rückkopplungsschleifen für die Online-Regelung müssen Chemiker, Ingenieure und Datenwissenschaftler zusammenarbeiten, um die Vision einer integrierten PAT zu verwirklichen.

Integration von Analysemethoden in laufende Prozesse

Die gebräuchlichsten Analysemethoden, auf denen PAT basiert, sind – neben der Messung grundlegender Parameter wie Temperatur, Druck oder pH-Wert – spektroskopische Technologien wie UV/Vis, IR oder NMR. Der Einsatz dieser hochentwickelten Methoden ist durch die rasante Entwicklung der Miniaturisierung und die Verfügbarkeit von sicheren und zuverlässigen drahtlosen Kommunikationstechnologien möglich geworden. Fortschritte in der Lasertechnologie und im Detektordesign haben den Einsatzbereich zusätzlich erweitert. Kompakte Geräte haben nicht nur die Laborbänke erobert, sondern können sogar in einer Produktionsumgebung eingesetzt werden, wo der Platz begrenzt ist, starke Magnetfelder Probleme bereiten würden und eine regelmäßige Gasversorgung aufgrund logistischer Beschränkungen nicht realisierbar ist.

Europact 2017

Die Integration eines Sensors in einen laufenden Prozess bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich – angefangen bei der nicht ganz einfachen Frage, wie man den Sensor ins Innere bekommt, ohne die Prozessbedingungen zu beeinträchtigen. Um die Laufzeit zu maximieren und die Notwendigkeit von Eingriffen zu minimieren, sollten die Sensoren nicht manuell kalibriert werden müssen; dies erfordert die Entwicklung von „intelligenten Sensoren“. Sie können automatisch nachkalibrieren; in Kombination mit Software und „Fuzzy“-Logik, die kleinere Abweichungen ausgleicht, wird die Laufzeit deutlich erhöht.

Daten sinnvoll nutzen

Daten zu sammeln ist eine Sache, sie zu nutzen bisweilen eine ganz andere. In den letzten Jahren wurden mathematische Modelle und Algorithmen entwickelt, die neue Erkenntnisse ermöglichen. Sie helfen auch dabei, kritische Lücken zu schließen; diese können entstehen, wenn Design of Experiment-Methoden verwendet werden und dabei kritische Parameter übersehen werden oder eine größere Varianz aufweisen als erwartet. So kann PAT in jeder Phase der Wertschöpfungskette und des Produktlebenszyklus ein wertvolles Instrument sein, das die Prozessentwicklung beschleunigt und kritische Qualitätslücken in einem sehr frühen Stadium beseitigt.  Modellbasierte Vorhersagen ermöglichen die Optimierung eines Prozesses auf Parameter, die nicht direkt für die Messung zugänglich sind.

PAT als Enabler für neue Prozesse

Bioprozesse werden sowohl in der Pharma- als auch in der chemischen Industrie immer wichtiger. Im Vergleich zu „klassischen“ chemischen Synthesen sind sie wesentlich komplexer, mit geringen Produktkonzentrationen, vielen komplexen Nebenprodukten und Inhomogenitäten im Reaktor. Die Zusammensetzung und Qualität der Rohstoffe kann ebenfalls variieren. Die Messung und Steuerung von Bioprozessen ist daher sowohl eine Herausforderung als auch ein Bereich, in dem enorme Fortschritte erzielt werden können (und zur Erreichung der Wettbewerbsfähigkeit erforderlich sind).  Ein wichtiger Trend der letzten Jahre war die Entwicklung kontinuierlicher Bioprozesse. Sie sind ohne die Möglichkeiten, die Qualität in Echtzeit zu kontrollieren und die Prozessparameter zeitnah anzupassen, kaum vorstellbar. Der Übergang von der Batch- zur kontinuierlichen Verarbeitung erfordert zu jedem Zeitpunkt ein deutlich verbessertes Prozessverständnis, ebenso wie die Überwachung von Nährstoffen und Verunreinigungen. Christoph Herwig, Leiter der Bioverfahrenstechnik an der TU Wien und Vorsitzender des Komitees der Europact 2020, sieht eine entscheidende Rolle für die PAT in diesem Bereich:  „Die PAT ist der Schlüssel zu robusten kontinuierlichen Bioprozessen und fortschrittlicher Therapien.“

PAT ist keine isolierte Technologie

Während die Integration von Feldinstrumenten bereits weit fortgeschritten ist und sich auf OPC UA DI als Kommunikationstechnologie und PADIM als Informationsmodell stützt, muss die Prozessanalytik dringend aufholen. Dies gilt insbesondere für die Integration mit offenen Architekturen. „PAT liefert eine Menge spezifischer Daten – sowohl Messdaten als auch Diagnosedaten -, die von IIoT-Technologien zur Optimierung der Instandhaltung und der Prozesse genutzt werden könnten“, sagt Werner Worringen, PAT-Experte bei Yokogawa. Die Voraussetzung für IIot ist die nahtlose Integration von PAT in das Gesamtdatenmodell eines Produktionsprozesses. Da PAT-Daten in der Regel sehr komplex sind und von verschiedenen Standorten in einem Werk stammen, scheinen Cloud-Lösungen die beste Antwort zu sein. Aber Bedenken hinsichtlich der Datensicherheit, gemeinsamer Standards und Schnittstellen werden derzeit noch diskutiert.

Entdecken Sie die Trends der Prozessanalytik bei der Europact 2020
Die 5. European Conference on Process Analytics and Control Technology, kurz Europact, deckt alle Aspekte der PAT ab  – von den analytischen Methoden und der Sensorentwicklung über Datenmodelle und Systemintegration. Melden Sie sich an und beteiligen Sie sich am Austausch unter internationalen Experten. Mehr unter https://dechema.de/europact2020.html

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Was hat Prozessindustrie mit e-Sport zu tun? Man kann voneinander lernen – denn der Umgang mit Daten ist gleichzeitig extrem spezifisch und branchenübergreifend ähnlich. Das nur eine der vielen Erkenntnisse aus der Chemalytix-Konferenz 2019.

Auf dem Weg in die Industrie 4.0 müssen Daten erstens zugänglich sein und zweitens sinnvoll ausgewertet werden. Bei der Chemalytix-Konferenz, die Covestro zusammen mit Bayer und Evonik im Dezember 2019 organisierte, drehte sich deshalb alles um die Frage: Welche Möglichkeiten, Chancen und Herausforderungen bietet der Einsatz von Data Science in der Prozessindustrie?
Dass bei diesem Thema viele Schlagworte teilweise inflationär verwendet werden, war den Veranstaltern offensichtlich bewusst: Sie griffen diesen Umstand – nicht ohne gewisse Selbstironie – durch ein Buzzword-Bingo für die Teilnehmer auf. Und das führte neben dem Unterhaltungswert auch dazu, dass die Sprecher auf ihre Wortwahl achteten. So dauerte es, bis der Jackpot geknackt werden konnte…

Keine Patentrezepte für Digitalisierung

Bereits in der Begrüßungsrede von Sucheta Govil, CCO von Covestro, wurde deutlich, dass die Natur der Digitalisierung eine domänenübergreifende Zusammenarbeit erfordert.

Boris Adryan von Merck beleuchtete im Einstiegsbeitrag die Herausforderungen und Hürden für erfolgreiche Digitalisierungsprojekte in Konzernen der Prozessindustrie. Dabei stellte er klar, dass Digitalisierung keinem Patenzrezept folgt, Use Cases nicht einfach zu finden sind und allgemeine Lösungsansätze nicht helfen. Anstatt aus Angst, einen Trend zu verpassen („fear of missing out“), generalisierte Anwendungsfälle zu verfolgen, sollten Anwendungsfälle mit echtem Mehrwert identifiziert werden. Die Umsetzung dieser Digitalisierungsprojekte muss dann in Zusammenarbeit mit den betroffenen Abteilungen durchgeführt werden, um Akzeptanz für die Transformation zu erreichen. Daher sollte keine zentrale Data Science Gruppe eingerichtet werden, sondern die entsprechenden Experten sollten für die Projektumsetzung direkt in den betroffenen Abteilungen arbeiten.

Vertrauliche Daten nutzen

Wie mit künstlicher Intelligenz die Wirkstoffforschung optimiert werden kann, stellte Gunjan Bhardwaj von Innoplexus vor. Grundlage ist die Verfügbarkeit der bekannten Daten; sie wird durch selbstentwickelte Crawler erreicht wird. Die entwickelte KI kann auch ohne den direkten Input von Daten arbeiten, indem der Owner eines Datensatzes eine Sub-KI trainiert und viele dieser Sub-KIs zu einer Gesamt-KI zusammengeführt werden. Hierdurch können vertrauliche Daten zu verbessertem Verständnis beitragen, ohne die Daten selber herauszugeben.

Definition of Digital: Anything that makes the interaction of people, data and things more valuable.

Gunjan Bhardwaj


Auch für den Bereich Predictive Maintenance können KI-Methoden genutzt werden, wie Tidhar Tsuri von Diagsense zeigte. Durch Modellbildung aus vorhandenen Daten können Abweichungen der laufenden Messungen vom Modell identifiziert werden („anomaly detection“), was auf eine Veränderung der Prozessanlage hindeutet.

Nach der Mittagspause, die für die vielen möglichen Gespräche gar nicht lang genug hätte sein können, berichteten Digitalisierungsdienstleister (mayato), Forschungsgruppen (FH Niederrhein, Fraunhofer ITWM) und Prozessindustrie (Evonik, Bayer, Covestro) in vier Parallelsessions über ihre Erfahrungen bei der Umsetzung von Data Science Projekten.

Von e-Sports-Helden lernen

Da digitale Technologien nicht anwendungsspezifisch sind, hilft auch ein Blick über das eigene Feld hinaus. Ein sehr komplexes Optimierungsproblem findet man bei der Heldenauswahl des Computerspiels Dota 2. Die gegeneinander antretenden Teams wählen abwechselnd ihre „Spielfiguren“ aus. Aufgrund der Vielzahl möglicher Kombinationen sind die verfügbaren Datensätze unvollständig. Für professionelle e-Sport-Kämpfe hat Elvan Aydemir von Amplify Analytix mit Reinforced Learning eine KI zur sequentiellen Entscheidungsfindung entworfen. Da bei diesem Optimierungsproblem mit unvollständigen Datensätzen eine optimale Lösung mathematisch nicht möglich ist, wird die KI durch die laufenden Kämpfe immer weiter verfeinert.

Der Effekt des Buzzword-Bingos auf eine bedachte Wortwahl der Referenten wurde dann auch deutlich: Erst zu diesem Zeitpunkt hatte die erste Teilnehmerin eine Reihe vervollständigt und bekam einen Raspberry Pi als Preis.

Ade Adewunmi von Fast Forward rundete das Programm mit Tipps zur Akzeptanzbildung für Digitalisierungsprojekte in Organisationen ab.Auch dafür gibt es keine Patentrezepte und die Firmenkultur muss für eine erfolgreiche Umsetzung berücksichtigt werden.

Nachwuchs im Wettbewerb

Auch der Nachwuchs der Data Science fand bei der Chemalytix eine Bühne. Beim Covestro Hackathon traten Gruppen von der Tonji University Shanghai, der CMU Pittsburgh und der RWTH Aachen an, um Lösungen für Data Science Probleme aus der chemischen Industrie zu entwickeln. Die drei regionalen Gewinner durften ihre Lösungen im Rahmen der Chemalytix vorstellen. Die Konferenzteilnehmer wählten die Lösung zur Vorhersage der Katalysatoraktivität in einer chemischen Anlage des Teams von der RWTH Aachen zum Gesamtsieger.

Bevor die Teilnehmer dann zu Glühwein und Keksen entlassen wurden, fasste der Leiter der Advanced Analytics bei Covestro, Nils Janus, die Ergebnisse zusammen. Er beschrieb den Stand der Digitalisierung der chemischen Industrie in Deutschland mit einer Analogie zu den fünf Stufen der Trauer beschrieben – Ablehnung, Wut, Verhandeln, Depression und Akzeptanz. Eine verkürzte Wiedergabe würde dieser wirklich guten Abschlussrede nicht gerecht werden, dafür müssen Sie wohl zur nächsten Chemalytix kommen. Noch gibt es zwar keine konkreten Planungen für eine Wiederauflage, aber die Teilnehmer waren sich einig, dass diese erste Konferenz zu Data Science in der chemischen Industrie in Deutschland weitergeführt werden sollte.

Zentrale Herausforderungen für die Data Science, die in vielen der Vorträge genannt wurden:

* Digitalisierung ist ein Teamsport.
* Nur Daten, die maschinenlesbar zugänglich sind, können für digitale Prozesse nutzbar gemacht werden.
* Daten benötigen Kontext.
* Wenn man etwas nicht messen kann und/oder es nicht in Kontext setzen kann, kann man es auch nicht optimieren.

Autor: Dr. Alexander Möller, DECHEMA e.V. / Forschungs- und Projektkoordination

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Von Tony Boehle – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27335434

Metallorganische Gerüstverbindungen oder MOFs gehören vielleicht zu den spannendsten Materialklassen überhaupt. Die Vielfalt der möglichen Zusammensetzungen, Strukturen und Oberflächeneigenschaften eröffnet eine enorme Breite möglicher Anwendungsgebiete. Das zeigt ein Blick auf einige beispielhafte Veröffentlichungen der letzten Monate:

  • Eines der vielbeachteten Einsatzgebiete von MOFs ist die Abtrennung von CO2 aus feuchten Gasströmen. Bisher bereitet das große Probleme, weil die Wassermoleküle mit CO2 um die Bindungsstellen an vielen adsorptiven Materialien konkurrieren. Wissenschaftler der Polytechnischen Hochschule Lausanne um Peter Boyd screenten mit einem Computermodell 325.000 metallorganische Gerüstverbindungen auf ihr Adsorptionsverhalten. Dabei stießen sie auf 35 Strukturen, die CO2 aus nassen Abgasen filtern können. Der Trick: Die Materialien verfügen über getrennte Bindungsstellen für Wasser bzw. für CO2. So wird die Konkurrenz der beiden Moleküle vermieden. Die Ergebnisse aus dem Rechner konnten an zwei Materialien bereits verifiziert werden – sie eignen sich besser als bisher verfügbare Zeolithe und ähnliche Materialien zur CO2-Abtrennung aus feuchter Umgebung. (Publikation in Nature)
  • Ein Team der Universität Manchester stellte im November Ergebnisse zum Einsatz von MOF gegen Luftverschmutzung durch Stickoxide vor. Das „Manchester Framework Material 520 – MFM-520“ adsorbiert 4,2 mmol NO2-Dimere pro g. Behandelt man das MOF anschließend mit Wasser in Luft, wird das NO2 quantitativ zu HNO3 umgewandelt, und das MOF wird vollständig regeneriert. Damit steht ein neues edelmetallfreies Material für die Denitrifikation von trockenen und feuchten Gasströmen zur Verfügung. (Webseite der Universität Manchester)
Photo by Heorhii Heorhiichuk on Pexels.com
  • Auch andere gefährliche Substanzen lassen sich mit Hilfe von MOFs aus der Atemluft entfernen: Im Journal der American Chemical Society berichten Wissenschaftler aus den USA und China über den Einsatz von MOFs, um chemische Kampfstoffe aus der Luft unschädlich zu machen. Bisherige Ansätze scheiterten daran, dass für die Hyrolyse der Nervengifte alkalische Lösungen mit flüchtigen toxischen Basen benötigt wurden. Die Forscher der Nordwestern University und ihre Partner kombinieren MOFs auf Zirkonium-Basis mit linearem Polyethylimin, einer festen Base. Der Verbundstoff speichert genug Wasser aus der Luftfeuchtigkeit, um die Hydrolyse ohne flüssiges Wasser zu ermöglichen. Er lässt sich auf Textilien auftragen und kann so beispielsweise in Luftfiltern oder Schutzanzügen eingesetzt werden. (Artikel im J. Am.Chem. Soc.)
  • Doch der Einsatz von metallorganischen Gerüstverbindungen beschränkt sich nicht nur auf die Abtrennung von Gasen. So berichteten Wissenschaftler kürzlich in Nature Communications über Wege, MOFs so zu designen, dass sie als Katalysatoren bei der Wasserelektrolyse die Sauerstoffentstehung fördern. Dabei werden Verknüpfungen innerhalb des MOF entfernt; anstelle von Liganden mit mehreren Koordinationsstellen werden einfache Liganden eingesetzt, so dass die Netzwerkstruktur Lücken bekommt („missing linkers“). Erste experimentelle Ergebnisse bestätigen die Berechnungen und lassen darauf schließen, dass durch diese Methoden auch MOFs für andere katalytische Reaktionen optimiert werden können. (Artikel in Nature Communications)

Mehr Aktuelles zu metallorganischen Gerüstverbindungen gibt es bei der 7th International Conference on Metal-Organic Frameworks and Open Framework Compounds vom 20 – 23 September 2020 in Dresden. Bis 14. Februar 2020 können Sie Ihren Beitrag einreichen.

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Die Diskussion zur Digitalisierung in der chemischen Industrie schwankt zwischen Enthusiasmus und Ängsten – Zeit, die Diskussion anhand konkreter Beschreibungen zu führen. Das wollen wir in den nächsten Monaten in einer losen Serie tun.

Über die Veränderung der Arbeitswelt durch Digitalisierung und von neuen Geschäftsmodellen wird viel gesprochen. Deutlich wird dies durch allgegenwärtige Begriffe wie Künstliche Intelligenz, Blockchain, Big Data, 5G, Internet of Things und – als Zusammenfassung aller Aspekte im industriellen Umfeld – die Industrie 4.0. Auch Ängste sind mit diesem Trend verbunden. Wird Digitalisierung viele Berufe – vielleicht sogar den eigenen – überflüssig machen? Haben wir die Anlagen denn überhaupt noch unter Kontrolle, wenn sie nur noch von Algorithmen gesteuert werden?

Auf der anderen Seite gibt es aber auch die Enthusiasten, die durch die Digitalisierung die Lösung oder zumindest Unterstützung zur Lösung nahezu aller Herausforderungen sehen. Ein Grund für die großen Unterschiede in diesen Positionen ist eine Diskussion, die zumeist auf einem sehr hohen Abstraktionslevel geführt wird: Es werden Technologien allgemein betrachtet und ungefähre Anwendungsfälle beschrieben, ohne jedoch auf die konkrete Umsetzung in einem Bereich einzugehen.

Es ist an der Zeit, konkreter zu werden

Dies ist in Zukunftsdiskussionen durchaus zulässig und eine Vision kann man nicht entwerfen, wenn man sich in Details verliert. Manchmal ist es aber gerade bei Zukunftsfeldern an der Zeit, die Abstraktion zu reduzieren und bei der Beschreibung etwas konkreter zu werden. Durch diese konkreten Betrachtungen werden auch Chancen und Einschränkungen in spezifischen Einsatzfeldern deutlich. Zudem können die nötigen Schritte zur Umsetzung aufgezeigt werden.

In den nächsten Monaten werden wir hier Themen der Digitalisierung in der Prozessindustrie Betrachten. Zum Einstieg gibt es ein Ergebnispapier aus dem Workshop Digitalisierung elektrochemischer Prozesse, der dieses Jahr im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme InnoEMat durchgeführt wurde. Mitte Dezember organisierte Covestro die Chemalytix-Konferenz zu Data Science und Chemie – wir werden berichten. Ein Whitepaper zur Sensorik für die Digitalisierung chemischer Produktionsanlagen aus einem Workshop, der dieses Jahr bei der DECHEMA stattgefunden hat, wird in Kürze veröffentlich – auch dazu bald mehr an dieser Stelle.

Stichwort „Blockchain“

Außerdem schauen wir im kommenden Jahr auch auf eine konkrete digitale Technologie, mit einem Überblick über Blockchain, in dem wir darauf eingehen, was Blockchain überhaupt ist und welche Chancen und Einschränkungen diese Technik beim Einsatz in der Prozessindustrie hat. Auch das Thema Künstliche Intelligenz in der chemischen Industrie werden wir beleuchten. Mit dem Projekt KEEN startet im April ein BMWi gefördertes großes Verbundvorhaben zu diesem Thema.

Vielfältige Aktivitäten gibt es bereits im Bereich der Modularen Produktion, wobei die Modularisierung neben der Hardwareebene auch in der Automatisierungstechnik und Prozesssteuerung umgesetzt werden muss. Die Modularisierung wird ein Fokusthema auf der ACHEMA 2021 sein und daher auch hier einen besonderen Fokus erhalten.

Sensorik als Grundlage für Digitalisierung sind

Jede Intelligenz, ob klassisch oder künstlich, benötigt Sinnesorgane, um die nötigen Informationen für Entscheidungen zu erhalten. Daher ist Sensorik und Messtechnik ein zentrales Element der Digitalisierung das uns über das bereits erwähnte Whitepaper hinaus beschäftigen wird. Der Arbeitskreis Prozessanalytik hat beim Herbstkolloquium gerade 15 Jahre Trialog zwischen Anwendern, Herstellern und Akademia gefeiert und im Mai findet die europäische Konferenz für Prozessanalyse und –steuerung EuroPACT in Kopenhagen statt. Auch die Prozessanalytik wird ein Kongressthema auf der ACHEMA 2021 sein und entsprechend Platz in unserem Blog finden.

Neben der Digitalisierung in Produktionsprozessen spielt auch die Digitalisierung der Forschung und Entwicklung eine immer größere Rolle und natürlich werden wir auch hierzu berichten. Zum Labor im Zeitalter der Digitalisierung findet im März das PRAXISforum Lab of the Future statt. Ebenfalls im nächsten Jahr starten die Initiativen zur nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) in denen Datenmodelle und Infrastruktur zur Dokumentation und Bereitstellung von Forschungsdaten entwickelt werden.

Und was meinen Sie?

Es gibt also viel zu berichten. Wir werden versuchen, einen möglichst umfassenden Überblick in kurzen und fokussierten Beiträgen zu liefern. Mit Sicherheit ist die Aufzählung aber nicht vollständig und es gibt noch eine Vielzahl weiterer Themen und Veranstaltungen zur Digitalisierung in der chemischen Industrie.

Wenn Sie finden, eine wichtige Veranstaltung wurde hier vergessen und sollte Erwähnung finden, teilen Sie uns dies gerne in den Kommentaren mit.

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