Feinblasen für biokatalytische Prozesse

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Liese; Professor Dr.-Ing. Michael Schlüter
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322785574

In der Verfahrenstechnik werden zunehmend neue Möglichkeiten zur Begasung von Prozessmedien mit hohen Stoffaustauschraten bei geringen Druckverlusten, niedrigen Scherkräften und geringer Schaumbildungsneigung gesucht. Eine neue Technologie mit großem Anwendungspotenzial stellt die Begasung mit Feinblasen dar, die einen Durchmesser von weniger als 100 Mikrometern aufweisen. Die Feinblasen-Technologie hat sich in den letzten Jahren insbesondere in Japan etabliert, wo für Feinblasen-Generatoren und Messgeräte bereits eine eigene Branche existiert, die auf ISO-Standards zurückgreifen kann. In Deutschland ist diese Technologie noch nahezu unbekannt. Für Flotationsprozesse kommen zwar bereits seit langem Feinblasen zur Anwendung, deren physikalische Eigenschaften und Wirkungsweise im Zusammenhang mit Stofftransportprozessen sind jedoch weitgehend unerforscht. Verschiedene Autoren berichten z.B. über Feinblasen, die über Wochen und Monate in Flüssigkeiten beständig sind, obwohl dies der Theorie deutlich wiederspricht. Dieser Effekt wird sehr kontrovers diskutiert und z.B. auf Oberflächenkontaminationen oder Oberflächenladungen zurückgeführt. Trotz der offenen Fragen bieten Feinblasen aufgrund der großen spezifischen Stoffaustauschfläche und damit großen Stoffaustauschleistung ein großes Potenzial zur Intensivierung von chemischen und biochemischen Reaktionen. Die starke Zusammenarbeit zwischen Deutschland und Japan auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik mehrskaliger und mehrphasiger Prozesse (Deutsch-Japanisches Symposium on Multiscale Multiphase Process Engineering, 2011 und 2014 gefördert durch die DFG) bietet die einmalige Chance, diese neue aufstrebende Technologie gemeinsam mit der führenden Nation auf diesem Gebiet zu erforschen und neue Anwendungsbereiche zu eröffnen. Als erstes Pilotprojekt soll hier das Potenzial von Feinblasen für biokatalytische Prozesse untersucht werden. Die hohe Stofftransportleistung, der geringe Zweiphasen-Druckverlust und die vernachlässigbare Scherbeanspruchung sowie die Vermeidung von Schaumbildung und Verdunstung von Reaktanden sind die vielversprechendsten Vorteile der feinblasigen Belüftung gegenüber konventioneller Begasung. Während die Messmethoden des Instituts für Mehrphasenströmungen tiefe Einblicke in die Hydrodynamik und den Stofftransport in Feinblasen-Strömungen mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung ermöglichen werden, bietet die reaktionstechnische Expertise des Instituts für Technische Biokatalyse die Möglichkeit, die Beeinflussung biokatalytischer Reaktionen durch Feinblasen detailliert zu untersuchen. Für den Wissenstransfer aus Japan soll mit diesem Projekt Prof. Terasaka, Keio University, Japan als Merkator-Fellow gewonnen werden. Weiterhin ist ein Austausch von Studierenden, Doktoranden und Hochschullehrern beider Länder geplant. Projektergebnisse werden u.a. auf dem nächsten MMPE Symposium 2017 in Toyama, Japan präsentiert, um weitere länderübergreifende Forschungsprojekte zu initiieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen