Computergestützter Entwurf von stark eutektischen Lösungsmitteln für Trennprozesse zur Separation von Naturstoffen aus flüssigen Gemischen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kai Sundmacher
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411446655

In den letzten 10 Jahren wurden stark eutektische Lösungsmittel (engl. Deep Eutectic Solvents, DES) entdeckt, die sich sehr gut als Hilfsstoffe für die schonende Auftrennung von Naturstoffgemischen eignen. DES besitzen niedrige Schmelzpunkte, einen sehr geringen Dampfdruck und über die Molekülstruktur einstellbare physikalisch-chemische Eigenschaften. Die bisherige Forschungsarbeiten über DES-basierte Trennprozesse für Naturstoffgemische konzentrierten sich auf die experimentelle Untersuchung verschiedener Kombinationen von Wasserstoffbrückenbindungs-Donatoren (HBD) und -Akzeptoren (HBA), welche die stoffliche Basis von DES-Systemen sind. Die systematische Selektion und das optimale molekulare Design der DES-Komponenten sowie deren Bewertung in einem verfahrenstechnischen Prozess wurden bisher kaum untersucht. Um diese Lücken zu schließen, soll in dem hier beantragten Forschungsprojekt eine modellgestützte Methodik entwickelt werden, welche das Design der DES-Komponenten und den Entwurf von DES-basierten Trennprozessen eng miteinander verknüpft. Die Separation von Tocopherol (Vitamin E) von Methyllinoleat wird als praktisch relevantes Anwendungsbeispiel betrachtet. Im ersten Schritt werden potenzielle HBA-Kandidaten für die Bildung von DES-Systemen mit dem Zielprodukt Tocopherol (fungiert als HBD) mittels einem computergestützten Screening-Ansatz identifiziert. Im zweiten Schritt werden die Fest-Flüssig- Gleichgewichte (SLE) der binären Tocopherol/HBA-Gemische experimentell ermittelt. Auf diese Weise werden diejenigen DES-Systeme identifiziert, welche auch in der Realität das gewünschte eutektische Verhalten zeigen. Für diese validierten DES-Systeme werden die Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte (LLE) der ternären HBA/Tocopherol/Methyllinoleat-Gemische sowie weitere prozessrelevante Eigenschaften (z.B. Viskosität, Wärmekapazität) vermessen. Aufbauend auf den gewonnenen SLE- und LLE-Daten wird im dritten Schritt das DES-Phasenverhalten mit der Zustandsgleichung PC-SAFT modelliert. Im vierten Schritt wird für jedes modellierte DES-System durch einen Superstrukturansatz der optimale Trennprozess, bestehend aus Extraktions- und Kristallisationsstufen, ermittelt. Darüber hinausgehend wird eine Gruppenbeitragsmethode (GC-PC-SAFT) eingesetzt, um die Synthese des optimalen Trennprozesses simultan mit der Optimierung der molekularen Struktur der DES-Komponenten durchzuführen. Mittels dieser Entwurfsmethodik sollen innovative eutektische Lösungsmittelsysteme und hocheffiziente Extraktions-Kristallisations-Prozesse bestimmt werden. Die experimentelle Überprüfung ausgewählter Entwurfsergebnisse erfolgt in einer modular aufgebauten, miniaturisierten Versuchsanlage (Miniplant).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Zhiwen Qi