FOR 5538:  Mehrstufige katalytische Produktionssysteme für die Feinchemie durch integriertes Design von Molekülen, Materialien und Prozessen (IMPD4Cat)

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501735683

Feinchemikalien sind unverzichtbare Rohstoffe für die Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen, Polymeren, Kosmetika und Waschmittelzusätzen. Die Entwicklung und der Betrieb eines effizienten und gleichzeitig nachhaltigen Prozesses für die Herstellung einer hochwertigen Feinchemikalie nach den Grundsätzen der grünen Chemie, d. h. nahezu abfallfrei, ist eine anspruchsvolle Aufgabenstellung, die mehrere Herausforderungen beinhaltet: 1) Identifizierung eines mehrstufigen chemischen Transformationspfades auf der Grundlage hochaktiver, selektiver und stabiler Katalysatoren, 2) Auswahl geeigneter molekularer Ausgangsbausteine für die Herstellung des gewünschten Endprodukts, 3) Auswahl geeigneter umweltfreundlicher Lösungsmittel für die beteiligten Reaktions- und Trennschritte, 4) Aufklärung der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen und der Reaktionskinetik als Voraussetzung für die Reaktorauslegung und den optimalen Reaktorbetrieb, 5) Identifizierung effizienter Strategien für die Abtrennung der eingesetzten Katalysatoren, Lösungsmittel, nicht umgesetzten Reaktanten und Nebenprodukte, 6) Entwicklung leistungsfähiger Reinigungsmethoden für das finale Zielprodukt, 7) Design eines integrierten Produktionssystems, bei dem die Reaktions- und Trennstufen optimal aufeinander abgestimmt sind, sowie 8) optimale Regelung des Produktionssystems zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs. Die zentrale Hypothese der DFG-Forschungsgruppe besteht darin, dass die zu treffenden Entscheidungen über Katalysatoren, Lösungsmittel, Additive, Trennmaterialien, Apparatetypen und Betriebsbedingungen in eine integrierte Entwurfsmethodik einbezogen werden sollten, die die gleichzeitige Berücksichtigung aller wesentlichen Variablen auf der molekularen Ebene, der Phasenebene, der Ebene einzelner Prozessstufen und der Ebene des Gesamtprozesses unterstützt. Auf diese Weise können neuartige katalytische Produktionsprozesse für Feinchemikalien identifiziert werden, die sich durch hohe Produktivität, hohe Produktqualität und geringes Abfallaufkommen auszeichnen. Die angestrebte Entwurfsmethodik wird anhand von katalytischen Produktionsprozessen für zwei pharmazeutisch oder biologisch aktiven Substanzklassen entwickelt und dafür exemplarisch angewendet: a) Verbindungen auf Homophenylalaninbasis sowie b) langkettige Aminosäuren und Aminoalkohole. Der gewählte Forschungsansatz erfordert eine enge disziplinübergreifende Zusammenarbeit zwischen Experten aus den Bereichen Katalyse, Technische Chemie, Verfahrenstechnik und Prozesstechnik. Vor diesem Hintergrund wurde ein Team von WissenschaftlerIinnen aus Rostock (Prof. Matthias Beller, Prof. Udo Kragl, Dr. Christoph Kubis) und Magdeburg (Prof. Achim Kienle, Prof. Nora Kulak, Prof. Jan von Langermann, Prof. Heike Lorenz, Prof. Andreas Seidel-Morgenstern, Prof. Kai Sundmacher) gebildet, welche sich komplementär ergänzende Kernkompetenzen in die DFG-Forschungsgruppe einbringen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Auswahl, Design und Anwendung neuartiger biokatalytischer reaktiver Kristallisationskonzepte zur Herstellung von chiralen beta-Aminoalkoholen und alpha-Aminosäuren. (Antragstellerinnen / Antragsteller von Langermann, Jan ;  Lorenz, Heike )
• Entwurf und Entwicklung von molekular definierten Katalysatoren für die effiziente Synthese von Aminoalkoholen und Aminosäurevorstufen (Antragsteller Beller, Matthias )
• Integriertes computergestütztes Molekül-, Material- und Prozessdesign für die mehrstufige katalytische Umwandlung von Olefinen in alpha-Aminosäuren und beta-Aminoalkohole (Antragsteller Sundmacher, Kai )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Sundmacher, Kai )
• Multispektrale und chromatographische online-Analyse von katalytischen Prozessen in der Flüssigphase für das automatisierte und hybride, datengetriebene Prozessdesign, die Prozessregelung sowie Prozessoptimierung (Antragsteller Kubis, Christoph ;  Seidel-Morgenstern, Andreas )
• Optimierung von Oxidationsreaktionen mit Katalysatoren häufig vorkommender Metalle für die Synthese von Aminosäuren (Antragstellerin Kulak, Nora )
• Teilprojekt SP4: Auswahl, Auslegung und Anwendung von Membranverfahren zur Trennung von Reaktionsgemischen (Antragsteller Kragl, Udo )
• Teilprojekt SP7: Selbstlernende Regelung der katalytischen Konversion von Olefinen zu α-Aminosäuren und β-Aminoalkoholen (Antragsteller Kienle, Achim )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Kai Sundmacher