Projekttitel:
Skalenübergreifende Simulation von Separationsverfahren mit kapazitiven Elektroden (S3kapel)
Laufzeit:
01.05.2017 - 30.04.2020
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Kurzbeschreibung:
Auslegung von elektrochemischen Trennverfahren für biotechnologische Anwendungen durch Multiskalen-Simulation
Im Rahmen des Verbundprojektes soll mit Hilfe einer Computersimulation (sogenannte Multiskalen-Simulation) ein elektrochemisches Trennverfahren für die Biotechnologie etabliert werden. Bei diesem Verfahren können durch das Anlegen einer elektrischen Spannung die Materialeigenschaften der verwendeten Elektroden und damit das Trennverhalten der Anlage kontrolliert werden. Daneben bestimmt das verwendete Elektrodenmaterial auch die bauliche Realisierung in der Praxis und somit auch die damit zusammenhängenden nano-, mikro- und makroskopischen Effekte. Das Zusammenwirken auf diesen drei Skalen soll erstmals durch eine Computersimulation umgesetzt und zur Bestimmung des bestmöglichen Trennverfahrens genutzt werden.
Sogenannte „kapazitive“ Trennverfahren beruhen auf elektrochemischen Prozessen zur Trennung von Ionen bzw. geladenen Molekülen. Im Gegensatz zu klassischen Trennverfahren, die über die Bindung von Substanzen an Oberflächen funktionieren, benötigen sie keine chemischen Zusatzstoffe zur Ablösung der angereicherten Moleküle. Der Wechsel zwischen Bindung und Ablösung erfolgt schnell und energieeffizient über eine Veränderung der angelegten elektrischen Spannung. Trotz zunehmender technischer Nutzung dieses Prinzips sind zahlreiche Details noch unverstanden, insbesondere das komplexe Zusammenspiel zwischen elektrischem Feld (Molekülebene), Diffusion (Mikroskala) und Strömungsverhalten (Makroskala). Um das Trennverfahren besser zu verstehen, ist eine Simulation notwendig, die alle relevanten Effekte berücksichtigt. Während viele der verwendeten Simulationsverfahren bereits etabliert sind, stellt die Verknüpfung mehrerer Module (räumlich von sub-Nanometer bis Millimeter, zeitlich von Nanosekunden bis Minuten) noch sehr große Herausforderungen dar. Es werden zudem unterschiedliche Elektrodenformen und ‑materialien betrachtet und später die Simulationsergebnisse mit realen Messungen überprüft.
Kapazitive elektrochemische Separationsverfahren sind eine Alternative zur Trennung von Biomolekülen in der Biotechnologie. Im Gegensatz zu anderen Verfahren kann dabei auf den Einsatz von hohen Salzkonzentrationen verzichtet werden. Dies hat zur Folge, dass auch auf die anschließende Entsalzung der Produkte und die Entsorgung des Salzes verzichtet werden kann. Dadurch können biotechnologische Verfahren deutlich wettbewerbsfähiger werden. Gerade im Bereich der industriellen Biotechnologie (z.B. der Herstellung von Feinchemikalien oder Aminosäuren) spielen die Produktionskosten eine entscheidende Rolle, so dass nur kostengünstige Verfahren mit neuen Technologien einen echten wirtschaftlichen Vorteil für Deutschland erzielen können.
Beteiligte Forschungsstellen und deren Aufgaben:
TU München, Garching (Verbundkoordinator)
Aufgabe:
Mikro- und makroskopische Simulationen zur potential-kontrollierten chromatographischen Trennung von Biomolekülen in einer Schüttgut- Elektrode
Kontakt:
Prof. Dr. Sonja Berensmeier
TU München
Boltzmannstr. 15
85748 Garching
Tel: +49-89-289-15750
E-Mail: s.berensmeier@tum.de
KIT (Institut für Funktionelle Grenzflächen), Karlsruhe
Aufgabe:
Multiskalige Modellierung elektrochemischer Prozesse und Apparate auf Basis kapazitiver Flachelektroden
Kontakt:
Prof. Dr. Matthias Franzreb
Tel: +49 721 608-23595
E-Mail: matthias.franzreb@kit.edu
KIT (Institut für Nanotechnologie), Karlsruhe
Aufgabe:
Molekulardynamische Simulation und Workflow Architektur für die multiskalige Modellierung kapazitiver elektrochemischer Prozesse
Kontakt:
Prof. Wolfgang Wenzel
Tel: +49 721 608-26386
E-Mail: wolfgang.wenzel@kit.edu
