Bei der biotechnologischen Produktion von Wertstoffen treten komplexe Mischungen auf, die sich mit den derzeit vorhandenen thermodynamischen Modellen kaum beschreiben lassen. Sowohl Vielfalt der Natur der Stoffe, als auch die Vielzahl der Komponenten stehen einer Anwendung etablierter thermodynamischer Modelle entgegen. Soll die Auslegung von Aufarbeitungsverfahren nicht nur rein empirisch erfolgen, müssen solche Modelle vorhanden sein.

Bei der Aufarbeitung in der biotechnologischen Produktion stellt sich ferner meist das Problem, dass die Wertstoffe nur hochverdünnt in wässrigen Lösungen vorliegen. Fortschritte bei der Entwicklung von Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus solchen Lösungen haben für das gesamte Gebiet der industriellen Biotechnologie hohe Bedeutung. Das vorliegende Teilprojekt des Forschungskollegs soll hierzu beitragen. In dem Teilprojekt werden gleichermaßen wissenschaftlich wie auch für die Anwendung wichtige Fragen adressiert: Wie lassen sich die zu betrachtenden komplexen Mischungen mit vertretbarem Aufwand so charakterisieren, dass sie einer thermodynamischen Modellbildung zugänglich werden? Hierzu werden spektroskopische Methoden eingesetzt. Diese zielen jedoch nicht wie üblich auf eine vollständige Quantifizierung aller Spezies in der Mischung ab, die für die hier interessierenden Mischungen mit vertretbarem Aufwand nicht erreichbar ist. Vielmehr erfolgt eine Quantifizierung von chemischen Gruppen der Komponenten in den Mischungen.

Eine in unserer Gruppe entwickelte Methode (NEAT) kombiniert NMR Spektroskopie und eine thermodynamische Gruppenbeitragsmethode zur Berechnung des Aktivitätskoeffizienten des Wertstoffes in der Mischung [1,2]. Dieser ist eine wichtige thermodynamische Größe zur Auslegung von Trennprozessen. Die generische Idee von NEAT wird im Rahmen des Forschungskollegs in verschiedene Richtungen weiterentwickelt, z.B. zur Modellierung von Flüssig-flüssig Extraktionsprozessen.

[1] F. Jirasek, J. Burger, H. Hasse. Method for Estimating Activity Coefficient of Target Components in Poorly Specified Mixtures. Ind. Eng. Chem. Res. 57 (2018) 7310-7313.

[2] F. Jirasek, J. Burger, H. Hasse. NEAT – NMR Spectroscopy for the Estimation of Activity Coefficients of Target Components in Poorly Specified Mixtures. Ind. Eng. Chem. Res. (accepted) (2019) DOI: 10.1021/acs.iecr.9b01269.

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