I - Studienführer Verfahrenstechnik 2019 - www.avt.rwth-aachen.de - RWTH Aachen University
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Studienführer
Hier Kapitel
Verfahrenstechnik
2019
i WAS IST VERFAHRENSTECHNIK
VERFAHRENSTECHNIK
IN AACHEN
VERFAHRENSTECHNIKSTUDIUM
AN DER RWTH
FÄCHERKATALOG
ADRESSEN UND LAGEPLAN
www.avt.rwth-aachen.de
1
Inhaltsverzeichnis
2 1 Was ist Verfahrenstechnik?
5 2 Verfahrenstechnik in Aachen
10 2.1 AVT – Bioverfahrenstechnik
12 2.2 AVT – Chemische Verfahrenstechnik
14 2.3 AVT – Computational Systems Biotechnology
16 2.4 AVT – Fluidverfahrenstechnik
18 2.5 AVT – Microscale Bioengineering
20 2.6 AVT – Soft Matter Process Engineering
22 2.7 AVT – Systemverfahrenstechnik
24 3 Verfahrenstechnikstudium an der RWTH
26 3.1 AVT-Angebote
28 3.2 Infos zum Studium
29 3.3 Studienplanänderungen
31 3.4 Studienverlaufspläne
40 4 Fächerkatalog der verfahrenstechnischen Pflicht- und Wahlpflichtfächer
57 5 Adressen & Lageplan der Lehrstühle
2 3
1 Was ist Verfahrenstechnik?
1 Was ist Verfahrenstechnik?
Unser modernes Leben ist ohne Verfahrenstechnik nicht vor- ziertesten verfahrenstechnischen Prozessen gehören. Mengen- Vorgänge wie das mechanische Zerkleinern von Mineralien Neue Technologien und Forschungsfelder schaffen Bedarf an
stellbar und doch ist dieses Berufsbild weitgehend unbekannt. mäßig dürften jedoch die Kraftstoffe (Benzin, Diesel, Kerosin), mittels einer Mühle sein, oder auch eine komplexe mehrpha- Arbeitskräften. Aufgrund der oben beschriebenen breiten
Fragt man in der Fußgängerzone Passanten »Was ist Verfahrens- die aus Erdöl und Erdgas gewonnen werden, weit oben auf sige chemische Reaktion zwischen zwei Edukten, bei denen die Wissensbasis der Verfahrenstechniker sind sie in vielen inno-
technik?«, bekommt man sicherlich eine Vielzahl interessanter der Liste stehen. In den letzten Jahren hat sich zunehmend Reaktionswärme abgeführt werden muss. Auch Vorgänge wie vativen Feldern als Antriebsmotoren gefordert. Der VDI (Verein
Antworten – aber wenige Richtige. Das liegt unter anderem ein neues verfahrenstechnisches Themengebiet etabliert: die Mischen, Fermentieren, Destillieren usw. gehören zum Alltag deutscher Ingenieure) nennt folgende Bereiche als besonders
daran, dass man die Verfahrenstechnik als Berufsbild aus der Verfahrenstechnik nachwachsender Rohstoffe. Die umwelt- des/-r Verfahrenstechnikers/-in. relevante Zukunftsthemen:
Schule einfach nicht kennt. Erschwerend kommt hinzu, dass das schonende Gewinnung von Kraftstoffen aus nachwachsender Zeitskala
Berufsbild eines/-r Verfahrenstechnikers/-in so vielfältig und Biomasse ist daher einer der Forschungsschwerpunkte für die Monate messen • Schaffung von Herstellungsprozessen für neuartige Wirk-,
bunt ist, dass die Definition nicht trivial ist. Natürlich wollen nächste Generation von Prozessen und Produkten, den die modellieren Unternehmen Werk- und Farbstoffe sowie sonstige Chemikalien und Zwi-
Woche
entwickeln
wir uns trotzdem an eine Definition wagen. Aachener Verfahrenstechnik verfolgt (NGP2 – Next Generation Standort schenprodukte,
Tage entwerfen
Center for Processes and Products). betreiben Anlage • Biotechnik und Biomedizin im Gesundheitswesen, für die
Stunden
Die Aufgabe der Verfahrenstechnik ist die Umwandlung vor- Grundoperation Landwirtschaft, den Umweltschutz und die Chemikalien-
liegender Stoffe in solche mit neuen, für den jeweiligen Zweck Multiskalen in der Verfahrenstechnik Minuten
Ein- und mehr- herstellung,
phasige Systeme
gewünschten Eigenschaften. Nach dieser Definition umfasst die s • Umweltschutz und Ressourcenschonung,
Teilchen, Filme
Verfahrenstechnik demnach auch selbstständige Disziplinen Ob Fraktionieren von Erdöl oder das Brauen von Bier – genauso ms Stoffskala • Entwicklung von systematischem Wissen als Grundlage
Molekül-Cluster
wie die Aufbereitungstechnik, das Hüttenwesen oder auch das vielfältig wie die Prozesse und Produkte der Verfahrenstechnik ns klein neuer Verfahren (z.B. Simulation und Optimierung, Pro-
Brauereiwesen. Ebenfalls werden Bereiche der Biotechnologie sind auch die Größenordnungen, mit denen sich Verfahrens- Moleküle mittel zessführung, Prozesswissen statt Empirie).
ps groß
unter dem Begriff Verfahrenstechnik zusammengefasst, sofern technikerInnen beschäftigen. Dabei beginnt Verfahrenstechnik
es sich dabei um prozesstechnische Belange handelt. bereits auf molekularer Ebene: Um die Produkte der Verfah- Die oben genannten Fakten und Prognosen lassen den Schluss
renstechnik noch gezielter an die Anforderungen anzupassen, Zeit- vs. Stoffskala in der Verfahrenstechnik zu, dass die Verfahrenstechnik aus Sicht des Arbeitsmarkts
Kurzum: Verfahrenstechnik ist vielfältig und interdisziplinär. müssen Eigenschaften unterschiedlichster Stoffe zunächst bes- jetzt und auch in der Zukunft sehr gute Chancen und Sicher-
Und diese Interdisziplinarität ist auch nötig, wenn man den ser verstanden und quantifizierbar gemacht werden. Die Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen heit bietet.
Weg vom Rohstoff zum Produkt beschreiten möchte. Gerade in wird als Prozess definiert. Und auch auf dieser Größenordnung
Zeiten schwindender fossiler Rohstoffe besteht die Aufgabe der Enzyme, die in einer Vielzahl von Prozessen als Biokatalysa- gibt es Arbeit für den/die VerfahrenstechnikerIn, wenn zum Planung,
Verfahrenstechnik darin, neben den klassischen Rohstoffen wie toren eingesetzt werden, nutzen wir täglich in Waschmit- Beispiel Grundoperationen energiesparend miteinander ver-
Konstruktion,
Anlagen- &
Erdöl, Erzen und Mineralien, zunehmend alternative Rohstoffe teln. Der Einsatz von Enzymen bietet eine riesige Bandbreite schaltet werden können, um die Energieeffizienz eines ganzen Apparatebau
zu erschließen. Diese wachsen auf den Feldern oder finden sich neuer Synthesewege in biologischen Prozessen, was insbe- Chemieparks zu steigern. Dies geschieht meist am Computer Produktion
in Abfällen oder sogar Abwässern. Insofern ist es ebenfalls eine sondere in Bezug auf nachwachsende Rohstoffe von großem in Prozesssimulationsprogrammen, mit denen ganze Prozess-
Aufgabe der Verfahrenstechnik, Verfahren zur Müllaufberei- Interesse ist. Und wenn wir noch eine Größenordnung höher routen erstellt und optimiert werden können. Und spätestens
tung und zur Reinhaltung von Wasser und Luft bereitzustellen. gehen, beschäftigen wir uns schon mit Eigenschaften von bei der Auslegung des Prozesses ist wieder Interdisziplinarität
Und egal, ob es um die Stoffumwandlung oder die Abfallwirt- Filmen oder Tropfen, die z.B. in der thermischen Verfahrens- gefragt, wenn es um den Austausch mit Naturwissenschaftlern,
schaft geht, oberstes Ziel des/-r Verfahrenstechnikers/-in sind technik untersucht werden. Anlagenbauern, Mess- und Regelungstechnikern, Umweltin-
dabei immer die Minimierung der erforderlichen Energie und genieuren, Sicherheitsfachleuten und anderen Experten zur
der schonende Einsatz von Ressourcen. Buchstäblich greifbar wird Verfahrenstechnik in der Größen- Realisierung des Prozesses geht.
ordnung der Grundoperationen. Die Grundoperation ist nach
Zu den teuersten verfahrenstechnischen Produkten zählen der Lehre der Verfahrenstechnik der einfachste Vorgang bei der Das Berufsbild des Verfahrensingenieurs Lehre,
Pharmaprodukte, deren Herstellungsprozesse zu den kompli- Durchführung eines Verfahrens. Das können scheinbar banale Forschung
& Entwick- Verwaltung
Ebenso breit gefächert und vielfältig wie die Verfahrenstechnik lung
selbst ist auch das Berufsbild des Verfahrensingenieurs. Verfah-
Vertrieb &
rensingenieure findet man in der Forschung und Entwicklung, Manage-
Anwendung
aber auch bei Planung, Bau und im Betrieb von Anlagen und ment
Apparaten. Andere arbeiten als beratende Ingenieure oder in
Trinkwasser- Zukünftige der Projektakquisition. Arbeitgeber von Verfahrensingenieuren Aufgabenfelder von Verfahrensingenieuren (VDI, 2006)
sind längst nicht mehr primär die chemisch-pharmazeutischen
versorgung Kraftstoffe Konzerne. In zunehmendem Maße stellen auch Firmen des
gesamten industriellen Sektors wie der Grundstoff- und Lebens-
mittelindustrie, wie aber auch Energieversorger, Apparate-
bauer, ja sogar Firmen der Medizintechnik und der Auto- und
Nachhaltige Erneuerbare Flugzeugindustrie VerfahrenstechnikerInnen ein. Das verdeut-
licht eine besondere Stärke des Verfahrensingenieurs: Die hohe
Industrie Energien fachliche Flexibilität. VerfahrenstechnikerInnen können sich in
eine Vielzahl von Problemen schnell hineindenken, ihr Wissen
transferieren und Problemlösungen erarbeiten.
Das Berufsbild des/-r Verfahrenstechnikers/-in unterliegt natür-
Herausforderungen für die Verfahrenstechnik lich auch dem allgemeinen wirtschaftlichen Strukturwandel.
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2 Verfahrenstechnik in Aachen
2 Verfahrenstechnik in Aachen
Nahrungsmittelindustrie
Die Historie der Verfahrenstechnik in Aachen reicht bis in das Marquardt von der RWTH beurlaubt, um den Vorsitz des
Jahr 1952 zurück, in welchem das Forschungsinstitut Verfah- Vorstands des Forschungszentrums Jülich zu übernehmen. Zu
renstechnik gegründet wurde. diesem Zeitpunkt übernahm Professor Mitsos die Aktivitäten
der beiden Lehrstühle Prozesstechnik und Systemverfahrens-
Im Oktober 2007 beschlossen die damals fünf Verfahrenstech- technik unter dem Namen Systemverfahrenstechnik. Im August
VERFAHRENSTECHNIK A-Z
nikprofessoren Büchs, Marquardt, Melin, Modigell und Pfennig, 2015 folgte Professor Ismail einem Ruf an die West Virginia
die organisatorische und strategische Zusammenführung ihrer University (USA) und auch Professorin Spieß trat 2015 eine neue
Aktivitäten unter dem Dach der Aachener Verfahrenstechnik Professur an der Technischen Universität Braunschweig an.
– AVT. 2010 gewann die AVT einen sechsten Lehrstuhl – die Außerdem wurde im gleichen Jahr die Jülicher Juniorprofessur
Futtermittelindustrie
Enzymprozesstechnik geleitet durch Professorin Spieß, sowie für Microscale Bioengineering von Professor Kohlheyer in die
die Juniorprofessur Molecular Simulations and Transforma- AVT eingegliedert. Der Ende 2016 neu gegründete Lehrstuhl
tions – hinzu. Seit 2011 ist zudem der Lehrstuhl Computational Soft Matter Process Engineering von Professor Gebhardt ist
Hüttenwesen
Anlagenbau
Systems Biotechnology von Professor Wiechert Teil der AVT. der jüngste Zuwachs innerhalb der AVT.
Papierindustrie Wasseraufbereitung
Apparatebau
Die Professur der Chemischen Verfahrenstechnik, die bis dahin
Professor Melin ausgefüllt hatte, wurde 2011 von Professor Die Forschung der AVT ist stark interdisziplinär geprägt und
Wessling übernommen. 2012 wurde der Lehrstuhl System- Projekte werden oft in Kooperation mit internen sowie externen
Holzindustrie
Heizungstechnik
Klimatechnik
verfahrenstechnik unter der Leitung von Professor Mitsos Partnern aus Universitäten und Industrie bearbeitet. Diese
Medizintechnik
neu gegründet. enge wissenschaftliche Zusammenarbeit der RWTH-Institute
Kunststoffindustrie
wurde insbesondere durch das Exzellenzcluster »Tailor-Made
Entsorgungstechnik
Bis 2015 gab es weitere Änderungen im Professorium der Fuels from Biomass« zum Ausdruck gebracht.
AVT. Zum einen wurde Professor Modigell Rektor der Ger-
Baustoffindustrie
man University of Technology im Oman und ist als Leiter der
Mechanischen Verfahrenstechnik emeritiert. Die Lehraufga-
ben der MVT übernahm Professor Wessling. Der Lehrstuhl für
Thermische Verfahrenstechnik wurde von Professor Jupke,
Versorgungstechnik der zuvor das »Technology Center« für Produktentwicklung
bei Bayer Material Science leitete, übernommen und in Flu-
idverfahrenstechnik umbenannt. Mitte 2014 wurde Professor
Professoren der AVT
PHARMAINDUSTRIE
Chemische
Kautschukindustrie
Industrie
Prof. Wessling Prof. Mitsos
Prof. Büchs Chemische Systemverfahrens-
Petrochemische Industrie
Umwelttechnik
Bioverfahrenstechnik Verfahrenstechnik technik
Bergbau
Genussmittelindustrie Prof. Wiechert Prof. Kohlheyer Prof. Jupke
Computational Sys- Microscale Fluidverfahrens-
tems Biotechnology Bioengineering technik
Prof. Gebhardt
Soft Matter Process
Engineering
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2 Verfahrenstechnik in Aachen
AVT – Gemeinsam für die Zukunft der Verfahrenstechnik NGP² – Next Generation Processes and Products
Das »Center for Next Generation Processes and Products« regionaler, stofflicher und möglichst klimaneutraler Wertschöp-
Erdöl-basierte (NGP2) vereint seit Anfang 2017 die Lehrstühle der Aachener fungsketten stellt hierbei ein Kernziel der Forschungsaktivitäten
Verfahrenstechnik, die bis dahin auf fünf Standorte über das im NGP² dar. Neben der Bioraffinerie wurden Ende 2016 weitere
Verfahrenstechnik Verfahrenstechnik Aachener Stadtgebiet verteilt waren, unter einem gemeinsa- Großgeräte (Druckfermenterkaskade, Hochdruckextraktion,
men Dach. Gleichzeitig positioniert das NGP² durch seine Lage Mikrocomputertomographie (μCT) und Particle Image Velo-
die AVT nun auch räumlich in direkter Nähe ihrer wichtigsten cimetry (PIV)) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
lokalen Kooperationspartner aus Chemie, Biologie und Bio- (DFG) positiv evaluiert und genehmigt. Während diese Groß-
Gasphasenreaktionen Flüssigphasenreaktionen technologie. geräte bereits 2017 geliefert werden konnten, bedürfen die
Teilanlagen der Bioraffinerie einer intensiven Detailplanung
„heiße“ Trennverfahren „kalte“ Trennverfahren Das insgesamt 14.500 m² große Gebäude ist besonders gut auf und werden im Verlauf des Jahres 2019 gebaut, geliefert und
die Bedürfnisse der AVT zugeschnitten, vor allem auch, weil die in Betrieb genommen.
Aufbau funktionaler Moleküle Refunktionalisierung der Moleküle AVT seit Beginn der Planungen im Jahr 2008 wesentlich in die
Konzeptionierung des NGP² involviert war. Neben großzügigen Für die Konzeptionierung der Bioraffinerie konnten die Planer
niedrigviskose Medien viskose Medien Büroflächen für wissenschaftliche Mitarbeiter und Studierende der AVT unter anderem auf die Erfahrungen und Expertise
stehen diverse Räumlichkeiten für Tagungen, Lehrveranstaltun- zurückgreifen, die die AVT zusammen mit ihren Partnern seit
bekannte Produktlinien Exploration neuer Produktlinien gen, Seminare und Besprechungen zur Verfügung. Weiterhin 2007 im Exzellenzcluster »Tailor-Made Fuels from Biomass«
verfügt das Gebäude auf 330 m² über eigene Werkstätten (TMFB) gesammelt und aufgebaut haben. Die Einbindung der
zur Fertigung feinmechanischer und elektronischer Bauteile, AVT in das Bioeconomy Science Center (BioSC) unterstützte
sodass Prototypen für Versuchsstände, Anlagen oder Einbauten die Auswahl geeigneter Prozessrouten und Zielprodukte sowie
Neue Reaktionswege, Katalysatoren, Prozesse, Produkte direkt vor Ort gefertigt und optimiert werden können. Auf über Einordnung und Positionierung vom NGP² in die Fragestellun-
2800 m2 stehen den Wissenschaftlern im NGP2 modernste gen der Bioökonomie. Darüber hinaus profitiert die gemein-
Herausforderungen für die Verfahrenstechnik Laboratorien zur Verfügung. Diese müssen auch besonderen same Forschung der AVT an anderen Großprojekten, wie den
Anforderungen gerecht werden, wie sie beim Arbeiten mit Kopernikus-Projekten zur Energiewende: – Power-2-X und
biologischen Gefahrstoffen (S1 u. S2), mit explosionsfähigen SynErgie – von der räumlichen Nähe im NGP2.
Gemischen oder schwingungssensiblen Geräten auftreten.
Neben Aufgaben in der Forschung ist die Hauptaufgabe der • Erschließung regenerativer Kohlenstoff- und Rohstoffquellen Mit dem NGP² entsteht somit eine einzigartige Plattform für
AVT die Ausbildung von Verfahrensingenieuren. Die AVT bietet durch saisonal flexible Prozessrouten hin zu maßgeschnei- Das Herzstück des Gebäudes bildet das über 650 m² große Kooperationen und Austausch in der Verfahrenstechnik nach-
Workshops und Tagungen zur Fortbildung und als Plattform für derten Zielmolekülen oder funktionalisierten Materialien Technikum, welches eine modulare Bioraffinerie beherbergen haltiger Prozesse, die die AVT noch enger mit ihren starken
den Informationsaustausch für externe Partner und Kunden • Integrierte, modellbasierte Produkt-Prozess-Entwicklung wird. In naher Zukunft soll dadurch ein flexibler Prozess zur Partnern zusammenbringen und somit die Entwicklung innova-
aus der Industrie an. Darüber hinaus wird in der AVT eine zur zielgerichteten und bedarfsorientierten Prozesssynthese Konversion biogener Rohstoffe zu maßgeschneiderten Pro- tiver Prozesse zur verantwortungsvollen Nutzung erneuerbarer
breite Palette von Dienstleistungen vom Experiment bis zur • Stoffliche Wertschöpfung durch Erhaltung und Nutzung der dukten möglich sein und die Verfahrensschritte für Aufschluss, Rohstoffe vorantreiben wird.
Simulation angeboten. Syntheseleistung der Natur Umwandlung und Separation auf modulare Weise verschalten.
Lösungsmittel, Katalysatoren und Energie sollen möglichst
Zurzeit beschäftigt die AVT ca. 185 MitarbeiterInnen, davon ca. Die Lehrstühle der AVT besitzen eine ausgewiesene Expertise verlustfrei rezirkuliert (»zero liquid discharge«) und integriert
135 DoktorandInnen der Ingenieur- und Naturwissenschaften. in unterschiedlichen Gebieten der Verfahrenstechnik. Zukünftig werden. On-line Analytik ermöglicht direktes Prozessverständ-
Teil der AVT sind weiterhin mechanische und elektrotechnische werden die Forschungsaktivitäten entsprechend den bevorste- nis und Prozessoptimierung. Die Entwicklung und Realisierung
Werkstätten sowie ein zentrales Analytiklabor im Neubau NGP². henden globalen Herausforderungen »Rohstoffwandel« und
»Wasserverknappung« auf die Schwerpunkte »nachwach-
In naher Zukunft sind aufgrund der Verknappung der natürlich sende Rohstoffe« und »Wassertechnologien« systematisch
vorkommenden Ressourcen Öl, Gas und Wasser große globale ausgebaut. Die bestehenden Kompetenzen werden vor diesem
Herausforderungen durch den Menschen und insbesondere Hintergrund optimal in neue, interdisziplinäre, stark mit den
von der Verfahrenstechnik zu bewältigen. In der verfahrens- Naturwissenschaften und innerhalb der AVT verzahnte Projekte
technischen Produktion wird entsprechend ein Rohstoffwandel eingebracht und intensiviert werden.
von derzeit als klassisch bezeichneten, fossilen Ausgangsstoffen
hin zu biogenen Stoffen eintreten.
Biogene Rohstoffe bedingen die Entwicklung einer gänzlich
neuen Verfahrenstechnik und damit innovativer Prozesskon-
zepte der nächsten Generation:
Das Center for Next Generation Processes and Products (NGP²)
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2 Verfahrenstechnik in Aachen
Die AVT im Exzellenz-Cluster »Fuel Science Center«
Fermenter im Forschungsmaßstab zur Produktion von Biokraftstof- BioSC Forschungspartner
fen und Plattformchemikalien
Forschung für die Zukunft – Die AVT-Forschungs- che ökologische Probleme. Biotenside hingegen werden durch
aufgaben im Rahmen der Bioökonomie mikrobielle Prozesse aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnen
und sind dadurch leicht abbaubar, nicht toxisch und somit inte-
Bei dem Wandel von einer erdölbasierten Ökonomie hin zu ressant für Spezialanwendungen in der Medizin, der Lebens-
einer zirkulären, nachhaltigen Bio-Ökonomie, handelt es sich mittel- und Agrarindustrie.
zweifellos um den – für die gesamte Menschheit – wichtigsten
Schritt, der in den nächsten 100 Jahren vollzogen werden muss, Um die existierenden Hürden hoher Rohstoffkosten, aufwän-
um ein sicheres Fortbestehen zu ermöglichen. diger Herstellungsprozesse und geringer Produktivität, die
einer wirtschaftlich konkurrenzfähigen Produktion im Wege
Diesen Übergang zu gewährleisten bedeutet, dass bei der Ent- stehen, zu überwinden, verfolgen wir einen interdisziplinären
wicklung neuer Technologien, neben der technischen Machbar- Ansatz. Der Gesamtprozess von der Stammentwicklung und der
keit, vor allem Fragestellungen in Hinblick auf Umwelteinflüsse, Verbesserung der Rohstoffverwertung, über die Erforschung
Das Ziel des Fuel Science Centers: ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf Nachhaltigkeit der Rohstoffquellen und ethische Überlegungen, innovativer Fermentationskonzepte und Prozesskontrollstrate-
wie Nahrungsmittelkonkurrenz, eine wichtige Rolle spielen. gien, bis zur Entwicklung integrierter Downstream-Processing-
Technologien wird, aufeinander abgestimmt, in einem Projekt
Die Verknappung fossiler Brennstoffe und Sorgen um mögliche Als Kohlenstoffquelle für E-Fuels dient dabei entweder nach- Das Kompetenzzentrum Bioeconomy Science Center (BioSC) bearbeitet.
Folgen des Klimawandels haben zur verstärkten Suche nach haltig erzeugte Biomasse oder CO2. Das FSC geht in seinem ist ein vom Land Nordrhein-Westfalen gefördertes Strate-
Alternativen zu erdölbasierten Kraftstoffen geführt. Vor allem konvergenten Ansatz zu bio-hybrid Fuels weit darüber hinaus gieprojekt mit dem Ziel, die Entwicklung einer nachhaltigen Neben typisch verfahrenstechnisch angehauchten Fragestel-
das Stichwort Elektromobilität wird seit einigen Jahren als und schafft die wissenschaftlichen Grundlagen für ein integ- Bioökonomie durch grundlegende Untersuchungen aus ver- lungen wie die Auslegung und Optimierung von Teil- sowie
eine zukunftsträchtige Strategie angesehen. Allerdings ver- riertes Design von Produktionsprozessen und Motorentechnik. schiedensten Blickwinkeln voran zu bringen. Um strukturelle, Gesamtprozessen oder der Generierung von Produkten, die der
hindert bis jetzt die niedrige Energiespeicherdichte der Bat- Adaptive technologische Lösungen werden angestrebt, um auf wissenschaftliche und technologische Grundlagen zur Bewälti- Allgemeinheit zu Gute kommen sollen, werden Dank der Erfah-
terien eine breite Anwendung. Von daher werden chemische die zunehmende Diversifizierung der Energie- und Rohstoffver- gung dieser komplexen Herausforderung zu generieren, haben rungen und Sichtweisen der Partner aus anderen Disziplinen
Energieträger, im Idealfall aus nachwachsenden Rohstoffen, sorgung und Veränderungen des Mobilitätssektors reagieren sich Experten verschiedener Fachdisziplinen wie Biologie, auch grundlegendere Aspekte einer Bioökonomie beleuchtet.
auch weiterhin eine wichtige Rolle als Kraftstoff für mobile zu können. Zur Realisierung flexibler und ökonomischer Wert- Chemie, Biotechnologie, Ökonomie und Verfahrenstechnik Beispiele hierfür sind die Untersuchung des genetischen Pools
Antriebe spielen. schöpfungsketten wird dabei die (elektro-)katalytische Produk- der RWTH Aachen University, der Heinrich-Heine-Universität von Pflanzen und deren variierender Erscheinungsform, der
tion von Energieträgern und Chemikalien berücksichtigt. Für Düsseldorf, der Friedrich-Wilhelms Universität Bonn und des nachhaltige Anbau von neuen Pflanzen und den daraus für
Biokraftstoffe der ersten Generation, wie Ethanol oder Bio- die Rückwandlung der chemisch gespeicherten Energie werden Forschungszentrums Jülich zusammengeschlossen. das biologische Umfeld resultierenden Folgen, die Anpassung
diesel, fanden den Weg an die Zapfsäule, doch wegen teils emissionsminimierte, molekular kontrollierte Verbrennungssys- von bestehenden chemischen und biologischen Reaktionen
niedriger Effizienz, unbefriedigender CO2-Einsparung und teme erforscht. Es werden methodische Konzepte entwickelt, Im Rahmen des Strategieprojektes BioSC arbeiten derzeit vier auf die veränderten Ausgangsmaterialien oder der sozialen
der Konkurrenz mit der Nahrungsmittelindustrie stellen sie um für die Bewertung von Umweltbelastung, Wirtschaftlich- Lehrstühle der AVT an vier großen Phase-2 Forschungsprojekten Akzeptanz der Gesellschaft.
keine optimale Lösung der zukünftigen Energieversorgung dar. keit und gesellschaftlicher Relevanz von einer analytischen in multidisziplinären Forschungsteams. Von diesen vier Pro-
Einige dieser Probleme lösen die Biokraftstoffe der zweiten Beschreibung zu belastbaren Prognosen zu gelangen. jekten Bio², AP³, CombiCom und HylmPAct möchten wir Euch Zusätzlich zum Forschungsschwerpunkt steht die Lehre stark
Generation, die, anders als ihre Vorgänger, aus der gesamten am Beispiel Bio², dessen Leitung bei der AVT liegt, beispielhaft im Vordergrund des Kompetenzzentrums. Die Mitarbeiter und
Biomasse der Nutzpflanzen hergestellt werden. Aufbauend auf den Erfolgen des Exzellenzclusters »Tailor-Made eine solche Zusammenarbeit vorstellen. somit auch die Studierenden der BioSC sollen gezielt durch die
Fuels from Biomass« schafft das FSC als strukturbildende Einheit entwickelte Struktur des Kompetenzzentrums in der interdis-
Die Grundlagenforschung des Exzellenz-Cluster »Das Fuel Sci- der kooperierenden Institute an der RWTH Aachen University, Im Rahmen des FocusLabs Bio² entwickeln wir einen kon- ziplinären Arbeit ausgebildet werden.
ence Center – Adaptive Umwandlungssysteme für erneuerbare nun im Verbund mit dem Forschungszentrum Jülich sowie kurrenzfähigen Bioraffinerieprozess für die Herstellung von
Energie- und Kohlenstoffquellen« (FSC) schafft die Basis für den beiden beteiligten Max-Planck-Instituten, ein weltweit Biotensiden. Tenside sind oberflächenaktive Moleküle, die
die integrierte Umwandlung von erneuerbarer Elektrizität führendes wissenschaftliches Umfeld. u.a. in Reinigern und Waschmitteln Anwendung finden. Ca.
mit biomassebasierten Rohstoffen und CO2 zu flüssigen Ener- 97 % der heute eingesetzten Tenside werden zurzeit aus Erdöl
gieträgern mit hoher Energiedichte (»Bio-hybrid Fuels«). Die hergestellt. Aufgrund der toxischen und schwer abbaubaren
aktuelle Forschung zu erneuerbaren Treibstoffen konzentriert petrochemischen Grundbausteine ergeben sich jedoch erhebli-
sich auf Ersatzkraftstoffe für die heutige Motorentechnologie.
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2 Verfahrenstechnik in Aachen
sellschaft vorbereitet. Seit 2016 werden über einen Bearbei- Power-2-X untersucht Technologien zur Umwandlung von
tungszeitraum von drei bis zehn Jahren wirtschaftliche, gesell- elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen in
schaftliche, politische und technologische Forschungsfragen, chemische Energiespeicher und Produkte. Im Fokus stehen
eingebettet in den Teilprojekten ENSURE, ENavi, Power-2-X und verschiedene Syntheserouten für gasförmige Produkte, wie
SynErgie, untersucht und miteinander verknüpft. 12 Mitarbeiter Wasserstoff oder Synthesegas (Power-2-Gas), flüssige Subs-
an drei AVT-Instituten sind maßgeblich in den Teilprojekten tanzen, wie Kraftstoff (Power-2-Liquid) oder Basischemikalien
SynErgie und Power-2-X beteiligt. Zusätzlich ist Prof. Mitsos von (Power-2-Chemicals). Die AVT arbeitet in Power-2-X gemeinsam
der SVT Clusterverantwortlicher für die chemische Industrie mit anderen Partnern aus Wissenschaft und Industrie an der
in SynErgie. Herstellung sogenannter Oxymethylenether (OME) aus erneu-
erbarem Strom und CO2. OME sind Kraftstoffe, die durch ihre
Aufgrund des fluktuierenden Charakters erneuerbarer Ener- extrem saubere Verbrennung die Schadstoffemissionen des
gien gewinnt die dynamische Auslegung energie- und verfah- Verkehrssektors massiv reduzieren könnten.
renstechnischer Prozesse neben der klassischen, stationären
Betrachtung zunehmend an Relevanz. Gemäß dem Ansatz des Die enge Zusammenarbeit von Industriepartnern und For-
sog. »demand-side managements« werden im Rahmen des schungsträgern ermöglicht es, innerhalb der Projektphase
Kopernikus Projektes SynErgie energieintensive Prozesse, wie neue technologische Entwicklungen bis zur industriellen Reife
z.B. Luftzerlegungsanlagen, Glas- und Aluminiumhütten, sowie zu entwickeln, um die Energiewende langfristig und nachhaltig
Papieranlagen optimal an den Strommarkt angepasst, um Kos- voran zu treiben. Damit ist dieses junge Projekt nicht nur not-
ten zu senken und die Netzsstabilität durch das Abfangen von wendig und zukunftsweisend, sondern bringt erste industrielle
Lastspitzen zu sichern. Ebenso vielfältig sind die thematischen Kontakte und einen Einblick in das spätere Berufsfeld.
Schwerpunkte, welche von der experimentellen Betrachtung
von Prozessen im Labormaßstab über die in-silico Erforschung Die VerfahrenstechnikerInnen unserer AVT-Lehrstühle freuen
Innovativer Ansatz einer Bioraffinerie zur Generierung von Biotreibstoffen der »dritten Generation« von neuartigen Regelungskonzepten bis hin zur modellop- sich bei der Mitgestaltung dieser wichtigen gesellschaftlichen
timierten Produktionsplanung von industriellen Prozessen Aufgaben im Rahmen von Abschlussarbeiten, Forschungspro-
reichen. In Kooperation mit den anderen Projektpartnern aus jekten oder HiWi Tätigkeiten über Ihre Unterstützung. Inter-
Kopernikus Projekte – genutzten regenerativen Energiequellen wie Wind- und Industrie und Wissenschaft arbeitet die AVT daran, diese Ziele essante Arbeiten finden sich hier im Bereich der chemischen
mit Power in die Energiewende Solarenergie ergibt die Notwendigkeit eines flexiblen Ener- zum einen durch eine flexible Auslegung neuer und zum ande- Elektrolyse, CFD-Simulationen, konzeptionellen Prozessent-
gienetzes und effizienter Energiespeicher. In der Forschungs- ren durch eine optimale, flexible Betriebsweise bestehender wicklung, Prozessoptimierung oder Reaktordesign.
Die fortschreitende Umstellung auf erneuerbare Energien initiative »Kopernikus« des Bundesministeriums für Bildung Anlagen und Prozesse zu erreichen.
stellt hohe Anforderungen an die Energieversorgung. Ins- und Forschung (BMBF) wird die Energiewende mit zahlreichen
besondere die fluktuierende Verfügbarkeit der vermehrt Partnern aus Industrie, Forschungseinrichtungen und Zivilge-
Die unterschiedlichen Schwerpunkte des BioSC Konzeptes, Foto: BioSC/BMBF Zusammenspiel der Kopernikus Projekte SynErgie, Power-2-X, EnNavi und ENsure, Foto: Erbse Design
12 13
2 Verfahrenstechnik in Aachen
2.1 AVT – Bioverfahrenstechnik Die Biotechnologie ist eine der am schnellsten wachsenden 4. Ihre Mitarbeit am Lehrstuhl
Zukunftsbranchen. Die Feinchemikalienproduktion, die Pflan-
zenschutz- und vor allem die Pharmaindustrie werden in den Als Studierender an der BioVT können Sie in Form von Bache-
nächsten Jahren einen enormen Innovationsschub durch die lor- oder Masterarbeiten, der Projektarbeit oder als HiWi pra-
Bioverfahrenstechnik erfahren. Durch den Rohstoffwandel vom xisnahe Einblicke in die aktuelle Forschungen gewinnen. Durch
Erdöl zu nachwachsenden Rohstoffen sind große Herausforde- Ihre selbstständige und selbstverantwortliche Arbeit eignen
rungen zu bewältigen, die aber auch gewaltige Möglichkeiten Sie sich neben dem fachlichen Wissen auch erste Projektma-
zur Sicherung einer nachhaltigen Industrie bieten. nagementskills an.
3. Forschungsschwerpunkte 5. In diesen Fächern begegnen Sie der AVT.BioVT
Die AVT.BioVT beschäftigt sich hauptsächlich mit der biotech- • Kosten und Wirtschaftlichkeit von Bioprozessen
nologischen Wertproduktherstellung, auch unter Berücksich- • Reaktionstechnik
tigung von umwelt- oder aufarbeitungstechnischen Frage- • Bioreaktortechnik
stellungen. Im Mittelpunkt der Forschungstätigkeit steht die • Online-Analytik von Fermentationsprozessen
Entwicklung neuer Methoden und Apparate für eine effiziente • Verfahrenstechnisches Seminar
Bioprozessentwicklung. Es wird jedoch keine eigene Mikro- • Bioprozesskinetik
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon: biologie beforscht, sondern die am Lehrstuhl entwickelten • Interdisziplinäres Praktikum
Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs 23 wissenschaftliche Forckenbeckstraße 51 02 41 – 80 23 56 9 bioverfahrenstechnischen Methoden und Apparate werden • Regenerative Brennstoffe
Dr. rer. nat. Nina Ihling 6 nichtwissenschaftliche 52074 Aachen in zahlreichen Kooperationen mit anderen Lehrstühlen oder • Biotechnologische Verfahren zur Nutzung nachwachsender
2 Azubis der Industrie etabliert. Folgende Forschungsgebiete werden Rohstoffe
augenblicklich schwerpunktmäßig bearbeitet: • Halten von wissenschaftlichen Vorträgen
• Verfahrenstechnik im Team (ViT)
1. AVT.BioVT 2. Was ist Bioverfahrenstechnik? Schüttelreaktorsysteme • Messtechnisches Labor (MTL)
Der Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik ist 1996 von Prof. Haben Sie sich schon mal darüber Gedanken gemacht, wie In den ersten Screening-Stufen biotechnologischer Entwick-
Büchs gegründet worden. Seitdem agiert er erfolgreich als Bier oder Essig produziert wird? Wie die Gewinnung von Bio- lungsarbeit werden in sehr großer Zahl Schüttelreaktoren (Erlen-
Schnittstelle zwischen den naturwissenschaftlichen Diszip- kraftstoffen optimiert werden kann oder wie Apparate zur meyerkolben, Reagenzgläser und Mikrotiterplatten) eingesetzt,
linen Biologie, Medizin und Technische Chemie, sowie den Antibiotika-Herstellung ausgelegt werden müssen? Dies sind um eine große Anzahl an Versuchen parallel und in kurzer Zeit
Ingenieurswissenschaften, vornehmlich der Verfahrenstechnik. Fragen, mit denen sich die Bioverfahrenstechnik beschäftigt. durchführen zu können. Trotz ihrer Einsatzhäufigkeit und der
Daher ist der Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik auch Mitglied Immer wenn Mikroorganismen zur Stoffumwandlung benötigt Bedeutung sind Schüttelreaktoren bisher verfahrenstechnisch
zweier Fakultäten: der Fakultät für Maschinenwesen und der werden, dann fällt die Prozessauslegung und Optimierung kaum erforscht und die Mess- und Analysemöglichkeiten sind
Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften. in den Bereich der Bioverfahrenstechnik. Deshalb stellt sie im Gegensatz zum späteren Prozess unterentwickelt. Da im
auch die Verbindung zwischen der Biologie (Medizin) und den kleinen Maßstab jedoch ganz entscheidende Selektionen und
Prof. Büchs hat vor seiner Zeit an der AVT.BioVT knapp neun Ingenieurswissenschaften dar. Weichenstellungen vorgenommen werden, muss sichergestellt
Jahre in der biotechnologischen Forschung der BASF gearbeitet werden, dass mögliche Limitierungen vermieden und konsis-
und unterhält gute Beziehungen zu japanischen Forschungs- Für einen erfolgreichen Bioprozess sind neben den biologi- tente experimentelle Bedingungen garantiert werden können.
instituten wie z.B. der Osaka Universität und dem »Institute schen Gesichtspunkten auch verfahrenstechnische Aspekte Auf diesem Forschungsgebiet nehmen wir zurzeit eine weltweit
of Physical and Chemical Research« (RIKEN). relevant. Darunter fallen solche Größen, die nur durch Bilan- führende Stellung ein. Zurzeit wird die Laborautomation mit
zierung, Berücksichtigung von Stofftransportvorgängen und Hilfe von Robotern aktiv vorangetrieben.
Modellierung zugänglich sind. Dazu gehören z.B. die Sauer-
stoffzufuhr, die Kohlendioxidentfernung, die Bestimmung der Fermentations- und Reaktortechnik
hydromechanischen Belastung von Mikroorganismen und die
Berechnung der notwendigen Wärmeabfuhr. In diesem Forschungsbereich werden reaktor- und regelungs-
technische Fragestellungen zur biotechnologischen Wertpro-
Zu den biotechnologischen Stoffumwandlungen zählen sowohl duktherstellung bearbeitet. Im Mittelpunkt stehen hier Stoff-
die komplexen Biosynthesen bei Fermentationsprozessen als transportphänomene sowie die Bilanzierung, Regelung und
auch Biotransformationen mit Mikroorganismen oder Enzymen, modellmäßige Beschreibung von Fermentations- und Biotrans-
bei denen nur eine relativ einfache Stoffumwandlung erfolgt. formationsprozessen. Auch in diesem Arbeitsgebiet werden
Bei Fermentationsprozessen kommen Mikroorganismen und neuartige Messmethoden erforscht, um bessere Einblicke in
zunehmend auch tierische und pflanzliche Zell- oder Gewe- den Reaktor zu erhalten. Zu nennen sind hier unter anderem
bekulturen zum Einsatz. Die Zukunft gehört der Anwendung die Bilanzierung der biologischen Wärmeentwicklung durch
gentechnisch veränderter Organismen und Zellen. Ein wichtiges Kalorimetrie und die Erfassung von lebenden Zellen durch
Aufgabenfeld besteht in der Übertragung der in Schüttelre- Impedanzmessung.
aktoren (Schüttelkolben, Reagenzgläser, Mikrotiterplatten) Aufnahme der Pipettenspitzen Mikrotiterplatte im BioLector für
ermittelten Ergebnisse in Laborfermenter und schließlich in durch das »Liquid Handling Sys- optische Messungen wichtiger
technische Maßstäbe. tem« für eine automatisierte Pro- Prozessparameter während der
Die Bausteine der Bioverfahrenstechnik zessführung Kultivierung
14 15
2 Verfahrenstechnik in Aachen
2.2 AVT - Chemische Verfahrenstechnik 3. Forschungsschwerpunkte
Aus dem Alltag sind Membranen vor allem durch die Ver-
wendung in Funktionskleidung bekannt, mit GoreTex als pro-
minentestem Produkt. Industriell jedoch werden die größten
Membranflächen in der Medizintechnik, Wasseraufbereitung
und Trinkwassergewinnung eingesetzt. Mehr als 1 Million
Menschen mit Nierenerkrankungen leben Dank des Prozesses
der Hämodialyse, in der Ultrafiltrationsmembranen als Nieren-
ersatz eingesetzt werden. In neuen Produktionsanlagen von
Trinkwasser aus Meerwasser wird fast ausschließlich Umkehr-
osmose eingesetzt; sie hat energieintensive verdampfungs-
basierte Prozesse vollständig ersetzt. Die heutige chemische
Industrie befindet sich in einer Neuorientierungsphase: mit
dem Bewusstsein, dass fossile Energie- und Materialträger
limitiert in ihrer Menge sind, evaluieren viele Industriezweige,
inwieweit eine Energiewende die Industrielandschaft verän-
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon: dern wird. In unserem Lehrstuhl untersuchen wir, wie Elek-
Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling 46 wissenschaftliche Forckenbeckstraße 51 02 41 – 80 95 47 0 tronen aus solaren und windenergetischen Prozessen direkt
Dr.-Ing Süleyman Yüce 14 nichtwissenschaftliche 52074 Aachen zu chemischen Grundstoffen wie Alkanen oder Ammoniak
1 Azubi umgesetzt werden können. Beispielsweise kristallisieren sich
zurzeit im Bereich der chemischen Reaktionstechnik drei For-
schungsrichtungen heraus:
1. AVT.CVT
Die Integration von Rapid-Prototyping-Techniken zur freien
Der Lehrstuhl »Chemische Verfahrenstechnik« wird durch Prof. senschaften, Apparatetechnik, Prozessdesign, Multiphysik- Gestaltung der Membranen und Reaktionsflächen. Diese Versuchsstände an der AVT.CVT
Matthias Wessling geleitet. 2010 kam er über eine Alexander- Simulation und Reaktionstechnik. Techniken ermöglichen ein dreidimensionales Design ganz
von-Humboldt Professur von der Universität Twente (NL) nach neuer Reaktorsysteme. Damit können die Stoffkonversion und Simulationen auf verschiedenen Skalen. Durch Prozesssimula-
Aachen. In der Vergangenheit richtete sich sein Forschungsinte- Das Zusammenspiel dieser Disziplinen erstreckt sich von der Stofftrennung optimal an die Anforderungen des Prozesses tionen können z.B. ungewöhnliche Verfahrenskombinationen
resse in vielfältigen industriellen und akademischen Positionen Grundlagenforschung bis hin zur industriellen Anwendung. angepasst werden. untersucht und die Vorzüge einzelner Verfahren besonders
auf die Entwicklung von Membranprodukten und Prozessen zur Ausdruck für die Interdisziplinarität des Lehrstuhls ist die Mit- effizient genutzt werden. Die Arbeit wird durch erfahrene Mitar-
Trennung molekularer Mischungen. Seit der Übernahme des arbeit von Prof. Matthias Wessling im »Scientific Board« des Kapillarmembranreaktoren, bei denen an der porösen Mem- beiterInnen in Labor und mechanischer Werkstatt unterstützt.
Lehrstuhls erweiterte sich die Forschungsrichtung auf die Inte- Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien DWI, dessen Fokus branwand heterogen-katalysierte Reaktionen ausgeführt So breitgefächert wie die Forschungsprojekte am Lehrstuhl sind
gration technischer Membranen in chemische Stoffumwand- auf der Entwicklung funktioneller, komplexer und adaptiver werden. auch die Möglichkeiten Einblicke in die Forschung zu erhalten.
lungsprozesse. Die Forschungsarbeiten finden in verschiedenen Materialsysteme liegt. Die enge Zusammenarbeit zwischen Neben Studien-, Projekt-, Bachelor- und MasterarbeiterIn-
Disziplinen statt: unsere Tätigkeit reicht von experimenteller dem DWI-Team aus Nano- und Biotechnologen und der Ver- Elektrochemische Membranreaktoren auf der Basis soge- nen sind in den meisten Projekten HiWis an vorderster Front
Erprobung neuer interdisziplinärer Prozesskonzepte bis hin zur fahrenstechnik birgt Potential für neue kreative Systemkon- nannter Membrane Electrode Assemblies (MEA), in denen beteiligt. Neben der Tätigkeit am Lehrstuhl selbst begrüßen,
simulativen Prozessentwicklung und -optimierung. Durch ste- zepte, die selektiven Stofftransport und molekulare Konversion durch Elektronen, Wasser und regenerierbare Grundstoffe im vermitteln und betreuen wir Arbeiten an ausländischen Hoch-
tigen Austausch mit den anderen AVT-Lehrstühlen lassen sich miteinander kombinieren. Dabei ist die national und interna- Zusammenspiel mit Membranen in einem brennstoffzellenähn- schulen und bei in- und ausländischen Firmen.
so innovative Lösungskonzepte entwickeln. Seit 2018 ist Prof. tional bewiesene Alleinstellung im Bereich der Membranher- lichen Prozess durch Elektronen Wasser und regenerierbare
Wessling außerdem als Prorektor für Forschung und Struktur an stellung und Stofftransportbeschreibung Ausgangspunkt für Grundstoffe umgesetzt werden. 5. In diesen Fächern begegnen Sie der AVT.CVT
der RWTH tätig. Zu den besonderen Aufgaben des Prorektors für neue Forschungsfelder, insbesondere der elektrochemischen
Forschung und Struktur gehören neben der Sicherstellung der Membranreaktoren. Diese werden, auf regenerativen Energien Die Forschung am Lehrstuhl für chemische Verfahrenstechnik
allgemeinen Forschungsvoraussetzungen die Intensivierung der basierend, ein Schlüsselelement der chemischen Industrie konzentriert sich also im Wesentlichen auf drei Anwendungs- • Angewandte Chemische Verfahrenstechnik
ingenieurtechnischen Wissenschaftsprofilierung aller Fakultä- darstellen. felder und »Grand Global Challenges«: Wasser, Energie und • Angewandte Produktentwicklung in der VT
ten der RWTH Aachen sowie die Etablierung von Großprojekten Gesundheit. Die Motivation rührt aus der Grundhypothese, • Chemische Verfahrenstechnik
wie etwa Exzellenzclustern, Sonderforschungsbereichen und Die Expertise des Lehrstuhls im Bereich der Membrantechnik dass Stoffumsetzung und Stofftrennung eng auf einander abge- • Grundoperationen der Verfahrenstechnik
die Beteiligung an großen europäischen Projekten. spiegelt sich in vielfältigen Kontakten zu Industrie und For- stimmt und integriert sein müssen, so wie es uns die Natur in • Industrielle Umwelttechnick und Luftreinhaltung
schung, Prof. Wesslings Tätigkeit als Editor des »Journal of zellularen Systemen vorlebt. • Medizinische Verfahrenstechnik
2. Was ist Chemische Verfahrenstechnik? Membrane Science« sowie in dem 2007 im Springer-Verlag • Membrane Processes
publizierten Buch »Membranverfahren« wider, deren Autoren 4. Ihre Mitarbeit am Lehrstuhl • Messtechnisches Labor (MTL)
Das Verständnis und die Entwicklung effizienter, intelligenter Prof. Rautenbach und Prof. Melin vor 2010 den Lehrstuhl und • Produktentwicklung in der Verfahrenstechnik
und kompakter Apparate und Verfahren, wie den Membran- das Institut für Verfahrenstechnik geleitet haben. Experimentelle Arbeiten in unterschiedlichen Maßstäben, von • Verfahrenstechnik im Team
verfahren und Membranreaktoren, stehen im Fokus großer Laborexperimenten bis zu Pilotanlagen sind häufig die Grund- • Verfahrenstechnisches Seminar
Forschungsfelder wie der Wasserentsalzung, Medizintechnik lage der Forschungsarbeit. Neben der Entwicklung neuer Appa- • Water Treatment Processes
und der Energiespeicherung. Das Forschungsfeld der Membran- rate und Reaktoren stellt deren Integration in Gesamtprozesse
verfahren und der Membranreaktoren umfasst und kombiniert eine weitere Herausforderung moderner Verfahrenstechnik dar.
die Bereiche von Kolloiden und Grenzflächen, Materialwis- Unterstützt werden die experimentellen Arbeiten daher durch
16 17
2 Verfahrenstechnik in Aachen
2.3 AVT - Computational Systems Biotechnology Vorgaben für das Gesamtsystem gemacht werden, die dann Einen darauf aufbauenden Schwerpunkt des Instituts bildet die
auf der Ebene des Stoffwechsels in Stoffflüsse umgesetzt und Entwicklung quantitativer Analysemethoden, die den internen
mit Hilfe von Regelkreisen stabilisiert werden. Für die Analyse Zustand einer Zelle auf allen Ebenen der zellulären Organisa-
dieser Netzwerke und Regelkreise werden dieselben Methoden tion möglichst genau abbilden können. Diese sogenannten
eingesetzt, wie sie der Ingenieur auch zur Prozessbeschreibung »omics« Methoden (Transcriptomics , Proteomics, Fluxomics,
einsetzt: hierarchische Modellierung, Stoffbilanzierung, Ther- Metabolomics) erfordern die Entwicklung aufwendiger Mes-
modynamik. Die erarbeiteten Netzwerkmodelle werden mit sprotokolle, präzise Fehleranalysen, umfangreiche Kalibrie-
Hilfe moderner Simulationswerkzeuge umgesetzt und deren rungsmaßnahmen und neue computergestützte Verfahren zur
Parameter auf Grundlage experimenteller Daten bestimmt. Rohdatenprozessierung, wie z.B. von Massenspektren oder
Dazu sind informative Experimente mit Hilfe von modernen Videosequenzen.
Versuchsplanungs-Algorithmen gezielt zu entwerfen. Auf
Grundlage der Modelle werden dann Vorhersagen getroffen Das Jülicher Institut beheimatet auch die Nachwuchsgruppe
und mit Optimierungsmethoden vielversprechende Modifi- »Microscale Bioengineering« von Jun.-Prof. Dietrich Kohlheyer,
kationen am System ermittelt. die zugleich eine eigenständige Arbeitsgruppe der AVT ist
(siehe AVT.MSB).
Die Modellierung und Simulation von Apparaturen und Prozes-
sen gehört ebenfalls zum Arbeitsgebiet der Jülicher Ingenieure. 4. Mitarbeit am Lehrstuhl (Art der HiWi-, For-
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon: Beispiele sind Bioreaktoren, mikrofluidische Chips oder Chro- schungstätigkeit)
Prof. Dr. rer. nat. 35 wissenschaftliche Leo-Brandt-Straße 0 24 61 – 61 55 57 matographie-Prozesse. Oft werden dabei Mehrskalenansätze
Wolfgang Wiechert 10 nichtwissenschaftliche 52425 Jülich verfolgt. Komplexe mikrostrukturierte Simulationen erfordern Das IBG–1 bietet vielfältige Betätigungsmöglichkeiten für Stu-
dabei den Einsatz der Jülicher Supercomputer. dierende der Ingenieurwissenschaften, sowohl im simulati-
ven als auch im konstruktiven und experimentellen Bereich.
Quantitative Analyse biologischer Systeme HiWis, Bacheloranden und Masteranden unterstützen die
1. Computational System Biotechnology 3. Forschungsschwerpunkte Forschungsarbeiten der etwa 25 Doktoranden. Im interdis-
Die Systembiologie erfordert Experimente mit biologischen ziplinären Kontext werden konkrete Themen oft auf die Aus-
Hinter dem Lehrstuhl »Computational Systems Biotechno- Modellierung von Netzwerken und Prozessen Systemen unter hochkontrollierten Bedingungen bei einem bildung und Vorkenntnisse der Bewerber zugeschnitten. Eine
logy« verbirgt sich der Bereich »Systembiotechnologie« am gleichzeitig möglichst hohen Durchsatz. Daher übernehmen Anfrage lohnt sich.
Institut IBG–1 (Biotechnologie) des Forschungszentrums Jülich Die interne Organisationsstruktur einer lebenden Zelle weist Ingenieure am Jülicher Institut vielfältige Aufgaben im Bereich
unter Leitung von Prof. Wiechert. Das Institut arbeitet an der bemerkenswerte Parallelen zu einem industriellen Produkti- der Durchführung, apparativen Unterstützung, Miniaturisierung 5. In diesen Fächern begegnen Sie dem IBG-1
Schnittstelle zwischen Ingenieur- und Lebenswissenschaften onsbetrieb auf. Auch hier liegt eine Steuerungshierarchie vor, und Automatisierung von Experimenten. So werden Mini- und
und befasst sich mit der Entwicklung biotechnologischer Pro- bei der auf oberster Ebene der genetischen Regulation grobe Mikrobioreaktoren eingesetzt und mit Laborrobotern zu inte- Die für den Ingenieurbereich maßgeblichen Lehrveranstal-
duktionsprozesse für Grund- und Feinchemikalien, Pharma- grierten Systemen zusammengefügt. Auch die Hochdurchsatz- tungen werden in jedem Sommer bzw. Winter als einwöchige
zeutika und Proteine. MitarbeiterInnen des Instituts bieten Datengenerierung erfordert Ingenieurfähigkeiten, z.B. dann, Blockveranstaltung angeboten.
Lehrveranstaltungen in den Fakultäten 1 & 4 an. Die Forschung wenn spezielle Probenahme-Einrichtungen entwickelt werden,
findet am Jülicher Institut statt. die es erlauben, aus einem Bioreaktor mehrere Proben pro • Computational Systems Biotechnology 1
Sekunde zu ziehen, um dynamische Vorgänge im Stoffwechsel • Computational Systems Biotechnology 2
2. Was ist Systembiotechnologie? eines Mikroorganismus messtechnisch zu erfassen.
Die Veranstaltungen werden sowohl von Ingenieuren als auch
Noch bis vor wenigen Jahren endete die ingenieurmäßige von Biotechnologen besucht. Fehlendes Wissen wird im Vorfeld
Betrachtung biotechnologischer Produktionsprozesse an der durch spezielle Brückenmaßnahmen nachgeholt. Prof. Wiechert
Zellwand der eingesetzten Mikroorganismen. Diese wurden betreut darüber hinaus auch das Aachener iGEM-Team bei der
als ein sich selbst reproduzierender Katalysator aufgefasst und Teilnahme am internationalen Wettbewerb der synthetischen
im Detail kaum weiter aufgeschlüsselt. Mit dem Aufkommen Biologen am MIT in Boston.
der Systembiologie hat sich dies grundlegend geändert. Sys-
tembiologen verfolgen das Ziel, die komplexen Prozesse im
Inneren einer lebenden Zelle quantitativ zu beschreiben und zu
analysieren. Auf Grundlage der so erarbeiteten Modelle werden
Vorhersagen darüber getroffen, wie Prozessparameter oder
die genetische Ausstattung eines Mikroorganismus verändert
werden müssen, um die Produktivität von Bioprozessen zu
maximieren. Die darauf aufbauende Disziplin der »Syntheti-
schen Biologie« versucht Mikroorganismen und Proteine mit
ganz neuen Eigenschaften und Funktionen – wie z.B. industrielle
Produktionsorganismen – ingenieurmäßig zu entwickeln und
nutzbar zu machen. Das Jülicher Institut arbeitet sowohl auf
dem Gebiet der computergestützten Modellierung als auch der
quantitativen experimentellen Analyse biologischer Systeme.
Regulationsmodell des Zentralstoffwechsels von Corynebacterium Strömungsdynamische Simulation eines Membranadsorbers mit
glutamicum. realistischer Geometrie
18 192 Verfahrenstechnik in Aachen
2.4 AVT - Fluidverfahrenstechnik werden, ohne Einschränkung der Auslegungssicherheit für den
späteren technischen Maßstab.
Entsprechend unserer Forschungsschwerpunkte kooperieren
wir national und international. Dies schließt die gesamte Che-
mieindustrie, aber auch die Umwelt- sowie Lebensmitteltech-
nik ein. Neben der Zusammenarbeit mit z.B. Bayer, Covestro,
BASF und Evonik pflegen wir auch regionale Kooperationen
mit kleineren und mittelständischen Unternehmen. Auf der
AVT-Website können Sie genauere Informationen zu den ver-
schiedenen Forschungsschwerpunkten erfahren.
4. Ihre Mitarbeit am Lehrstuhl
Die Mitarbeit von Studierenden an den vielfältigen Forschungs-
arbeiten der AVT.FVT ist immer gern gesehen. Die Studie-
renden können sich als studentische Hilfskräfte oder durch
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon: entsprechende Abschlussarbeiten in die aktuelle Forschung
Prof. Dr.-Ing. Andreas Jupke 21 wissenschaftliche Forckenbeckstraße 51 02 41 – 80 95 24 6 am Lehrstuhl einbringen. Dabei können sowohl konstruktive
4 nicht wissenschaftliche 52074 Aachen Arbeiten in Labor und Technikum, wie beispielsweise der Auf-
1 Azubi bau von Technikumsanlagen oder Labormesszellen, als auch
Tropfen bestimmen das Verhalten von Extraktionskolonnen experimentelle Tätigkeiten in verschiedenen Projekten oder
theoretische Arbeiten an Modellen und Simulationstools für
1. AVT.FVT 2. Was ist Fluidverfahrenstechnik? 3. Forschungsschwerpunkte die Bewertung und Analyse thermischer Trennprozesse durch-
geführt werden. Das aktuelle Angebot an Themen finden Sie
Der Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik wurde als dritter Ein praktisches Beispiel der Fluidverfahrenstechnik ist die Durch die Verknappung fossiler Ressourcen werden in Zukunft auf unserer Website. Für ein persönliches Gespräch stehen
Lehrstuhl der Verfahrenstechnik 1972 an der RWTH gegründet. Branntweinherstellung durch Destillation, bei der Alkohol zunehmend Rohstoffe aus nachwachsenden Quellen gewon- wir gerne zur Verfügung.
Die Fluidverfahrenstechnik – früher als Thermische Verfah- und Aromastoffe aus einer trüben Fermentationsbrühe in nen. In diesen Prozessen zur Nutzung von Biomasse besteht
renstechnik bezeichnet – hat einen hohen Stellenwert in der einer klaren Lösung angereichert werden. Die Destillation bzw. hoher Forschungsbedarf, insbesondere bei den Aufarbeitungs- 5. In diesen Fächern begegnen Sie der AVT.FVT
petrochemischen, chemischen und pharmazeutischen Industrie Rektifikation wird heutzutage großtechnisch zur Auftrennung und Trennverfahren, die einen hohen Anteil an den Investitions-
und der weißen Biotechnologie. Sie beschäftigt sich mit der und Fraktionierung von Rohöl oder zur Abtrennung von bio- und Herstellkosten und somit an der Wettbewerbsfähigkeit In den Vorlesungen der Fluidverfahrenstechnik werden die für
Auftrennung, Reinigung oder der An- bzw. Abreicherung von basierten Kraftstoffen wie Bioethanol verwendet. Neben der dieser Prozesse aufweisen. Ein Schwerpunkt der Forschungs- die berufliche Praxis nötigen Kenntnisse zu den thermischen
Komponenten in fluiden Gemischen. Typische Grundoperati- Destillation ist die Extraktion das am häufigsten in der Industrie arbeiten liegt daher auf der Weiterentwicklung der Niedrig- Trennverfahren vermittelt. Ziel dabei ist es, das Verständnis
onen sind Destillation/ Rektifikation, Absorption, Extraktion, angewendete thermische Trennverfahren. Die Bedeutung der Energie-Trennverfahren Extraktion, Kristallisation, Adsorption für die Zusammenhänge so zu vermitteln, dass später im Beruf
Adsorption, Chromatographie und Kristallisation. Für das Ver- Fluidverfahrenstechnik rührt daher, dass in vielen Prozessen und Chromatographie. Besonders deren Anwendung in Pro- einerseits die Auslegungsmethoden beherrscht werden, ande-
ständnis dieser Grundoperationen sind Grundlagen aus den keine reinen Stoffe erzeugt werden und Verunreinigungen oft zessen zur Nutzung von Biomasse, wie z.B. in Bioraffinerien rerseits aber auch »aus dem Bauch« die wesentlichen Zusam-
Bereichen Thermodynamik, Wärme- und Stoffübertragung, nachfolgende Prozessstufen wesentlich beeinträchtigen. Trenn- oder zur Gewinnung von Produkten aus Pflanzen, ist bisher menhänge intuitiv erfasst werden können.
Strömungslehre sowie Grenzflächenvorgänge erforderlich. In schritte zur Qualitätssteigerung der Stoffströme sind daher wenig untersucht worden.
den vergangenen Jahren erfolgte eine Verlagerung der For- unerlässlich. Das Potenzial der thermischen Trennverfahren • Einführung in die Verfahrenstechnik / Grundlagen der Ver-
schungsschwerpunkte von den klassischen Trennverfahren wird auch deutlich, wenn man bedenkt, dass sie typischerweise Im Bereich der biobasierten Prozesse beschäftigen wir uns fahrenstechnik
der chemischen Industrie hin zu nachhaltigen Niedrig- Energie- rund 80% der Energie beanspruchen, die für den Betrieb des außerdem mit der Verbindung von Reaktion und Trennung • Messtechnisches Labor (Versuch 8.3)
Trennverfahren, insbesondere für Prozesse zur Nutzung von Gesamtprozesses benötigt wird. Es gilt also, die thermischen in sogenannten Mehrphasenreaktionssystemen. Insgesamt • Produktaufarbeitung
Biomasse. Der Lehrstuhl wird geleitet von Prof. Andreas Jupke. Trennverfahren optimal auszulegen und zu betreiben, um ein ist es das Ziel, handhabbare Auslegungsmethoden durch die • Thermodynamik I & II für Wirtschaftsingenieure
Prof. Jupke wechselte 2014 von Bayer, wo er zuvor ein ‘Techno- verfahrenstechnisches Produkt wirtschaftlich zum Erfolg zu Verknüpfung von Experimenten und detaillierten Simulati- • Thermische Trennverfahren
logy Center‘ für Produktentwicklung leitete. Er war dabei u.a. führen. Daher beschäftigen wir uns am Lehrstuhl damit, geeig- onen zu entwerfen und kontinuierlich weiterzuentwickeln. • Verfahrenstechnik im Team
für eine Verfahrensentwicklungsabteilung wie auch für einen nete, aufeinander abgestimmte experimentelle Methoden Um eine Vorhersage über viele Größenskalen aus dem Labor • Verfahrenstechnisches Seminar
Technikums-Betrieb verantwortlich. Zudem hat er zahlreiche und Simulationstechniken zu entwickeln. Für den industriellen zu Apparaten von bis zu 100 m Größe sicher zu erlauben,
Prozessentwicklungsprojekte geleitet – u.a. zur stofflichen und Einsatz muss z.B. die für ein Experiment benötigte Menge an müssen die zu Grunde gelegten Modelle das Stoffverhalten Zudem bieten wir die Branntwein-AG an, in der anhand eines
energetischen Nutzung biogener Rohstoffe. Substanz möglichst gering und die Messungen müssen ausrei- korrekt abbilden. Dies stellen wir in unserem Forschungskon- einfachen verfahrenstechnischen Beispiels außerhalb des Lehr-
chend schnell durchführbar sein. Andererseits sind geeignete zept dadurch sicher, dass wir das vorhandene Wissen auch plans die unterschiedlichen Aktivitäten des Verfahrensingeni-
Simulationsmethoden zu entwickeln, die basierend auf den auf noch kleineren Größenskalen sinnvoll mitnutzen. Als die eurs erprobt werden können.
so gewonnenen Informationen über die Stoff-Eigenschaften kleinste Stofftransport-Einheit in einem technischen Apparat
eine sichere Vorhersage des Verhaltens technischer Anlagen ist dabei insbesondere die Größenskala der Tropfen und Blasen
erlauben. für unsere Forschung besonders relevant, da diese ideal im
Labor untersucht werden kann. Hier haben wir standardisierte
Messzellen entwickelt, um z.B. das Verhalten von Extraktions-
kolonnen präzise vorherzusagen. So können die bisher nötigen,
aufwändigen und daher teuren Technikumsversuche reduziert
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