Studienführer Verfahrenstechnik 2021 - i WAS IST VERFAHRENSTECHNIK - AVT RWTH
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Studienführer
Verfahrenstechnik
2021
i WAS IST VERFAHRENSTECHNIK
VERFAHRENSTECHNIK
IN AACHEN
VERFAHRENSTECHNIKSTUDIUM
AN DER RWTH
FÄCHERKATALOG
ADRESSEN UND LAGEPLAN
www.avt.rwth-aachen.de
Inhaltsverzeichnis
4 1 Was ist Verfahrenstechnik?
7 2 Verfahrenstechnik in Aachen
14 2.1 AVT – Bioverfahrenstechnik
16 2.2 AVT – Chemische Verfahrenstechnik
18 2.3 AVT – Computational Systems Biotechnology
20 2.4 AVT – Elektrochemische Reaktionstechnik
22 2.5 AVT – Fluidverfahrenstechnik
24 2.6 AVT – Microscale Bioengineering
26 2.7 AVT – Soft Matter Process Engineering
28 2.8 AVT – Systemverfahrenstechnik
30 3 Verfahrenstechnikstudium an der RWTH
32 3.1 AVT-Angebote
34 3.2 Infos zum Studium
35 3.3 Studienplanänderungen
37 3.4 Studienverlaufspläne
46 4 Fächerkatalog der verfahrenstechnischen Pflicht- und Wahlpflichtfächer
64 5 Adressen & Lageplan der Lehrstühle
3
1 Was ist Verfahrenstechnik?
Unser modernes Leben ist ohne Verfahrenstechnik nicht vorstellbar verfahrenstechnischen Prozessen gehören. Mengenmäßig dürften
und doch ist dieses Berufsbild weitgehend unbekannt. Fragt man jedoch die Kraftstoffe (Benzin, Diesel, Kerosin), die aus Erdöl ge-
in der Fußgängerzone Passanten »Was ist Verfahrenstechnik?«, wonnen werden und Erdgas, weit oben auf der Liste stehen. In den
bekommt man sicherlich eine Vielzahl interessanter Antworten – letzten Jahren hat sich zunehmend ein neues verfahrenstechnisches
aber wenige Richtige. Das liegt unter anderem daran, dass man Themengebiet etabliert: die Verfahrenstechnik nachwachsender
die Verfahrenstechnik als Berufsbild aus der Schule einfach nicht Rohstoffe. Die umweltschonende Gewinnung von Kraftstoffen aus
kennt. Erschwerend kommt hinzu, dass das Berufsbild der Verfah- nachwachsender Biomasse ist daher einer der Forschungsschwer-
renstechnikerInnen so vielfältig und bunt ist, dass die Definition nicht punkte für die nächste Generation von Prozessen und Produkten,
trivial ist. Natürlich wollen wir uns trotzdem an eine Definition wagen. den die Aachener Verfahrenstechnik verfolgt (NGP2 – Center for
Next Generation Processes and Products).
Die Aufgabe der Verfahrenstechnik ist die Umwandlung vorliegender
Stoffe in solche mit neuen, für den jeweiligen Zweck gewünschten Multiskalen in der Verfahrenstechnik
Eigenschaften. Nach dieser Definition umfasst die Verfahrenstechnik
demnach auch selbstständige Disziplinen wie die Aufbereitungstech- Ob Fraktionieren von Erdöl oder das Brauen von Bier – genauso
nik, das Hüttenwesen oder auch das Brauereiwesen. Ebenfalls werden vielfältig wie die Prozesse und Produkte der Verfahrenstechnik sind,
Bereiche der Biotechnologie unter dem Begriff Verfahrenstechnik sind auch die Größenordnungen, mit denen sich Verfahrenstechni-
zusammengefasst, sofern es sich dabei um prozesstechnische kerInnen beschäftigen. Dabei beginnt Verfahrenstechnik bereits auf
Belange handelt. molekularer Ebene: Um die Produkte der Verfahrenstechnik noch
gezielter an die Anforderungen anzupassen, müssen Eigenschaften
Kurzum: Verfahrenstechnik ist vielfältig und interdisziplinär. Diese unterschiedlichster Stoffe zunächst besser verstanden und quanti-
Interdisziplinarität ist auch nötig, wenn man den Weg vom Rohstoff fizierbar gemacht werden.
zum Produkt beschreiten möchte. Insbesondere in Hinblick auf
den globalen Klimawandel ist eine Abkehr von fossilen Rohstoffen Enzyme, die in einer Vielzahl von Prozessen als Biokatalysatoren einge-
unabdingbar. Die Aufgabe der Verfahrenstechnik besteht darin, setzt werden, nutzen wir täglich in Waschmitteln. Der Einsatz von Enzy-
neben den klassischen Rohstoffen wie Erdöl, Erzen und Mineralien, men bietet eine riesige Bandbreite neuer Synthesewege in biologischen
zunehmend alternative Rohstoffe zu erschließen. Diese wachsen Prozessen, was insbesondere in Bezug auf nachwachsende Rohstoffe
auf den Feldern oder finden sich in Abfällen oder sogar Abwässern. von großem Interesse ist. Und wenn wir noch eine Größenordnung höher
Insofern ist es ebenfalls eine Aufgabe der Verfahrenstechnik, Ver- gehen, beschäftigen wir uns schon mit Eigenschaften von Filmen
fahren zur Müllaufbereitung und zur Reinhaltung von Wasser und oder Tropfen, die z.B. in der thermischen Verfahrenstechnik unter-
Luft bereitzustellen. Und egal, ob es um die Stoffumwandlung oder sucht werden.
die Abfallwirtschaft geht, oberstes Ziel der VerfahrenstechnikerInnen
ist dabei immer die Minimierung der erforderlichen Energie und der Buchstäblich greifbar wird Verfahrenstechnik in der Größenordnung
schonende Einsatz von Ressourcen. der Grundoperationen. Die Grundoperation ist nach der Lehre der
Verfahrenstechnik der einfachste Vorgang bei der Durchführung
Zu den teuersten verfahrenstechnischen Produkten zählen Phar- eines Verfahrens. Das können scheinbar banale Vorgänge wie das
maprodukte, deren Herstellungsprozesse zu den kompliziertesten mechanische Zerkleinern von Mineralien mittels einer Mühle sein,
Trinkwasser-
versorgung
Nachhaltige Erneuerbare
Industrie Energien
Herausforderungen für die Verfahrenstechnik
4
1 Was ist Verfahrenstechnik?
oder auch eine komplexe mehrphasige chemische Reaktion zwischen gefordert. Der VDI (Verein deutscher Ingenieure) nennt folgende
zwei Edukten, bei denen die Reaktionswärme abgeführt werden Bereiche als besonders relevante Zukunftsthemen:
muss. Auch Vorgänge wie Mischen, Fermentieren, Destillieren usw.
gehören zum Alltag der VerfahrenstechnikerInnen. Schaffung von Herstellungsprozessen für neuartige Wirk-, Werk-
und Farbstoffe sowie sonstige Chemikalien und Zwischenprodukte,
Zeitskala Biotechnik und Biomedizin im Gesundheitswesen, für die Landwirt-
Monate schaft, den Umweltschutz und die Chemikalienherstellung,
Woche
Unternehmen Umweltschutz und Ressourcenschonung, Entwicklung von syste-
Standort matischem Wissen als Grundlage neuer Verfahren (z.B. Simulation
Tage
Anlage und Optimierung, Prozessführung, Prozesswissen statt Empirie).
Stunden
Grundoperation
Minuten
Ein- und mehr- Die oben genannten Fakten und Prognosen lassen den Schluss
phasige Systeme
s zu, dass die Verfahrenstechnik aus Sicht des Arbeitsmarkts jetzt
Teilchen, Filme Stoffskala
ms und auch in der Zukunft sehr gute Chancen und Sicherheit bietet.
Molekühle-Cluster klein
ns
mittel
Molekühle
ps groß
Planung,
Konstruktion,
Zeit- vs. Stoffskala in der Verfahrenstechnik Anlagen- &
Apparatebau Produktion
Die Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen wird als
Prozess definiert. Und auch auf dieser Größenordnung gibt es Arbeit
für die VerfahrenstechnikerInnen, wenn zum Beispiel Grundoperati-
onen energiesparend miteinander verschaltet werden können, um
die Energieeffizienz eines ganzen Chemieparks zu steigern. Dies
geschieht meist am Computer in Prozesssimulationsprogrammen,
mit denen ganze Prozessrouten erstellt und optimiert werden kön-
nen. Und spätestens bei der Auslegung des Prozesses ist wieder
Interdisziplinarität gefragt, wenn es um den Austausch mit Natur-
Lehre,
wissenschaftlerInnen, AnlagenbauerInnen, Mess- und Regelungs- Forschung Verwaltung
technikerInnen, UmweltingenieurInnen, Sicherheitsfachleuten und & Entwick-
lung
anderen Experten zur Realisierung des Prozesses geht.
Vertrieb &
Manage- Anwendung
Das Berufsbild von VerfahrensingenieurInnen ment
Ebenso breit gefächert und vielfältig wie die Verfahrenstechnik selbst Aufgabenfelder von VerfahrensingenierurInnen (VDI, 2006)
ist auch das Berufsbild von VerfahrensingenieurInnen. Verfahrensin-
genierurInnen findet man in der Forschung und Entwicklung, aber
auch bei Planung, Bau und im Betrieb von Anlagen und Apparaten.
Andere arbeiten als beratende IngenieurInnen oder in der Projek-
takquisition. Arbeitgeber von VerfahrensingenieurInnen sind längst
nicht mehr primär die chemisch-pharmazeutischen Konzerne. In
zunehmendem Maße stellen auch Firmen des gesamten industriellen
Sektors wie der Grundstoff- und Lebensmittelindustrie, wie aber auch
Energieversorger, Apparatebauer, ja sogar Firmen der Medizintechnik
und der Auto- und Flugzeugindustrie VerfahrenstechnikerInnen ein.
Das verdeutlicht eine besondere Stärke der VerfahrensingenieurInnen:
Die hohe fachliche Flexibilität. VerfahrenstechnikerInnen können sich
in eine Vielzahl von Problemen schnell hineindenken, ihr Wissen
transferieren und Problemlösungen erarbeiten.
Das Berufsbild von VerfahrenstechnikerInnen unterliegt natürlich auch
dem allgemeinen wirtschaftlichen Strukturwandel. Neue Technologien
und Forschungsfelder schaffen Bedarf an Arbeitskräften. Aufgrund
der oben beschriebenen breiten Wissensbasis der Verfahrenstech-
nikerInnen sind sie in vielen innovativen Feldern als Antriebsmotoren
5
Apparatebau
Anlagenbau
Holzindustrie
Genussmittelindustrie
Heizungstechnik Versorgungstechnik
Entsorgungstechnik
Bergbau
Baustoffindustrie
Nahrungsmittelindustrie
Medizintechnik
Klimatechnik
VERFAHRENSTECHNIK A-Z
Futtermittelindustrie Kautschukindustrie
Pharmaindustrie
Chemische
Wasseraufbereitung Umwelttechnik
Hüttenwesen
Kunststoffindustrie Petrochemische Industrie
Industrie
Papierindustrie
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2 Verfahrenstechnik in Aachen
2 Verfahrenstechnik in Aachen
Die Historie der Verfahrenstechnik in Aachen reicht bis in das Jahr übernommen und in Fluidverfahrenstechnik umbenannt. Mitte 2014
1952 zurück, in welchem das Forschungsinstitut Verfahrenstechnik wurde Professor Marquardt von der RWTH beurlaubt, um den Vorsitz
gegründet wurde. des Vorstands des Forschungszentrums Jülich zu übernehmen. Zu
diesem Zeitpunkt übernahm Professor Mitsos die Aktivitäten der
Im Oktober 2007 beschlossen die damals fünf Verfahrenstechnik- beiden Lehrstühle Prozesstechnik und Systemverfahrenstechnik
professoren Büchs, Marquardt, Melin, Modigell und Pfennig, die unter dem Namen Systemverfahrenstechnik. Im August 2015 folgte
organisatorische und strategische Zusammenführung ihrer Aktivi- Professor Ismail einem Ruf an die West Virginia University (USA) und
täten unter dem Dach der Aachener Verfahrenstechnik (AVT). 2010 auch Professorin Spieß trat 2015 eine neue Professur an der Tech-
gewann die AVT einen sechsten Lehrstuhl – die Enzymprozess- nischen Universität Braunschweig an. Außerdem wurde im gleichen
technik geleitet durch Professorin Spieß, sowie die Juniorprofessur Jahr die Jülicher Juniorprofessur für Microscale Bioengineering von
Molecular Simulations and Transformations – hinzu. Seit 2011 ist Professor Kohlheyer in die AVT eingegliedert. Ende 2016 wurde der
zudem der Lehrstuhl Computational Systems Biotechnology von Lehrstuhl Soft Matter Process Engineering von Professor Gebhardt
Professor Wiechert Teil der AVT. Die Professur der Chemischen gegründet. Mitte 2020 wurde Professorin Mechler auf den neu ge-
Verfahrenstechnik, die bis dahin Professor Melin ausgefüllt hatte, schaffenen Lehrstuhl Elektrochemische Reaktionstechnik berufen
wurde 2011 von Professor Wessling übernommen. 2012 wurde der und stellt somit den jüngsten Zuwachs innerhalb der AVT dar.
Lehrstuhl Systemverfahrenstechnik unter der Leitung von Professor
Mitsos neu gegründet. Die Forschung der AVT ist stark interdisziplinär geprägt und Projekte
werden oft in Kooperation mit internen sowie externen Partnern aus
Bis 2015 gab es weitere Änderungen im Professorium der AVT. Universitäten und Industrie bearbeitet. Diese enge wissenschaftliche
Zum einen wurde Professor Modigell Rektor der German University Zusammenarbeit der RWTH-Institute wird insbesondere durch das
of Technology im Oman und ist als Leiter der Mechanischen Ver- derzeitige Excellenzcluster »Fuel Science Center« zum Ausdruck
fahrenstechnik emeritiert. Einen Großteil der Lehraufgaben der MVT gebracht. Zudem ist die AVT in zahlreichen Bereichen des SFB,
übernahm Professor Wessling. Der Lehrstuhl für Thermische Verfah- BioSC und den Kopernikus-Projekten vertreten.
renstechnik wurde von Professor Jupke, der zuvor das »Technology
Center« für Produktentwicklung bei Bayer Material Science leitete,
ProfessorInnen der AVT
Prof. Büchs Prof. Wessling Prof. Mitsos
Bioverfahrens- Chemische Systemverfahrens-
technik Verfahrenstechnik technik
Prof. Wiechert
Computational Prof. Kohlheyer Prof. Jupke
Systems Microscale Fluidverfahrens-
Biotechnology Bioengineering technik
Prof. Gebhardt Prof. Mechler
Soft Matter Process Elektrochemische
Engineering Reaktionstechnik
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Erdöl-basierte Biorohstoff-basierte
Verfahrenstechnik Verfahrenstechnik
Gasphasenreaktionen Flüssigphasenreaktion
„heiße“ Trennverfahren „kalte“ Trennverfahren
Aufbau funktionale Moleküle Refunktionalisierung der Moleküle
niedrigviskose Medien viskose Medien
bekannte Produklinien Exploration neuer Produktlinien
Neue Reaktionswege, Katalysatoren, Prozesse, Produkte
Herausforderungen für die Verfahrenstechnik
AVT – Gemeinsam für die Zukunft der
Verfahrenstechnik
Neben Aufgaben in der Forschung ist die Hauptaufgabe der AVT • Erschließung regenerativer Kohlenstoff- und Rohstoffquellen
die Ausbildung von VerfahrensingenierurInnen. Die AVT bietet Work- durch saisonal flexible Prozessrouten hin zu maßgeschnei-
shops und Tagungen zur Fortbildung und als Plattform für den derten Zielmolekülen oder funktionalisierten Materialien
Informationsaustausch für externe Partner und Kunden aus der • Integrierte, modellbasierte Produkt-Prozess-Entwicklung zur
Industrie an. Darüber hinaus wird in der AVT eine breite Palette von zielgerichteten und bedarfsorientierten Prozesssynthese
Dienstleistungen vom Experiment bis zur Simulation angeboten. • Stoffliche Wertschöpfung durch Erhaltung und Nutzung der
Syntheseleistung der Natur
Zurzeit beschäftigt die AVT ca. 190 MitarbeiterInnen, davon ca. 140
DoktorandInnen der Ingenieur- und Naturwissenschaften. Teil der Die Lehrstühle der AVT besitzen eine ausgewiesene Expertise in
AVT sind weiterhin mechanische und elektrotechnische Werkstätten unterschiedlichen Gebieten der Verfahrenstechnik. Zukünftig werden
sowie ein zentrales Analytiklabor im Neubau NGP². die Forschungsaktivitäten entsprechend den bevorstehenden
globalen Herausforderungen »Rohstoffwandel« und
In naher Zukunft sind aufgrund der Verknappung der natürlich »Wasserverknappung« auf die Schwerpunkte »nachwachsende
vorkommenden Ressourcen Öl, Gas und Wasser große globale Rohstoffe« und »Wassertechnologien« systematisch ausgebaut.
Herausforderungen durch den Menschen und insbesondere von Die bestehenden Kompetenzen werden vor diesem Hintergrund
der Verfahrenstechnik zu bewältigen. In der verfahrenstechnischen optimal in neue, interdisziplinäre, stark mit den Naturwissenschaf-
Produktion wird entsprechend ein Rohstoffwandel von derzeit als ten und innerhalb der AVT verzahnte Projekte eingebracht und
klassisch bezeichneten, fossilen Ausgangsstoffen hin zu biogenen intensiviert werden.
Stoffen eintreten.
Biogene Rohstoffe bedingen die Entwicklung einer gänzlich neuen
Verfahrenstechnik und damit innovativer Prozesskonzepte der
nächsten Generation:
8
2 Verfahrenstechnik in Aachen
NGP² – Next Generation Processes
and Products
Das »Center for Next Generation Processes and Products« (NGP2) discharge«) und integriert werden. Online Analytik ermöglicht
vereint seit Anfang 2017 die Lehrstühle der Aachener Verfahrens- direktes Prozessverständnis und Prozessoptimierung. Die Ent-
technik, die bis dahin auf fünf Standorte über das Aachener Stadt- wicklung und Realisierung regionaler, stofflicher und möglichst
gebiet verteilt waren, unter einem gemeinsamen Dach. Gleichzeitig klimaneutraler Wertschöpfungsketten stellt hierbei ein Kernziel
positioniert das NGP² durch seine Lage die AVT nun auch räumlich der Forschungsaktivitäten im NGP² dar. Neben der Bioraffinerie
in direkter Nähe ihrer wichtigsten lokalen Kooperationspartner aus wurden Ende 2016 weitere Großgeräte (Druckfermenterkaskade,
Chemie, Biologie und Biotechnologie. Hochdruckextraktion, Mikrocomputertomographie (μCT) und
Particle Image Velocimetry (PIV)) von der Deutschen For-
Das insgesamt 14.500 m² große Gebäude ist besonders gut auf schungsgemeinschaft (DFG) positiv evaluiert und genehmigt.
die Bedürfnisse der AVT zugeschnitten, vor allem auch, weil die Während diese Großgeräte bereits 2017 geliefert werden
AVT seit Beginn der Planungen im Jahr 2008 wesentlich in die konnten, werden die Bioraffinerie und die installierten Anlagen
Konzeptionierung des NGP² involviert war. Neben großzügigen sukzessive 2021 ihren Betrieb aufnehmen
Büroflächen für wissenschaftliche MitarbeiterInnen und Studierende
stehen diverse Räumlichkeiten für Tagungen, Lehrveranstaltungen, Für die Konzeptionierung der Bioraffinerie konnten die PlanerIn-
Seminare und Besprechungen zur Verfügung. Weiterhin verfügt nen der AVT unter anderem auf die Erfahrungen und Expertise
das Gebäude auf 330 m² über eigene Werkstätten zur Fertigung zurückgreifen, die die AVT zusammen mit ihren Partnern seit
feinmechanischer und elektronischer Bauteile, sodass Prototy- 2007 im Exzellenzcluster »Tailor-Made Fuels from Biomass«
pen für Versuchsstände, Anlagen oder Einbauten direkt vor Ort (TMFB) gesammelt und aufgebaut hat. Die Einbindung der
gefertigt und optimiert werden können. Auf über 2.800 m2 stehen AVT in das Bioeconomy Science Center (BioSC) unterstütz-
den WissenschaftlerInnen im NGP2 modernste Laboratorien zur te die Auswahl geeigneter Prozessrouten und Zielprodukte
Verfügung. Diese müssen auch besonderen Anforderungen gerecht sowie Einordnung und Positionierung vom NGP² in die Fra-
werden, wie sie beim Arbeiten mit biologischen Gefahrstoffen (S1), gestellungen der Bioökonomie. Darüber hinaus profitiert die
mit explosionsfähigen Gemischen oder schwingungssensiblen gemeinsame Forschung der AVT an anderen Großprojekten,
Geräten auftreten. wie den Kopernikus-Projekten zur Energiewende: – Power-2-X
und SynErgie – von der räumlichen Nähe im NGP2.
Das Herzstück des Gebäudes bildet das über 650 m² große Techni-
kum, welches eine modulare Bioraffinerie beherbergen wird. In naher Mit dem NGP² entsteht somit eine einzigartige Plattform für
Zukunft soll dadurch ein flexibler Prozess zur Konversion biogener Kooperationen und Austausch in der Verfahrenstechnik nach-
Rohstoffe zu maßgeschneiderten Produkten möglich sein und die haltiger Prozesse, die die AVT noch enger mit ihren starken
Verfahrensschritte für Aufschluss, Umwandlung und Separation Partnern zusammenbringen und somit die Entwicklung innova-
auf modulare Weise verschalten. Lösungsmittel, Katalysatoren tiver Prozesse zur verantwortungsvollen Nutzung erneuerbarer
und Energie sollen möglichst verlustfrei rezirkuliert (»zero liquid Rohstoffe vorantreiben wird.
Das Center for Next Generation Processes and Products (NGP²)
9
Die AVT im Exzellenz-Cluster
»Fuel Science Center«
Die Verknappung fossiler Brennstoffe und Sorgen um mögliche Folgen Treibstoffen konzentriert sich auf Ersatzkraftstoffe für die heutige
des Klimawandels haben zur verstärkten Suche nach Alternativen Motorentechnologie. Als Kohlenstoffquelle für E-Fuels dient dabei
zu erdölbasierten Kraftstoffen geführt. Vor allem das Stichwort entweder nachhaltig erzeugte Biomasse oder CO2. Das FSC geht
Elektromobilität wird seit einigen Jahren als eine zukunftsträchtige in seinem konvergenten Ansatz zu bio-hybrid Fuels weit darüber
Strategie angesehen. Allerdings verhindert bis jetzt die niedrige hinaus und schafft die wissenschaftlichen Grundlagen für ein in-
Energiespeicherdichte der Batterien eine breite Anwendung. Von tegriertes Design von Produktionsprozessen und Motorentechnik.
daher werden chemische Energieträger, im Idealfall aus nachwach- Adaptive technologische Lösungen werden angestrebt, um auf die
senden Rohstoffen, auch weiterhin eine wichtige Rolle als Kraftstoff zunehmende Diversifizierung der Energie- und Rohstoffversorgung
für mobile Antriebe spielen. und Veränderungen des Mobilitätssektors reagieren zu können. Zur
Realisierung flexibler und ökonomischer Wertschöpfungsketten wird
Biokraftstoffe der ersten Generation, wie Ethanol oder Biodiesel, dabei die (elektro-)katalytische Produktion von Energieträgern und
fanden den Weg an die Zapfsäule, doch wegen teils niedriger Ef- Chemikalien berücksichtigt. Für die Rückwandlung der chemisch
fizienz, unbefriedigender CO2-Einsparung und der Konkurrenz mit gespeicherten Energie werden emissionsminimierte, molekular kon-
der Nahrungsmittelindustrie, stellen sie keine optimale Lösung der trollierte Verbrennungssysteme erforscht. Es werden methodische
zukünftigen Energieversorgung dar. Einige dieser Probleme lösen die Konzepte entwickelt, um für die Bewertung von Umweltbelastung,
Biokraftstoffe der zweiten Generation, die, anders als ihre Vorgänger, Wirtschaftlichkeit und gesellschaftlicher Relevanz von einer analyti-
aus der gesamten Biomasse der Nutzpflanzen hergestellt werden. schen Beschreibung zu belastbaren Prognosen zu gelangen.
Die Grundlagenforschung des Exzellenz-Clusters »Das Fuel Science Aufbauend auf den Erfolgen des Exzellenzclusters »Tailor-Made
Center – Adaptive Umwandlungssysteme für erneuerbare Energie- Fuels from Biomass« schafft das FSC als strukturbildende Einheit
und Kohlenstoffquellen« (FSC) schafft die Basis für die integrierte der kooperierenden Institute an der RWTH Aachen University, nun
Umwandlung von erneuerbarer Elektrizität mit biomassebasierten im Verbund mit dem Forschungszentrum Jülich sowie den beiden
Rohstoffen und CO2 zu flüssigen Energieträgern mit hoher Energie- beteiligten Max-Planck-Instituten, ein weltweit führendes wissen-
dichte (»Bio-hybrid Fuels«). Die aktuelle Forschung zu erneuerbaren schaftliches Umfeld.
Das Ziel des Fuel Science Centers: ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf
102 Verfahrenstechnik in Aachen
Forschung für die Zukunft –
Die AVT-Forschungsaufgaben im
Rahmen der Bioökonomie
Bei dem Wandel von einer erdölbasierten Ökonomie hin zu einer eingesetzten Tenside werden zurzeit aus Erdöl hergestellt. Aufgrund der
zirkulären, nachhaltigen Bioökonomie, handelt es sich zweifellos toxischen und schwer abbaubaren petrochemischen Grundbausteine
um den – für die gesamte Menschheit – wichtigsten Schritt, der in ergeben sich jedoch erhebliche ökologische Probleme. Biotenside
den nächsten 100 Jahren vollzogen werden muss, um ein sicheres hingegen werden durch mikrobielle Prozesse aus pflanzlichen Roh-
Fortbestehen zu ermöglichen. stoffen gewonnen und sind dadurch leicht abbaubar, nicht toxisch
und somit interessant für Spezialanwendungen in der Medizin, der
Diesen Übergang zu gewährleisten bedeutet, dass bei der Entwicklung Lebensmittel- und Agrarindustrie.
neuer Technologien, neben der technischen Machbarkeit, vor allem
Fragestellungen in Hinblick auf Umwelteinflüsse, Nachhaltigkeit der Um die existierenden Hürden hoher Rohstoffkosten, aufwändi-
Rohstoffquellen und ethische Überlegungen, wie Nahrungsmittel- ger Herstellungsprozesse und geringer Produktivität, die einer
konkurrenz, eine wichtige Rolle spielen. wirtschaftlich konkurrenzfähigen Produktion im Wege stehen, zu
überwinden, verfolgten wir einen interdisziplinären Ansatz. Der
Das Kompetenzzentrum Bioeconomy Science Center (BioSC) ist ein Gesamtprozess von der Stammentwicklung und der Verbesserung
vom Land Nordrhein-Westfalen gefördertes Strategieprojekt mit dem der Rohstoffverwertung, über die Erforschung innovativer Fermen-
Ziel, die Entwicklung einer nachhaltigen Bioökonomie durch grund- tationskonzepte und Prozesskontrollstrategien, bis zur Entwicklung
legende Untersuchungen aus verschiedensten Blickwinkeln voran integrierter Downstream-Processing-Technologien wurde, aufeinander
zu bringen. Um strukturelle, wissenschaftliche und technologische abgestimmt, in einem Projekt bearbeitet.
Neben typisch verfahrenstechnischen Fragestellungen, wie die
Auslegung und Optimierung von Teil- sowie Gesamtprozessen
oder der Generierung von Produkten, die der Allgemeinheit zu Gute
kommen sollen, wurden Dank der Erfahrungen und Sichtweisen
der Partner aus anderen Disziplinen auch grundlegendere Aspekte
einer Bioökonomie beleuchtet. Beispiele hierfür sind die Untersu-
chung des genetischen Pools von Pflanzen und deren variierender
Erscheinungsform, der nachhaltige Anbau von neuen Pflanzen und
den daraus für das biologische Umfeld resultierenden Folgen, die
Anpassung von bestehenden chemischen und biologischen Reak-
tionen auf die veränderten Ausgangsmaterialien oder der sozialen
Akzeptanz der Gesellschaft.
Fermenter im Forschungsmaßstab zur Produktion von Biokraftstoffen und Zusätzlich zum Forschungsschwerpunkt steht die Lehre stark im
Plattformchemikalien Vordergrund des Kompetenzzentrums. Die MitarbeiterInnen und
somit auch die Studierenden des BioSC sollen gezielt durch die
Grundlagen zur Bewältigung dieser komplexen Herausforderung zu entwickelte Struktur des Kompetenzzentrums in der interdisziplinären
generieren, haben sich Experten verschiedener Fachdisziplinen wie Arbeit ausgebildet werden.
Biologie, Chemie, Biotechnologie, Ökonomie und Verfahrenstech-
nik der RWTH Aachen University, der Heinrich-Heine-Universität
Düsseldorf, der Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn und des For-
schungszentrums Jülich zusammengeschlossen.
Im Rahmen des Strategieprojektes BioSC arbeiten und arbeiteten
derzeit vier Lehrstühle der AVT an vier großen Phase-2 Forschungs-
projekten in multidisziplinären Forschungsteams. Von diesen vier
Projekten Bio², AP³, CombiCom und HylmPAct möchten wir Sie
am Beispiel Bio², dessen Leitung bei der AVT lag, beispielhaft eine
solche Zusammenarbeit vorstellen.
Im Rahmen des FocusLabs Bio² entwickelten wir einen konkurrenz-
fähigen Bioraffinerieprozess für die Herstellung von Biotensiden.
Tenside sind oberflächenaktive Moleküle, die u.a. in Reinigern und BioSC Forschungspartner
Waschmitteln Anwendung finden. Ca. 97 % der heute
11Kopernikus Projekte – mit Power in die Energiewende Ganzheitlicher, interdisziplinärer Ansatz zur Prozessentwicklung für Biotenside Die fortschreitende Umstellung auf erneuerbare Energien stellt hohe gesellschaftliche, politische und technologische Forschungsfragen, Anforderungen an die Energieversorgung dar. Insbesondere die eingebettet in den Teilprojekten ENSURE, ENavi, Power-2-X und fluktuierende Verfügbarkeit der vermehrt genutzten regenerativen SynErgie, untersucht und miteinander verknüpft. 12 Mitarbeitende Energiequellen wie Wind- und Solarenergie ergibt die Notwendig- an drei AVT-Instituten sind maßgeblich in den Teilprojekten Sy- keit eines flexiblen Energienetzes und effizienter Energiespeicher. nErgie, Power-2-X und dessen Nachfolgeprojekt NAMOSYN In der Forschungsinitiative »Kopernikus« des Bundesministeriums beteiligt. Zusätzlich ist Prof. Mitsos von der SVT Verantwortlicher für Bildung und Forschung (BMBF) wird die Energiewende mit für die Nachwuchsqualifikation. zahlreichen Partnern aus Industrie, Forschungseinrichtungen und Zivilgesellschaft vorbereitet. Seit 2016 werden über einen Aufgrund des fluktuierenden Charakters erneuerbarer Energi- Bearbeitungszeitraum von drei bis zehn Jahren wirtschaftliche, en gewinnt die dynamische Auslegung energie- und verfah- Die unterschiedlichen Schwerpunkte des BioSC Konzeptes, Foto: BioSC/BMBF 12
2 Verfahrenstechnik in Aachen
renstechnischer Prozesse neben der klassischen, stationären Verbrennung die Schadstoffemissionen des Verkehrssektors massiv
Betrachtung zunehmend an Relevanz. Gemäß dem Ansatz des reduzieren könnten. Aus dem Projekt Power-2-X hervorgegangen ist
sog. »demand-side managements« werden im Rahmen des das neue Forschungsprojekt NAMOSYN - Nachhaltige Mobilität mit
Kopernikus Projektes SynErgie energieintensive Prozesse, wie synthetischen Kraftstoffen. Ziel ist die Entwicklung kostengünstig und
z.B. Luftzerlegungsanlagen, Glas- und Aluminiumhütten, sowie energieeffizient herstellbarer nachhaltiger synthetischer Kraftstoffe
Papieranlagen optimal an den Strommarkt angepasst, um Kos- für Otto- und Dieselmotoren.
ten zu senken und die Netzstabilität durch das Abfangen von
Lastspitzen zu sichern. Ebenso vielfältig sind die thematischen Die enge Zusammenarbeit von Industriepartnern und Forschungs-
Schwerpunkte, welche von der experimentellen Betrachtung von trägern ermöglicht es, innerhalb der Projektphase neue technolo-
Prozessen im Labormaßstab über die in-silico Erforschung von gische Entwicklungen bis zur industriellen Reife zu entwickeln, um
neuartigen Regelungskonzepten bis hin zur modelloptimierten die Energiewende langfristig und nachhaltig voran zu treiben. Damit
Produktionsplanung von industriellen Prozessen reichen. In ist dieses junge Projekt nicht nur notwendig und zukunftsweisend,
Kooperation mit den anderen Projektpartnern aus Industrie und sondern bringt erste industrielle Kontakte und einen Einblick in das
Wissenschaft arbeitet die AVT daran, diese Ziele zum einen spätere Berufsfeld.
durch eine flexible Auslegung neuer und zum anderen durch
eine optimale, flexible Betriebsweise bestehender Anlagen und Die VerfahrenstechnikerInnen unserer AVT-Lehrstühle freuen sich
Prozesse zu erreichen. Power-2-X untersucht Technologien zur bei der Mitgestaltung dieser wichtigen gesellschaftlichen Aufgaben
Umwandlung von elektrischer Energie aus erneuerbaren Energie- im Rahmen von Abschlussarbeiten, Forschungsprojekten oder HiWi
quellen in chemische Energiespeicher und Produkte. Tätigkeiten über Ihre Unterstützung. Interessante Arbeiten finden
sich hier im Bereich der chemischen Elektrolyse, CFD-Simulationen,
Im Fokus stehen verschiedene Syntheserouten für gasförmige Pro- konzeptionellen Prozessentwicklung, Prozessoptimierung oder
dukte, wie Wasserstoff oder Synthesegas (Power-2-Gas), flüssige Reaktordesign.
Substanzen, wie Kraftstoff (Power-2-Liquid) oder Basischemikalien
(Power-2-Chemicals). Die AVT arbeitet in Power-2-X gemeinsam
mit anderen Partnern aus Wissenschaft und Industrie an der Her-
stellung sogenannter Oxymethylenether (OME) aus erneuerbarem
Strom und CO2. OME sind Kraftstoffe, die durch ihre extrem saubere
Zusammenspiel der Kopernikus Projekte SynErgie, Power-2-X, EnNavi und ENsure, Foto: Erbse Design
132.1 AVT – Bioverfahrenstechnik
Am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik entwickelte RAMOS-Anlage
(Respiration Activity Monitoring System) zur online Messung der
Sauerstofftransferrate (OTR) und Kohlenstoffdioxidtransferrate (CTR) in Schüttelkolben.
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon:
Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs 26 wiss. Forckenbeckstraße 51 0241 – 80 23 56 9
Dr. rer. nat. Nina Ihling 8 BTV 52074 Aachen
2 Azubis
29 HiWis
1. AVT.BioVT 2. Was ist Bioverfahrenstechnik?
Der Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik ist 1996 von Prof. Büchs Haben Sie sich schon mal darüber Gedanken gemacht, wie Bier
gegründet worden. Seitdem agiert er erfolgreich als Schnittstelle oder Essig produziert wird? Wie die Gewinnung von Biokraftstoffen
zwischen den naturwissenschaftlichen Disziplinen Biologie, Medi- optimiert werden kann oder wie Apparate zur Antibiotika-Herstellung
zin und Technische Chemie, sowie den Ingenieurswissenschaften, ausgelegt werden müssen? Dies sind Fragen, mit denen sich die
vornehmlich der Verfahrenstechnik. Daher ist der Lehrstuhl für Bio- Bioverfahrenstechnik beschäftigt. Immer wenn Mikroorganismen zur
verfahrenstechnik auch Mitglied zweier Fakultäten: der Fakultät für Stoffumwandlung benötigt werden, dann fällt die Prozessauslegung
Maschinenwesen und der Fakultät für Mathematik, Informatik und und Optimierung in den Bereich der Bioverfahrenstechnik. Deshalb
Naturwissenschaften. stellt sie auch die Verbindung zwischen der Biologie (Medizin) und
den Ingenieurswissenschaften dar.
Prof. Büchs hat vor seiner Zeit an der AVT.BioVT knapp neun Jahre in
der biotechnologischen Forschung der BASF gearbeitet und unter- Für einen erfolgreichen Bioprozess sind neben den biologischen Ge-
hält gute Beziehungen zu japanischen Forschungsinstituten wie z.B. sichtspunkten auch verfahrenstechnische Aspekte relevant. Darunter
der Osaka Universität und dem »Institute of Physical and Chemical fallen solche Größen, die nur durch Bilanzierung, Berücksichtigung
Research« (RIKEN). 2018 wurde Prof. Büchs die Ehrendoktorwürde von Stofftransportvorgängen und Modellierung zugänglich sind. Dazu
durch die Osaka Universität verliehen. gehören z.B. die Sauerstoffzufuhr, die Kohlendioxidentfernung, die
Bestimmung der hydromechanischen Belastung von Mikroorganismen
und die Berechnung der notwendigen Wärmeabfuhr.
biology bio- Zu den biotechnologischen Stoffumwandlungen zählen sowohl die
chmistry
(medical chemistry komplexen Biosynthesen bei Fermentationsprozessen als auch
science)
Biotransformationen mit Mikroorganismen oder Enzymen, bei denen
bio- nur eine relativ einfache Stoffumwandlung erfolgt. Bei Fermentations-
technology prozessen kommen Mikroorganismen und zunehmend auch tierische
und pflanzliche Zell- oder Gewebekulturen zum Einsatz. Die Zukunft
gehört der Anwendung gentechnisch veränderter Organismen und
technical Zellen. Ein wichtiges Aufgabenfeld besteht in der Übertragung der
biochemical
chemistry in Schüttelreaktoren (Schüttelkolben, Reagenzgläser, Mikrotiter-
engineering
engineering chemical platten) ermittelten Ergebnisse in Laborfermenter und schließlich in
sciences
process technische Maßstäbe.
engineering
Die Bausteine der Bioverfahrenstechnik Die Biotechnologie ist eine der am schnellsten wachsenden Zukunfts-
branchen. Die Feinchemikalienproduktion, der Pflanzenschutz- und
142 Verfahrenstechnik in Aachen
vor allem die Pharmaindustrie werden in den nächsten Jahren einen 5. In diesen Fächern begegnen Sie der
enormen Innovationsschub durch die Bioverfahrenstechnik erfah-
ren. Durch den Rohstoffwandel vom Erdöl zu nachwachsenden
AVT.BioVT
Rohstoffen sind große Herausforderungen zu bewältigen, die aber
auch gewaltige Möglichkeiten zur Sicherung einer nachhaltigen • Bioprozesskinetik
Industrie bieten. • Bioreaktortechnik
• Biotechnologische Verfahren zur Nutzung nachwachsender
3. Forschungsschwerpunkte Rohstoffe
• Interdisziplinäres Praktikum
Die AVT.BioVT beschäftigt sich hauptsächlich mit der biotechno- • Halten von wissenschaftlichen Vorträgen
logischen Wertproduktherstellung, auch unter Berücksichtigung • Kosten und Wirtschaftlichkeit von Bioprozessen
von umwelt- oder aufarbeitungstechnischen Fragestellungen. Im • Messtechnisches Labor (MTL)
Mittelpunkt der Forschungstätigkeit steht die Entwicklung neuer • Online Analytik von Fermentationsprozessen
Methoden und Apparate für eine effiziente Bioprozessentwicklung. • Reaktionstechnik
Es wird jedoch keine eigene Mikrobiologie beforscht, sondern die • Regenerative Brennstoffe
am Lehrstuhl entwickelten bioverfahrenstechnischen Methoden und • Verfahrenstechnik im Team (ViT)
Apparate werden in zahlreichen Kooperationen mit anderen Lehr- • Verfahrenstechnisches Seminar
stühlen oder der Industrie etabliert. Folgende Forschungsgebiete
werden augenblicklich schwerpunktmäßig bearbeitet:
Schüttelreaktorsysteme
In den ersten Screening-Stufen biotechnologischer Entwicklungs-
arbeit werden in sehr großer Zahl Schüttelreaktoren (Erlenmeyer-
kolben, Reagenzgläser und Mikrotiterplatten) eingesetzt, um eine
große Anzahl an Versuchen parallel und in kurzer Zeit durchführen
zu können. Trotz ihrer Einsatzhäufigkeit und der Bedeutung sind
Schüttelreaktoren bisher verfahrenstechnisch kaum erforscht und
die Mess- und Analysemöglichkeiten sind im Gegensatz zum spä-
teren Prozess unterentwickelt. Da im kleinen Maßstab jedoch ganz
entscheidende Selektionen und Weichenstellungen vorgenommen
werden, muss sichergestellt werden, dass mögliche Limitierungen
vermieden und konsistente experimentelle Bedingungen garantiert
werden können. Auf diesem Forschungsgebiet nehmen wir eine
weltweit führende Stellung ein. Zurzeit wird die Laborautomation
mit Hilfe von Robotern aktiv vorangetrieben. Aufnahme der Pipettenspitzen unseres »Liquid Handling Systems« für eine automatisierte
Prozessführung
Fermentations- und Reaktortechnik
In diesem Forschungsbereich werden reaktor- und regelungstechni-
sche Fragestellungen zur biotechnologischen Wertproduktherstellung
bearbeitet. Im Mittelpunkt stehen hier Stofftransportphänomene
sowie die Bilanzierung, Regelung und modellmäßige Beschreibung
von Fermentations- und Biotransformationsprozessen. Auch in die-
sem Arbeitsgebiet werden neuartige Messmethoden erforscht, um
bessere Einblicke in den Reaktor zu erhalten. Zu nennen sind hier
unter anderem die Bilanzierung der biologischen Wärmeentwicklung
durch Kalorimetrie und die Erfassung von lebenden Zellen durch
Impedanzmessung.
4. Ihre Mitarbeit am Lehrstuhl
Als Studierender an der BioVT können Sie in Form von Bachelor- oder
Masterarbeiten, einer Projektarbeit oder als HiWi praxisnahe Einblicke
in die aktuelle Forschungen gewinnen. Durch Ihre selbstständige und
selbstverantwortliche Arbeit eignen Sie sich neben dem fachlichen Mikrotiterplatte im BioLector für optische Messungen wichtiger Prozessparameter
Wissen auch erste Projektmanagementskills an. während der Kultivierung
152.2 AVT – Chemische Verfahrenstechnik
Querschnitt eines Membranmoduls bestehend aus
mehreren Polymerhohlfasermembranen.
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon:
Dr.-Ing. Matthias Wessling 46 wiss. MitarbeiterInnen Forckenbeckstraße 51 0241 – 80 95 47 0
Dr.-Ing John Linkhorst 14 BTVlerInnen 52074 Aachen
Dr.-Ing Süleyman Yüce 1 Azubine
1. AVT.CVT
Der Lehrstuhl »Chemische Verfahrenstechnik« wird durch Prof. Wasserentsalzung, Medizintechnik und der Energiespeicherung.
Matthias Wessling geleitet. 2010 kam er über eine Alexander-von- Das Forschungsfeld der Membranverfahren und der Membran-
Humboldt Professur von der Universität Twente (NL) nach Aachen. In reaktoren umfasst und kombiniert die Bereiche von Kolloiden
der Vergangenheit richtete sich sein Forschungsinteresse in vielfälti- und Grenzflächen, Materialwissenschaften, Apparatetechnik,
gen industriellen und akademischen Positionen auf die Entwicklung Prozessdesign, Multiphysik-Simulation und Reaktionstechnik.
von Membranprodukten und Prozessen zur Trennung molekularer
Mischungen. Seit der Übernahme des Lehrstuhls erweiterte sich die Das Zusammenspiel dieser Disziplinen erstreckt sich von der Grund-
Forschungsrichtung auf die Integration technischer Membranen in lagenforschung bis hin zur industriellen Anwendung. Ausdruck für die
chemische Stoffumwandlungsprozesse. Die Forschungsarbeiten Interdisziplinarität des Lehrstuhls ist die Mitarbeit von Prof. Matthias
finden in verschiedenen Disziplinen statt: unsere Tätigkeit reicht von Wessling im »Scientific Board« des Leibniz-Instituts für Interaktive
experimenteller Erprobung neuer interdisziplinärer Prozesskonzepte Materialien DWI, dessen Fokus auf der Entwicklung funktioneller,
bis hin zur simulativen Prozessentwicklung und -optimierung. Durch komplexer und adaptiver Materialsysteme liegt. Die enge Zusam-
stetigen Austausch mit den anderen AVT-Lehrstühlen lassen sich menarbeit zwischen dem DWI-Team aus Nano- und Biotechnologen
so innovative Lösungskonzepte entwickeln. Seit 2018 ist Prof. und der Verfahrenstechnik bringt Potential für neue kreative System-
Wessling außerdem als Prorektor für Forschung und Struktur an konzepte, die selektiven Stofftransport und molekulare Konversion
der RWTH tätig. Zu den besonderen Aufgaben des Prorektors miteinander kombinieren. Dabei ist die national und international
für Forschung und Struktur gehören neben der Sicherstellung der bewiesene Alleinstellung im Bereich der Membranherstellung und
allgemeinen Forschungsvoraussetzungen die Intensivierung der Stofftransportbeschreibung Ausgangspunkt für neue Forschungsfel-
ingenieurtechnischen Wissenschaftsprofilierung aller Fakultäten der der, insbesondere der elektrochemischen Membranreaktoren. Diese
RWTH Aachen sowie die Etablierung von Großprojekten wie etwa werden, auf regenerativen Energien basierend, ein Schlüsselelement
Exzellenzclustern, Sonderforschungsbereichen und die Beteiligung der chemischen Industrie darstellen.
an großen europäischen Projekten. 2019 wurde Prof. Wessling mit
dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsge- Die Expertise des Lehrstuhls im Bereich der Membrantechnik spie-
meinschaft ausgezeichnet. gelt sich in vielfältigen Kontakten zu Industrie und Forschung, Prof.
Wesslings Tätigkeit als Editor des »Journal of Membrane Science«
2. Was ist Chemische Verfahrens- sowie in dem 2007 im Springer-Verlag publizierten Buch »Mem-
branverfahren« wider, deren Autoren Prof. Rautenbach und Prof.
technik? Melin vor 2010 den Lehrstuhl und das Institut für Verfahrenstechnik
geleitet haben.
Das Verständnis und die Entwicklung effizienter, intelligenter und
kompakter Apparate und Verfahren, wie den Membranverfahren und
Membranreaktoren, stehen im Fokus großer Forschungsfelder wie der
162 Verfahrenstechnik in Aachen
3. Forschungsschwerpunkte
Aus dem Alltag sind Membranen vor allem durch die Verwendung in
Funktionskleidung bekannt, mit GoreTex als prominentestem Produkt.
Industriell jedoch werden die größten Membranflächen in der Medizin-
technik, Wasseraufbereitung und Trinkwassergewinnung eingesetzt.
Mehr als 1 Million Menschen mit Nierenerkrankungen leben Dank
des Prozesses der Hämodialyse, in der Ultrafiltrationsmembranen als
Nierenersatz eingesetzt werden. In neuen Produktionsanlagen von
Trinkwasser aus Meerwasser wird fast ausschließlich Umkehrosmose
eingesetzt; sie hat energieintensive verdampfungsbasierte 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 Industrieland-
schaft verändern wird. In unserem Lehrstuhl untersuchen wir, wie
Elektronen aus solaren und windenergetischen Prozessen direkt zu
chemischen Grundstoffen wie Alkanen oder Ammoniak umgesetzt
werden können. Beispielsweise kristallisieren sich zurzeit im Bereich
der chemischen Reaktionstechnik drei Forschungsrichtungen heraus: Versuchsstände an der AVT.CVT
Die Integration von Rapid-Prototyping-Techniken zur freien Ge- Werkstatt unterstützt. So breitgefächert wie die Forschungsprojekte
staltung der Membranen und Reaktionsflächen. Diese Techniken am Lehrstuhl sind auch die Möglichkeiten Einblicke in die Forschung
ermöglichen ein dreidimensionales Design ganz neuer Reaktorsys- zu erhalten. Neben Studien-, Projekt-, Bachelor- und Masterarbei-
teme. Damit können die Stoffkonversion und Stofftrennung optimal terInnen sind in den meisten Projekten HiWis an vorderster Front
an die Anforderungen des Prozesses angepasst werden. beteiligt. Neben der Tätigkeit am Lehrstuhl selbst begrüßen, vermitteln
und betreuen wir Arbeiten an ausländischen Hochschulen und bei
Kapillarmembranreaktoren, bei denen heterogen-katalysierte Reak- in- und ausländischen Firmen.
tionen an der porösen Membranwand ausgeführt werden.
Elektrochemische Membranreaktoren auf der Basis sogenannter
5. In diesen Fächern begegnen Sie der
Membrane Electrode Assemblies (MEA), in denen durch Elektronen, AVT.CVT
Wasser und regenerierbare Grundstoffe im Zusammenspiel mit
Membranen in einem brennstoffzellenähnlichen Prozess durch Elek- • Angewandte Chemische Verfahrenstechnik
tronen Wasser und regenerierbare Grundstoffe umgesetzt werden. • Angewandte Produktentwicklung in der VT
• Chemische Verfahrenstechnik
Die Forschung am Lehrstuhl für chemische Verfahrenstechnik kon- • Grundoperationen der Verfahrenstechnik
zentriert sich also im Wesentlichen auf drei Anwendungsfelder und • Industrielle Umwelttechnik und Luftreinhaltung
»Grand Global Challenges«: Wasser, Energie und Gesundheit. Die • Medizinische Verfahrenstechnik
Motivation rührt aus der Grundhypothese, dass Stoffumsetz- • Membrane Processes
ung und Stofftrennung eng auf einander abgestimmt und integriert • Messtechnisches Labor (MTL)
sein müssen, so wie es uns die Natur in zellularen Systemen vorlebt. • Produktentwicklung in der Verfahrenstechnik
• Verfahrenstechnik im Team
• Verfahrenstechnisches Seminar
4. Ihre Mitarbeit am Lehrstuhl
Experimentelle Arbeiten in unterschiedlichen Maßstäben, von La-
borexperimenten bis zu Pilotanlagen sind häufig die Grundlage der
Forschungsarbeit. Neben der Entwicklung neuer Apparate und
Reaktoren stellt deren Integration in Gesamtprozesse eine weitere
Herausforderung moderner Verfahrenstechnik dar. Unterstützt
werden die experimentellen Arbeiten daher durch Simulationen auf
verschiedenen Skalen. Durch Prozesssimulationen können z.B. un-
gewöhnliche Verfahrenskombinationen untersucht und die Vorzüge
einzelner Verfahren besonders effizient genutzt werden. Die Arbeit
wird durch erfahrene MitarbeiterInnen in Labor und mechanischer
172.3 AVT – Computational Systems Biotechnology
Strömungsdynamische Simulation eines Chromatographie-
Moduls. Ausschnitt einer Säule gefüllt mit porösen Partikeln.
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon:
Prof. Dr. rer. nat. 52 wissenschaftliche Leo-Brandt-Straße 02461 – 61 55 57
Wolfgang Wiechert 16 BTV 52425 Jülich
1. Computational System 3. Forschungsschwerpunkte
Biotechnology Modellierung von Netzwerken und Prozessen
Hinter dem Lehrstuhl »Computational Systems Biotechnology« Die interne Organisationsstruktur einer lebenden Zelle weist be-
verbirgt sich der Bereich »Systembiotechnologie« am Institut IBG–1 merkenswerte Parallelen zu einem industriellen Produktionsbetrieb
(Biotechnologie) des Forschungszentrums Jülich unter Leitung von auf. Auch hier liegt eine Steuerungshierarchie vor, bei der auf
Prof. Wiechert. Das Institut arbeitet an der Schnittstelle zwischen oberster Ebene der genetischen Regulation grobe Vorgaben für
Ingenieur- und Lebens-Wissenschaften und befasst sich mit der das Gesamtsystem gemacht werden, die dann auf der Ebene des
Entwicklung biotechnologischer Produktionsprozesse für Grund- und
Feinchemikalien, Pharmazeutika und Proteine. MitarbeiterInnen des
Instituts bieten Lehrveranstaltungen in den Fakultäten 1 & 4 an. Die
Forschung findet am Jülicher Institut statt.
2. Was ist Systembiotechnologie?
Noch bis vor wenigen Jahren endete die ingenieurmäßige Betrach-
tung biotechnologischer Produktionsprozesse an der Zellwand der
eingesetzten Mikroorganismen. Diese wurden als ein sich selbst
reproduzierender Katalysator aufgefasst und im Detail kaum weiter
aufgeschlüsselt. Mit dem Aufkommen der Systembiologie hat sich
dies grundlegend geändert. Systembiologen 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 Prozesspa-
rameter oder die genetische Ausstattung eines Mikroorganismus
verändert werden müssen, um die Produktivität von Bioprozessen
zu maximieren. Die darauf aufbauende Disziplin der »Synthetischen
Biologie« versucht Mikroorganismen und Proteine mit ganz neuen
Eigenschaften und Funktionen – wie z.B. industrielle Produktionsor-
ganismen – ingenieurmäßig zu entwickeln und nutzbar zu machen.
Das Jülicher Institut arbeitet sowohl auf dem Gebiet der computer-
gestützten Modellierung als auch der quantitativen experimentellen
Analyse biologischer Systeme. Regulationsmodell des Zentralstoffwechsels von Corynebacterium glutamicum.
182 Verfahrenstechnik in Aachen
Stoffwechsels in Stoffflüsse umgesetzt und mit Hilfe von Regel- Einen darauf aufbauenden Schwerpunkt des Instituts bildet die Ent-
kreisen stabilisiert werden. Für die Analyse dieser Netzwerke und wicklung quantitativer Analysemethoden, die den internen Zustand
Regelkreise werden dieselben Methoden eingesetzt, wie sie der einer Zelle auf allen Ebenen der zellulären Organisation möglichst
Ingenieur auch zur Prozessbeschreibung einsetzt: hierarchische genau abbilden können. Diese sogenannten »omics« Methoden
Modellierung, Stoffbilanzierung, Thermodynamik. Die erarbeiteten (Transcriptomics , Proteomics, Fluxomics, Metabolomics) erfordern
Netzwerkmodelle werden mit Hilfe moderner Simulationswerkzeu- die Entwicklung aufwendiger Messprotokolle, präzise Fehleranalysen,
ge umgesetzt und deren Parameter auf Grundlage experimenteller umfangreiche Kalibrierungsmaßnahmen und neue computergestützte
Daten bestimmt. Dazu sind informative Experimente mit Hilfe von Verfahren zur Rohdatenprozessierung, wie z.B. von Massenspektren
modernen Versuchsplanungs-Algorithmen gezielt zu entwerfen. Auf oder Videosequenzen.
Grundlage der Modelle werden dann Vorhersagen getroffen und
mit Optimierungsmethoden vielversprechende Modifikationen am Das Jülicher Institut beheimatet auch die Nachwuchsgruppe »Micros-
System ermittelt. cale Bioengineering« von Jun.-Prof. Dietrich Kohlheyer, die zugleich
eine eigenständige Arbeitsgruppe der AVT ist (siehe AVT.MSB).
Die Modellierung und Simulation von Apparaturen und Prozessen
gehört ebenfalls zum Arbeitsgebiet der Jülicher Ingenieure. Beispiele
sind Bioreaktoren, mikrofluidische Chips oder Chromatographie- 4. Mitarbeit am Lehrstuhl
Prozesse. Oft werden dabei Mehrskalenansätze verfolgt. Komplexe
mikrostrukturierte Simulationen erfordern unter anderem auch den Das IBG–1 bietet vielfältige Betätigungsmöglichkeiten für Studierende
Einsatz der Jülicher Supercomputer. der Ingenieurwissenschaften, sowohl im simulativen als auch im
konstruktiven und experimentellen Bereich. HiWis, Bacheloranden
Quantitative Analyse biologischer Systeme und Masteranden unterstützen die Forschungsarbeiten der etwa
25 Doktoranden. Im interdisziplinären Kontext werden konkrete
Die Systembiologie erfordert Experimente mit biologischen Syste- Themen oft auf die Ausbildung und Vorkenntnisse der Bewerber
men unter hochkontrollierten Bedingungen bei einem gleichzeitig zugeschnitten. Eine Anfrage lohnt sich.
möglichst hohen Durchsatz. Daher übernehmen Ingenieure am
Jülicher Institut vielfältige Aufgaben im Bereich der Durchführung, 5. In diesen Fächern begegnen Sie
apparativen Unterstützung, Miniaturisierung und Automatisierung von
Experimenten. So werden Mini- und Mikrobioreaktoren eingesetzt und dem IBG-1
mit Laborrobotern zu integrierten Systemen zusammengefügt. Auch
die Hochdurchsatz-Datengenerierung erfordert Ingenieurfähigkeiten, Die für den Ingenieurbereich maßgeblichen Lehrveranstaltungen
z.B. dann, wenn spezielle Probenahme-Einrichtungen entwickelt werden in jedem Sommer bzw. Winter als 1-wöchige Blockveran-
werden, die es erlauben, aus einem Bioreaktor mehrere Proben staltung angeboten.
pro Sekunde zu ziehen, um dynamische Vorgänge im Stoffwechsel
eines Mikroorganismus messtechnisch zu erfassen. • Computational Systems Biotechnology 1
• Computational Systems Biotechnology 2
Die Veranstaltungen werden sowohl von Ingenieuren als auch von
Biotechnologen besucht. Fehlendes Wissen wird im Vorfeld durch
spezielle Brückenmaßnahmen nachgeholt. Prof. Wiechert betreut
darüber hinaus auch das Aachener iGEM-Team bei der Teilnahme
am internationalen Wettbewerb der synthetischen Biologen. Das
Aachener Team war 2020 zweitplatziert unter 250 teilnehmenden
Mannschaften.
Strömungsdynamische Simulation eines Membranadsorbers mit realistischer Geometrie
19Karl Mayrhofer
2.4 AVT – Elektrochemische Reaktionstechnik
Polymer-Elektrolyt-Membran einer Brennstoffzelle mit Katalysator und Gas-Diffusions-
Schichten, 200fache Vergrößerung mit einem Rasterelektronenmikroskop
Leitung: MitarbeiterInnen: Adresse: Telefon:
Prof. Dr. rer. nat. 3 wissenschaftliche Forckenbeckstr. 51 0241 – 80 47842
Anna K. Mechler 52074 Aachen
1. AVT.ERT
Zu den wichtigsten Aspekten einer erfolgreichen Energiewende gehö- wird elektrolytische Elektrochemie beispielsweise in der Aluminium
ren die Energiespeicherung und Energiekonversion von erneuerbaren Gewinnung und in der Chlor-Alkali Elektrolyse genutzt. Bei der Chlor-
Energien. Diese Energie kann unter anderem für die Synthese von Alkali Elektrolyse werden Grundchemikalien Chlor, Wasserstoff und
Basischemikalien aus CO2 eingesetzt werden. Dadurch wird eine Natronlauge aus Wasser und Natriumchlorid hergestellt.
CO2 neutrale Wertschöpfungskette in der chemischen Industrie
ermöglicht. In der Praxis erfordert dies ein komplexes Zusammen- Die zugrundeliegenden chemischen Prozesse werden im Labor-
spiel von Katalysatormaterialien und Prozessbedingungen. Diese maßstab entwickelt. Kleine Systeme vereinfachen die Analyse von
Schnittstelle zwischen anwendungsorientierten Grundlagen- und verschiedenen Elektrodenmaterialien, sowohl Katalysatoren als auch
Prozessforschung ist das Arbeitsgebiet des jüngsten Zuwachses der Trägern, und Elektrolyten. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis
Aachener Verfahrenstechnik, die Elektrochemische Reaktionstechnik, von Reaktionsmechanismen, Struktur-Aktivitätsbeziehungen und
unter der Leitung von Prof. Anna K. Mechler. Der Forschungsfokus Stofftransportphänomenen. Dabei ist auch das Verständnis der
ist das Verständnis von elektrochemischen Katalysatoren unter Wechselwirkungen des Systems mit Fremdionen essentiell, die
industriell angewandten Reaktionsbedingungen. als chemische Verunreinigungen in den Reaktor eingeführt werden
können. Dadurch entstehende Abscheidungen an der Elektrode
Im Mai 2020 wurde die Professur durch eine Spende der Covestro
Deutschland AG ermöglicht mit einer gleichzeitigen Anbindung an
das Forschungszentrum Jülich. Durch die Einbindung der Professur
in das Kompetenzzentrum für industrielle Elektrochemie (ELECTRA)
Katalyse Kinetik
stärkt Prof. Mechler die Jülich Aachen Research Alliance (JARA). Vor
ihrer Berufung leitete Prof. Mechler 3,5 Jahre die Gruppe „Electro-
catalysis“ am Max-Plank-Institut für chemische Energiekonversion
unter Prof. Schlögl.
Operando Produkt &
2. Was ist Elektrochemische Spektroskopie Materialanalyse
Reaktionstechnik?
Elektrochemie ist ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Jeder,
der sich schon einmal über eine verrostete Fahrradkette geärgert Realitätsnahe
hat, war Zeuge von spontaner Elektrochemie. In einem kontrollierten Zelldesign Reaktionsbedingungen
Rahmen liefert galvanische Elektrochemie Batterien für Smartphones
und den Antrieb für Wasserstoffautos. Im industriellen Maßstab Forschungselemente in der Elektrochemie
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