Verfahrenstechnik an der JKU Linz - Mark W. Hlawitschka
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Chemie
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Ingenieur Young Scientists 1
Technik
Verfahrenstechnik an der JKU Linz
Mark W. Hlawitschka*
DOI: 10.1002/cite.202100124
This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs License, which permits use and
distribution in any medium, provided the original work is properly cited, the use is non-commercial and no modifications or adaptations are made.
Die Universität Linz ist eine im Vergleich recht junge Universität. Sie wurde im Jahre 1962 als Hochschule für Sozial- und
Wirtschaftswissenschaften eröffnet und 1966 durch die technisch-naturwissenschaftliche Fakultät erweitert. Die Johannes
Kepler Universität (JKU) Linz hat mit mittlerweile über 19 400 Studierenden eine beachtliche Größe erreicht. Die Ver-
fahrenstechnik wurde 1997 an der JKU etabliert. Die Kombination der vorhandenen Expertise zu Membranverfahren mit
den eigenen Schwerpunkten zur Extraktion, Absorption, Chemiesorption, Messtechnik und Computational Fluid Dyna-
mics ermöglichen es, weiter in die Themen der ressourceneffizienten und nachhaltigen Aufarbeitung einzusteigen und
gleichzeitig die Detailphänomene auf den unterschiedlichen Skalen aufzuklären.
Schlagwörter: Absorption, Computational Fluid Dynamics, Erneuerbare Energie, Lösemittelextraktion,
Prozessoptimierung, Recycling
Eingegangen: 24. Juni 2021; akzeptiert: 28. Juni 2021
Process Engineering at JKU Linz
The University of Linz is quite a young university in comparison and was opened in 1962 as a university for social and
economic sciences and expanded in 1966 with the addition of the technical and natural sciences faculty. The Johannes
Kepler University (JKU) Linz has now reached a considerable size with over 19 400 students. Process engineering was es-
tablished at the JKU in 1997. The combination of the existing expertise in membrane processes with the university’s own
focus on extraction, absorption, chemical sorption, measurement technology and computational fluid dynamics makes it
possible to delve further into the topics of resource-efficient and sustainable processing, while at the same time elucidating
the detailed phenomena on the various scales.
Keywords: Absorption, Process optimization, Recycling, Renewable energy, Solvent extraction
1 Einleitung Pflicht, neue energieeffiziente Verfahren zu entwickeln und
einstige Abfallströme als Werstofströme zu erschließen.
Mitten in der Pandemie eine Professur anzutreten, auch Die Klimaänderungen und die damit verknappenden
wenn diese in mitten Europas liegt, ist eine spannende Trinkwasserresourcen, extreme Wetterlagen und damit zu-
Herausforderung. Dies beginnt bei der Frage, wie man die sammenhängenden Naturkatastrophen, Ausfall von Nah-
Grenze übertritt, über allgemeine Behördengänge und der rungsmittelproduktion und Verknappung des Lebens-
Frage, ob und wann diese überhaupt Publikumsverkehr raumes müssen zu einem raschen Umdenken auf allen
zulassen, wie man neue Mitarbeiter virtuell einstellt, bis hin Ebenen führen, so dass die gesteckten Ziele schon vor 2050
zu allgemeinen universitären Fragen, die glücklicherweise erreicht werden, um ähnliche Todesraten wie während der
nahezu alle sehr gut digital umzusetzen sind. Mit zwei aktuellen Pandemie, Kriege um Trinkwasser/Nahrung sowie
Kindern im Kindergartenalter erleichterte die nahezu konti- Massenflucht zu vermeiden.
nuierliche Öffnung der Betreuungseinrichtungen die Ein- Während die klassischen Luftschadstoffe wie Stickoxide,
arbeitung in Österreich. Doch nun zur Verfahrenstechnik! Schwefeldioxid, flüchtige organische Verbindungen, Ammo-
Kontinuierlicher Fortschritt durch bedeutende Verän-
derungen im sozio-ökonomischen, aber auch ökologischen –
Bereich werden die Verfahrenstechnik in den nächsten
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mark W. Hlawitschka
Jahren bestimmen. Darunter zählen sicherlich die Schlüssel- mark.hlawitschka@jku.at
wörter nachhaltige Zukunft, Schutz der Umwelt und ge- Johannes Kepler Universität Linz, Institut für Verfahrenstechnik,
sellschaftliche Verantwortung. Verfahrenstechnik ist in der Altenbergerstraße 69, 4040 Linz, Österreich.
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niak, Staub- und Feinstaub kontinuierlich seit den 1990 Jah-
ren reduziert wurden, ist beim klimaschädlichem Treib-
hausgas ein stetiger Anstieg in der Erdatmosphäre zu be-
obachten. Die Herausforderung ist daher nicht nur lokal in
einzelnen Ländern zu sehen, sondern muss global im Ver-
bund der Wissenschaft und Wirtschaft gelöst werden.
2 Wie kann die Verfahrenstechnik einen
Beitrag leisten?
Die Verfahrenstechnik bildet die Schnittstelle zwischen den
Abbildung 1. Einblick in das Studentenlabor: u. a. Destillation,
unterschiedlichsten ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen Rektifikation, Extraktion, Absorption, Filterpresse, Pumpenprüf-
wie Chemie, Biologie, Maschinenbau, Elektrotechnik, Infor- stand, Membranprüfstand.
matik, Wirtschaftsingenieurwesen und ist gleichzeitig
Treiber neuer Technologien sowie deren Umsetzung in Seit Oktober 2020 kamen mit meiner Berufung die For-
technische Anwendungen. Durch sich wandelnde Rahmen- schungsgebiete der Mehrphasenströmungen, darunter auch
bedingungen, wie Anwachsen der Weltbevölkerung oder der Chemisorption, der Computational Fluid Dynamics
Zunahme der Umweltschäden, gibt es eine Verschiebung [1–4], der Extraktion [5–10] sowie der Messtechnik [11–13]
von rein sozio-ökonomischen Rahmenbedingungen hin zu hinzu. Im Bereich der Blasensäulen erfolgt eine kontinuier-
sozio-ökoloigischen Rahmenbedingungen. Dies erfordert, liche Weiterentwicklung der Errungenschaften in Bezug auf
zusammen mit den Herausforderungen und Chancen der die Suspensionsblasensäulen [14–18], u. a. im Rahmen des
Digitalisierung, die in einem noch nie da gewesenen Tempo BMWi-Projekts ,,Innovative Syntheseprozesse zur Erzeu-
voranschreitet, eine stärkere Vernetzung der unterschied- gung chemischer Energieträger aus grünem Wasserstoff in
lichen Disziplinen im industriellen, aber auch vor allem im lastflexiblen Blasensäulenreaktoren‘‘ mit der DVGW For-
universitären Bereich. Die durch die Pandemie verursach- schungstelle am Engler-Bunte-Institut als Projektkoordina-
ten Engpässe sowie eine schnelle Umstellung von Produk- tor. Damit trägt die aktuelle Forschung direkt zum gesteck-
tionsverfahren auf die Herstellung von Impfstoffen führen ten Ziel der Reduzierung der Kohlenstoffkonzentration in
zu einer weiteren Flexibilisierung von Produktionsabläufen. der Atmosphäre bei.
Zur Lösung der aktuellen Herausforderungen wird eine Komplexe Strömungen erfordern moderne Messtechni-
stärkere Vernetzung der Experten der jeweiligen Disziplinen ken. Besonders in dreiphasigen Systemen kommen optische
einen entscheidenden Beitrag liefern. Messsysteme [9, 19] an ihre Grenzen. Hierzu wird aktuell
an einem neuen Konzept zur Bestimmung der Blasengröße
sowie des Strömungszustands gearbeitet. Dieses wird eine
3 Verfahrenstechnik an der JKU Linz bessere Modellbildung der Partikelgrößenpopulationsbilanz
insbesondere im Rahmen der dreiphasigen Strömungen
Die Verfahrenstechnik an der Johannes Kepler Universität ermöglichen. Jedoch ist auch bei den optischen Verfahren
(JKU) Linz (www.jku.at/institut-fuer-verfahrenstechnik/) die Reise noch nicht zu Ende. Hier haben zuletzt v. a. die
wurde im Jahre 1997 eingerichtet. Nach mehrfachen Stand- Machine-Learning-Ansätze eine gute Alternative zu den
ortwechseln, vom Chemiepark Linz, hin zum Biolabor der etablierten Analyseverfahren gezeigt.
AGRE Linz und nun seit 2016 im Technikum am Campus Das numerische und experimentelle Mehrskalenkonzept
der JKU, hat diese einen optimalen Ausgangspunkt für die für Blasenströmungen (Abb. 2) wird kontinuierlich auf neue
stärkere Vernetzung der Disziplinen, gefördert durch kurze Anwendungsfelder übertragen. Das Konzept basiert auf
Wege und direkte Integration in der Technich-Naturwissen- einer Analyse der unbekannten Auswirkungen von Einzel-
schaftlichen Fakultät, gefunden. Das Institut der Verfah- phänomenen auf der entsprechenden Skala und deren
renstechnik ist direkt in die Chemie- und Kunstofftechnik- Übertragung auf die benachbarten Skalen. Darauf aufbau-
fakultät der JKU integriert und befindet sich im Technikum end erfolgt eine Erweiterung/Schließung der Modellierungs-
der JKU (Abb. 1). Daraus ergeben sich spannende Mög- ansätze. Die validierte Modellierung liefert die Grundlage
lichkeiten, z. B. in Form der Übertragung unterschied- zum digitalen Zwilling komplexer strömungstechnischer
lichster Synthesen aus dem Labor in den Technikumsmaß- Apparate sowie zu deren Auslegung.
stab. Die Reaktivextraktion ist zudem wieder in den Fokus der
Der Fokus des Instituts lag bis zu meiner Berufung auf Industrie zum Recycling u. a. von Lithium-Ionen-Akkus
den Gebieten Membran- und Nanofiltration sowie Geother- gerückt [20], die sich einer mechanischen Auftrennung
mie, wobei letzteres u. a. vertieft an einer geothermischen aufgrund der hohen Anforderungen an die Reinheit der
Forschungsanlage (Geosola) am Standort Leonding verfolgt Elemente anschließt. Mit dem stetigen Ausbau der Elektro-
wurde. mobilität steigt auch der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien
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Abbildung 2. Mehrskalenkonzeppt zur Auslegung/Modellentwicklung von Mehrphasenapparaten am
Beispiel des Blasensäulenreaktors.
(LIB). Infolge dessen steigt auch die Nachfrage an den Roh- dung in Flüssig-flüssig-Systemen an Gestricken‘‘ sowie
stoffen Lithium, Cobalt, Nickel und Mangan, für die Pro- ,,DisKoPump – Dispergier- und Koaleszierphänomene in
duktion des sogenannten Aktivmaterials. An meiner Alma Zentrifugalpumpen‘‘ [19, 31] vertieft.
Mater, der Universität Kaiserslautern, gab es eine lange Mit Blick auf die anstehende Emeritierung von Prof.
Tradition zur Erforschung der Flüssig/flüssig-Extraktion Hans-Jörg Bart bin ich stolz, das Gebiet der Flüssig/flüssig-
sowie deren Applikationen; von der Entwicklung einer Extraktion an der JKU Linz weiter fortzuführen und aus-
Miniplant-Extraktionsanlage, zum Ausbau und Neuent- bauen zu können.
wicklung hydrodynamischer sowie Partikelmesstechnik bis Das Recycling von LIBs bildet dabei die Grundlage für
hin zur Aufdeckung von Einzelphänomenen [21–30]. Zu- weitere Forschungszweige und bietet zwei Vorteile gegen-
nehmende Erfolge konnten durch die 3D-CFD-Simulation über der klassischen Deponierung. Zum einen stellen die
gekoppelt mit Stofftransport und Populationsbilanzen zur Schwermetalle ein großes Umweltproblem dar, da sie das
Bestimmung der Tropfengröße erzielt werden, um nötige Grundwasser verunreinigen können. Zum anderen können
Korrelationen, u. a. für die Auslegung bzw. 1D-Modellie- diese Metalle dem Wirtschaftskreislauf zurückgeführt wer-
rung, zu erarbeiten (Abb. 3) und langwierige oder kosten- den und somit den Druck auf primäre Rohstoffquellen
intensive Experimente zu reduzieren. reduzieren. Konzepte zur Aufbereitung von verbrauchtem
Aber auch die industrienahe Entwicklung wurde Aktivmaterial und Wiederverwendung in neuen Batterien
in AiF-Projekten wie ,,Erna – Effiziente Tropfenabschei- können im Bereich von Traktionsbatterien eingesetzt wer-
den. In Bezug auf Endverbraucher-
elektronik können diese nur schwer
1,00E-03 angewandt werden. Unterschiedliche Zu-
Simulation: OpenFOAM sammensetzungen und die fortschreiten-
Axialer Dispersionskoeffizient, Dax,d /
Bauer (1976) de Technologie machen eine Trennung
8,00E-04
Rod (1968) der Metalle notwendig. Hierzu kann die
Reaktivextraktion einen wertvollen Bei-
6,00E-04 trag leisten. Sie ist in der Lage, Metalle in
hohen Reinheiten bei gleichzeitig hoher
m²s-1
Ausbeute wiederzugewinnen. Der Einsatz
4,00E-04
von Extraktionskolonnen ermöglicht ei-
nen hohen Durchsatz bei geringem
2,00E-04 Platzbedarf. Die Anwendbarkeit konnte
im Hinblick auf LIB-Recycling an einer
pulsierten DN 50-Kolonne demonstriert
0,00E+00
0 50 100 150 200 250 300 350 400
werden [32]. Am Institut für Verfahrens-
Drehzahl / rpm technik soll diese Technologie weiter
untersucht und auf weitere Abfallströme
Abbildung 3. Vergleich der axialen Dispersion zwischen Korrelation und Simulation für ausgeweitet werden; so etwa das Recycling
eine Extraktionskolonnen. von Seltenen Erden aus LCD-Displays
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und anderen Endverbrauchergeräten. Erhöhte Ansprüche rung neu zu planender Anlagen sowie bei bestehenden
resultieren aus geringen Konzentrationen der Wertstoffe bei Anlagen und liefert somit auch einen Beitrag zur Nachhal-
gleichzeitig hohen Konzentrationen von Fremdstoffen. Die tigkeit von Prozessen. Zusammen mit dem Know-how über
Kombination aus Extraktion und Membranverfahren stel- die hydrodynamische Messtechnik ergibt sich am Institut
len ein vielversprechendes Forschungsfeld dar, neue Kon- ein optimales Gesamtpaket, das durch die Verknüpfung mit
zepte zu entwickeln und Phänomene weiter zu beschreiben. weiteren Instituten an der JKU sowie nationalen und inter-
Die Kombination der Expertise im Bereich der mehr- nationalen Instituten auch zukünftig seine Anwendung fin-
phasigen Apparate (Extraktion, Absorption) [33] mit dem den wird. Während der Fokus in den letzten Jahren im SPP
am Institut etablierten Wissen über Membranverfahren 1740 maßgeblich auf der Beschreibung der Partikel-/Hydro-
sowie im speziellen auch der Membrandestillation [34–36] dynamik/Reaktionsinteraktion im Zweiphasigen lag, ist eine
ermöglicht es zudem, vertieft in die Bereiche des Recyclings, kontinuierliche Erweiterung auf dreiphasige Systeme er-
Stoffabtrennung sowie Prozessintegration einzutauchen folgt. Insbesondere die Koaleszenzeffekte spielen dabei eine
(Abb. 4). maßgebliche Rolle, da diese das Strömungsbild sowie die
Die Computational Fluid Dynamics wird auch weiterhin damit verbundene Apparateauslegung von Grund auf
zur Optimierung von Kolonnen sowie zur Modellbildung beeinflussen. Hierbei wurden erste Fortschritte zur experi-
ausgebaut. Das Aufdecken von Totzonen, Optimierung mentellen Charakterisierung erzielt [18, 37, 38], die im
von Vermischungseffekten, die Partikelgrößenverteilungs- Folgenden weiter ausgebaut werden. Die Vision ist es, die
beschreibung sind essenzielle Punkte bei der Effizienzsteige- vorhandenen Lücken in der Modellbildung sukzessive auf
Abbildung 4. Forschungsthemen des Instituts für Verfahrenstechnik basierend auf den vorhandenen Publikationsschlüsselwörtern.
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Basis der Kombination aus Messtechnik und CFD-Simula- ein englischsprachiger Studienzweig, der eine Internatio-
tion zu schließen und neue Herausforderungen anhand von nalisierung garantiert.
Messungen sowie Simulationen zu identifizieren.
6 Schlusswort
4 Industrie
Nach über einem Jahr Pandemie freue ich mich wieder auf
Neben den Grundlagenforschungen ist die industrienahe persönliche Kontakte u. a. auf Konferenzen, Fachgruppen-
Forschung einer der Stützpfeiler der Verfahrenstechnikinsti- treffen und Meetings bzw. auch vor Ort in Linz. Nähere
tute. Auf Basis der gewonnenen Eindrücke und Kontakte Informationen zu meiner Person, zum Institut und dessen
aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz ist ein enger Ausstattung sind unter www.jku.at/institut-fuer-verfahrens
Schulterschluss mit der lokalen Industrie geplant, der technik/ zu finden.
aufgrund der aktuellen Situation bisher maßgeblich virtuell
stattfand. Mit 51 Betrieben im Chemie-, Pharma- sowie
Kunststoffbereich gehört Oberösterreich sicherlich zu ei- Ich danke meiner Familie, dass Sie mit mir die einzelnen
nem der Zentren der Verfahrenstechnik in Österreich. Schritte zur Professur gegangen sind. Mein Dank gilt
Insgesamt 130 Betriebe fallen unter die weiteren Kategorien außerdem meinem Mentor Hans-Jörg Bart, allen meinen
Energie- und Wasserversorgung, Holz und Recycling, Weggefährten sowie der TU Kaiserslautern für die aus-
Metallerzeugung sowie Textilien. 26 Betriebe sind der gezeichnete Unterstützung, insbesondere durch den
Nahrungsmittelerzeugung und Tabakwaren zuzuordnen, TU Nachwuchsring. Mein Dank gilt auch Sabina Kapel-
die sicherlich auch interessante Fragestellungen aufweisen ler-Sitter sowie Mohammad Rezaei, die den Einstieg an
werden. der JKU tatkräftig erleichtert haben.
5 Lehre Mark Hlawitschka studier-
te an der TU Kaiserslautern
Die chemische Verfahrenstechnik beschäftigt sich mit Stoff- Maschinenbau und Verfah-
wandlungen durch chemische Reaktionen und bildet auf renstechnik. Während des
den ersten Blick das stärkste Bindeglied der Verfahrenstech- Zivildienstes belegte er
nik an die chemische Fakultät. Die Studierenden erweitern Vorlesungen im Rahmen
ihr Fachwissen in zwei Laboren zur mechanischen (Filtrie- des Fernstudiums Elektro-
ren/Filterkuchenpresse, Partikelgrößenverteilung, Membran- technik sowie Maschinen-
verfahren) sowie thermischen Verfahrenstechnik (Destilla- baus. Auslandserfahrung
tion, Extraktion, Kolonnenhydrodynamik, Wärmetauscher sammelte er während seines
etc.), wobei hier auch weitere praktische Vertiefungen, z. B. Studiums u. a. durch ein
in Hinsicht auf die Bestimmung einer Pumpenkennlinie, Industriepraktikum in
stattfinden. Die Grundlagen hierzu werden in zwei Vor- Spanien. 2013 promovierte
lesungen zur mechanischen Verfahrenstechnik sowie ther- er an der TU Kaiserslautern auf dem Thema der Ex-
mischen Verfahrenstechnik gelegt. Innerhalb eines Seminars traktion. Ab 2013 war er Projektleiter mehrerer AiF-
erlernen die Studierenden unter Anleitung die Anlagenpla- Projekte sowie Leiter eines DFG-Projekts im Rahmen
nung. Die Seminarstruktur ermöglicht hierbei eine vertiefte des DFG SPP 1740. Er war seit 2014 aktiv im Vorstand
Interaktion zwischen den Studierenden, aber auch zwischen des TU Nachwuchsrings und ab 2017 Sprecher des TU
meiner Person als Lehrendem sowie den Studierenden. Das Nachwuchsrings. Das EU Konsortium MSP-Refram so-
Wissen wird weiter in einem Gruppenseminar vertieft, in wie Prometia trugen zur weiteren internationalen Ver-
dem die Studierenden selbstständig eine Anlage planen, netzung im Bereich der Extraktion bei. 2019 habilitierte
auslegen und am Ende die Wirtschaftlichkeit der Anlage be- Mark Hlawitschka auf dem Thema der reaktiven Bla-
urteilen. Die Kollaboration zwischen den Seminarteilneh- sensäulen. Er erhielt einen Ruf an die Universität Inns-
mern, der Ausbau der eigenen Kreativität sowie die Präsen- bruck sowie an die Johannes-Kepler-Universität Linz.
tation der eigenen Ergebnisse stehen im Fokus. Zusätzlich Seit Oktober 2020 ist Prof. Hlawitschka an der JKU
wird die kritische Hinterfragung der eigenen Ergebnisse Linz Leiter des Instituts für Verfahrenstechnik.
sowie der Ergebnisse der Gruppenteilnehmer geschult. Das Zu seinen Forschungsthemen zählen die Aufklärung
nötige Know-how zur Anlagenplanung erlernen Sie zudem der Interaktion zwischen Hydrodynamik und Stoff-
in der Vorlesung ,,Instrumentation and Processautoma- transport, die Flüssig/flüssig-Extraktion sowie die Auf-
tion‘‘. Wie der Titel der Vorlesung schon verraten lässt, ist klärung von Detailphänomenen wie z. B. Koaleszenz
der Studiengang der ,,Chemistry and Chemical Technology‘‘ oder Fouling.
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Ingenieur Young Scientists 7
Technik
DOI: 10.1002/cite.202100124
Verfahrenstechnik an der JKU Linz Young Scientists
Mark W. Hlawitschka*
Professor
Mark W. Hlawitschka
Young Scientists: Mark Hlawitschka ist seit Oktober 2020 Leiter des Instituts für Verfah-
renstechnik an der Johannes Kepler Universität Linz. In diesem Beitrag beschreibt er den
Weg an eine neue Universität während einer Pandemie, die neuen Forschungsschwerpunkte
und die Lehrtätigkeit des Instituts. ....................................................................... ¢
Chem. Ing. Tech. 2021, 93, No. 10, 1–7 ª 2021 The Authors. Chemie Ingenieur Technik published by Wiley-VCH GmbH www.cit-journal.comSie können auch lesen
