Kritische Punkte

Thermische Verfahrenstechnik

Schon 1822 beobachtete der Franzose mit dem wohlklingenden Namen Cagniard de la Tour, daß sich Flüssigkeit und Gas ab einer bestimmten Temperatur - der bereits vom ihm so bezeichneten kritischen Temperatur - nicht mehr mit dem Auge unterscheiden lassen. Ende des 19. Jahrhunderts wurde entdeckt, daß diese „überkritischen” Fluide Kobalt- und Eisenchlorid wunderbar lösen. Damit liegen die physikalischen Grundlagen des erst in der jüngeren Vergangenheit entstandenen Forschungsgebietes der „überkritischen Fluide” schon in der Gründerzeit des industriellen Zeitalters.

Heute wird der kritische Punkt definiert als der Zustand, bei dem ein Stoff nur noch in einer Phase vorliegt, sich also keine flüssige und gasförmige Phase mehr unterscheiden lassen. Gekennzeichnet wird dieser durch die kritische Temperatur und den kritischen Druck. Liegen Temperatur und Druck über dem kritischen Punkt, spricht man demzufolge von „überkritisch”.
Was ist aber das Besondere am „Überkritischen”? Mit der Beantwortung dieser Frage ließe sich alleine der hier zugestandene Raum sprengen, insofern kann diese Antwort in einem Satz nur unvollständig sein. Ein überkritisches Fluid vereinigt die positive Eigenschaften niedriger Viskosität von Gasen mit dem hohen Lösevermögen einer Flüssigkeit. Kurz, es stellt aus technischer Sicht ein ideales Lösungsmittel dar, dessen Vorteile sich aber mit hohem Druck „erkauft” werden müssen. Im Arbeitsbereich Thermische Verfahrenstechnik - für TU-Verhältnisse mit 16 Jahren auch schon im biblischen Alter - beschäftigen sich unter der Leitung von Prof. Brunner und Prof. Eggers 34 Mitarbeiter mit eben diesen überkritischen Fluiden und ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten.

Hochdruckreaktionstechnik mit technischen Enzymen
Ein sehr aktuelles Anwendungsgebiet haben sich die überkritischen Fluide auch in der Biotechnologie und hier speziell in der Enzymtechnologie erschlossen. Von der industriellen Stoffproduktion bis zum Alltagsleben spielen Enzyme eine vielfältige, oft kaum bekannte Rolle. Enzyme zeichnen sich dadurch aus, bestimmte Reaktionen sehr spezifisch zu katalysieren, und damit werden sie vermehrt eingesetzt, um eine Vielzahl von Produkten zu gewinnen. Insbesondere im wichtigen Sektor Ernährung und Gesundheit nimmt die Bedeutung der Enzymtechnik zu und ermöglicht die Herstellung von neuen Wirkstoffen. Die Weiterentwicklung bekannter Verfahren zu einer kostengünstigeren und umweltfreundlicheren Betriebsweise sind der Antrieb für einen verstärkten Einsatz biologischer Methoden.
 Bei näherer Untersuchung zum Aufbau eines solchen Enzyms wird man feststellen, daß selbiges aus sehr komplexen Protein-(Eiweiß-) Molekülen besteht. Zunächst scheinen sich hohe Drücke - erst recht in Kombination mit hohen Temperaturen - und Proteine zu widersprechen. Als jedem präsentes Beispiel läßt sich Eiweiß in einer heißen Pfanne anführen, wobei hier natürlich die Veränderung (Denaturierung) zum Spiegelei gewünscht wird. Entgegen der alltäglichen Beobachtung ist die Stabilität von technischen Enzymen bei Drücken von mehreren tausend Bar und Temperaturen über 100°C nachgewiesen worden. Aufgrund dieser Eigenschaften erschließen sich weite Einsatzfelder für die industrielle Katalyse.

Wie kommt es jetzt zu einer Verbindung von überkritischen Fluiden mit Enzymreaktionen? Bei vielen katalysierten Reaktionen, ob in der Chemie oder Biologie, werden verschiedenste Lösemittel verwendet, um die Ausgangsstoffe und Produkte aufzunehmen und handhabbar zu machen. Für biologische Enzymreaktionen liegt als Lösemittel zunächst Wasser als natürliche Umgebung der Enzyme nahe. Problematisch wird Wasser, wenn sich nicht alle beteiligten Reaktionskomponenten ausreichend darin lösen lassen. Das ist der Fall bei sogenannten unpolaren Stoffen. So ist es zum Beispiel nicht möglich, Öl in Wasser wirklich chemisch zu lösen, sondern bestenfalls physikalisch zu emulgieren.

Umgehen läßt sich diese Problematik durch den Einsatz sogenannter unpolarer Lösemittel wie etwa Benzin oder ähnliche organische Erdölprodukte. Aus Gründen der Sicherheit und des Umweltschutzes (sowie diversen anderen) sind in vielen Bereichen insbesondere im „Human Sector” diese Lösemittel unerwünscht. Alternativ - und hier schließt sich der Kreis - können überkritische Fluide, genauer überkritisches Kohlendioxid, welches ebenfalls ein unpolares Lösemittel darstellt, eingesetzt werden. Kohlendioxid liegt schon bei verhältnismäßig niedrigeren Drücken (~73 bar) und Temperaturen (~31°C) überkritisch vor und eignet sich deshalb für weite Bereiche der Biokatalyse.

Im Arbeitsbereich Thermische Verfahrenstechnik werden hierzu verschiedene Reaktionen und Enzyme auf ihre Eignung in überkritischem Kohlendioxid untersucht. Technisch gestaltet sich diese Aufgabe schwierig, weil es sich um Hochdruckverfahren handelt. Uns stehen für diese Untersuchungen zwei Anlagen zu Verfügung. Ein als Batch-Reaktor bezeichneter Rührkessel mit dem sich die optimalen Reaktionsbedingungen hinsichtlich Geschwindigkeit und, ganz wichtig, Selektivität der eingesetzten Enzyme untersuchen lassen. Abbildung 1 zeigt diesen kleinen Reaktor, der bis 4000 bar (fast 2000mal mehr als ein Autoreifen üblicherweise an Druck hat) betrieben werden kann. Verfahrenstechnisch stellt eine diskontinuierliche Batch-Reaktion noch nicht die optimale Lösung dar. Deshalb können in einer weiteren kontinuierlich betriebenen Hochdruckreaktionsanlage im kleinen Untersuchungen durchgeführt werden, wie sie für die spätere Entwicklung einer realen Produktionsanlage wichtig sind.

Gasextraktion
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Arbeitsbereiches Thermische Verfahrenstechnik ist die Gasextraktion. So, wie man morgens sein Kaffeegetränk mittels Wasser aus Kaffeepulver herausextrahiert, so werden hier Wertkomponenten aus vielerlei Stoffen gewonnen. Nur wird statt einer Kaffeemaschine ein Hochdruckbehälter verwendet und statt Wasser kommt überkritisches CO2 zum Einsatz. Es ist verständlich, daß sich dieser hohe technische Aufwand nur bei bestimmten Produkten lohnt. Das Einsatzgebiet der Gasextraktion konzentriert sich vor allem auf temperaturempfindliche Stoffe oder auf solche, die keine Verunreinigungen mit Lösemitteln besitzen dürfen. Kohlendioxid hat nicht nur die Eigenschaft, schon bei geringer Temperatur als überkritisches Fluid verwendet werden zu können, sondern nach getaner Arbeit trennt es sich auch wieder vollständig vom extrahierten Wertstoff, außerdem ist es völlig ungiftig. Diese Charakteristika zeichnen es für seine Verwendung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie aus.

Aktuelle Untersuchungen beschäftigen sich damit, Grundlagen der Gasextraktion auf neue Stoffsysteme zu übertragen. Dabei wird der Frage nachgegangen, ob dieses noch junge Trennverfahren technisch und ökonomisch realisierbar ist. Hierzu stehen eine Vielzahl von Labor- und Technikumsanlagen (der nächste Schritt in Richtung Großanlage) zur Verfügung. Studenten haben die Möglichkeit, durch Studien- oder Diplomarbeiten an diesen Anlagen einen guten Einblick in das Forschungsgebiet zu gewinnen. Exemplarisch wird hier kurz auf den in Abbildung 2 dargestellten Prozeß der Gegenstromextraktion eingegangen. Die dargestellte Anlage eignet sich zur Auftrennung von flüssigem Ausgangsgemisch (Feed), welches der Trennkolonne zugeführt wird. Während der Flüssigkeitsstrom die Kolonne herunterfließt, strömt das Lösungsmittel CO2 von unten nach oben. Durch diesen Kontakt im Gegenstrom wird das Feed in zwei verschiedene Fraktionen aufgetrennt, die als Raffinat und Extrakt abgezogen werden. Momentan wird beispielsweise die Anreicherung von Vitaminen und Aromastoffen untersucht.

André Overmeyer, Martin Jungfer