Mittwoch, Oktober 5

Über Nudeln, Schnaps und Cappuccinos – Chemieingenieurwissenschaften an der Uni Innsbruck

von Simon Schöpf
Lesezeit: ca. 7 Min.

Seit dem Wintersemester 2019 gibt es das Masterstudium Chemieingenieurwissenschaften. Das gleichnamige Institut wird von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kai Langenbach geleitet, mit welchem wir ein Interview geführt haben. Die Forschung am Institut beschäftigt sich nicht ausschließlich mit den im Titel erwähnten Lebensmitteln, aber Kai Langenbach zog Allegorien heran, um uns einen Einblick in seine aktuelle Forschung zu geben. In einem zukünftigen Artikel werden wir euch dann das Rezept für perfekt gekochte Nudeln geben – beruhend auf den aktuellen Forschungsergebnissen aus der thermischen Verfahrenstechnik!

Wein und Schnaps

Kai Langenbach und sein Team beschäftigen sich mit der thermischen Verfahrenstechnik. Vereinfacht ausgedrückt: Die Hauptbestandteile von Wein sind Wasser und Trinkalkohol (Ethanol) – würden wir (warum auch immer) einen Schnaps daraus brennen, müsste das Ethanol vom Wasser in einer Destillationsanalage durch Erhitzen und Kondensieren getrennt werden. In der thermischen Verfahrenstechnik werden Stoffmischungen zu einem Produkt für die chemische Industrie weiterverarbeitet.

schnapps, glass, alcohol

Dabei stehen zwei Fragen im Vordergrund: Welche Eigenschaften hat dieses spätere Produkt und wie kann die Herstellung mit möglichst wenig Vorwissen über die Eigenschaften der Stoffe und der Mischungen optimiert werden?

„Wir versuchen uns eigentlich in gewisser Weise in Hellseherei“, hält Kai Langenbach lachend fest.

Ziel ist es, aus so wenig Messdaten wie möglich, wie zum Beispiel der Siedetemperatur eines Gemisches, ganze Chemieanlagen optimal auszulegen. Denn ein großer Kostenfaktor in der Produktion sind umfangreiche Messkampagnen.

Kontaktwinkel und Nachhaltigkeit

Mithilfe der Verfahrenstechnik sollen etwa im Bereich der Kunststoffproduktion bessere Stoffdaten vorhergesagt werden. Ein konkretes Beispiel: Die Kontaktwinkel auf Oberflächen von Polymeren. Der Kontaktwinkel stellt sich an jener Linie eines Tropfens auf einer festen Oberfläche ein, an der die drei Phasen flüssig, fest und gasförmig „aufeinandertreffen“. Dieser Winkel hängt von den Eigenschaften des Polymers ab und wird meist mit optischen Methoden gemessen. Ziel ist es, diesen Kontaktwinkel vorherzusagen, um diese Messungen somit überflüssig zu machen. Dies wird in Zukunft wichtig, da weniger Kunststoffe aus Erdöl gewonnen werden und immer mehr pflanzliche Rohstoffe zum Einsatz kommen. Naturstoffe haben aber den Nachteil, dass diese meist keine einheitliche Zusammensetzung haben, was sich auf das Endprodukt auswirken kann – das Endprodukt sollte aber immer gleichbleibende Eigenschaften haben. Die Butterbrotdose aus Kunststoff beispielsweise sollte immer die gleiche Dampfdurchlässigkeit und Bedruckbarkeit aufweisen, was wesentlich vom Kontaktwinkel abhängt.

Ein Polymer ist eine chemische Verbindung, die aus Ketten- oder verzweigten Molekülen (Makromolekül) besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten (den sogenannten Monomeren) bestehen. Die meisten Kunststoffe sind Polymere. Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Polymer.html

Das heißt, es wird versucht, diese Problematiken mit theoretischen Methoden zu umgehen, damit weniger Experimente gemacht werden müssen und so weniger Rohstoffe verbraucht werden.

„Die Vision ist, von vornherein zu wissen, dass wenn wir etwas in den Prozess reinstecken, wir am Ende das gewünschte Zielprodukt herausbekommen. Also ein holistischer Ansatz […].“

Besonders für die chemische Industrie ist dies von Interesse. Ein Produzent bekommt z. B. von zwei Kunden verschiedene Wünsche zu Produkteigenschaften.  Mit dem Wissen aus den Chemieingenieurwissenschaften soll es in Zukunft möglich sein, durch kleine Veränderungen im Herstellungsprozess (zum Beispiel Blending – Mischen von verschiedenen Kunstoffen) die beiden gewünschten Produkte herzustellen, ohne dabei komplizierte Umbauten vorzunehmen und unnötig Rohstoffe zu verbrauchen.

Diamonds are forever… oder etwa nicht?

In der Theorie schwer zu fassen sind disperse Phasen wie z. B. Schäume, da sie keine thermodynamische Stabilität haben. Anders ausgedrückt: Über eine kürzere oder längere Dauer gehen Stoffe in eine thermodynamisch stabile Form über. Diamanten sind, obwohl sie eine der härtesten Stoffe der Welt sind, thermodynamisch nicht stabil und zerfallen langsam zu Graphit, das thermodynamisch die stabile Form von Kohlenstoff bei Raumtemperatur ist. Aber keine Angst, bei Raumtemperatur findet diese Umwandlung so gut wie nicht statt.

In Bereichen der Lebensmittelherstellung oder bei der Formulierung von Medikamenten wird vielfach mit Korrelationen und empirischen Werten gearbeitet, da disperse Phasen verfahrenstechnisch nicht vernünftig beschreibbar sind. So wird „ausprobiert“, wie u. a. durch Druck oder Temperaturveränderungen, eine Emulsion gebrochen werden kann. Das Ziel der Forschung von Kai Langenbach und seinem Team ist es, die dispersen Phasen besser zu beschreiben. Somit soll das „Ausprobieren“ von vornherein vermieden werden.

Ein praktisches Beispiel: In einer Destillationskolonne werden Stoffgemische voneinander getrennt, dabei soll es zu keiner Schaumbildung kommen. Schaum besteht aus einer flüssigen und einer gasförmigen Phase – wenn in einer Kolonne der Schaum nach oben steigt, sinkt die Trennleistung. Bisher wurden vor allem Erfahrungswerte hinzugezogen, um die Schaumbildung zu verhindern. Mit den neuen Modellen von Langenbach sollen diese Probleme bereits vorher vermieden werden. Für die Cappuccinotrinker*innen unter euch ein kleines Experiment zum selbst ausprobieren: Schäumt unterschiedliche Milchsorten (Hafermilch, Vollmilch, Sojamilch etc.) auf dieselbe Art und Weise auf und beobachtet dabei welche Schäume am stabilsten sind und welche am schnellsten in sich zusammenfallen.

Bsp. einer Destillationskolonne aus der Petrochemie

© by Crude Oil Distillation-fr.svg: Image originale:Psarianos, Theresa knott ; image vectorielle:Rogilbertderivative work: Leyo – Crude Oil Distillation-fr.svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9375996

„Jede und jeder thermische Verfahrenstechniker*in deckt im Prinzip alle Größenskalen ab“

Die Forschung in den Chemieingenieurwissenschaften umfasst ein breites Spektrum an Bereichen. Einerseits werden Eigenschaften von Molekülen im Nano- und Mikrobereich untersucht, andererseits aber auch deren Verhalten in großen Anlagen, die bis zu sechzig Meter hohe Kolonnen mit einem Durchmesser von über zehn Metern umfassen können. Die Forscher*innen in Innsbruck spezialisieren sich auf die Modellentwicklung. Kai Langenbach dazu:

„Meine Spezialisierung bezieht sich am ehesten auf die Stoffdaten. Das heißt, ich bin derjenige, der versucht, zum einen Stoffdaten zur Verfügung zu stellen, […] und zum anderen die Modelle dafür zu entwickeln […]. Wichtig für die Schaumstabilität z. B. ist die Ausrichtung der Teilchen zueinander zu beschreiben, obwohl der Schaum natürlich makroskopisch auftritt. Diese Skalenbrücke ist eine große Herausforderung.“

Im Interview wird der Forscher nicht müde, die Punkte Nachhaltigkeit und den globalen Kontext der Gewinnung und Verarbeitung von Rohstoffen zu betonen, also die wohl größte Skala, die berücksichtigt werden muss:

„Wir wollen schon bei der Auswahl der Rohstoffe beginnen. Wir wollen da schon festlegen, welche Produkteigenschaften beim Prozess rauskommen und wollen möglichst nachhaltig dabei sein. Dazu gehört, sparsam mit Rohstoffen und Energie umzugehen und zum Beispiel Abfallstoffe zu verwerten. Alles, was ich aus Abfallstoffen herstellen kann, brauche ich nicht anzubauen. Damit stehe ich z. B. nicht in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln […]. Das ist ein häufiger Trugschluss, dass ich nur meinen eigenen Prozess ansehen muss. In der heutigen Welt muss ich diese Ideen erweitern und global sehen. Gerade wenn man über biogene Rohstoffe redet, dann steht man fast immer in Konkurrenz zu Nahrungsmittelangeboten und es gibt immer noch Teile der Menschheit, die hungern. Da muss man vorsichtig sein, ob man wirklich Ackerflächen für die Gewinnung von chemischen Rohstoffen verwenden will. […] Das Problem findet sich dann in anderen Ländern und ich möchte nicht dafür verantwortlich sein, dass, weil ich Auto fahren möchte mit meinem Biodiesel, jemand anders in der Welt dafür hungern muss. Daher denken wir Nachhaltigkeit immer mit und sehen es im globalen Kontext als eine Herausforderung, die es zu lösen gilt.“

Link zur Institutshomepage:
https://www.uibk.ac.at/chemieingenieurwissenschaften/

Orcid:
https://orcid.org/0000-0001-5025-6360

Google Scholar:
https://scholar.google.com/citations?user=o9WS4r0AAAAJ

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