The Gaube Lecture

Thermodynamik und Reaktions-Technik am Beispiel PA12

A.Pfennig/T.Haas – 18. April 2015

2

0,0 0,1 0,2 0,30,00

0,05

0,10

0,15

T = 293,15 K

Mischungspunkt Konode

wP

EG

wDextran

ATPS: Wasser + PEG3000 + Dextran 500000

3

Cross‐Partition von Cytochrom C

9 10 110,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Ver

teilu

ngsk

oeffi

zien

t von

Cyt

ochr

om C

pH

50 mmol/l Na2SO4

100 mmol/l NaCl

4

Bestimmung von ΔΔφZweiphasensystem Zweiphasensystem

mit Salz I mit Salz II

( ) ln ln ln ln

TT T

0 IT T

IIRTz F

K K K K0

K TI I K T

IIII

5

Verteilung von Alizaringelb

-3 -2 -1 0 1 20,25

0,50

0,75

1,00T = 293,15 K

cSalz= 0

NaI

NaCl

Na2SO4

Na2HPO4

lnK

Aliz

arin

gelb

log(cSalz/[mmol/kg])

6

Vergleich ΔΔφ

Testteilchen zT Na SO NaCl2 4

[mV]

Alizaringelb -1 4,2

Diaminlichtblau -3,34 4,6

Na B C H6 5 4 -1 4,1

Dipeptide -1 bis +1 4,8

7

Ermittlung von  I ‐ II

Salzbrücke

Elektrode

Unterphase I Unterphase II

Oberphase I Oberphase III II

8

conparison of ΔΔφwith different methods

9

pilot‐plant settler with internals

10

valve

valve

glas cylindersDN 80 x 300

internals

tube DN 20

counter-rotatingstirrers

top vessel

bottomvessel

standardized lab experiment for settling

11

continuous phase

time

heig

ht sedimentation zone

coalesceddisperse phase

t

principles of settling

12

speedup factor 5

example with evaluation

13

Absetzzeit 1‐Butanol + Wasser (o/w=5/2)

-4 -2 0 210^1

10^2

10^3

10^4

10^5

cSalz= 0

NaCl

Na2SO4

NaBr

T = 20 °C

log(

t Abs

etz/[s

])

log(cSalz/[mmol/kg])

Reaktionstechnik: meine Dr arbeitSelektivhydrierung von COD

Seite 14

Modell zur Selektivhydrierung

Seite 15

Im Fokus Hochleistungspolymere

Kos

teng

etrie

ben

Funk

tions

getr

iebe

n

amorph kristallin

Technische Polymere

Hochleistungs-polymere

PETPBT

POMPUR

PC

PPE

Standard-polymere

PA4.6

PPA

PPS

LCP

FPs

PEEK

PA12PA11

PAI

PPSUPEI

PES

PSU

PARPA612Transp. PA

PA6 / PA66

PI

PVC

ABS

PSSAN

PE

PP

PMMA

PMMI

PMI

= Polymere von Evonik

PE-LD PE-HD

= Halbzeuge von Evonik

PA 610

PA 1010

PA 1012

4. Dezember 2013 | F&E-Pressegespräch | Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen Seite 2

BioLL steht für „Biobasiertes Laurinlactam“

Laurinlactam ist die Basis für Polyamid 12 – einem wichtigen Hochleistungskunststoff, der in vielen Bereichen Verwendung findet

Schuhsolen für die Sportindustrie

Pulver-beschichtungenfür Geschirrkörbe

Offshore-Leitungen

Bremsdruck-leitungen

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Biobasiertes Laurinlactam als alternative Basis für Polyamid 12

Rohölbasierter LL-Prozess Biobasierter Prozess (BioLL)

Rohöl

Naphtha-Benzin

Crack-C4-Fraktion

Butadien

Laurinlactam

PA12

5 weitere chemische Stufen

Ökonomie und Ökologie sind kein Widerspruch

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Fermentationsprozesse lohnen sich, wenn die Anzahl der chemischen Stufen stark verringert wird

LL-equivalent (ALS)

Palmkerne

Palmkernöl

Laurinsäuremethylester(LSME)

12-Aminolaurinsäure-methylester (ALSME)

PA12

Fermentation

Herausforderung

Stammentwicklung Stabiler Stamm mit hoher Produktivität, Selektivität

Prozess-entwicklung

Stabiler Prozess mit geringem Kapitalbedarf, geringem Strom- und Dampfverbrauch

Aufarbeitung Einfache Aufarbeitung, die hochreines Produkt für Polymerisationen erzeugt (Polymer Grade)

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Problem:

Das gewünschte Produkt war inhibitorisch für die Zellen. Dies ist ähnlich der alkoholischen Gärung, wo der Alkohol ab einer gewissen Konzentration toxisch für die Hefen ist.

Komplette Neuentwicklung eines biotechnologischen Prozesses

Gebündelte Technologiekompetenz

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Fermentations-technologie

Polymer-wissen

Stamm-entwicklung

Patentschutz-erlangung

ProzesswissenAufarbeitung

Neue Technologien &

Prozesse

Evonik-Standort Fermas, Slovakei

Fermentationsreakor

4. Dezember 2013 | F&E-Pressegespräch | Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen Seite 8

Mit einer Investitionssumme von mehreren Millionen €wurde am Standort Slovenska Lupca eine Pilotanlage zur Herstellung von BioLL errichtet.

• Etablierter Evonik-Standort für Fermentationen mit guter Infrastruktur

• Personal am Standort mit hoher Motivation und Kenntnissen für Fermentationen

Ziele der Pilotanlage sind die Verschaltung von Fermentation und Aufarbeitung und die Skalierung des Prozesses.

Seit 2013: Pilotanlage zur Herstellung von BioLL

• Es wurde eine neue Fermentationstechnologie entwickelt, das Produkt wird in situ extrahiert.

• Dies war nur durch fachübergreifende Zusammenarbeit möglich.

• Evonik hat ungefähr 20 Patentfamilien auf dem Gebiet BioLLangemeldet.

• Langfristig kann das neue Verfahren die erdölbasierte Produktion von PA12 ergänzen.

Die Entwicklung der fermentativen Herstellung der Polyamidvorstufe ω-Amino-Laurinsäure (ALS) wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Zusammenfassung und Ausblick

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26

general process flow sheet

Reactor Product

Fermentation media feedback

Purification

Reactant

Downstreaming process

27

Option

Criterion 1Criterion 2

Overall performance

Criterion 3

Component flowAdditional process needed

Good

Acceptable

Inadmissible

Not tested

Performance

option tree

28

separation efficiency

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100

sepa

ratio

n ef

ficie

ncy

pH

modelexperimental data

, ,organic phase:kerosene + X,X wt% D2EHPA

2,5 5,0 10,0 20,0100,0

aqueous phase:1,0 g/l 1,6-diamino hexanephase ratio: 1/1temperature: 30°C

29

option trees

liquid-liquid extraction

physicalextraction

reactiveextraction

criterion 1: phase separation

alternativeextractant

kerosene

criterion 2: extractioncriterion 1: toxicity

bis(2-ethylhexyl)-phtalate

kerosenebenzyl benzoatemethyl lauratecis-9-octadecene-1-olbis(2-ethylhexyl)-phtalate

kerosenebenzyl benzoatemethyl lauratecis-9-octadecene-1-olbis(2-ethylhexyl)-phtalate

extractantDEHPA

no diluent

30

crud basics

aqueous phase

organic phase

crud

Crud:Chalk River Undefined Depositcorrosion residual unidentified deposit

31

what is crud?

solid particles induce crud:1. hindered coalescence2. formation of stable dispersions

+ =

clean system real systemsolids

Das Produkt wird in der Fermentation durch andere Flüssigkeit extrahiert

Die Lösung: 2-Phasen-Fermentation

4. Dezember 2013 | F&E-Pressegespräch | Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen Seite 6

Vor Reaktion Während Reaktion Nach Reaktion

Bakterien

Edukt

Bakterien

BioLL

LA BioLL 21.05.2014 STC BioLL, Dece

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