Methoden zur systematischen Gesamtprozessentwicklung und Prozessintensivierung von Extraktions- und Trennprozessen zur Gewinnung pflanzlicher Wertkomponenten

Sixt, Maximilian

Der Bedarf an natürlichen, aus Pflanzen gewonnenen Produkten in Bereichen der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie ist seit vielen Jahren stetig im Wachstum. Zum Erhalt einer langfristigen Wettbewerbsfähigkeit in diesem Wirtschaftssektor ist es vor allem im Hinblick auf die Etablierung neuer Produkte wichtig, ein methodisches Vorgehen bei der Prozessentwicklung anzuwenden, zumal die Auslegung und der Betrieb derzeit etablierter Verfahren vor allem auf Erfahrungswerten beruht. Durch eine methodische und molekülstrukturbasierte Vorgehensweise können Ressourcen eingespart werden, da sowohl die Entwicklungskosten als auch der Zeitbedarf bis zur Marktreife entscheidend davon abhängt, zu welchem Zeitpunkt der Prozessentwicklung bereits richtungsweisende Optimierungsmöglichkeiten erkannt und umgesetzt werden können. Ziel dieser Arbeit ist es, durch ein methodisches, molekülstrukturbasiertes Vorgehen die Prozessauslegung zur Extraktion und Aufreinigung pflanzlicher Wertstoffe anhand ausgewählter Beispielsysteme darzustellen und zu verbessern. Im Fokus stehen dabei die detaillierte Beschreibung und Optimierung industriell unmittelbar umsetzbarer bzw. bereits etablierter Verfahren zur Extraktion. Die Fest-Flüssig Extraktion wird in dieser Arbeit durch ein bereits etabliertes physiko-chemisches Prozessmodell detailliert abgebildet, simuliert und optimiert. Treten hierbei Effekte auf, die nach derzeitigem Stand der Modellierung nicht berücksichtigt werden können, so werden die theoretischen Grundlagen erarbeitet und das Modell erweitert. Durch ein valides Prozessmodell ist es möglich, die Fest-Flüssig Extraktion in einem weiten Parameterfeld in-silico zu optimieren. Dadurch kann zum Einen ein erheblicher experimenteller Aufwand eingespart werden, zum Anderen tragen physiko-chemisch konsistente Prozessmodelle erheblich zum Grundlagenverständnis der einzelnen Verfahren bei. Zur Bewertung der Verfahren stehen ingenieurstechnische Kennzahlen wie Ausbeute, Reinheit, Selektivität, Lösungsmittelverhältnis und Produktivität im Fokus. Anhand einer physiko-chemischen Charakterisierung der Extrakte wird eine mögliche Trennsequenz erarbeitet. Hierbei soll die Prozessentwicklung mit kleinen Mengen im Labormaßstab durchgeführt und der Prozessentwurf anschließend im Pilotmaßstab validiert werden. Ziel der Arbeit ist die Methodenentwicklung und die Grundlagenforschung für den direkten Einsatz in der chemisch-pharmazeutischen Industrie. Daher werden alle Verfahren abschließend mittels einer Kostenrechnung bewertet und die etablierten Methoden und Verfahren auf Skalierbarkeit und Allgemeingültigkeit hin überprüft.

The demand for natural, plant-derived products in the food, cosmetics and pharmaceutical industries has been growing steadily for many years. In order to maintain long-term competitiveness in this sector of economy, it is important, above all with regard to the establishment of new products, to apply a methodical approach to process development, especially since the development and operation of currently established procedures is based primarily on empirical values. By using a methodological and molecular-structure-based approach, resources can be saved, since both the development costs and the time needed to reach marketability depend crucially on the point in time at which process development can identify and implement trend-setting optimization options. The aim of this work is to represent and improve the process design for the extraction and purification of valuable plant materials by means of selected example systems through a methodical, molecular structure-based approach. The focus is on the detailed description and optimization of industrially directly implementable or already established extraction methods. The solid-liquid extraction is detailed, simulated and optimized in this work by an already established physico-chemical process model. If there are effects that cannot be considered according to the current state of modeling, the theoretical basics are developed and the model is extended. A valid process model makes it possible to optimize solid-liquid extraction in-silico in a wide parameter field. On the one hand, considerable experimental effort can be saved, on the other hand physico-chemically consistent process models contribute considerably to the basic understanding of the individual processes. In order to evaluate the processes, the focus is on engineering metrics such as yield, purity, selectivity, solvent ratio and productivity. On the basis of a physico-chemical characterization of the extracts, a possible separation sequence is worked out. The process development will be carried out with small quantities on a laboratory scale and the process design will then be validated on a pilot scale. The aim of the work is the development of methods and basic research for direct use in the chemical-pharmaceutical industry. Therefore, all procedures are finally evaluated by cost accounting and the established methods and procedures are checked for scalability and general validity.

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Sixt, Maximilian: Methoden zur systematischen Gesamtprozessentwicklung und Prozessintensivierung von Extraktions- und Trennprozessen zur Gewinnung pflanzlicher Wertkomponenten. 2018.

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