Modellbildung, Simulation und ökologische Bewertung in der Entwicklung biotechnologischer Prozesse

Abstract

In der Entwicklung biotechnologischer und chemischer Prozesse sind die frühen Entwicklungsphasen entscheidend für die in der späteren Produktion anfallenden Kosten und Umweltbelastungen. Um die Nachhaltigkeit neuer Verfahren zu verbessern, müssen daher bereits zu diesem Zeitpunkt ökologische und ökonomische Charakteristika berücksichtigt werden. Das vorhandene Prozesswissen ist in frühen Entwicklungsphasen jedoch naturgemäß gering. In der vorgelegten Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die basierend auf den in frühen Phasen verfügbaren Prozessdaten eine einfache und schnelle ökologische Bewertung ermöglicht. Die erstellten Modelle bilden darüber hinaus eine solide Grundlage für die Bewertung ökonomischer und teilweise auch sozialer Aspekte der Nachhaltigkeit. Hierzu werden zunächst alle im Entwicklungsprojekt vorhandenen relevanten Daten erfasst. Diese werden durch eine umfangreiche Literatur- und Patentrecherche ergänzt. Darauf aufbauend wird ein Modell des erwarteten Produktionsverfahrens erstellt und Simulationen des Modells durchgeführt. Aus den Simulationen erhält man die Quantifizierung der wichtigsten Stoffströme und eine Sachbilanz, die sowohl die Input- und Outputstoffe als auch den Energiebedarf des Prozesses enthält. Die ermittelte Sachbilanz wird im nächsten Schritt ökologisch bewertet. Hierzu werden alle beteiligten Stoffe in einer Reihe von Wirkungskategorien nach ihrer Relevanz für die in der jeweiligen Kategorie betrachtete Umweltbelastung eingeteilt. Dabei wird eine einfache, dreistufige ABC-Klassifizierung verwendet. Aus ihrer Einteilung in den Wirkungskategorien wird für jeden Stoff ein so genannter Environmental Factor abgeleitet, der ein Maß für die vom Stoff ausgehende Umweltgefährdung darstellt. Mit diesem Faktor werden die Input- und Outputstoffe der Sachbilanz gewichtet und eine Reihe von Indizes berechnet. Diese Indizes geben die potentielle Umweltbelastung des gesamten Verfahrens an und ermöglichen die Identifizierung ökologischer Schwachstellen, also jener Stoffe oder Prozessschritte, die den größten Anteil an der Umweltgefährdung durch das Verfahren haben und bei denen folglich das größte Potential für Verbesserungen liegt. Darüber hinaus geben sie Auskunft, welchen Anteil die verschiedenen Arten der Umweltbelastung an der Gesamtbelastung haben. Die entwickelte Methode wird in der vorgelegten Arbeit auf drei Fallbeispiele angewendet. Im ersten Fallbeispiel wird die Vorgehensweise anhand eines neuen Verfahrens zur fermentativen Herstellung von Zitronensäure aus Stärke verdeutlicht. Im Fallbeispiel α Cyclodextrin wird der bereits bestehende enzymatische Prozess (Solventverfahren) modelliert, bewertet und mit einem Alternativverfahren, dem sogenannten Non-Solventverfahren verglichen. Hierbei zeigt sich, dass hinsichtlich der potentiellen Umweltbelastung kein signifikanter Unterschied festgestellt werden konnte. Ausgehend von den erstellten Modellen werden die Auswirkungen, die neue und verbesserte Enzyme auf den Prozess haben, mit Sensitivitätsanalysen beschrieben und bewertet. Dabei wird deutlich, dass die Reaktionsdauer nicht über 24 h steigen sollte, die Stärkekonzentration zu Beginn mindestens 20 % betragen sollte und das größte Verbesserungspotential in einer Steigerung der Ausbeute der enzymatischen Umwandlung liegt. Die Verwendung thermostabiler Enzyme lässt dagegen nur leichte Verbesserungen erwarten. Das Fallbeispiel Pyruvat betrachtet den Entwicklungsprozess eines neuen fermentativen Verfahrens zur Herstellung von Natriumpyruvat. Dabei wird die Verfahrensentwicklung anhand der zu verschiedenen Zeitpunkten erstellten Modelle und Bewertungen untersucht und Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt. Hierbei kann eine schrittweise Verringerung der potentiellen Umweltbelastung gezeigt werden, die auf der Optimierung des verwendeten Mikroorganismus und der Fermentation beruht. Für die weitere Prozessentwicklung wurden aus den Simulationen und der Bewertung der erhaltenen Sachbilanzen weitere ökologische Verbesserungspotentiale identifiziert. Weiterhin wurden alternative Aufreinigungsverfahren verglichen. Dabei wurde deutlich, dass bei der Verwendung einer Extraktion in der Aufreinigung ein organisches Lösungsmittel gefunden werden muss, das eine optimierte Trennung ermöglicht und sich gleichzeitig durch eine gute Umweltverträglichkeit auszeichnet. Ein Vergleich von Extraktion und Elektrodialyse als alternative Aufreinigungsschritte zeigte, dass die Elektrodialyse aus Umweltsicht deutliche Vorteile hat, was auch durch die Sensitivitätsanalysen bestätigt wurde. Die Anwendung auf die Fallbeispiele konnte zeigen, dass die Methode, bestehend aus Modellbildung, Simulation und Bewertung, zur Identifizierung ökologischer Charakteristika biotechnologischer Verfahren in frühen Phasen der Prozessentwicklung geeignet ist und so zu einer integrierten Entwicklung ökologisch optimierter Prozesse beitragen kann.

Early phases of process development are crucial for future production costs and environmental burdens. Therefore, aspects of sustainability have to be considered during process design. However, most of the data necessary for a detailed evaluation is missing at this stage. In this thesis, a method which enables an easy and rapid ecological evaluation based on the available process data, is presented. In the first step, any relevant existing available process data is collected. Additional information is found by an extensive literature and patent search. Starting from this basic information the most probable industrial production process is modelled and this model is transferred to a simulation. The simulation supplies a mass balance of the whole process and gives an overview of the most important material streams and their properties as well as on the energy consumption. In the next step the inventory analysis received provides the basis of an ecological evaluation. All input and output components are assessed in 14 impact categories for their environmental relevance. For this a simple ABC-classification is used, from which an Environmental Factor is derived for each component. This Environmental Factor is a measure of the environmental relevance of the compound. The constituents of the material balance are weighed with this factor and a set of indices is calculated. These indices show the potential environmental burdens of the whole process and identify the ecological "hot spots';, the components or process steps which have the biggest share in the expected ecological damage, and where consequently is the highest potential for improvements. In addition the indices show the relevance of the different impact categories for the overall environmental impact. The approach presented is applied to three case studies. In the first case study the procedure is demonstrated with a new fermentative process for the production of citric acid from starch. In the second case study α-cyclodextrin, the enzymatic process already used under industrial conditions (solvent process) is modelled, evaluated and compared with an alternative process, the so called non-solvent process. The environmental assessment of these two processes does not show significant differences. Starting from the models created the impact that new and improved enzymes have on the process are described and evaluated by sensitivity analyses. The results indicate that the reaction time should not rise above 24 h and the starting concentration of starch has to be at least 20 %. An increase of the yield of the enzymatic conversion has the biggest potential for improvement. The use of new thermostable enzymes leads only to small ecological improvements. The case study pyruvic acid deals with the development of a new process for the production of sodium pyruvate. The process development is studies based on models and evaluations prepared at different times and sensitivity analyses are done. Thereby a successive reduction of the potential environmental burden was shown caused by the optimization of the microorganism used and the optimization of the fermentation process. Further potential ecological improvements could be identified from the models and the environmental assessment. In addition two alternative downstream processes are compared. It becomes apparent that if a liquid-liquid extraction is used, an organic solvent has to be found that enables an optimal separation and at the same time is characterized by an optimal environmental compatibility. The comparison of an extraction and an electrodialysis as alternative purification steps shows a clear advantage of the electrodialysis. This advantage is also confirmed by the sensitivity analyses carried out. The application to the case studies could show that the method including modeling, simulation and environmental evaluation is suitable for the identification of ecological characteristics of biotechnological processes in early phases of process design. So the method can be a part of an integrated development that leads to ecologically optimized processes. Furthermore the models created establish a basis for the assessment of economic and partly social aspects of sustainability.