Forschungsschwerpunkte Ó Professor Gabriele Sadowski

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Forschungsschwerpunkt von Gabriele Sadowski ist die Messung und Berechnung von
thermodynamischen Eigenschaften komplexer Stoffgemische. Solche Gemische spielen z.B. bei der
Produktion von Kunststoffen, Arzneimitteln, Kosmetika oder in der Biotechnologie eine wichtige Rolle.
Hierbei müssen die gewünschten Stoffe nach ihrer Herstellung in der Regel von anderen, teilweise
sogar giftigen, Stoffen abgetrennt und zu fertigen Produkten verarbeitet werden. Dies kostet viel
zusätzliche Energie; oft sogar mehr als die Herstellung selbst.
Es ist daher wichtig zu wissen, unter welchen Bedingungen, beispielsweise von Druck, Temperatur
und Konzentration, sich die verschiedenen Komponenten eines Reaktionsgemisches miteinander
mischen werden. Ist dies bekannt, kann man diese Bedingungen entweder gezielt einstellen – falls
die Komponenten gemischt werden sollen oder aber gezielt andere Bedingungen wählen – falls die
Stoffe voneinander getrennt werden sollen.
So sind beispielsweise für die Herstellung des Polymers Polyethylen Prozessdrücke von über 2000
bar erforderlich, um eine Homogenität des Reaktionsgemisches bestehend aus dem gasförmigen
Monomer Ethylen und dem entstehenden Polyethylen zu gewährleisten. Bei niedrigeren Drücken
dagegen zerfällt das Gemisch in zwei getrennte Flüssigkeiten: eine Polymer-reiche Phase und eine
Ethylen-Phase. Dies nutzt man aus, um das Polyethylen nach der Reaktion durch Druckabsenkung
abzutrennen und das nicht umgesetzte Ethylen zurückzugewinnen.
Aufgrund der Vielzahl interessierender Stoffe und der noch größeren Anzahl möglicher Gemische
sowie der zu wählenden Bedingungen ist es allerdings unmöglich, alle interessierenden Misch- bzw.
Trennbedingungen experimentell zu bestimmen. Frau Sadowski hat daher mit ihrer Arbeitsgruppe
Methoden entwickelt, dieses Verhalten von Mischungen mit Hilfe physikalisch fundierter Modelle zu
berechnen und zumindest qualitativ sogar vorherzusagen.
Diese Modelle (Zustandsgleichungen) können wichtige physikalische Eigenschaften der Stoffe
explizit berücksichtigen, beispielsweise ob sie eine kettenförmige Gestalt haben (wie bei Polymeren),
ob sie Wasserstoffbrücken ausbilden können (wie bei Wasser oder Alkoholen), ob sie über Dipole
verfügen (wie viele Lösungsmittel der chemischen Industrie) oder ob sie geladen sind (wie bei
Salzen). Dadurch können ganz unterschiedliche Arten von Stoffen behandelt und unterschiedliche
Anwendungsfelder erschlossen werden.
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Außer auf Polymere, dem ersten in der Arbeitsgruppe Sadowski untersuchten Anwendungsfall,
wurde die Modellierung in den letzten zehn Jahren auch auf Systeme aus der kosmetischen und
pharmazeutischen Industrie sowie aus der Biotechnologie erweitert. Die theoretischen Arbeiten zur
Modellierung werden dabei immer auch durch experimentelle Untersuchungen begleitet.
So ist es heute möglich, vorauszuberechnen, wie die Löslichkeit eines Pharmawirkstoffes in einer
Flüssigkeit durch Zugabe einer zweiten Flüssigkeit oder auch eines Gases beeinflusst werden kann.
Dies ist wichtig, weil Arzneistoffe oft sehr schlecht löslich sind und sich daher nur schlecht verarbeiten
und verabreichen lassen. Dabei kann es zu durchaus überraschenden Ergebnissen kommen: nicht
selten kann die Löslichkeit eines solchen Stoffes sogar durch Zugabe eines vermeintlich schlechteren
Lösungsmittels entscheidend verbessert werden. Ein Ergebnis, das man nicht erwarten würde, das
aber mit Hilfe der Zustandsgleichung richtig vorausberechnet wird und das die durchgeführten
Experimente bestätigen.
Als ein Beispiel für die Zugabe eines Gases untersucht die Arbeitsgruppe Sadowski die Trennung und
Aufarbeitung einer biologischen Emulsion mit Hilfe von komprimiertem Kohlendioxid. Biologische
Reaktionen, bei denen ganze Zellen als Katalysatoren eingesetzt werden, erfolgen in der Regel in
einer Emulsion aus Wasser (in dem sich die Zellen befinden) und einem organischem Lösungsmittel
(das die Ausgangsstoffe und Produkte enthält). Obwohl solche Reaktionen sehr vielversprechende
Ergebnisse liefern, scheitert ein großtechnischer Einsatz dieser Verfahren bis heute daran, dass das
Produkt aus solchen Emulsionen nicht wirtschaftlich isoliert werden kann. Mit ihrer Arbeitsgruppe hat
Sadowski ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, solche Emulsionen durch die Zugabe von
komprimiertem Kohlendioxid zu spalten und anschließend das Produkt mit herkömmlichen Methoden
in hoher Reinheit abzutrennen.
Die Modellierung von Stoffsystemen aus dem Bereich der Biotechnologie ist besonders
anspruchsvoll, da das Wasser viele verschiedene Wechselwirkungen eingehen kann, biologische
Systeme in der Regel eine Vielzahl von, oft geladenen, Stoffen enthalten und die Eigenschaften
darüber hinaus auch vom pH-Wert abhängen. Auch hierfür hat die Arbeitsgruppe in den letzten
Jahren Modellierungsstrategien entwickelt. Sie ist nun z.B. in der Lage, den osmotischen Druck in
Mikroorganismen zu berechnen, die in Salzwasser (z.B. dem toten Meer) leben und zu erklären, wie
diese dem osmotischen Stress durch die Anreicherung organischer, ungiftiger Stoffe (sog.
kompatibler solute) standhalten können.
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