Technische Systeme stetig steigender Komplexität verändern unsere Umwelt in einem tiefgreifenden Ausmaß. Die Forschung an diesen Systemen wird letztlich durch die zentrale Frage ausgelöst: Wie können die Ressourcen der Erde in Zukunft besser genutzt werden?

Vision

In den vergangenen Jahrzehnten wurden kontinuierlich Fortschritte bei der Steigerung der Produktivität, der Selektivität und der Nachhaltigkeit von chemischen und biotechnologischen Produktionsprozessen gemacht. Um den Herausforderungen der Zukunft gerecht zu werden, sind aber neue Durchbrüche notwendig, um "Traumprozesse" für die Synthese von Chemikalien und die Umwandlung von Energie zu finden, um den Übergang von fossilen Kraftstoffen und petrochemischen Rohstoffen zu erneuerbaren Materialien und Energien zu ermöglichen, um den Kohlenstoffkreislauf zu schließen, um Effizienzen signifikant zu erhöhen, und um neue Funktionalitäten in Materialien und Produkte einzuführen.

Zu diesem Zweck müssen neue wissenschaftlich fundierte prozesstechnische Lösungsansätze entwickelt werden, die in der Lage sind, die inhärent hierarchische Struktur von chemischen Produktionssystemen adäquat zu berücksichtigen, siehe Abb. 1. Es könnten hoch effiziente Prozesse entworfen werden, wenn es Ingenieuren gelänge, alle beteiligten Prozessebenen simultan zu betrachen, d.h. von der molekularen Ebene bis hin zur Anlagenebene. Jedoch wird eine mehrstufige Designstrategie nur dann erfolgreich sein, wenn die zugrunde liegenden Modelle durch zuverlässige experimentelle Daten aus verschiedenen Ebenen der Prozesshierarchie validiert werden. Experimentelle Daten sind ein unverzichtbares Element, das benötigt wird, um konkurrierende Modelle zu diskriminieren und Modellparameter mit möglichst kleinen Unsicherheiten zu bestimmen. Nur durch eine enge Verknüpfung von mathematischen Prozessmodellen mit experimentellen Daten kann ein tiefes Verständnis komplexer Prozesssysteme erreicht werden, auf dessen Grundlage sich Ergebnisse der Grundlagenforschung in industrielle Anwendungen umsetzen lassen.

Ferner wird, aufgrund einzigartiger Merkmale wie Spezifität, Adaptivität oder Reproduktion, von biologischen Systemen (Enzyme, Organellen, Zellen, zelluläre Gemeinschaften) erwartet, dass diese eine wichtige Rolle in der zukünftigen chemischen Produktion und Energieumwandlung spielen werden. Mit anderen Worten, der zukünftige "Werkzeugkasten" der Prozesstechniker sollte nicht nur chemische und physikalische "Schraubenzieher" enthalten, sondern auch biologische Elemente. Die Schaffung solcher Werkzeuge könnte Wirklichkeit werden, wenn es gelingt, Prinzipien der Systemverfahrenstechnik mit den gegenwärtig aufkommenden Ansätzen der Synthetischen Biologie zu verbinden.

Projektgruppen und Unterprojekte (nur in englischer Sprache verfügbar)

• Chemical Production Systems
  • Catalytic Reactors for Gas Phase Syntheses
  • Integrated Chemical Processes for Liquid Multiphase Systems
  • Multidimensional Crystallization Processes
• Energy Conversion Systems
  • PROBIO – Conversion of Biomass into Electrical Energy
  • NEEDS – Conversion of Biogas into Electrical Energy
  • CO2RRECT – Chemical Storage of Renewable Energies
• Biological Conversion and Production Systems
  • Biofuel Production with Photosynthetic Organisms
  • Bioelectrochemical Energy Conversion with Enzymatic Systems
  • Vaccine Production with Mammalian Cell Cultures