Computer-aided design of molecules, experiments, and processes for a sustainable chemical industry

Ein Schlüssel für eine nachhaltige Chemieindustrie liegt in der Entwicklung nachhaltiger Produkte und Prozesse. Daher müssen insbesondere chemische Produkte und Prozesse unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsmetriken entwickelt werden. Die Integration von Nachhaltigkeitsmetriken in die Entwicklungsmethoden ist jedoch schwierig, da die Umweltauswirkungen chemischer Produkte und Prozesse über viele Größenordnungen beeinflusst werden: Die Einflüsse reichen von der Systemebene, auf der die Umweltauswirkungen sichtbar werden, über die technischen Prozesse und physikalischen Eigenschaften bis hinunter zur Molekülstruktur auf der Molekularebene. Der Entwurf von Molekülen, Experimenten und Prozessen unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit ist daher eine Herausforderung auf all diesen Ebenen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, müssen zielgerichtete Lösungsmethoden entwickelt werden, die Umweltbewertung, Anwendungsmodellierung und Eigenschaftsvorhersage integrieren. In dieser Arbeit werden deshalb computergestützte Methoden für die Entwicklung von Molekülen, Experimenten und Prozessen vorgestellt, die über die rein technische Machbarkeit hinausgehen. Hierzu wird die Modellierung auf der System-, Anwendungs-, Eigenschafts- und Molekülebene erweitert. Auf der Systemebene wird das computergestützte Molekül- und Prozessdesign mit einer Methode zur prädiktiven Ökobilanz kombiniert, um als Optimierungsziel die Minimierung von Umweltwirkungen zu ermöglichen. Auf der Anwendungsebene wird die detaillierte Modellierung ganzer Prozessfließbilder erreicht, indem die gebräuchlichsten verfahrenstechnischen Grundoperationen einschließlich der Wärmeintegration eingebunden werden. Die integrierte Methode wird für die Minimierung der Umweltauswirkungen von Lösungsmitteln in chemischen Prozessen demonstriert. Auf der Eigenschaftsebene wird die Planung von Versuchen zur Vorhersage der Prozessleistung und Umweltauswirkungen präsentiert. Messungen physikalischer Eigenschaften für Parametrisierung und Validierung werden auf ihre Anwendung im Molekül- und Prozessdesign mit Hilfe der c-optimalen Versuchsplanung zugeschnitten. Auf der molekularen Ebene wird schließlich der Gestaltungsraum von Prozesschemikalien auf chemische Produkte erweitert, da die chemischen Produkte selber einen großen Freiheitsgrad bei der Entwicklung einer nachhaltigen Industrie darstellen. Die Methoden für das integrierte Design von Prozesschemikalien und Prozessen werden auf die gezielte modellbasierte Entwicklung von chemischen Produkten ausgeweitet und bilden so einen Ausgangspunkt für das integrierte Lebenszyklusdesign von Produkten und Prozessen in der chemischen Industrie.