Mit Simulationsprogrammen lassen sich am Computer chemische Prozesse nachvollziehen - von der Temperaturverteilung in einer Siliciumschmelze bis zur Polymerisation von Vinylacetat und Ethylen. Der Chemiekonzern Wacker nutzt Simulationen dazu, im Labor entwickelte Verfahren auf kostensparende Weise in den großtechnischen Maßstab zu übertragen, aber auch zur Berechnung von Molekülgeometrien, um die Eigenschaften von chemischen Verbindungen vorherzusagen.

„Die Geometrie eines Moleküls - d.h. seine dreidimensionale Struktur - hat ganz entscheidende Auswirkungen auf seine Eigenschaften", berichtet Dr. Jutta Köhler. Sie ist Expertin für die Modellierung von Molekülen am Consortium, der zentralen Forschungseinrichtung des Wacker-Konzerns. Für die Entwicklung neuer chemischer Produkte ist es sehr interessant zu wissen, wie ein Molekül tatsächlich auf molekularer Ebene aussieht. Das ist aber alles andere als einfach, denn die Bindungslängen der einzelnen Moleküle liegen im Ångström-Bereich, das heißt bei 10-10 m.

Extrem teure und aufwändige Messverfahren erübrigen sich in vielen Fällen, in denen man mit theoretischen Methoden die Molekülgeometrien berechnen kann. Zusätzlich können andere, nicht messbare Parameter - z.B. Ladungsverteilungen - berechnet werden; sie ergänzen das experimentelle Wissen.

Je nach Größe der simulierten Moleküle, Monomere, Polymere oder Kristalle und der gewünschten Genauigkeit der Ergebnisse kommen für die Simulationen einfache Workstations, PC-Cluster oder sogar Supercomputer zum Einsatz. Spielen auch die Wechselwirkungen zwischen Molekül und Lösungsmittel eine Rolle, wird der Rechenaufwand höher. Die simulierten Eigenschaften der Molekülmodelle lassen Trends erkennen, wie sich ein neues oder umgestaltetes Molekül später in der Realität verhalten wird.

Molekülmodelle konstruieren

Gerade bei Cyclodextrinen ist die Geometrie von entscheidender Bedeutung. Cyclodextrine bestehen aus mehreren, zu einem Ring verknüpften Glucosebausteinen. Sie sind so angeordnet, dass sich in ihrem Innern ein lipophiler, also fettfreundlicher Hohlraum ergibt. Dieser Hohlraum kann ein anderes lipophiles Molekül aufnehmen und unter bestimmten Bedingungen wieder freisetzen.

Cyclodextrine kommen z.B. in Hautcremes zum Einsatz, um empfindliche Wirkstoffe vor Sonnenlicht oder Luftkontakt zu schützen und sie wasserlöslich zu machen. Die Kunst dabei ist, ein Cyclodextrin herzustellen, dessen Hohlraum exakt so groß ist, dass ein Gastmolekül genau hineinpasst. Hier kommen Simulationen ins Spiel.

Am Computermonitor konstruieren Dr. Jutta Köhler und ihre Mitarbeiter mehrere Molekülmodelle. Dabei werden deren Atome so zusammengesetzt, dass die Atombindungen allen chemischen Strukturanforderungen des gewünschten Moleküls genügen. Diese Molekülmodelle werden dann in molekulardynamischen Simulationen und/oder quantenmechanischen Berechnungen simuliert/optimiert. Die natürlichen Bewegungen der Atome und Moleküle in Abhängigkeit von Temperatur und vielen anderen Faktoren werden dabei sichtbar. Das beste Molekülmodell wird im Experiment getestet.
Für die Cyclodextrine ist aber nicht nur ihre Größe, die sich nach der Zahl der Glucoseeinheiten (α-, β-, γ- oder gar δ-Cyclodextrine) bemisst, von Bedeutung. Auch ihre Flexibilität spielt für die Komplexbildung eine Rolle. Genau das können die Forscher am Monitor beobachten, wenn sie die umfangreichen Daten aus den Molekulardynamik-Simulationen analysieren. So erhalten sie wichtige Erkenntnisse, aus denen später neue Produkte entstehen können.

Simulation im Werksalltag

Dr. Thomas Frey und sein Team von Process Development and Productivity, einer Abteilung der Zentralen Ingenieurtechnik in Burghausen, haben sehr viel handfestere Herausforderungen. „Wenn wir ein neues Produkt im großtechnischen Maßstab herstellen wollen, können wir nicht einfach einen erfolgreichen Versuch aus dem Labor hernehmen und ihn mit einem beliebigen Faktor multiplizieren." Beim Scale-up stellen sich eine ganze Reihe Fragen, deren sichere Beantwortung mit darüber entscheidet, ob ein gutes Produkt auch kommerziell erfolgreich ist. Was ist im großtechnischen Maßstab der optimale Katalysator? Welche Apparate sollten am besten zum Einsatz kommen? Wie sieht die optimale Geometrie eines Reaktors aus, um bei maximaler Effizienz produzieren zu können?

„Gerade im frühen Stadium einer konkreten Anlagenplanung können wir den Kollegen mit unseren Simulationsverfahren wichtige Hinweise liefern", sagt Dr. Frey. Schließlich wäre es fatal, wenn sich nach mehreren Millionen Euro Investitionen herausstellen würde, dass eine Anlage nicht optimal arbeitet. Darum simulieren Dr. Frey und seine Mitarbeiter einzelne Elemente oder gleich ganze Anlagen vorher im Computer, um eventuelle Schwachstellen schon im Vorhinein auszuschließen. Kooperation mit allen am Planungsprozess Beteiligten ist dabei besonders wichtig. „Das beste Simulationsprogramm liefert keine guten Ergebnisse, wenn die Ausgangsparameter nicht stimmen und das der Simulation zugrunde liegende Modell nicht stimmig ist."