Der Erfolg der ionothermalen Synthese ist entscheidend von der Auswahl geeigneter Precursors abhängig. Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines allgemeinen thermodynamischen Verfahrens basierend auf der prädiktiven Zustandsgleichung electrolyte PC-SAFT (ePC-SAFT). Es wird eine Modellstrategie entwickelt und angewendet, die es erlaubt, die Löslichkeit von flüssigen oder festen Präkursoren in ionischen Flüssigkeiten (ILs), die als geeignete Lösungsmittel für ionothermale Synthesen verwendet werden, vorauszusagen. Als feste Präkursoren betrachten wir anorganische Salze; dies ist an die Synthese von Metallnanopartikeln in ILs angelehnt. Als flüssige Präkursoren werden homologe Reihen organischer Verbindungen (Alkane, Alkene, Aromaten, Alkohole, Ether, Ester) untersucht Die Entwicklung und Parametrisierung von ePC-SAFT wird mit Hilfe von zuverlässigen experimentellen Daten aus Literatur, aber auch anhand neuer Daten durchgeführt. In diesem Zusammenhang experimentelle Studien zu thermodynamischen Eigenschaften reiner ILs und Präkursoren sowie der Eigenschaften ihrer binären Mischungen durchgeführt. Die daraus entstandenen Daten dienen als Inputdatensätze der Entwicklung und Validierung des zu entwickelnden Modellansatzes innerhalb ePC-SAFT. Dies ermöglicht Modellvorhersagen, um letztendlich ILs als Synthesemedium für feste und flüssige Präkursoren zu screenen. Um die Anwendung von thermodynamischen Parametern, die aus binären Mischungen Präkursor-IL zu Mehrkomponenten-Systemen erhalten werden, weiter voranzutreiben, wird eine zusätzliche Validierung des ePC-SAFT Modells durch experimentelle und theoretische Untersuchung von zwei reaktiven Systemen durchgeführt. Diese Systeme bestehen aus den Reaktionsteilnehmern sowie dem Lösungsmittel (auch ILs).Die Erstellung von thermodynamischen Ergebnissen in Systemen Präkursor-IL ermöglicht die Entwicklung einer allgemeinen Löslichkeits-Skala mit dem Ziel ILs hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit für die ionothermale Synthese und deren Verwendung als Lösungsmittel in reaktiven Systemen prädiktiv auszuwählen. Die so entwickelte Skala hat ein enormes Potenzial, die Anwendung von Ils auf eine breite Palette von molekularen und ionischen Präkursoren zu verbreitern und zu verbessern.
Nootkaton findet wegen seines intensiven citrusartigen Geruchs breite Anwendung als Riech- und Duftstoff in der Kosmetik- und Arzneimittelindustrie und als Aromastoff für Lebensmittel. Zu seiner Chemosynthese aus Valencen werden beim klassischen Dichromatverfahren pro Tonne ca. 50 Tonnen Tetrachlorkohlenstoff als Reaktionsmedium und Extraktionsmittel sowie u.a. 1,68 Tonnen t-Butanol, 2,27 Tonnen CrO3 und ca. 2 Tonnen Acetanhydrid benötigt. Neuere Verfahren benutzen als Oxidationsmittel Peroxide oder Oxon/OsO4, die bei Verwendung im industriellen Maßstab ebenfalls Sicherheits- und Umweltprobleme (MAK-Wert OsO4 0,002 mg/m3.) sowie eine Fülle unerwünschter, aufwendig abzutrennender Nebenprodukte generieren. Die notwendigen Chemikalien werden aus Erdöl unter Verwendung gefährlicher Arbeitsstoffe und mit hohem Energieeinsatz hergestellt. Je Tonne Nootkaton werden für die Temperierung des Reaktionsgemisches ca. 12 Mio kJ und für die destillative Trennung 34 Mio kJ (ohne Vakuumerzeugung) kalkuliert; dies allein (ohne Vakuumerzeugung und Kondensationsenergie) entspricht ca. 4450 kg CO2-Equivalenten. Der Projektvorschlag zielt auf die Substitution der herkömmlichen chemosynthetischen Verfahren zur Produktion von Nootkaton durch einen alternativen Bioprozess: Getrocknetes Mycel des essbaren Basidiomyceten Pleurotus sapidus dient als konzentrierter Biokatalysator für die nebenproduktarme Oxidation des Sesquiterpenkohlenwasserstoffs Valencen (aus Orangenöl) zu (+)-Nootkaton. Im Labormaßstab liefert das Verfahren die derzeit besten Raum/Zeitausbeuten aller Bioprozesse zur Synthese natürlichen Nootkatons. Als Substrate zur Submerskultivierung des Speisepilzes P. sapidus dienen organische Substrate wie Melasse oder Molke und anorganische Salze wie NH4NO3 als Stickstoffquelle. Biotransformation und Stofftrennung (DSP) erfolgen unter ressourcenschonenden Bedingungen (Umgebungstemperatur und -druck, neutraler pH-Wert, geschlossene Kreisläufe). Der Bioprozess nutzt als Oxidationsmittel molekularen Luftsauerstoff und benötigt eine vergleichsweise geringe Menge recyclierbares Lösungsmittel zur Desorption des Zielproduktes Nootkaton vom zuvor beladenen Adsorbens.
Ziel ist die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur stofflichen und energetischen Kopplung einer kostengünstigen Mikroalgenproduktion mit einem innovativen 2-stufigen Biogasprozess hinsichtlich einer verbesserten Material- und Energiebilanz beider Verfahren, basierend auf dem synergistischen Zusammenwirken der aufeinander angepassten Prozesse bei gleichzeitiger Minderung der bei deren Alleinbetrieb auftretenden Nachteile. So soll eine verbesserte Ausnutzung von NawaRo-Biogasanlagen durch Erreichen höherer Raum-Zeit-Ausbeuten und Biogasqualität, effizienteres Nährstoffrecycling (anorganische Salze, organische N- und C-Quellen, CO2) und damit auch eine deutliche Kostenreduktion bezogen auf den Gesamtprozess erreicht werden. Dieses wird u.a. durch direktes Einbringen einer vorkonzentrierten Mikroalgensuspension in den neuartigen Perkolator erfolgen, welcher durch seine prozessimmanente Wirkung als Festbettfilter die ansonsten erforderliche kostenintensive Aufarbeitung der Algenbiomasse einspart.
Ziel ist die Entwicklung und Realisierung eines Konzepts zur energetischen Kopplung einer kostengünstigen Mikroalgenproduktion mit einem innovativen 2-stufigen Biogasprozess hinsichtlich einer verbesserten Material- und Energiebilanz beider Verfahren, basierend auf dem synergistischen Zusammenwirken der aufeinander angepassten Prozesse bei gleichzeitiger Minderung der bei deren Alleinbetrieb auftretenden Nachteile. So soll eine verbesserte Ausnutzung von NawaRo-Biogasanlagen durch Erreichen höherer Raum-Zeit-Ausbeuten und Biogasqualität, effizienteres Nährstoffrecycling (anorganische Salze, organische N- und C- Quellen, CO2) und damit auch eine deutliche Kostenreduktion bezogen auf den Gesamtprozess erreicht werden. Dieses wird u.a. durch direktes Einbringen einer vorkonzentrierten Mikroalgensuspension in den neuartigen Perkolator erfolgen, welcher durch seine prozessimmanente Wirkung als Festbettfilter die ansonsten erforderliche, kostenintensive Aufarbeitung der Algenbiomasse einspart. Projektphasen: 1. Versuche mit Algensuspension zur Fest- Flüssig-Trennung, zu Aufbau und Hydrolyseverhalten des Biofilters, zur Biogaserzeugung, zur Optimierung der Algenbiomasse und zur Definition der Randbedingungen des Versuchsstandes, 2. Verfahrenstechnische Entwicklung, Planung und Bau des Algen-Biogas-Versuchsstandes unter Berücksichtigung von Funktionalität und Kosteneffektivität, 3. Betrieb des Versuchsstandes, Erforschung des Kopplungsprozesses, Prozessbilanzierung.
Zusatzstoffe, die dem Mischfutter zur Optimierung des Stoffwechsels und der Leistung von Nutztieren sowie zur Verbesserung der Gesundheit in geringen Konzentrationen zugefügt werden, sind durch ein hohes Wirkungspotential gekennzeichnet und stellen somit große Anforderungen an die Arbeitsgenauigkeit der Produktionsanlagen für Vormischungen und Mischfutter. Die Einführung neuer, teils mit der Entwicklung alternativer Zusatzstoffformulierungen verbundener Herstellungsprozesse schränkt das langjährig zur Untersuchung und Beurteilung der Arbeitsgenauigkeit herangezogene Verfahren, bei dem die Verteilung und Verschleppung von Zusatzstoffen durch einen festdispersen organischen Farbindikator simuliert wird, bezüglich der Anwendung auf eine wachsende Anzahl von Anlagenbereichen ein. Mit dem vorliegenden Vorhaben waren für Herstellungsverfahren unter Einbeziehung hydrothermisch beanspruchender Prozessschritte sowie flüssiger und granulierter Zusatzstoffformulierungen geeignete Indikatorformulierungen und Standardverfahren zur Beurteilung der Arbeitsgenauigkeit zu entwickeln. Die als Resultat theoretischer Vorüberlegungen und experimenteller Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Von den zugelassenen organischen Farbindikatoren weisen ausschließlich die Fuchsonimoniumfarbstoffe Methylviolett und Patentblau V die für Arbeitsgenauigkeitsuntersuchungen benötigte Empfindlichkeit der photometrischen Absorption auf. - Abgesehen von wenigen Unterschieden (die Absorptionsbestimmung von Patentblau V wird durch Futterkalk in erheblichem Maß beeinträchtigt) lassen sich beide Farbstoffe in gleicher Weise und mit vergleichbaren Resultaten zur Indikation nutzen. - Entgegen ursprünglicher Annahmen sind sie auch zur Untersuchung von Verfahren unter Einbeziehung hydrothermisch beanspruchender Prozesse zu verwenden. Da sie jedoch in Abhängigkeit von der Beanspruchungsintensität in minderer Konzentration nachweisbar sind, muss der konzentrationsverringernde Effekt in die Kalibrierung einbezogen werden. - Aufgrund der weniger aufwendigen Probenvorbereitung und Analytik und der höheren Empfindlichkeit ist die unter Verwendung von Methylviolett entwickelte Standardmethode Verfahren vorzuziehen, die anorganische Salze zur Indikation nutzen. - In flüssigen Formulierungen (hydrophil, lipophil) auf Futtermatrices gesprühte Farbindikatoren werden durch adsorptive Effekte anteilig der Extraktion entzogen. Farbstoffbesprühte, zu Indikationszwecken herangezogene granulierte Komponenten erzwingen daher 2 eine erweiterte Probenvorbereitung. Für die Untersuchung indikatorbesprühter Futtermatrices müssen diese Effekte in die Kalibrierung einbezogen werden, um eine angemessene Sollwertbilanz durchführen zu können. - Neben den für die Beurteilung der Arbeitsgenauigkeit heranzuziehenden statistischen Parametern ermöglicht die Untersuchung indikatorbesprühter kompaktierter Futtermatrices die Ermittlung abriebbedingter Verluste aufgesprühter Zusatzstoffe.