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Umsetzung der Ressourcenwende in der chemischen Industrie durch biotechnologische CO2 Nutzung in regionalen Wertschöpfungsketten, Teilprojekt H

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung, Teilvorhaben 2: Elektrosynthese

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

Ursachen und Gegenstrategien für Schaumereignisse in Biogasanlagen, Teilvorhaben 1: Bioprozesstechnische und molekularbiologische Untersuchungen zu Ursachen und Bekämpfungsstrategien von Schaumbildung in Biogasanlagen

Ziel dieses Projektes ist es, Ursachen der übermäßigen Schaumbildung im Biogasprozess, die durch Vergärung von leicht abbaubaren Substraten verursacht wird, im Detail zu untersuchen, Verständnis aufzubauen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Dabei soll die Rolle der Hydrolyse-Stufe im Vordergrund stehen. Um das Forschungsthema so umfassend wie möglich zu bearbeiten, werden Expertisen aus unterschiedlichen Bereichen zusammengeführt - die Expertise zur Schaumbildung in biotechnologischen Prozessen (UFZ), zur zweiphasigen Vergärung (Universität Hohenheim), zu molekularbiologischen Aspekten der Prozessstörungen im Biogasfermenter (UFZ), sowie zur Wirtschaftlichkeitsanalyse und Akzeptanzforschung im Bereich der erneuerbaren Energien (HfWU). Am UFZ wird erforscht, welche physikochemischen Parameter der Substrate und des Fermenterinhaltes einen Einfluss auf übermäßige Schaumbildung im Biogasfermenter haben. Dabei wird untersucht, welche Parameter für die Bildung von Schaum von Bedeutung sind, wie diese Parameter so beeinflusst werden können, dass das Risiko der Schaumbildung minimiert wir und wie das Substrat vorbehandelt werden muss, um Schaumbildung im Fermenter vorzubeugen. Weiterhin wird der Frage nachgegangen, welche biotischen Parameter in der Prozessstabilisierung der anaeroben Vergärung leicht abbaubarer Substrate eine Rolle spielen. Konkret wird ermittelt, welchen Einfluss die Aktivität von Enzymen und Mikroorganismen hat und wie die Nährstoffzusammensetzung während einer Prozessstörung die Schaumentstehung beeinflusst. Dabei wird angestrebt, mikrobielle Indikatoren für ein erhöhtes Risiko zur Schaumbildung oder für einen stabilen Prozess bei der Vergärung leicht abbaubarer Substrate zu identifizieren. Auf der Basis der Ergebnisse des Projektes wird es möglich sein, stabile Prozessführung durch optimale Zusammensetzung des Substratmix und durch zielgerichtete Dosierung von Zusatzstoffen auf enzymatischer bzw. mikrobieller Basis zu gestalten.

Ursachen und Gegenstrategien für Schaumereignisse in Biogasanlagen

Ziel dieses Projektes ist es, Ursachen der übermäßigen Schaumbildung im Biogasprozess, die durch Vergärung von leicht abbaubaren Substraten verursacht wird, im Detail zu untersuchen, Verständnis aufzubauen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Dabei soll die Rolle der Hydrolyse-Stufe im Vordergrund stehen. Um das Forschungsthema so umfassend wie möglich zu bearbeiten, werden Expertisen aus unterschiedlichen Bereichen zusammengeführt - die Expertise zur Schaumbildung in biotechnologischen Prozessen (UFZ), zur zweiphasigen Vergärung (Universität Hohenheim), zu molekularbiologischen Aspekten der Prozessstörungen im Biogasfermenter (UFZ), sowie zur Wirtschaftlichkeitsanalyse und Akzeptanzforschung im Bereich der erneuerbaren Energien (HfWU). Am UFZ wird erforscht, welche physikochemischen Parameter der Substrate und des Fermenterinhaltes einen Einfluss auf übermäßige Schaumbildung im Biogasfermenter haben. Dabei wird untersucht, welche Parameter für die Bildung von Schaum von Bedeutung sind, wie diese Parameter so beeinflusst werden können, dass das Risiko der Schaumbildung minimiert wir und wie das Substrat vorbehandelt werden muss, um Schaumbildung im Fermenter vorzubeugen. Weiterhin wird der Frage nachgegangen, welche biotischen Parameter in der Prozessstabilisierung der anaeroben Vergärung leicht abbaubarer Substrate eine Rolle spielen. Konkret wird ermittelt, welchen Einfluss die Aktivität von Enzymen und Mikroorganismen hat und wie die Nährstoffzusammensetzung während einer Prozessstörung die Schaumentstehung beeinflusst. Dabei wird angestrebt, mikrobielle Indikatoren für ein erhöhtes Risiko zur Schaumbildung oder für einen stabilen Prozess bei der Vergärung leicht abbaubarer Substrate zu identifizieren. Auf der Basis der Ergebnisse des Projektes wird es möglich sein, stabile Prozessführung durch optimale Zusammensetzung des Substratmix und durch zielgerichtete Dosierung von Zusatzstoffen auf enzymatischer bzw. mikrobieller Basis zu gestalten.

Biotechnologische Fumarat-Wertschöpfungskette - Von CO2 und Zucker bis hin zu biologisch abbaubaren Chemikalien, Teilprojekt B

Wissenschaftliche Begleitung des Bioenergiehofs Obernjesa (Auswertung der Prozessdaten)

Biologische Wasserstoffproduktion aus Biomassefeststoffen

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.

Biologische Wasserstoffproduktion aus Biomassefeststoffen, Teilvorhaben: Ganzheitliche Betrachtung des Verfahrens auf Nachhaltigkeit und Anwendbarkeit

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.

Biologische Wasserstoffproduktion aus Biomassefeststoffen, Teilvorhaben: Anwendung und Optimierung der biologischen Wasserstofferzeugung auf eine erweitertes Reststoffspektrum

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

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