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Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung, Teilvorhaben 1: Up- und Downstream processing

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.

Erstmalige Demonstration einer Mikro- und Nanofiltrationsanlage zur Aufbereitung und Nutzung von Brauch- und Regenwasser in einer Wäscherei mit wissenschaftlicher Begleitung

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die ITEX Gaebler-Industrie-Textilflege GmbH & Co. KG ist ein Unternehmen, das sich auf Berufskleidungs- und Textilleasing spezialisiert hat. Vor Projektbeginn fand keine Wasserbehandlung statt. Die Abwasserteilströme wurden gesammelt, zum Hauptkontrollschacht gepumpt und flossen von dort im Überlauf in den Kanal, wobei keine Angaben über die Wassermengen existierten. Ziel des Projektes lag darin, die bestehenden Verbräuche an Wasser, Waschmittel und Energie im Unternehmen mit Hilfe einer optimalen Nutzung der anfallenden Regenwassermengen und der Wiederaufbereitung des Brauchwassers mit Hilfe von Mikro - und Nanofiltration zu minimieren. Der jährliche Verbrauch von ca. 37.000 m3 Frischwasser sollte dabei um ca. 80 % verringert werden. Zusätzlich sollten ca. 15 % der verwendeten Waschmittel eingespart werden. Fazit: Die Vorreinigung von Schmutzwässern vor dem Passieren von Membrantrennanlagen wird von vielen Anlagenherstellern bei Angebotserstellung vernachlässigt; Nachrüstungen wie im vorliegenden Fall sind die mit zusätzlichem Zeit- und Kostenaufwand verbundenen Folgen. Ebenso wird von Anlagenherstellern häufig der Vorversuchsphase zu wenig Bedeutung zugemessen; es sollte bei neuen Anlagenkonzepten darauf geachtet werden, dass ausführliche Versuche an Versuchsanlagen mit Prozesswässern über mehrere Wochen im Betrieb durchgeführt werden. Nur dann kann die Eignung der einzusetzenden Module in Bezug auf die Prozesswasserinhaltsstoffe sicher festgestellt werden. Die Einsparpotentiale im Bereich des Wasserverbrauchs und der Wärmeenergie müssen vor dem Hintergrund der hohen Betriebskosten einer solchen Anlage (Stromverbrauch, Wartung und Reparatur) kritisch betrachtet werden. Für die weitere Optimierung der Anlage wurde in 2004 ein Klärdekanter in den Prozesskreislauf integriert. Zudem wurde die Nanofiltration in eine Umkehrosmose umgewandelt und damit die Reinigungsleistung des Systems stabilisiert.

Aufbau einer Moduldatenbank fuer Membrantrennverfahren

Membrantrennverfahren gewinnen in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten zunehmend an technischer Bedeutung. Vielfach scheitert aber ein Einsatz dieser Verfahren an einem Mangel an Informationen ueber ihre Leistungsfaehigkeit unter ingenieurmaessigen Gesichtspunkten. Mit dem Ziel, einen allgemeinen Ueberblick ueber die weltweit verfuegbaren Module fuer verschiedene Membrantrennverfahren zu geben und deren Leistungsfaehigkeit bei der Filtration verschiedener praxisrelevanter Stoffsysteme zu beschreiben, wurde im Arbeitsbereich Apparatebau an der TU Hamburg-Harburg eine Datenbank mit dem Namen 'Module Data Base' aufgebaut. Der Inhalt dieser Datenbank geht ueber die in den Broschueren der Hersteller genannten Informationen weit hinaus. Den im Membrantrennanlagenbau taetigen Ingenieuren und Fachleuten wird somit ein Werkzeug an die Hand gegeben, um aus dem Gesamtspektrum der weltweit verfuegbaren Module diejenigen auszuwaehlen, die fuer den speziellen Anwendungsfall als geeignet erscheinen. Die Datenbank enthaelt zur Zeit ueber 2800 Datensaetze, die durch regelmaessigen Kontakt zu den Herstellern und durch die Auswertung neuer Literaturquellen staendig aktualisiert werden. Zur Qualitaetssicherung werden neu eingetragene Datensaetze dem jeweiligen Hersteller zur Ueberpruefung vorgelegt.

Nanofiltration zur Grundwasseraufbereitung und Sulfatabscheidung bei der Trinkwasseraufbereitung am Beispiel von kippenbelastetem Grundwasser in einem Braunkohlentagebaurevier

Erhöhte Konzentrationen an Sulfat im Trinkwasser können negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Konsumenten haben und führen zu einem erhöhten Risiko für Korrosionen im Leitungsnetz. Aufgrund dessen schreibt die Trinkwasserverordnung einen Grenzwert von 240 mg/l vor. Erhöhte Konzentrationen an Sulfat im Grundwasser, die eine spezielle Aufbereitungstechnik erfordern, kommen vor allem durch den Einfluss von Tagebauaktivitäten zustande. Im ausgehobenen Kippenmaterial kommt es zur Oxidation des Pyrits, was nach der Verfüllung der Gruben zu einem Anstieg der Sulfat-, Calcium- und Schwermetallkonzentration im Grundwasser führt. In betroffenen Grundwasservorkommen in Deutschland wurden Konzentrationen von bis zu 2500 mg/l Sulfat gemessen. Die Nanofiltration ist eine mögliche Aufbereitungstechnologie, die die Grundwassernutzung in derart beeinträchtigten Standorten auch nach der Verfüllung der Gruben erlaubt. Es wird erwartet, dass die Nanofiltration im Vergleich zu den anderen in Frage kommenden Technologien Ionenaustauscher, Destillation, Elektrodialyse und Umkehrosmose vor allem bei höheren Sulfatkonzentration in der Größenordnung >1000 mg/l das wirtschaftlichste Verfahren darstellt. In dem Projekt Nanofiltration zur Sulfatabscheidung bei der Trinkwasseraufbereitung wird die Aufbereitung mittels Nanofiltration experimentell im Labor- und Pilotmaßstab untersucht. Es wird dabei schwerpunktmäßig ein Standort betrachtet, der im Einflussgebiet des Braunkohletagebaureviers Inden I liegt und derzeit Sulfatkonzentrationen von 1000-1500 mg/l in einem Trinkwasserbrunnen aufweist. Neben der Untersuchung der Nanofiltration an sich wird eine Konzentrataufbereitung mittels CaSO4-Kristallisation auf ihre Effektivität geprüft.

Ressourceneffiziente Erzeugung hochwertiger Proteine und Fasern aus Schmalblättrigen Bitterlupinen für die (vegane) Humanernährung, Teilprojekt C

LuproCess zielt auf die Gewinnung hochwertiger, weitestgehend nativer und funktioneller Protein- und Faserfraktionen aus Schmalblättriger Bitterlupine (Lupinus angustifolius L.) für die Humanernährung ab. Aus der gewonnen Proteinfraktion sollen im hier skizzierten Projekt Fleischersatzprodukte entwickelt werden. In LuproCess soll die bei der Proteingewinnung anfallende Faserfraktion auf ein lebensmittelgeeignetes Qualitätsniveau aufbereitet und als Zusatz bei der High-Moisture-Extrusion eingesetzt werden. Die bei der Faseraufbereitung abgeschiedenen antinutritiven Substanzen - Chinolizidinalkaloide und Oligosaccharide sowie Mineralstoffe - werden dem Prozesswasser mittels Nanofiltration entzogen und separiert, wodurch es im geschlossenen Kreis wiederverwendet werden kann. Die Chinolizidinalkaloide können als pflanzliche Sekundärmetaboliten mit bioaktiver Wirkung zu biologischen Pflanzenschutzmitteln und/oder medizinischen/veterinärmedizinischen Wirkstoffen weiterentwickelt werden. Um die Ressourceneffizienz durchgängig zu gewährleisten sollen Nebenstromketten bereits ab dem Schälprozess der Lupinensaaten vor dem Flockieren verfolgt werden. Im Rahmen der hier beschriebenen Forschungsvorhaben wird die Lupine als weitere alternative nachhaltige und ernährungsphysiologisch vorteilhafte Proteinquelle erschlossen. Des Weiteren leistet das Forschungsvorhaben einen Beitrag zur Ressourcenschonung oder sogar Ressourcenaufwertung, indem die Lupinenfasern als anfallender Nebenstrom zur Aufwertung der Textur und somit des Mundgefühls von extrudierten Fleischersatzprodukten eingesetzt werden. Darüber hinaus ist der benötigte hohe Wasserbedarf für die Diafiltration eine nicht zu akzeptierende Belastung der Trinkwasserressourcen. Ziel ist es hier das gesamte Prozesswasser für die zusätzlichen Waschungsstufen in den Prozesskreislauf zurückzuführen.

Ressourceneffiziente Erzeugung hochwertiger Proteine und Fasern aus Schmalblättrigen Bitterlupinen für die (vegane) Humanernährung, Teilprojekt B

LuproCess zielt auf die Gewinnung hochwertiger, weitestgehend nativer und funktioneller Protein- und Faserfraktionen aus Schmalblättriger Bitterlupine (Lupinus angustifolius L.) für die Humanernährung ab. Aus der gewonnen Proteinfraktion sollen im hier skizzierten Projekt Fleischersatzprodukte entwickelt werden. In LuproCess soll die bei der Proteingewinnung anfallende Faserfraktion auf ein lebensmittelgeeignetes Qualitätsniveau aufbereitet und als Zusatz bei der High-Moisture-Extrusion eingesetzt werden. Die bei der Faseraufbereitung abgeschiedenen antinutritiven Substanzen - Chinolizidinalkaloide und Oligosaccharide sowie Mineralstoffe - werden dem Prozesswasser mittels Nanofiltration entzogen und separiert, wodurch es im geschlossenen Kreis wiederverwendet werden kann. Die Chinolizidinalkaloide können als pflanzliche Sekundärmetaboliten mit bioaktiver Wirkung zu biologischen Pflanzenschutzmitteln und/oder medizinischen/veterinärmedizinischen Wirkstoffen weiterentwickelt werden. Um die Ressourceneffizienz durchgängig zu gewährleisten sollen Nebenstromketten bereits ab dem Schälprozess der Lupinensaaten vor dem Flockieren verfolgt werden. Im Rahmen der hier beschriebenen Forschungsvorhaben wird die Lupine als weitere alternative nachhaltige und ernährungsphysiologisch vorteilhafte Proteinquelle erschlossen. Des Weiteren leistet das Forschungsvorhaben einen Beitrag zur Ressourcenschonung oder sogar Ressourcenaufwertung, indem die Lupinenfasern als anfallender Nebenstrom zur Aufwertung der Textur und somit des Mundgefühls von extrudierten Fleischersatzprodukten eingesetzt werden. Darüber hinaus ist der benötigte hohe Wasserbedarf für die Diafiltration eine nicht zu akzeptierende Belastung der Trinkwasserressourcen. Ziel ist es hier das gesamte Prozesswasser für die zusätzlichen Waschungsstufen in den Prozesskreislauf zurückzuführen.

Untersuchungen zur Optimierung der Wasseraufbereitung im Wasserwerk Tettau (Lausitz)

Im Rahmen der Sanierung des Wasserwerkes Tettau (Lausitz) ist eine Optimierung der einzelnen Verfahrensstufen zur Trinkwasseraufbereitung erforderlich. Unsere Aufgabe ist im Wesentlichen die Erarbeitung von Grundlagen für eine technologische Planung bezüglich der Eisen- und Manganreduktion sowie die Prüfung einer Notwendigkeit der Behandlung der im Rohwasser enthaltenen organischen Inhaltsstoffe bzw. die Untersuchung ihrer Auswirkungen bei einer Desinfektion (Bildung von Desinfektionsnebenprodukten). Im Anschluss an das Projekt 'Optimierung des Verfahrenskomplexes Flockung/Sedimentation + Filtration' im letzten Jahr wurden nun entsprechend der Zielstellung 'Organische Wasserinhaltsstoffe im Rohwasser des Wasserwerkes Tettau' kleintechnische Versuche zur Entfernung von organischen Stoffen durchgeführt. Grundlage dafür waren Desinfektionsversuche mit Chlor und Chlordioxid im Labormaßstab zu Beginn des Projektes, um eine mögliche Bildung von Desinfektionsnebenprodukten (DNP) zu überprüfen. Die Vermeidung der Entstehung von DNP durch die Entfernung organischer Wasserinhaltsstoffe nach der Aufbereitungsstufe Filtration wurde in anschließenden kleintechnischen Versuchen mittels Membranverfahren (Nanofiltration und Umkehrosmose) und Aktivkohlefiltration untersucht.

Künstliche Grundwasseranreicherung als Hybridverfahren als Adaptierungsstrategie für eine resistente und nachhaltige Grundwasserressource, Teilprojekt 2

Polyelektrolyt-Komplex-Nanofiltration: Optimale und einstellbare Membranlösung für die Behandlung und Wiederverwendung von kommunalem und industriellem Abwasser, Teilprojekt 2 (Deutsch-Israelische Wassertechnologie-Kooperation)

Polyelektrolyt-Komplex-Nanofiltration: Optimale und einstellbare Membranlösung für die Behandlung und Wiederverwendung von kommunalem und industriellem Abwasser, Teilprojekt 1 (Deutsch-Israelische Wassertechnologie-Kooperation)

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