Reaktions- und Trenntechnik

Auf einer Technikums- und Laborfläche von 300 m2 besteht die Möglichkeit, Vorversuche in Vitro und/oder in verschiedensten Anlagen durchzuführen, um zunächst Machbarkeiten aufzuzeigen und auf diesen Grundlagen Optimierungen durchzuführen. Beispiele hierzu sind Plattformchemikalien, Monomere aus nachwachsenden Rohstoffen, industrielle Bio­technologie und Recycling von Kunststoffen.

Die Reaktionstechnik

Komponenten der Hochdrucktechnik: Mess- und Regelsysteme, Spritzenpumpen und mobile Anlagen
© Fraunhofer ICT
Komponenten der Hochdrucktechnik: Mess- und Regelsysteme, Spritzenpumpen und mobile Anlagen

Im Fokus der Arbeit stehen die Entwicklung und Optimierung von umweltfreundlichen, nachhaltigen Produktionsverfahren der chemischen Reaktionstechnik im Batch und kontinuierlichen Betrieb.

Hierbei wird der Einfluss von Prozessparametern wie Druck, Temperatur und Verweilzeit, der Einsatz von Katalysatoren und unterschiedlichen Fluiden, Oxidations- und Reduktionsmitteln auf verschiedene Reaktionen untersucht und statistisch ausgewertet. Exemplarisch ist die Spaltung von Fetten und Ölen zu nennen, wobei aus den entstehenden Monomeren als Produkt biobasierte Polymere synthetisiert werden können.

Insbesondere verfügen wir im Themenfeld der Bioraffinerie, der stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe, über große Erfahrung und fundiertes Know-how. Im Fokus stehen die Gewinnung von Lignin, Hemicellulose und Cellulose aus Holzfasern (Lignocellulose) mittels dem Organosolv-Verfahren, sowie die Spaltung des Lignins in Phenolbruchstücke. Weitere Schwerpunkte betreffen die Synthese von Zuckerfolgeprodukten wie 5-HMF (Hydroxymethylfurfural) und Furandicarbonsäure.

Hierzu wird in unterschiedlichen Hochdruckanlagen der Einfluss von Prozessparametern wie Druck, Temperatur oder Verweilzeit, der Einsatz von Katalysatoren, unterschiedlichen Fluiden, Oxidations- oder Reduktionsmitteln auf verschiedene Reaktionen untersucht. Das Spektrum der Batch-Reaktoren reicht in den Volumina von 0,1 bis 13 Liter, bei Temperaturen bis 400 °C und Drücken bis 1000 bar. Die kontinuierlichen Anlagen weisen Drücke bis 350 bar bei Temperaturen bis ebenfalls 400 °C auf.

 

Die Trenntechnik

Die Thermischen Verfahren,
bei denen eine Trennung aufgrund einer Phasenumwandlung erfolgt, werden in unserem Hause durch diverse Anlagen abgebildet:

  • Bei der Extraktion ist u. a. die Abtrennung durch Zugabe von Kohlenstoffdioxid, überkritisch oder in wässriger Lösung, zu nennen. Ein Beispiel für die Extraktion durch Zugabe von Kohlenstoffdioxid ist die Extraktion organischer Binder aus Bauteilen oder die Extraktion von Phosphat aus Klärschlamm mittels kohlensauren Wassers.
  • Die Kristallisation ist ein geeignetes Verfahren, um besonders hohe Reinheiten größer 99,9 % zu erzielen. Wenn sich Stoffgemische aufgrund der Löslichkeit oder zu ähnlicher Siedepunkte und azeotropen Gemischen nicht zufriedenstellend voneinander trennen lassen, bietet die Kristallisation eine weitere Möglichkeit zur Bewältigung der Trennaufgabe.
  • Für die Rektifikation und Destillation stehen verschiedenste Apparaturen zur Verfügung, welche eine Aufkonzentrierung einzelner Komponenten zum Ziel haben. Mittels Hochtemperaturrektifikation wird zum Beispiel eine Fraktionierung von Tallöl untersucht, wodurch Harz- und Fettsäuren abgetrennt werden können.
Quasi-kontinuierliche CO2-Extraktionsanlage mit 5 L-Extraktor und Separator sowie einer 2 L-Extraktionskolonne
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Quasi-kontinuierliche CO2-Extraktionsanlage mit 5 L-Extraktor und Separator sowie einer 2 L-Extraktionskolonne

Das Gebiet der überkritischen Fluide, Wasser und CO2, stellt ein Spezialgebiet der thermischen Verfahren dar.

Überkritisches CO2 (sc-CO2) bietet diverse Vorteile gegenüber anderen, zum größten Teil mit Lösungsmitteln arbeitenden, Verfahren. Es ermöglicht zum einen den geschlossenen Kreislauf des Extraktionsmittels durch anschließende fraktionierte Abscheidung des Extraktes, ist chemisch inert und stellt gegenüber anderen Extraktionsmitteln keine Explosionsgefahr dar. Neben gasähnlicher Viskosität bei gleichzeitig flüssigkeits­ähn­licher Dichte und sehr guten Transporteigenschaften, ist vor allem die sehr gute Löslichkeit einer Vielzahl von organischen Verbindungen vorteilhaft.

Die Entbinderung von Bauteilen, Extraktion von pflanzlichen Wirkstoffen, Entfettung von Oberflächen, das sind nur einige wenige Beispiele für Anwendungen mit überkritischem CO2 als Lösungsmittel. Werden stark exotherme Reaktionen oder Reaktionen mit oxidierenden Stoffen durchgeführt, kann die Reaktion in überkritischem CO2 eine interessante Alternative zu konventio­nellen Synthesen sein.

Überkritisches Wasser (Wasser oberhalb 374,12 °C und 221,2 bar) besitzt deutlich andere Eigenschaf­ten als unter den allseits bekannten Bedingungen. In diesem Zustand kann es als Lösungsmittel für z. B. organische Verbindungen oder bei der Zersetzung von Elektroschrott dienen.

Die Mechanischen Verfahren,
die auf der Ausnutzung von Schwerkraft, Zentrifugalkraft, Druck, Vakuum oder der reinen Partikel­größe beruhen, sind in der Arbeitsgruppe durch die Filtration und die Membrantechnik vertreten.

Letztere stellt eine leistungsstarke Alternative zu herkömmlichen Trenn­verfahren dar. Sie kann organische Stoffe, Salze und feinste Feststoffe vom Wasser trennen. Damit eröffnet sie neue Möglichkei­ten und kann vorhandene Techniken, wie z. B. die Eindampfung oder chemische Verfahren durch ihre Wirtschaftlich­keit ersetzen bzw. kann mit ihnen kombiniert werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit ein effektives Hybrid-Verfahren zu erhalten, dass die Vorteile mehrerer Techniken vereint.

Gerührte Hochdruckzelle zur Durchführung von Membran Screenings im Dead End Verfahren (Kuchenfiltration)
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Gerührte Hochdruckzelle zur Durchführung von Membran Screenings im Dead End Verfahren (Kuchenfiltration)

Im Technikum stehen acht Anlagen für die verschiedensten Untersuchungen zur Verfügung. Für Machbarkeits­studien stehen eine Großzahl an Flachmembranen (MF, UF, NF, oNF, RO) diverser Anbieter zur Verfügung.

Die zwei typischen Eigenschaften aller Membrantrennverfahren sind:

  • Membrantrennverfahren trennen rein physikalisch, d. h. die zu trennenden Kompo­nenten werden weder thermisch, noch che­misch oder biologisch verändert. Damit ist zumindest im Prinzip eine Wiedergewinnung und -verwendung der Komponenten einer Mischung möglich.
  • Membranverfahren sind modular aufgebaut und können damit großtechnisch an jede Kapazität angepasst werden.

Projektbeispiele

Ligninkaskade (v.l.n.r.) aus Buchenholz, Organosolv-Lignin, Kohle, phenolische Spaltprodukte
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Ligninkaskade (v.l.n.r.) aus Buchenholz, Organosolv-Lignin, Kohle, phenolische Spaltprodukte

Steigende Rohstoffpreise und schwindende Reserven an fossilen Rohstoffen haben das Interesse an nachhaltigen Verfahren und an der stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe stark ansteigen lassen. Die Forschungsarbeiten der Gruppe Reaktions- und Trenn­technik befassen sich daher u. a. mit der Gewinnung und Aufreinigung von chemisch interessanten Komponenten aus nachwachsenden Roh­stoffen, ferner mit der Wiedergewinnung hochwertiger Stoffe bzw. der Entfernung von Schad­stoffen aus Abfallströmen.

Beispiele aktueller Projekte:

Auszug vorangegangener Projekte:

  • LignOx: Lignin-Oxidation zur Gewinnung hochwertiger funktioneller Verbindungen Poster [pdf]
  • Optigär: Stoffliche Nutzung von Hydrolyseprodukten aus zweistufigen Biogasanlagen Poster [pdf]
  • LCB: Aufschluss von Biomasse zur Gewinnung von Lignin, Hemicellulose und Cellulose
  • Synthese von Zuckerfolgeprodukten wie HMF oder Furfural
  • Spaltung von Lignin in phenolische Bausteine und Rückgewinnung von Lösungsmittel
  • Aufreinigung von Produktgemischen und Abwasserströmen mittels Membranverfahren
  • Partikelschäumung von Kunststoffen in überkritischen CO2
  • CO2-Extraktion von Schadstoffen und Produktionsrückständen sowie von Wirkstoffen und Aromen
  • Gewinnung reiner Fettsäuren, Harzfraktionen und Sterole aus Tallöl
  • Spaltung von Fetten und Ölen
  • Hydrierung von Zuckern zu Zuckerpolyolen, eingesetzt als Vernetzer für Polyurethansysteme
  • Abwasseroxidation: Entfernung der Organik aus HTC-Prozess- und anderen Abwässern
  • Vollständige Aufarbeitung von Gülle