Im beantragten Projekt soll die Selektivoxidation von grünem Methanol (MeOH) auf Basis von grünem Wasserstoff mit Luft-Sauerstoff (0₂) zu den Basischemikalien Methylformiat (MF), Dimethoxymethan (DMM) und Dirnethylether (DME) in Membranreaktoren mithilfe von Vanadiumoxid-Katalysatoren in skalierbaren Verfahren realisiert werden.
Für den nachfolgenden internationalen Stand der Wissenschaft und Technik wurden Referenzen im Zeitraum von 1990 bis 2023 analysiert und eigene abgeschlossene Arbeiten zur Grundlagenforschung berücksichtigt.
Die Basischemikalien MF, DMM und DME sind für die Herstellung etablierter Produkte essentiell und sichern den Komfort und Wohlstand in unserem täglichen Leben. Der aktuelle Gesamtmarkt von > 10 Mio. Tonnen pro Jahr wird bisher mit konventionellen Katalysatoren und klassischen mehrstufigen Reaktor-Trennoperationen mit hoher Apparateanzahl bzw. Rücklaufströmen und limitierter Prozesseffizienz gedeckt. Derzeitige Syntheserouten von DMM basieren auf zwei apparativ getrennten Reaktionsschritten, der Dehydrierung von MeOH zu Formaldehyd in der
Gasphase und der anschließenden Umsetzung von MeOH und Formaldehyd zu DMM in der Flüssigphase. Die Herstellung von MF basiert auf einer homogen-katalysierten, limitierten Gleichgewichtsreaktion von MeOH und Kohlenstoffmonoxid unter Drücken von bis zu 45 bar. DME wird konventionell durch die Dehydratisierung von MeOH in einem Festbettreaktor an sauren Katalysatoren hergestellt. Dieser Prozess benötigt hohe Temperaturen (T=300°C) und Drücke (p=80 bar) und zeigt eine starke Katalysatordeaktivierung. Die etablierten Prozesse zur Synthese von DMM, MF und DME offenbaren erhebliche Nachteile hinsichtlich Korrosion, Apparateanzahl, limitierter
Katalysatorstabilitätl-standzeit bzw. der Notwendigkeit sehr hoher Drücke.
Fazit: Es besteht signifikanter Bedarf an alternativen, ressourcen-, material- und energieschonenden Prozessen. Diese Nachteile können im Rahmen des beantragten Vorhabens durch die Selektivoxidation von grünem MeOH und durch innovative Kopplung mittels Membranen in Membranreaktoren bei milden Bedingungen (T <150°C, p=1 bar) überwunden werden.

Für die heterogen katalysierte Selektivoxidation von MeOH mit 0₂ werden bifunktionale Katalysatoren benötigt. Insbesondere das Verhältnis aus redox- und aziden Zentren ist dabei relevant, um das Produktspektrum über die Reaktionsführung (Temperatur, Verweilzeit, 0₂) lenken zu können. ln den letzten Jahren sind zahlreiche Katalysatorsysteme untersucht worden. Dabei wurden Vanadium-Oxid (VOx)-Systeme als aussichtsreiche Katalysatoren mit industrieller Relevanz (Verfügbarkeit, Preis, Standzeit) für die Entwicklung ressourcenschonender Prozesse identifiziert.

Der für das Projekt entwickelte Katalysator zeichnet sich durch hohe Aktivität bei niedrigen
Temperaturen (100-200°C) und Drücken (1 bar) aus. Es wurden hohe MeOH-Umsätze bis 100 % und Selektivitäten der Basischemikalien DMM von 100 % und MF von 40 % im konventionellen Festbettreaktor (FBR) erreicht. ln konventionellen Reaktoren werden jedoch schnell Grenzen zur Optimierung der Reaktion erreicht, da lediglich die Temperatur und die Konzentration von MeOH und 0₂ am Eingang (Co-Feed-Modus) variiert werden können. 0₂ nimmt eine Schlüsselrolle zur Steuerung der Produktverteilung für MF, DME und DMM ein. Eine örtlich verteilte und notwendige Dosierung an 0₂ zur Optimierung der Reaktion kann durch innovative Membranreaktoren erzielt werden. Sie ermöglichen eine bedarfsgerechte, dem Markt angepasste, Steuerung der Produktion für grünes MF, DME, DMM.

Membranreaktoren kombinieren effiziente Katalyse und membranbasierte Stoffdosierung/-trennung in einem Apparat. Sie gehören zukünftig zu den wichtigsten Werkzeugen zur Prozessintensivierung und Ressourcenschonung in der zukünftigen Chemischen Industrie. Es wurden Membranreaktoren zur Steigerung der Selektivität entwickelt, welche Oxidationen sowie oxidative und thermische Dehydrierungen v. Alkanen in der Gasphase ermöglichen. Das Grundprinzip von Membranverfahren bzw. Membrandistributoren mit partikulären Katalysatorschüttungen mit verteilter 0₂-Zufuhr und katalytisch aktiven Membranen im Extraklarprinzip mit C0₂ als aktives Sweepgas, ist im Rahmen einschlägiger Vorarbeiten experimentell und simulativ erprobt und bis zum Technikumsmaßstab erfolgreich validiert worden. Dieses Know-how steht dem beantragten Projekt für die neue Reaktion zur Verfügung, um auf einer erneuerbaren Rohstoffbasis grüne Basischemikalien regional in Sachsen-Anhalt zu produzieren.

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Hintergrund
Galactooligosaccharide (GOS) entstehen in einer Nebenreaktion der Lactose-Hydrolyse durch das Enzym β-Galactosidase, indem der am aktiven Zentrum verbleibende Galactose-Rest nicht auf Wasser, sondern auf ein anderes Zuckermolekül übertragen wird (sog. Transgalactosylierung). Wie stark diese Transgalactosylierung ausgeprägt ist, hängt v. a. vom Herkunftsorganismus der β-Galactosidase sowie der anfängliche Lactosekonzentration ab. GOS gelten als Präbiotika und können ab 3 Monomeren als Ballaststoff ausgelobt werden (EU-VO Nr. 1169/2011). Durch die strukturelle Ähnlichkeit zu den humanen Muttermilcholigosacchariden, fördern GOS das Wachstum der positiven Darmflora (Bifidobakterien und Laktobazillen) bei Säuglingen und Erwachsenen gleichermaßen. Sie hemmen weiterhin pathogene Keime (Krebsschutz), fördern die Calcium-Resorption und verbessern die Stuhlkonsistenz. Durch ihre hohe pH- und Temperaturstabilität können GOS einer Vielzahl an Lebensmitteln zugesetzt werden (z.B. Fruchtsäfte, Backwaren, …).
Als eine mögliche Lactose-Quelle für die GOS-Synthese kann Molke dienen. Sie entsteht als Nebenprodukt bei der Käseherstellung, wobei aus 10 L Rohstoff (Milch) nur ca. 1 kg Produkt (Hartkäse) gewonnen wird, aber gleichzeitig ca. 9 L Molke anfallen. In Deutschland lag das Molkeaufkommen 2021 bei ca. 16,5 Mio. Tonnen mit steigender Tendenz. Allerdings werden ca. 60 % dieses Rohstoffs bisher nicht verwertet. Molke enthält neben Lactose auch Milchsalze und Molkenproteine. Die genaue Zusammensetzung hängt vom Produkt (Hartkäse, Weichkäse, Frischkäse, …) und von der konkreten Prozessführung in der Molkerei ab.
Es ist bekannt, dass diese weiteren Inhaltsstoffe der Molke (Salze, Proteine) zu einem veränderten Enzymverhalten (Aktivität, Stabilität, Transgalactosylierungsaktivität) der β-Galactosidase und damit veränderten GOS-Ausbeuten im Vergleich zu synthetischen Puffern führen können. Somit müssen die Synthesebedingungen ggf. angepasst werden, wenn ein Substratwechsel vom optimalen Puffer auf Realsysteme (Molke, Molkenpermeat) erfolgt.

Projektziel
Im Projekt soll eine Wertschöpfung und nachhaltige Nutzung von Molkereinebenströmen realisiert werden, indem die darin enthaltene Lactose mittels β-Galactosidase (β-Gal) zu präbiotischen Galactooligosacchariden (GOS) umgewandelt wird. Hierfür wird erstmals ein multi-Enzymsystem bestehend aus β-Galactosidase (β-Gal), Glucose-Oxidase (GOX), Lactose-Oxidase (LO) und Katalase (KAT) eingesetzt. Einerseits wird so eine Prozessintensivierung der Synthese durch den Entzug des Nebenproduktes Glucose erreicht (durch GOX/KAT), andererseits werden hochreine GOS-Produkte durch die Entfernung des restlichen Substrates Lactose erzeugt (durch LO/KAT). Aus der niedrigpreisigen Lactose werden somit drei Wertprodukte erhalten, welche Anwendung in der Lebensmittel- (GOS, Lactobion-, Gluconsäure) bzw. pharmazeutische Industrie (Lactobionsäure) finden.
Arbeitsplan
Nach Weiterentwicklung der GOS-Analytik und umfassenden Charakterisierung aller Enzyme (β-Gal, LO, GOX, KAT) zur Festlegung geeigneter Reaktionsparameter, erfolgen Untersuchungen zur Prozessgestaltung/-optimierung der Synthesen. Zunächst werden neuartige, kommerziell verfügbare β-Galactosidasen auf ihre Fähigkeit zur GOS-Synthese untersucht und etwaige Unterschiede hinsichtlich Gesamtausbeute und GOS-Zusammensetzung ermittelt. Anschließend erfolgt jeweils die Kombination von β-Galactosidasen aus unterschiedlichen Mikroorganismen mit GOX/KAT bzw. LO/KAT. Im Ergebnis wird eine Kombination β-Gal/GOX/KAT erhalten, welche die höchste Ausbeutesteigerung zeigt sowie eine Kombination β-Gal/LO/KAT, welche den geringsten GOS-Verlust zeigt. In Abhängigkeit der Ergebnisse werden verschiedene Verfahrensweisen zur Kombination aller Enzyme eruiert und das Produktdesign finalisiert. Zur Erhöhung der Prozesseffizienz wird das one-pot-Verfahren mit einem two-pot-Verfahren vergleichen, welches als Überführung in einen semi-kontinuierlichen Prozess dient. Im Ergebnis wird eine Roadmap erhalten, welche eine On-Demand-Produktion von GOS verschiedener Reinheit (mit/ohne Lactose und/oder Glucose) ermöglicht.
Zur Erreichung des Projektziels sind folgende 8 Arbeitspakete geplant, welche in untenstehender Abbildung visualisiert sind:

• AP1: Weiterentwicklung der GOS-Analytik hinsichtlich Trennung Lactose & Disaccharid-GOS
• AP2: Charakterisierung der Enzyme (β-Gal, GOX, LO, KAT)
• AP3: GOS-Synthese mittels neuartiger β-Galactosidasen
• AP4: Reaktorauslegung für effektiven Sauerstofftransport
• AP5: Simultane Glucosese-Oxidation auf verschiedenen GOS-Mischungen
• AP6: Lactoseoxidation auf verschiedenen GOS-Mischungen
• AP7: Synergetische Kombination von GOS-Synthese, Glucose- und Lactoseoxidation
• AP8: Produktaufreinigung/-design & Erstellung der Roadmap für die regionale Industrie

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Gegenwärtig liegen nur wenige Studien zur Katalysatordeaktivierung in der homogenen Katalyse vor. Insbesondere bei Wechsel auf eine erneuerbare, biobasierte Rohstoffbasis mit schwankender Qualität, muss die Katalysatordeaktivierung explizit betrachtet werden. Ein detailliertes Verständnis und eine mathematische Beschreibung der Katalysatordeaktivierung ist die Basis für eine zukünftige Substitution von Rohstoffen in der chemischen Industrie und ermöglicht die zielgerichtete Entwicklung geeigneter rohstoffabhängiger Katalysatorsysteme für nachhaltige, katalysierte, chemische Prozesse. Vor diesem Hintergrund ist das Hauptziel dieses Projekts, ein tieferes Verständnis der Deaktivierungsmechanismen in der homogenen Katalyse herbeizuführen und zu eruieren, wie negativen Effekte auf katalysierte Reaktionen in kontinuierlichen Reaktionsprozessen vermieden oder gezielt modellbasiert beeinflusst werden können. Vier Deaktivierungsmechanismen werden in diesem Projekt im Detail betrachtet:
1) Langzeitdeaktivierung (Alterung),
2) Katalysatorverlust durch Leaching in kontinuierlichen Prozessen,
3) Deaktivierung durch Gas-/Fiüssig-Stofftransportlimitierung und
4) Verunreinigungen , u.a. bei Verwendung biobasierter Feeds.
Methodisch wird dies durch den Einsatz multispektroskopischer Messungen in Kombination mit chemometrischer Analyse während kinetischer und kontinuierlicher Experimente, einschließlich
Katalysatorabtrennung und -rückführung auf Prozessebene, erreicht.
Die daraus resultierenden, zeitaufgelösten, molekularen Daten von Katalysatorspezies und Reaktanten werden zur Entwicklung, Reduktion und Parametrisierung neuer mechanistischer kinetischer Modelle der Katalysatordeaktivierung genutzt. Diese Modelle dienen als Grundlage für eine modellbasierte Prozesssteuerung und -Optimierung, u.a. durch Katalysatordosierungsstrategien, zur gezielten Stabilisierung und Kontrolle der katalysierten Reaktionen, die in Langzeitversuchen in kontinuierlichen Miniplants validiert werden sollen. Das beantragte Projekt ist deshalb durch einen ganzheitlichen Ansatz zur Identifikation von Deaktivierungsmechanismen, deren Quantifizierung und modellbasierte Steuerung charakterisiert. Ein solcher Ansatz ist bisher in der homogenen Katalyse noch unterrepräsentiert und wird im vorgeschlagen Projekt, wie folgt umgesetzt:
a) Durchführung multispektroskopischer OperandoDesaktivierungsstudien inkl. Kombination komplementärer Messtechniken (FTIR, Raman, NMR, GC-MS),
b) kinetische Deaktivierungsstudien zu den 4 Deaktivierungsmechanismen im Kurzzeit-Batch- und kontinuierl ichem Langzeit-Dauerbetrieb unter Anwendung der Prozessdynamik (Perturbationen),
c) mechanistische kinetische Modeliierung der Deaktivierung zur Vorhersage von Katalysatordosierungsstrategien,
d) Validierung von Dosierungsstrategien in Langzeitversuchen in kontinuierlich betriebenen Miniplant-Kampagnen und

e) Gesamtprozesssimulation/steuerung zur Bewertung von Strategien zur Reduktion der
Katalysatordeaktivierung.

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Die Elektrifizierung ist eine der Säulen der aktuellen Defossilisierungstrategien insbesondere für den
Individualverkehr, was jedoch den Auf- und Ausbau der bestehenden Netzinfrastruktur für Strom und Wasserstoff erfordert. Luftfahrt, Schifffahrt und der Güterverkehr lassen sich nicht ohne weiteres Elektrifizieren, sodass die Branchen auf alternative und regenerative Kraftstoffe setzen. Das geplante Projekt zielt daher auf die Herstellung von grünem Methanol als klimaneutraler Roh- und Kraftstoff durch ein neuartiges Herstellungsverfahren für Methanol mittels eines Mikrowellenplasmas und der Nutzung von Biogas. Das so gewonnen Methanol kann direkt als Kraftstoff, in Brennstoffzellen oder zu Kerosin weiterverarbeitet, eingesetzt werden. Durch die geplante Direktsynthese mittels Mikrowellenplasma soll der energieintensive Zwischenschritt der Synthesegasgewinnung aus
fossilem Erdgas und den damit verbundenen C02-Emmissionen eliminiert und Energie-/Betriebskosten signifikant reduziert werden Ziel des Projekts ist deshalb die Entwicklung und Testung eines geeigneten Mikrowellenplasmareaktors und Demonstration der Direktsynthese von Methanol im labormaßstab.

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Im Projekt soll die Synthese der Hydrochlorierung von Glycerin zu Dichlorhydrin experimentell und modellbasiert untersucht werden, um neue, effizientere Reaktoren zu entwickeln und den Gesamtprozess optimieren zu können. Hierfür soll zunächst eine mechanistische kinetische Modellbildung basierend auf Katalysezyklen inkl. Modellreduktion, u.a. unter Nutzung operandospektroskopischer Methoden (GC-MS, NMR, FTIR-/Raman-Spektroskopie), durchgeführt werden. Der Einfluss des Stofftransports im voligenden Mehrphasensystem bzw. dessen Berücksichtigung in der Modellierung unter Berücksichtigung realer Feeds inkl. Verunreinigungen stehen im Fokus. Neben der Kinetik erfolgt die Ermittlung thermodynamischer Daten wie Gaslöslichkeiten, Reaktionsgleichgewichte und -konstanten, Reaktionsenthalpien und Stofftransportkoeffizienten unter Nutzung von Gruppenbeitragsmethoden und Messungen im Reaktionskalorimeter RC1e.

Die kinetischen und thermodynamischen Modelle, inkl. Parameter, sollen anschließend der
simulationsbasierten Auslegung neuer Reaktorkonzepte, inkl. Stofftransportmodell und unter expliziter Berücksichtigung der Wärme-/Impulsbilanzen, den Simulationsumbegungen mittels Matlab® und Comsol® zugeführt werden.

Eine experimentelle Validierung des präferierten Reaktorkonzepts unter Verwendung von Dosierstrategien sowie Berücksichtigung von Umlauf- und Rückführströmen ist vorzunehmen. Das Projekt wird durch eine Gesamtprozessmodellierung, inkl. Rohstoffvorbereitung, Feedkonditionierung, Reaktor, nachgeschaltete Trennoperationen und Rückführströme, mittels Flow-Sheet-Simulation in AspenPlus abgeschlossen.

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Beschaffung eines "Modularen Reaktorsystems für die heterogene Katalyse" zur Untersuchung industrieller, skalierbarer Katalysatoren als Basis zur Entwicklung innovativer Prozesse bei Rohstoff-/Strukturwandel in der Chemischen Industrie mit Fokus "Grüne Chemie/Wasserstoff'. Basis: BerufungsangeboUAbsprache mit dem LSA für EFRE 2023.
Das beantragte Gerät stellt die Basis einer Neuausrichtung des Lehrstuhls Chemische Verfahrenstechnik mit den Forschungsschwerpunkten: Chemische Produktionstechnologien ressourcen-, C02- und energieeffizienter zu gestalten und ungenutzte Roh-/Reststoffe, Nebenprodukte und nachhaltige biobasierte Feeds sowie H2 einer Wertschöpfung zuzuführen. Die Beschaffung gestattet die Entwicklung industrieller Katalysatoren vom Einzelpartikel über den Reaktorscale-up bis zum innovativen Prozess in der regionalen Chemieindustrie (Cl) Sachsen-Anhalts (SA).

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The depolymerization of polymers by (bio)chemical methods fundamentally aims at the desired recovery processes that have repeatedly demonstrated their efficiency through high selectivity even under explicitly mild reaction conditions. Thus, the depolymerization of single-grade plastic waste with functional backbones, precisely PET and PEF, for subsequent re-synthesis will be studied together by the PIs Hamel, von Langermann und Thiele by combining enzymatic and chemical degradation routes with focus on the integrated separation and (re-) recovery of the degradation products. Novel chemo-enzymatic depolymerization routes of PET and PEF by tailor-made enzymes (PETase, cutinase, etc.) and combining kinetics and separation processes (membranes, adsorption) should be investigated.

For a preselected enzyme/solvent system from Jan von Langermann kinetic experiments will be performed with BHET and PET (Trimer) as feeds providing a profound knowledge about the reaction network which should be used for the kinetic analysis and modelling. Operando spectroscopy is applied for mixture analysis. The methods and kinetic models derived for PET will then be applied to PEV to prove their applicability. The data for PEF will be provided by Julian Thiele. The kinetic models derived for free enzymes allow to study and to suggest new reactor concepts using immobilized enzymes to improve sustainability in the group of Jan von Langermann.

Besides the depolymerization kinetics suitable separation processes and its combination should be evaluated in order to separate resulting degradation products (PET, PEV, BHET, MHET, Terephthalic acid, etc.). Therefore, feasibility, application and limits, e.g., of membrane, adsorption and SMB separation technology, will be studied.

The PIs and scientists financed by the project bring all necessary experimental/numerical methods and experience needed for a successful investigation. Based on the existing experience in each group, a first demonstration of the design procedure integrating all mentioned aspects should be presented.

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Durchführung von experimentellen und modellbasierten kinetischen Studien zur heterogen katalysierten Umsetzung von biobasiertem Glycerin mit CO₂ zu Glycerincarbonat. Stoffliche Fixierung von CO₂. Potentialbewertung und Machbarkeitsstudien.

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This project aims to support the continuation of a success cooperation between the Chair for Chemical Process Engineering at OvGU (Prof. Christof Hamel) with Dr.-Ing. Leo Alvarado Perea who works at the Universidad Autónoma de Zacatecas and at the OvGU from Magdeburg Germany.

During the time of the doctorate studies and more recently, Mr. Alvarado Perea studied a promising process to produce directly propene from ethene (2010-2021). Since then, we have had a close cooperation by working in this topic. New and novel processes for producing valuable chemical products are subject of study and still being new cooperation opportunities. One of the questions that have motivated these new cooperation options is the catalyst deactivation that has been reported in our previous contributions during the propene production.Thus, we present this proposal for continuing our successful cooperation by studying two new promising reactions for producing valuable products, building blocks and platform chemicals.

a) The coupled oxidative and thermal dehydrogenation of propane using VOx-Al₂O₃ based catalysts, taking into account catalyst deactivation by coking and periodically regeneration, as bridging technology in chemical industry.
b) The selective oxidation of bio-based methanol to methylformate (MF), dimethylether (DME) and dimethoxymethane (DMM) as potential green platform chemicals using VOx/TiO₂ catalytic systems.

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Konzeptentwicklung und Koordination "Laborgestaltung - neue Anforderungen" - Detail-/ Ausführungsplanung sowie Überführung von Know-how und Kompetenz zum Betrieb von lebensmitteltechnologischen bzw. verfahrenstechnischen Anlagen/Verfahren im Pilotmasstab

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Experimentelle Untersuchung und Syntheseoptimierung zur Selektivitätssteuerung der Pyrazolreaktion mittels dynamischer Versuchsführung in Kopplung mit Dosierkonzepten. Reduktion der Nebenproduktbildung in komplexen Reaktionsnetzwerken. Minimierung von sequentiellen Aufbereitungsverfahren.

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Experimentelle Untersuchung der fermentativen Umsetzung verschiedener biogener Reststoffe im Bereich der Weizenstärkeverarbeitung zu Methan mit dem Ziel der Erdgasreduktion und Erhöhung der Prozesseffizienz. Analyse und Bewertung der Gaszusammensetzung und Nebenprodukte.

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Durchführung und Optimierung von Synthesen der gleichgewichtslimitierten Pyrazolreaktion mit dem Ziel der signifikaten Reduktion von Reaktions- und Aufarbeitungszeiten. Durchführung thermodynamischer Berechnungen zur Gleichgewichtslage. Kinetische Modellbildung als Basis der Prozessoptimierung.

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Im Projekt soll der Schwerpunkt und die Profilbildung der Lebensmitteltechnologie an der Hochschule Anhalt weiter durch Etablierung einer Forschungsnachwuchsgruppe ausgebaut und der wissenschaftliche Nachwuchs durch Mentoring und Promotion gefördert werden. In Kooperation mit den Industriepartnern Milchwerke "Mittelelbe" GmbH, der BIA Separations GmbH, dem Fraunhofer IKTS sowie der Universität Magdeburg, an der ein kooperatives Promotionsverfahren durchgeführt wird, soll ein Verfahren zur Synthese von Präbiotika am Beispiel der Galactooligosaccharide (GOS) mittels experimenteller und modellbasierter Forschungsarbeit durch Wissens- und Technologietransfer der Partner für den preisgünstigen Rohstoff Molkenpermeat entwickelt, realisiert und optimiert werden.

Für Molkenpermeat existiert gegenwärtig keine nachhaltige Wertschöpfung. Demgegenüber besteht eine Marktnachfrage nach lactose- und glucosefreien Präbiotika für eine gesunde Ernährung. Aufgrund weniger Kooperationen bzw. Wissens-/ Technologietransfer zwischen angewandter Forschung und Industrie sowie fehlender Fokussierung auf diese Thematik in einer Forschergruppe, konnte bisher noch kein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung lactose- und glucosefreier Präbiotika realisiert und etabliert werden. Hier setzt das Projekt konkret an.

Das Ziel des beantragten Projekts ist die experimentelle und modellbasierte Untersuchung zweier Verfahrensstrategien zur Gewinnung und Aufreinigung von GOS aus Molkenpermeat inklusive Prozessintensivierung durch Kopplung von Synthese, Produktabtrennung und Recycling. Hierzu werden zwei Strategien verfolgt:

a) diskontinuierlicher, enzymatischer Prozess, Trennung des Produkts von Lactose mittels Nanofiltration inkl. Recycling
b) kontinuierlicher Porendurchflussreaktor mit immobilisierten Enzym, SMB-Trennung inkl. Recycling.

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Ausgangspunkt ist die Forderung der Partner in der Lebensmittelbranche, ein definiertes Produkt mit jederzeit konstanten Eigenschaften und konstanter Qualität herstellen zu können, obwohl die Eigenschaften und die Qualität der landwirtschaftlichen Rohstoffe schwanken. Ziele des Teilvorhabens sind daher

• Vernetzung der Rohstoffproduzenten und der Lebensmittelhersteller über die Schaffung einer gemeinsam zu entwickelnden disruptiven Technologie, die beiden Branchen Nutzen bringt
• interdisziplinäre Gesamtprozesserneuerung durch Einsatz von Industrie 4.0 - Technologien von der Rohstoffherstellung und der Rohstoffaufbereitung über die Synthese bis zum Produkt 
• Vernetzung aller Komponenten der Produktionskette din Echtzeit über eine Cloud

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Die heterogene Katalyse besitzt in der chemischen Industrie, in der Umwelttechnik und bei der Entwicklung neuer, selektiver Synthesewege ein erhebliches Potential. Entwicklungsaktivitäten zielen auf Katalysatoren mit optimierter Selektivität und Ausbeute aber insbesondere auf die Intensivierung der Prozesse und somit auf die Einsparung von Energie und Rohstoffen.

Vor diesem Hintergrund ist das Ziel des Projekts, eine Ausbeutesteigerung bei der Synthese gewünschter Olefine, die u.a. zur Kunststoffproduktion eingesetzt werden, durch verteilte Reaktan­dendosierung mittels Membranen (Distributor) herbeizuführen. In einem zyklisch betriebenen Distributor soll hierzu die oxidative Dehydrierung (ODH) und die thermische Dehydrierung (TDH) am industriell relevanten Modellsystem Propan, bei Vorliegen einer stofflichen und energetischen Kopplung, in einem integrierten Reaktor für maximale Syner­gieeffekte (autothermer Betrieb) untersucht und bewertet werden. Dieses Konzept soll den gesamten Reaktor/Katalysator auch bei der thermischen Dehydrierung im Vergleich zu bestehenden Konzepten permanent, d.h. ohne Schlupf oder separate Regenerationsphasen, nutzen können. Hierzu ist ein optimal gesteuerter transmembraner Sauerstoffstrom, der sich temporär dem Stand des Katalysatorzustands/Aktiviät anpasst zu ermitteln, wobei die Kontrolle der Temperatur und der Geschwindigkeit im Apparat durch verteilte Dosierung effizient gestaltet werden kann. Modellgestützte Untersuchungen (1D und 2D) sollen dabei helfen, optimale Dosierprofile bzw. Anforderungen an die Membran (Kompatibilität von Reaktion und Membran), zu identifizieren.

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Im Mittelpunkt des Teilprojekts stehen experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Mechanismus und der Kinetik der reduktiven Aminierung von langkettigen Aldehyden sowie der Hydroaminomethylierung als komplexe Tandemreaktion. Ziel ist es, die Reaktionsnetzwerke und katalytischen Zyklen systematisch aufzuklären, kinetische Modelle abzuleiten und zu reduzieren, sowie die Modellparameter durch Perturbationsversuche und Parameterreduktionstechniken zu ermitteln. Es wird die Grundlage für die Auslegung von Reaktoren und Prozessen geschaffen. Darüber hinaus werden die Katalysatordeaktivierung betrachtet und allgemeine Regeln zur Bewertung von Tandemreaktionen (Mehrtopf- vs. Eintopfsyn­these) erarbeitet.

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Im Rahmen der Förderung von strategischen Investitionen zur Stärkung und Weiterentwicklung der Forschungsbasis an Fachhochschulen (FH-Invest 2020) soll eine modulare Forschungs- und Demonstrationsanlage für innovative Membran(Trenn-)technik zur Etablierung gesamtwirtschaftlicher Verwertungsprozesse entwickelt und Inbetrieb genommen werden. Die Anlage ist durch Module für Trennung- und Dosierstrategien in der Flüssigphase und Gasphase, insbesondere eine membranbasierte, selektive CO₂-Abtrennung, inkl. Mediensupport bzw. -konditionierung, online Analytik, Automatisierung und Digitalisierung charakterisiert.
Modul Flüssigphase für Mikro-/Ultra-/organophile Nanofiltrationsmembranen mit keramischen/polymeren Modulen als Plates, Tubes, Multi-Channels, Spiralwickelmodulen, Durchflussreaktor
Modul Gasphase für keramische Membranen als Tubes, Multi-Tubes für Reaktion, CO₂-Abtrennung, Adsorbertechnologie
Scale-up vom Labor in den Pilotmaßstab wird realisiert
Vollautomatisierung, Digitalisierung nach Industrie 4.0
Kombination mit heterogen/ biokatalys. Reaktionen, Ultraschall Zukünftige Erweiterungen sind modular vorgesehen zur Etablierung gesamtwirtschaftlicher Verwertungsprozesse (Kreislaufwirtschaft)

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Im Rahmen der Förderung von strategischen Investitionen zur Stärkung und Weiterentwicklung der Forschungsbasis an Fachhochschulen (FH-Invest 2020) soll eine modulare Forschungs- und Demonstrationsanlage für innovative Membran(Trenn-)technik zur Etablierung gesamtwirtschaftlicher Verwertungsprozesse projektiert und in Betrieb genommen werden. Die Anlage ist durch Module für Trennung- und Dosierstrategien in der Flüssigphase und Gasphase (selektive, membranbasierte CO₂-Abtrennung, inkl. Mediensupport bzw. -konditionierung, online Analytik, Ultraschallaplikation, Automatisierung und Digitalisierung charakterisiert..

Modul Flüssigphase für Mikro-/Ultra-/organophile Nanofiltrationsmembranen mit keramischen/polymeren Modulen als Plates, Tubes, Multi-Channels, Spiralwickelmodulen, Durchflussreaktor
Modul Gasphase für keramische Membranen als Tubes, Multi-Tubes für Reaktion, CO₂-Abtrennung, Adsorbertechnologie
Scale-up vom Labor in den Pilotmaßstab wird realisiert
Vollautomatisierung, Digitalisierung nach Industrie 4.0
Kombination mit heterogen/ biokatalys. Reaktionen, Ultraschall Zukünftige Erweiterungen sind modular vorgesehen zur Etablierung gesamtwirtschaftlicher Verwertungsprozesse (Kreislaufwirtschaft)

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Die heterogene Katalyse besitzt in der chemischen Industrie, in der Umwelttechnik und bei der Entwicklung neuer, selektiver Synthesewege ein erhebliches Potential. Entwicklungsaktivitäten zielen auf Katalysatoren mit optimierter Selektivität und Ausbeute aber insbesondere auf die Intensivierung der Prozesse und somit auf die Einsparung von Energie und Rohstoffen.

Vor diesem Hintergrund ist das Ziel des Projekts, eine Ausbeutesteigerung bei der Synthese gewünschter Olefine, die u.a. zur Kunststoffproduktion eingesetzt werden, durch verteilte Reaktan­dendosierung mittels Membranen (Distributor) herbeizuführen. In einem zyklisch betriebenen Distributor soll hierzu die oxidative Dehydrierung (ODH) und die thermische Dehydrierung (TDH) am industriell relevanten Modellsystem Propan, bei Vorliegen einer stofflichen und energetischen Kopplung, in einem integrierten Reaktor für maximale Syner­gieeffekte (autothermer Betrieb) untersucht und bewertet werden. Dieses Konzept soll den gesamten Reaktor/Katalysator auch bei der thermischen Dehydrierung im Vergleich zu bestehenden Konzepten permanent, d.h. ohne Schlupf oder separate Regenerationsphasen, nutzen können. Hierzu ist ein optimal gesteuerter transmembraner Sauerstoffstrom, der sich temporär dem Stand des Katalysatorzustands/Aktiviät anpasst zu ermitteln, wobei die Kontrolle der Temperatur und der Geschwindigkeit im Apparat durch verteilte Dosierung effizient gestaltet werden kann. Modellgestützte Untersuchungen (1D und 2D) sollen dabei helfen, optimale Dosierprofile bzw. Anforderungen an die Membran (Kompatibilität von Reaktion und Membran), zu identifizieren.

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Projekt im Rahmen der Projektakademie Ingenieurwissenschaften der DFG
Förderprogramm der DFG zur Vorbereitung der Antragstellung von Drittmittelprojekten an Fachhochschulen durch Aufbauseminare und finanzielle Unterstützung von Vorversuchen sowie einer Vertretung in Lehre und Forschung

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Der Mechanismus und die Kinetik der Hydroformylierung bzw. Hydroesteri­fizierung von petro- und oleochemischen Verbindungen mit end- sowie innenständiger Doppelbindung in temperaturgesteuerten Lösungsmittelsystemen werden experimentell und theoretisch unter besonderer Berücksichtigung des Lösungsmitteleinflusses und von Nebenreaktionen (Iso­merisierung, Hydrierung) untersucht. Ziel ist es, die Reaktionsnetzwerke und katalyti­schen Zyklen aufzuklären, kinetische Modelle abzuleiten und zu reduzieren sowie Modell­parameter für die modellgestützte Analyse und Optimierung zu ermitteln.

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Das wachsende Gesundheitsbewusstsein moderner Konsumenten hat eine stetig steigende Nachfrage nach funktionellen Lebensmitteln und Lebensmittelzusätzen wie den Prebiotika zur Folge. Galactooligosaccha¬ride (GOS) werden hierbei besonders positive ernährungsphysiologische Eigenschaften zugeschrieben, so fördern sie u.a. selektiv das Wachstum nützlicher Darmbakterien, verbessern die Calciumresorption und reduzieren toxische Verbindungen. Vor diesem Hintergrund existiert ein starkes industrielles Interesse des Einsatzes von GOS als Nahrungsmittelzusatzstoff in Form eines Prebiotikas.  Letzteres stellt jedoch ein Problem bei einer in der Bevölkerung zunehmenden Lactoseintoleranz dar, da GOS mit Hilfe des Enzyms ß-Galactosidase aus Lactose hergestellt wird. Die Synthese läuft nur unvollständig ab, so dass im Produkt neben den Mono­sacchariden Galactose und Glucose auch noch das Substrat Lactose vorliegt, das unbedingt abgetrennt werden muss. Um die GOS-Synthese modellgestützt durch optimale Steuerung der Einflussgrößen, z.B. selektiven Produktabzug/-umsetzung, zu beeinflussen, fehlen oft auch geeignete Modelle bzw. Parameter, die im Projekt ermittelt werden sollen. Gegenwärtig besteht demzufolge eine deutliche Marktnachfrage bezüglich lactose- und glucosefreien GOS. Trotzdem existiert bisher noch kein industrielles Verfahren zu dessen Herstellung. Somit ist das Gesamtziel die Unter¬suchung, Modellierung, Optimierung und Bewertung des Herstellungsprozesses von reinem GOS, aus dem preisgünstigen Rohstoff Lactose und sekundär Molkenpermeat mit den Milchwerken Mittelelbe . Den Schwerpunkt des Projekts bildet die Entwicklung eines leicht up-skalierbaren kontinuierlichen chromatographischen Trennprozesses zur Isolierung der GOS durch Kooperation der Hochschule Anhalt, der Universität Magdeburg und der Industrie.

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Gegenwärtig besteht eine deutliche Marktnachfrage bezüglich lactose- und glucosefreier Präbiotika aufgrund einer zunehmenden Lactoseintoleranz in der Bevölkerung. Demgegenüber existiert bisher noch kein industrielles Verfahren im technischen Maßstab zu deren Herstellung. Hauptgrund hierfür ist ein in der Forschung unzureichendes Wissen zur Generie¬rung lactosefreier Präparate. Folglich sind Grundlagenuntersuchungen der Kinetik zur Synthese von Präbiotika und insbesondere deren kontinuierliche Aufreinigung nötig, die experimentell- und modellbasierte Studien bedürfen.

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This project aims to support the continuation of a successful cooperation between the Chair for Chemical Process Engineering at OvGU (Prof. Seidel-Morgenstern), the MPI in Magdeburg (Dr. Wolff) with Dr.-Ing Leo Alvarado Perea and Prof. Hamel (University of Applied Sciences Anhalt in Köthen, OvGU).
Propene, together with ethene, is one of the central building blocks in the petrochemical industry. However, the industry evolved around steam cracking technology has been designed to maximize ethene production, and propene comes along only as by-product. On the other hand, in the last years the market of propene has experienced an increasing in its demand due to its consumption mainly in polypropene and propene oxide manufacture . Therefore, traditional sources based on steam cracking technology are not sufficient to face this increasing demand.
The production of propene has been relegated as by-product in the ethene production. Thus, propene production is strongly influenced by the feed conditions, whereby the utilization of lighter feedstocks from low-cost natural shale gas reduces considerably the propene production in steam cracker units. Therefore, this raises the question how the chemical industry will address this imbalance and ensure adequate propene supplies into the future . Consequently, to meet the increasing demand for the propene production, on-purpose technologies will be of great interest. In this sense, several strategies have been proposed for propene production; the dehydrogenation of propane , the catalytic cracking of C4 alkenes to propene , the metathesis of ethene and 2-butene and the direct conversion of ethene to propene. The mentioned processes have several drawbacks that make difficult an industrial application e. g. deactivation of the catalysts, a wide spectrum of reaction products that reduce the propene selectivity.

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Both in China and Germany, membrane technology has become a fast growing dignified separation technology since it works without the addition of chemicals, with a relatively low energy use and well-established process conductions. In the developed industrial countries, membrane technology covers increasingly areas like life sciences, health, chemicals, pharmaceuticals, biotechnology, food and drinking water, desalination, sewage treatment, oil and gas, mineral extraction, power generation, and electronics. The first Sino-German Symposium on Novel Inorganic Membranes with Nano Design (GZ589) and the second Sino-German Symposium on Inorganic Membrane for Clean Energy and Clear Environment (GZ771), which were sponsored by the Sino-German Center for Science Promotion, were held 2010 in Guangzhou, and 2012 in Hannover. It was demonstrated by Workshops I and II, that membrane technology can especially contribute to two of mankind’s most urgent problems: Clean Energy and Clear Environment. As a result of Workshops I and II we identified the overlaps in the Chinese and German R&D work in 3 types of novel inorganic membranes: (1) Novel hydrogen transporting membranes (HTM) based on molecular sieves, ceramics or metals; (2) new oxygen transporting membranes (OTM) based on mixed oxygen conductors and dual phase materials; and (3) next generation of molecular sieve membranes (MSM) as zeolite and metal organic framework membranes. Further, the proper application of these new membranes requires progress in the engineering of membrane technology. After these two workshops, several Chinese-German research projects have been started (see scheme on following page). Within these projects breakthrough knowledge in the development and application of a new generation of inorganic membranes will be developed. The Cooperation Group is based on these projects and follows 4 aims to unify and coordinate the bilateral Chinese-German membrane research: a) Molecular understanding of  inorganic membranes, b) Membrane and reaction engineering, c) Erection of a 3-step membrane reactor cascade for CO2 processing and hydrogen production in Guangzhou, d) Erection of a 2-step membrane reformer for hydrogen production in Hannover.

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