Bioeconomy Science Center
Forschung und Kooperation für nachhaltige BioÖkonomie

Bioeconomy Science Center
Forschung und Kooperation für nachhaltige BioÖkonomie

Verfahrenstechnik nachwachsender Rohstoffe

Der Forschungsschwerpunkt Verfahrenstechnik bildet den ingenieurwissenschaftlichen Kern des Bioeconomy Science Centers. Er leistet Beiträge zu den ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen einer biobasierten stofflichen Wertschöpfungskette der nächsten Generation.

Der Forschungsansatz zielt auf die weitgehende Erhaltung der hoch funktionalisierten molekularen Strukturen ab, welche in den biogenen Rohstoffen bereits vorliegen. Nach Aufschluss und Fraktionierung schließt sich die selektive katalytische Stoffwandlung der Rohstofffraktionen zu den Zielprodukten an. Dieses neuartige Konzept zielt auf die schonende Verarbeitung der Biomasse in flüssiger Phase ab. Dies erfordert einen systemorientierten Ansatz der Bioökonomie, der alle Elemente der Wertschöpfungskette von der landwirtschaftlichen Biomasseerzeugung bis zur Gestaltung maßgeschneiderter Produkte verbinden muss. Die Produktionsanlagen müssen wegen des saisonalen Anfalls und der unterschiedlichen Eigenschaften der Pflanzen zumindest teilweise dezentral in der Nähe der landwirtschaftlichen Produktion realisiert und aus flexibel einsetzbaren, kompakten oder gar miniaturisierten modularen Elementen aufgebaut werden, um den Transportaufwand zu minimieren. Zur Produktion und Verarbeitung der Biomasse werden große Wassermengen benötigt, deren Aufbereitung, Reinigung und Wiederverwendung ein integraler Bestandteil des Konzepts sein müssen.

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Wissenschaftliche Themenschwerpunkte

Die Themen des Forschungsschwerpunktes lassen sich einerseits an der Wertschöpfungskette in der Bioökonomie (W1 bis W3) und andererseits an allgemeinen Methoden (M1 bis M3), siehe unten orientieren:

  • W1: Rohstoffaufschluss - von der Pflanze zu definierten monomeren Intermediaten.Der Aufschluss muss auf die molekulare und morphologische Struktur der Biomasse abgestimmt werden. Die molekularen Bausteine sollen nach einer Zerkleinerung energiesparend und schonend isoliert und den weiteren Verarbeitungsschritten zugänglich gemacht werden. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht in der Integration von klassisch sequentiell angeordneten Grundoperationen in einem Apparat. Über die Kombination eines mechanischen Aufschlusses mit einer thermischen Behandlung hinaus können die entstehenden partikulären Zerkleinerungsprodukte gleichzeitig auch in sog. Smart Solvents (Ionische Flüssigkeiten, Organosolv u.a. Cocktails) aufgelöst oder gar chemo-/bio-katalytisch depolymerisiert werden.

  • W2: Stoffwandlung - von monomeren Intermediaten zu stofflichen Produkten.Bei der Weiterverarbeitung der Intermediate stehen energetische Effizienz und stoffliche Selektivität im Vordergrund. Dazu ist für jeden Reaktionsschritt das geeignetste Katalyseprinzip auszuwählen. Da die Biokatalyse in der Regel in wässrigen, die chemische Katalyse aber meist in organischen Lösungen abläuft, stellt deren Kombination in Reaktionssequenzen eine reaktionstechnische Herausforderung dar. Sind Aufreinigungsschritte in der Reaktionssequenz unvermeidlich, müssen Aufarbeitung und Reaktion integriert unter Verwendung rechnergestützter Entwurfsmethoden (s. M3) behandelt werden.

  • W3: Produktgestaltung - vom Molekül zur Funktion. Der hohe Oxigenierungsgrad der biogenen Rohstoffe erfordert neue stoffliche Produkte, um die aufwändige, mit H2 umzusetzende Deoxigenierung zu Wasser auf ein Minimum zu beschränken. Die Produkteigenschaften bestimmen sich aus den Anwendungen in z.B. Kraftstoffen oder Polymeren. Diese stofflichen Produkte müssen zu funktionalen Produkten wie z.B. Kraftstoffmischungen oder polymeren Partikel und Filmen formuliert werden. Diese funktionalisierten Produkte bilden die Basis für neue apparative Lösungen, welche die erforderliche Intensivierung und Miniaturisierung im Wechselspiel mit Verfahrens- und Konstruktionstechnik erst ermöglichen. In diesem Sinne wird in einem innovativen Ansatz die Produktgestaltung in interdisziplinärer Kooperation vom Molekül, über die Formulierung bis hin zu Aufschluss-, Reaktions- und Trennapparaten integriert bearbeitet und mit den Methoden aus M2 und M3 unterstützt.