Nachwachsende Rohstoffe

Bioenergie

Zur Prozessintensivierung der Biogas- bzw. Faulgaserzeugung werden Verfahren eingesetzt, welche den geschwindigkeitslimitierenden Prozessteilschritt der Hydrolyse verbessern. Hierfür können Kavitationsverfahren eingesetzt werden, da diese den Aufschluss der Biomasse unterstützen und neben der Steigerung der Biogasausbeute, die Gärrestmenge verringern und zu deutlichen Verbesserungen der nachgeschalteten Verfahren führen, weshalb Vorbehandlungsverfahren auch als Schlüssel für eine effiziente stoffliche und / oder energetische Nutzung von Biomasse angesehen werden. In der Forschungsgruppe werden kavitationsbasierte Verfahren zur Desintegration von Biomasse bzw. Klärschlamm untersucht und weiterentwickelt. Hierbei liegt der Fokus auf der energetischen Optimierung und dem Reaktordesign.

Prinzip des Einsatzes der Ultraschalldesintegration zur Steigerung der Biogas- bzw. Faulgasausbeute (links), Effekt auf das Gasbildung (Mitte) und energetischer Vergleich (rechts) (P. Braeutigam et al., Biomass and Bioenergy, 63, 109, (2014))
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Biokraftstoffe

Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen liefern einen Beitrag zur Sicherstellung der Mobilität, verbunden mit verschiedenen inhärenten Vor- und Nachteilen. Im Arbeitsbereich werden neue Konzepte zur Herstellung von Biodiesel entwickelt, die alternative Energieeinträge und Öle nutzen, die nicht als Nahrungsmittel verwendet werden. Weiterhin werden die entsprechenden Verfahren zur Charakterisierung von Biodiesel eingesetzt.

Charakterisierung von Biodiesel anhand des Fettsäuremethylesterspektrums (links) sowie Synthese und Optimierung der Verfahren mit Hilfe statistischer Methoden des Design of experiments (rechts)
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Biopolymere

In der Forschungsgruppe werden auch Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von bioabbaubaren Kunststoffen entwickelt. Konventionell werden diese kompostiert bzw. verbrannt, wodurch die chemisch gebundene Energie ungenutzt verloren geht und sich der ökologische bzw. ökonomische Nutzen stark reduziert. Weiterhin führen bioabbaubare Kunststoffe großtechnischen Kompostieranlagen zu Problemen im laufenden Betrieb. Im Rahmen unserer Forschungstätigkeit wurden daher Vorbehandlungsverfahren zur verbesserten energetischen Verwertung dieser bzw. Verfahren zur Lösung bzw. Repolymerisation im Sinne einer stofflichen Verwertung entwickelt. Hierfür werden neben Polymilchsäure und Polyhydroxyalkanoaten verschiedene Stärke- bzw. Cellulosederivate eingesetzt.

Lösungsgrad verschiedener bioabbaubarer Kunststoffe (links), Lösung von bioabbaubaren Kunststoffe am Beispiel von PLA sowie Rückstand und Lösung (Mitte) und Repolymerisation von PLA aus der Lösung (rechts)
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Steuerung / Regelung

Im Rahmen der Forschungstätigkeit wird versucht Aufschlussprozesse für die stoffliche bzw. energetische Biomassenutzung verfahrenstechnisch kontrollierbar zu machen und die auf den entsprechenden Anlagen (z.B. Biogasanlagen, Faultürme) bereits bestehende Instrumentierung zu nutzen und adaptiv und in Echtzeit auf schwankende Eduktqualitäten reagieren zu können.

Prinzipielle Möglichkeiten der Nutzung und Vorbehandlung von Biomasse (links) sowie Grundprinzip des Steuer/Regel-Systems für Aufschlussprozesse (rechts)
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Textilfunktionalisierung mit nachwachsenden Rohstoffen

Die Nachfrage nach funktionalen und nachhaltigen Textilien mit verbesserten Eigenschaften, wie z.B. antibaktierielle Aktivität, selbstreinigende Eigenschaften, Flamm- oder UV-Schutz steigt stetig. Im Rahmen der Forschungstätigkeiten werden kavitationsgestütze Methoden zum Aufbringen von Nanopartikeln auf Textilfasern untersucht. Dabei spielen neben Frequenz und Amplitude des Ultraschalls (Schallfeld, Kavitationsrauschpegel, Reaktordesign) auch der Prekursor und die Textilstruktur eine entscheidende Rolle - gerade im Hinblick auf Aktivität und Waschstabilität. Neben dem sonochemical coating werden Funktionalisierungen auf die Textilfasern aufgebracht, um beispielsweise hydrophobe Oberflächeneigenschaften zu generieren. Konventionell wird dies über fluorierte Silane realisiert. Im Gegensatz dazu werden in der Forschungsgruppe Funktionalisierungs-reagenzien eingesetzt, die gegenüber dem Stand der Technik fluorfrei, günstiger, stabiler und umweltfreundlicher sind. Diese sind zudem biologisch abbaubar und können auch nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden.

Modifizierte Baumwollprobe mit wasserabweisender Schicht (links) sowie REM-Aufnahmen den unbeschichteten und beschichteten Baumwollfasern (rechts) (M. Weiße et al., Ultrasonics Sonchemistry 60, 104801, (2019))
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Biogene Reststoffe

Die stoffliche und energetische Nutzung biogener Reststoffe ist Teil des Arbeitsspektrums der Forschungsgruppe. Hierbei wird bspw. Restaurantfett als Edukt zur Synthese von Biodiesel genutzt und entsprechende Reaktoren und Verfahren entwickelt. Weiterhin finden Untersuchungen und eine unterstützende Verfahrensentwicklung zur stofflichen Nutzung von Vinasse, dem Koppelprodukt (Schlempe) beim Bioethanolprozess, statt. Hierbei wurde beispielsweise ein Produktionsprozess entwickelt, der sowohl die organischen als auch die anorganischen Bestandteile der Vinasse nutzt, um ein hochwertiges Fischfutter bzw. hochwertige Öle zu produzieren. Dabei stand neben dem "zero-waste-Konzept" (z.B. Behandlung phenolhaltiges Prozesswasser) auch die ökonomisch attraktive Nutzung der Vinasse im Fokus.