Forschung

Forschungsthema:

Magnetisch unterstützte elektrochemische Wirbelschichtreaktoren für elektroenzymatische Synthesen mit Gasphase

Beschreibung:

Herkömmliche Syntheseprozesse zur Herstellung von Chemikalien verwenden meist fossile Rohstoffe und verursachen dadurch klimaschädliche Emissionen. Eine innovative Alternative für eine grüne Chemikalienherstellung ist die Elektrobiosynthese, die Elektrochemie mit Biotechnologie kombiniert. Durch Strom aus erneuerbaren Energien, der Verwendung von grünen Katalysatoren (e.g. Enzyme) und dem Einsatz nachwachsender Rohstoffe können Chemikalien „CO₂-neutral“ synthetisiert werden. Um möglichst konkurrenzfähige Elektrobiosynthesen zu erzielen, werden hohe Raum-Zeit Ausbeuten angestrebt und Reaktoren mit hohen volumenspezifischen Elektrodenoberflächen benötigt.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung, Charakterisierung und exemplarische Anwendung eines magnetisch unterstützten elektrochemischen Wirbelschichtreaktors für die elektro-enzymatische Synthese. Der Reaktor wird die Vorteile einer sehr hohen volumenspezifischen Elektrodenoberfläche von Partikelelektroden mit den guten Misch- und Stofftransporteigenschaften von z.B. Blasensäulenreaktoren kombinieren. Die vorteilhafte Kombination ergibt sich aus der Fluidisierung der Partikelelektrode bei gleichzeitiger Erhaltung eines guten Leitwertes durch eine magnetisch induzierte Verkettung der Partikel (siehe Abbildung 1). Im Vergleich zu Reaktoren, die ein „numbering up“ von Flachelektroden anwenden, ist der Scale-up einer Partikelelektrode einfach und wirtschaftlich.
Die Effizienz des neuartigen Reaktorkonzeptes für die elektro-enzymatische Synthese wird durch die in-situ-Generierung von Wasserstoffperoxid, das für Oxyfunktionalisierungsreaktionen mit Peroxygenasen benötigt wird, demonstriert (siehe Abbildung 2). Das gesamte Projekt ist durch ein enges Feedback zwischen experimentellen Ergebnissen und Multiphysik Modellierungsansätzen gekennzeichnet. Für die Entwicklung des Reaktorprototyps werden 3D-Durckverfahren eingesetzt.

Abschlussarbeiten:

Wir vergeben Bachelor- und Masterarbeiten. Mögliche Themen können experimentell oder simulativ sein. Bei der Themenstellung können biotechnologische, verfahrenstechnische oder elektrochemische Schwerpunkte gesetzt werden. Bei Interesse könnt Ihr mir gerne eine E-Mail schreiben (siehe oben).

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer magnetisch stabilisierten Wirbelbettelektrode mit drei Phasen: Magnetisierbare Partikelelektrode (schwarze Partikel), Flüssigphase in Arbeits-/ Gegenelektrodenkammer (grün/gelb) und Gasphase (graue Blasen).

Abbildung 2: Vereinfachtes Reaktionsschema der elektroenzymatischen Modelreaktion im Projekt. Im Reaktor wird über die Partikelelektrode in-situ (on demand) Wasserstoffperoxid aus Wasser und Sauerstoff generiert. Das Enzym, einer Peroxygenase, verwendet Wasserstoffperoxid als Co-Faktor für die Umsetzung von Ethylbenzol zu 1-Phenylethanol.