Bei der Methanisierung ist eine effektive Abfuhr der Reaktionswärme eine zentrale Herausforderung. Die Dreiphasen-Methanisierung ist unter diesem Aspekt durch einfach zu gestaltende Energieabfuhr und Temperaturregelung vorteilhaft und erlaubt eine isotherme Fahrweise. Durch die hohe Wärmekapazität der Suspensionsflüssigkeit kühlt der Reaktor langsam aus und bietet sich daher für die Power-to-Gas (PtG) Prozesskette mit ihrer schwankenden Eduktgas-Bereitstellung an. Verschiedene Flüssigkeiten und Betriebsbedingungen wurden bezüglich ihrer Eignung für die Dreiphasen-Methanisierung untersucht.

The high reaction heat of the methanation reaction requires an effective heat removal. For this purpose a three-phase reactor could be advantageous as the heat can easily be removed by external heat exchangers. Moreover, the temperature control is simplified, and the reactor can be operated isothermal. Especially for the Power-to-Gas process a three-phase reactor is very promising. Due to the high heat capacity of the liquid phase, it cools down slowly and hence buffers the effect of fluctuating feed stream. The applicability of several liquids and different operating conditions for three-phase methanation was investigated.

Bei der Methanisierung ist die effektive Abfuhr der Reaktionswärme aus dem Reaktor eine große technische Herausforderung. Die Dreiphasen-Methanisierung vereinfacht diese Energieabfuhr aus dem Reaktionssystem, der Reaktor kann damit nahezu isotherm betrieben werden und der Einsatz bei schwankender Eduktgas-Bereitstellung ist verbessert.

Microfiltration is used for treatment of rejected oil-in-water emulsions: mostly as end-of-pipe treatment for separation of oil and water. However, microfiltration for continuous cleaning of emulsions with removal of solid particles, but without removal of emulsified oil, is not an established process. The described research project aims for development of a continuous cleaning process based on microfiltration for removal of solid particles from cold-rolling emulsions without removal of emulsified oil. The new cleaning process for emulsions can be advantageous compared with existing processes for removal of solid particles smaller than 10 μm.

The use of microfiltration is not limited to end-of-pipe treatment of emulsions for splitting of oil phase and water phase. It can also be employed for continuous cleaning of cold-rolling emulsions, i.e. removal of solid particles without removal of emulsified oil. Results of laboratory and pilot tests with sintered and woven steel membranes are discussed.

There is a considerable interest within both academia and industry to develop improved computational fluid dynamic methods for gas-liquid flows in bubble columns in order to support their scale-up and optimal design. One main model limitation in current Eulerian two-fluid and multi-fluid models concerns adequate closure relations for turbulence in bubble-driven flows. This article highlights some special features of bubble-induced turbulence, discusses shortcomings of common concepts for closure of the liquid phase turbulence kinetic energy equation and presents an approach for development and validation of improved models. Some problematic issues related to the direct numerical simulation of bubble swarms in narrow bubble columns are also discussed.

Numerical methods for computation of gas-liquid flows in bubble columns require adequate closure relations for turbulence. This article discusses shortcomings of common concepts for closure of the liquid phase turbulence kinetic energy equation and presents the approach for development and validation of improved closures.

Energieeffizienz ist ein wesentlicher Baustein nachhaltigen Wirtschaftens und unabdingbare Voraussetzung zur Erreichung aktueller klimapolitischer Ziele. Die von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren geförderte Energie-Allianz „Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse” bündelt Kompetenzen und Forschungsaktivitäten im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik mit dem Ziel der Weiterentwicklung von Entwurfs- und Auslegungsmethoden, numerischen und experimentellen Techniken sowie neuer Messeverfahren zur Effizienzsteigerung chemischer Mehrphasenprozesse.

Energy efficiency is an essential building block of a sustainable economy and an indispensable prerequisite for achieving current international climate goals. The Energy Alliance ”Energy efficient multiphase chemical processes” funded by the Helmholtz Association combines expertise and research activities in the field of chemical process engineering with the objective to further develop design tools, numerical and experimental techniques as well as new measurement techniques for increased efficiency of chemical multiphase processes.

Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse stehen im Fokus einer kürzlich von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren geförderten Initiative. Ziel des Vorhabens sind neue Entwurfs- und Auslegungsmethoden für eine optimale Prozessführung in Mehrphasenreaktoren.

Gas permeation is increasingly considered for high capacity applications. This contribution discusses the commonly employed membrane module types for flat sheet membranes and suggests a new module concept. The applications considered are the separation of CO₂ from flue gas and hydrocarbon dewpointing of natural gas. Rigorous models for predicting the operating performance of the module types are described. Pilot plant experiments were conducted to validate the model for envelope type modules. Simulation studies were carried out to predict the performances of the different module types for the two examples and assess their advantages and disadvantages.

Gas permeation is increasingly considered for high capacity applications. Different types of flat sheet membrane modules are considered for their application in natural gas processing and for the removal of CO₂ from flue gases. The operating performance of the modules is evaluated by means of experiments and process modeling.

The selective fractionation of functional peptides during conventional filtration can be improved by superimposing an electrical field. Therefore, electrolytic parameters, mass flow of protein as well as the amount of target peptides in the permeate were analyzed in order to study the effect of peptide fractionation. It was found that the position of the electrodes in combination with the electrical charges of the peptides is a decisive factor for a successful fractionation.

Cross-flow electro membrane filtration is a technology to fractionate peptides from complex protein solutions not only according to their size but also by electrical charge. This approach is based on the principle that peptides align themselves in the electrical field depending on their physicochemical properties.

A pilot plant with a full scale monolithic ceramic membrane was operated at Ruhleben wastewater treatment plant (WWTP), Berlin Germany, for more than 12 months. Filtration performance according to the applied pre-treatment (dose of ozone and coagulant) were investigated. Trial runs with and without ozone, varying the operational parameters such as flux, coagulant dosage, and filtration time were conducted in order to identify the benefits of pre-ozonation. The reduction of the total fouling rate by ∼70 % when applying a specific ozone dose between 1.0 and highlights the potential of ozonation as pre-treatment step. Using LC-OCD measurements, the effect of ozone on the biopolymer concentration and the DOC fraction was demonstrated.

Ozonation of secondary effluent is expected to be a promising pre-treatment step to im-prove downstream membrane filtration. A pilot scale ceramic membrane module was operated with ozonation and coagulation in order to evaluate the potential of such a process setup. LC-OCD measurements were conducted displaying the effect of the pre-treatment stages.

Die Hydrolyse von Cellulose aus nachwachsenden Rohstoffen, die nicht als Nahrungsmittel dienen, stellt einen Schlüsselschritt für die effiziente Gewinnung von Biokraftstoffen wie Ethanol oder Butanol dar. Die Verbesserung von Cellulasen könnte den Gesamtprozess kosteneffizienter machen und wird mittels verschiedener Strategien verfolgt. Neue Zusammenstellungen von Cellulasen zielen langfristig darauf ab, eine Gesamtbioprozessierung zu erreichen. Hierfür wurden Designer-Cellulosomen konstruiert und gut fermentierende Organismen mit Cellulaseaktivität versehen. Außerdem werden Cellulasen mit verbesserter Thermostabilität und Aktivität benötigt. Aktuelle Entwicklungen im Bereich Cellulase-Engineering werden zusammengefasst und die Erfolge und Limitierungen herausgestellt.

Degradation of cellulose represents a key step for efficient generation of biofuels such as ethanol or butanol from non-food crops. Several strategies aim to improve the performance of cellulases in order to make the overall process more cost-efficient. In one strategy, novel arrangements of cellulases are developed. The resulting so-called designer cellulosomes might allow equipping fermenting hosts with sufficient cellulase activity to grow on cellulose as sole carbon source and, thus, enable consolidated bioprocessing. Other strategies aim to engineer cellulases with higher thermostability and activity to make cellulose hydrolysis more efficient. Current developments in the field of cellulose engineering are summarized and achievements as well as limitations are highlighted.

Effizienter Cellulose-Abbau ist essentiell für die Gewinnung von Biokraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen. Dieser Übersichtsbeitrag setzt sich kritisch mit den Ergebnissen der letzten Jahre im Bereich Cellulase-Engineering auseinander. Der Fokus liegt dabei auf Designer-Cellulosomen und Strategien zur Erhöhung der Stabilität und Aktivität von Cellulasen.

Multiphase flows are omnipresent in the chemical industry. The flow phenomena in multiphase reactors strongly affect the processes performance. Nonetheless, even basic information on flow patterns, flow regimes and effects of internals etc. is often not available, which is a strong obstacle for a reliable design and scale-up. Non-invasive tomographic techniques are promising measurement tools to visualize opaque multiphase flows. The contribution provides a short survey about today's tomographic imaging techniques and introduces the principles of radiation-based tomography. In particular, two gamma-ray computed tomography designs and their application for sparger performance study in large bubble columns and for flow regime determination in inclined rotating fixed-bed reactors are presented.

High resolution and compact gamma-ray computed tomography is introduced which has the capacity to measure at large scale external facilities and also smaller diameter objects, respectively. Their applicability is tested and verified to study phase distributions in an unsteady bubble column and in inclined rotating fixed-bed reactor.

The present paper shows the influence of considering polydispersity of bubbly flow, simulating bubble columns with a three-dimensional Eulerian two-fluid model. A complete set of interfacial closure models regarding drag force, lift force, wall force, turbulent dispersion force and bubble-induced turbulence is considered. A round bubble column of 0.288 m diameter and 2.5 m height is simulated up to a superficial gas velocity of 1 cm s^–1 and compared with experimental data. It is shown that considering the polydispersity including the non-drag forces, important flow properties of bubble columns are reproduced. Possible influences of swarm effects on the non-drag forces are discussed and needs for further investigations are given.

Bubble columns are frequently used in chemical and biochemical engineering, but the proper modeling of such complex multiphase flows over a wide parameter range is still a challenging task. On the way to predictable simulations the importance of considering the bubble size distribution with reliable methods and latest modeling approaches is shown and compared with experiments.

Die vorgestellte Optical Multimode Online Probe verwendet telezentrische Beleuchtung mittels Hochleistungs-Mikro-LED (493 lm) und ein objektseitig-telezentrisches Objektiv zur Online-Analyse von Tropfenkollektiven. Es entstehen relative Messfehler von < 2 – 5 % (Durchlicht) bzw. < 12 % (Auflicht) bezogen auf die Partikeldurchmesser. Aufbauend auf der Distanztransformation zur Analyse der Durchlichtabbildungen wird ein adaptiver Vorsegmentierungsansatz auf Basis des Random Forest Classifiers vorgestellt. Die Abweichungen bezogen auf die Pixelzahl liegen bei 1 bis 6 %, nach Auswertung der Kreise bei 12,9 % bezogen auf den mittleren Partikeldurchmesser.

The presented optical multimode online probe uses telecentric illumination with a high performance micro LED (493 lm) and objectspace-telecentric objective to analyze particles online and in situ. The relative measurement errors are between < 2 – 5 % (transmitted light) and below 12 % (incident light, with regard to the particle diameter). The distance transform approach for transmitted-light images is extended for the analysis of diffuse incident-light images by an adaptive pre-segmentation approach based on the random forest classifier algorithm. The error with regard to the pixel number is typically between 1 to 6 %, while the evaluation of particle diameters gives deviations up to 12.9 %.

Vorgestellt wird die Optical Multimode Online Probe zur Erfassung und Online-Analyse von Partikeln in Mehrphasenströmungen. Bestehende Auswerte-Algorithmen werden erweitert um den Random Forest Classifier zur Vorsegmentierung und adaptiven Auswertung auch komplexerer Partikelabbildungen.

Ergebnisse einer experimentellen und numerischen Untersuchung eines in einer wässrigen Phase aufsteigenden Toluol-Tropfens werden vorgestellt. Die experimentellen Untersuchungen wurden in einer Messzelle im Kleinstmaßstab unter Zuhilfenahme von Hochgeschwindigkeitsmesstechnik durchgeführt. Die numerischen Untersuchungen erfolgten mithilfe des CFD-Programms COMCOL Multiphysics 3.3a und der dort implementierten Level-Set-Methode. Die gemessenen und die in Simulationen berechneten Tropfenaufstiegsgeschwindigkeiten zeigen eine sehr gute Übereinstimmung und decken sich mit neueren Ergebnissen. Auch die Wiedergabe der Abweichung von der Kugelform bei verschiedenen Tropfengrößen war ausgezeichnet. Auf Basis der experimentell und numerisch erhaltenen Ergebnisse wird eine verbesserte Anpassung einer bestehenden Korrelation zur Berechnung der Tropfenaufstiegsgeschwindigkeit vorgestellt.

The results of an experimental and numerical investigation of an organic toluene droplet rising in a continuous aqueous phase are presented. The experiments were carried out in a small-scale, high-speed measuring unit. The numerical simulations were performed with the aid of the level set method implemented in the commercial CFD tool COMSOL Multiphysics 3.3a. Both measured and simulated terminal velocities are found to be in excellent agreement and match recent results. Moreover, the deviation from the spherical form is captured very well for different droplet sizes. Based on the experimental and numerical data obtained, an improvement of an existing terminal velocity correlation is suggested.

Die Tropfenaufstiegsgeschwindigkeiten hängen stark von Tropfenform und -art (starr, zirkulierend oder oszillierend) ab. Der Einfluss der Abweichung von der Kugelform wird häufig vernachlässigt und wurde hier detailiert mit Hochgeschwindigkeitskamera und CFD-Methoden untersucht, um bestehende Korrelationen zu verbessern.

Zur Erfüllung der Anforderungen der novellierten ersten Bundesimmissionsschutzverordnung (1. BImSchV: Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen) wurde ein Schlauchfiltersystem für den Gebrauch in kleinen und mittleren Feuerungsanlagen entwickelt. Ein zur Filtration benötigtes Filterhilfsmittel wird vollautomatisch portioniert, dispergiert und dem Prozess zugeführt. Mit dieser Technik ist es möglich, den Feinstaubgehalt im Abgas auf unter 1 mg m^–3 i.N. zu senken und damit die geforderten Grenzwerte weit zu unterschreiten.

To comply with the legal requirements in Germany a baghouse filter system for small and medium-sized wood-fired heaters has been developed. For the filtration a precoat material is required, which is automatically portioned, dispersed, and injected. With this technology it is possible to minimize the fine dust concentration in the waste gas below 1 mg m^–3 at standard conditions and to fall far below the legal requirements.

Zur Begrenzung der Feinstaubemissionen aus kleinen und mittleren Holzfeuerungsanlagen wurde ein kompakter Schlauchfilter entwickelt und bezüglich verschiedener Parameter untersucht. Die gesetzlichen Grenzwerte werden weit unterschritten und die zusätzlichen Betriebskosten fallen verglichen mit den jährlich entstehenden Brennstoffkosten kaum ins Gewicht.

Die Modellierung der Koaleszenz innerhalb von Blasenkollektiven ist mit gitterbasierten Verfahren aufgrund des adaptiven Vernetzungsaufwands eine Herausforderung. Eine Alternative für Systeme mit stark veränderlichen freien Oberflächen und komplexer Geometrie stellen gitterfreie Simulationsmethoden wie der Smoothed-particle-hydrodynamics-Ansatz (SPH-Ansatz) dar. In dieser Forschungsarbeit wird die Eignung der SPH-Methode zur Simulation von Blasenkollektiven untersucht. Dazu wird die Dynamik der Koaleszenz einer Einzelblase mit einer planaren Oberfläche analysiert und die Möglichkeit zur Modellierung von Blasenkollektiven am Beispiel eines Blasenkollektivs mit zwei Blasen verschiedener Größe aufgezeigt.

Modeling coalescence effects within bubble collectives is a challenge with grid-based methods because of the extensive remeshing. Mesh-free simulation methods, such as the smoothed particle hydrodynamics (SPH) approach offer an alternative for systems with highly deformable free surfaces and complex geometries. This contribution investigates the suitability of the SPH method for the simulation of bubble collectives. The dynamics of a single bubble coalescing with a planar surface is studied. Moreover, the ability of the SPH approach to model bubble collectives is highlighted considering the coalescence of two bubbles of different sizes.

Die Simulation von Blasenkoaleszenz ist mit gitterbasierten Simulationsmethoden sehr rechenintensiv. Eine Alternative stellt die gitterfreie Smoothed-particle-hydrodynamics-Methode dar. Das Potenzial dieser Methode wird anhand von ausgewählten Beispielen aufgezeigt.

Wasser unter erhöhten Temperaturen und Drücken stellt aufgrund seiner physiologischen Unbedenklichkeit sowie vorteilhaften physikalisch-chemischen Eigenschaften eine interessante Alternative gegenüber einer Vielzahl von organischen und umweltgefährdenden Lösungs- und Reaktionsmitteln dar. Um derartigen Verfahren künftig größere Anwendungschancen zu eröffnen, wurden keramische Membranen zur Stofftrennung unter hydrothermalen Druck- und Temperaturbedingungen untersucht. Dies beinhaltet den Aufbau einer Permeations- und Filtrationsanlage, Parameterstudien zum Transportverhalten des reinen Wassers sowie Untersuchungen zum Trennverhalten der Membranen gegenüber gelösten organischen Modellsubstanzen.

Due to its advantageous physicochemical properties as well as its environmentally benign character, hot pressurized water is an interesting alternative to a multitude of environmental polluting, organic solvents and reactants. In order to offer new fields of application to those processes, an efficient selective separation technique under such challenging hydrothermal conditions is of great interest. This work serves to investigate characteristics of ceramic membranes under these operating conditions. In particular, the focus is set on the facility build-up for permeation and filtration experiments, parametric studies of pure water permeances and the separation behavior of organic model substances.

Unter hydrothermalen Bedingungen wird erstmals der Einsatz keramischer Membranen zur Stofftrennung untersucht. Für dieses anspruchsvolle System werden Parameterstudien zum Transportverhalten von Wasser sowie Untersuchungen zum Trennverhalten von organischen Modellsubstanzen vorgestellt.

Carbo-Iron^® wird als In-situ-Reagenz zur Dechlorierung organischer Chlorverbindungen in kontaminierten Aquiferen vorgestellt. Die Kombination der Sorptionseigenschaften feinkörniger Aktivkohle (AK) mit den Reduktionseigenschaften metallischen Eisens im Kompositmaterial Carbo-Iron erweitert die Einsatzmöglichkeiten beider Stoffe im Umweltbereich und soll gezielt Schwachstellen von Nanoeisen überwinden. Der AK-Träger steuert die Oberflächeneigenschaften der Partikel und erhöht sowohl die Kolloidmobilität zur Erzeugung breiter Sorptions-Reaktions-Zonen als auch die Affinität zu hydrophoben Schadstoffphasen.

Carbo-Iron^® is presented as in situ reagent for dechlorination of chlorinated organic hydrocarbons in contaminated aquifers. The combination of the sorption properties of fine-grained activated carbon (AC) with the reducing properties of metallic iron extends the environmental application fields for both materials. The material combination also helps to overcome the limitations of pure nano-iron: the carrier AC has a positive influence on the particle mobility to generate broad sorption/reaction zones and increases the affinity of the reagent to non-dissolved hydrophobic pollutants.

Carbo-Iron, ein neues Kompositmaterial aus Nanoeisen geträgert auf kolloidaler Aktivkohle, wurde zur In-situ-Grundwassersanierung entwickelt. Das Zusammenwirken von Sorption und Reaktion in dem Verbundmaterial ermöglicht einen effektiven Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen.

Die optische Reinheit eines Produkts am Reaktorausgang hängt nicht nur von der Enantioselektivität des Katalysators ab, sondern auch von der Reaktorkonfiguration. Für die kinetische Racematspaltung werden verschiedene Reaktortypen in Hinblick auf den erzielbaren Enantiomerenüberschuss (ee) bei einem bestimmten Umsatz verglichen. Während für den kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktor ein hoher ee nur bei Enantioselektivitäten (E-Werte) von größer 190 erhalten wird, gelingt dies unter Batch-, Fed-batch- und Strömungsrohrbedingungen schon bei E-Werten von 35.

The optical purity of a product at the reactor outlet depends not only on the enantioselectivity of the catalyst, but also on the reactor configuration. Different reactor configurations are compared with respect to the enantiomeric excess (ee) at a respective conversion that can be achieved in a kinetic resolution of a racemate. For batch, fed-batch and plug flow reactors enantioselectivities (E value) of 35 are sufficient to achieve high enantiomeric excess. For a continuously operated stirred tank reactor high ee values are only obtained for E values higher than 190.

Reaktion und Reaktor bilden eine Einheit und müssen aufeinander abgestimmt sein. Dies gilt besonders für kinetische Racematspaltungen zur Gewinnung von enantiomerenreinen Bausteinen. Dabei ist die Art der Reaktion oder des Katalysators ohne Bedeutung, wenn auch für die Mehrzahl der industriell wichtigen Prozesse Biokatalysatoren eingesetzt werden.

Visualization has become indispensable in the analysis and interpretation of data from experiment and simulation. To adequately represent the diversity of studied phenomena, it is necessary to support researchers with tools that are easy to use and allow effective data visualization with special regard to individual requirements. This contribution presents the visualization tool Omix, an editor for metabolic network diagrams and a customizable visualization framework. As an outstanding feature, data visualization is script-based. The dedicated new scripting language OVL (Omix Visualization Language) enables the user to freely design the manner data is visualized in the network. An intuitive user interface, several newly developed, domain-specific drawing automatisms as well as visualization concepts make the software Omix a mature computational tool supporting the specific requirements of researchers from systems biology and life science domains as will be demonstrated on several application examples.

The visualization tool Omix is an editor for metabolic network diagrams and customizable visualization framework for experimental and simulative data. The novel concept of script-based visualization, several features and tailored automatisms enable innovative drawing solutions supporting researchers from life sciences in communication of results.

Die exakte Bestimmung der Phasengrenzfläche in Gas/flüssig-Systemen ist unabdingbar für die optimierte Prozessführung verfahrenstechnischer Anlagen. Die experimentelle Studie zeigt Untersuchungen an einem Luft/Wasser-System mittels dreier Messtechniken hinsichtlich der Bestimmung der Veränderung der Blasengröße in Abhängigkeit von der Rührerdrehfrequenz. Die äußerst präzise und selbstreferenzielle Methode der foto-optischen Analyse wird bzgl. der Bildverarbeitung näher betrachtet. Es wird gezeigt, dass die neuesten Entwicklungen im Bereich der Foto-Optik und der Bildverarbeitung wertvolle Grundlagen zur Etablierung einer präzisen Echtzeitgrößenmesstechnik geliefert haben. Dies ist notwendig, da laserbasierte Methoden nur unzureichende Prozessdaten liefern.

The exact determination of the interfacial area in gas/liquid systems is essential for optimized process performance and control. This experimental study contains investigations of air/water system using three measurement techniques with regard to determining the change in bubble size as a function of stirrer speed. The precise, self-referential method of photo-optical analysis is considered in greater detail regarding image processing. It is shown that the latest developments in the field of optics and photo imaging have provided valuable inputs to establish an accurate real-time size measurement technique. This is necessary, as laser-based methods only provide insufficient process data.

Die Steuerung der Phasengrenzfläche in Gas/flüssig-Systemen gilt noch immer als ernsthafte Herausforderung. Die Studien zeigen, wie in einem begasten Rührkessel die Blasengrößenverteilungen automatisiert quantifiziert wurden. Neueste Entwicklungen der Computertechnik und Bildverarbeitung schaffen neue Möglichkeiten der Blasengrößenüberwachung.

To overcome the current difficulties in designing a slurry bubble column (SBC) reactor with respect to the effect of particle properties, the influence of solid concentration (C_s) on the hydrodynamics of a SBC was studied experimentally using ultrafast electron beam X-ray tomography. The real time gas flow structure, average bubble diameter and average gas holdup as a function of the superficial gas velocity and C_s have been reported. Corresponding three-phase simulations were also performed using the Euler-Euler multi-fluid model implemented in CFX 14. The bubble size distribution was calculated using the MUSIG model. The predicted gas holdup and bubble size distribution also show dependence on U_G and C_s and agree well with the measurements.

The influence of particle concentration on the gas holdup and bubble size distribution in a slurry bubble column is investigated applying the advanced non-invasive ultrafast electron beam X-ray tomography technique. Corresponding three-phase simulations are performed using the Euler-Euler multi-fluid model implemented in CFD software.

A two-phase biotransformation process for selective hydroxylation of n-octane to 1-octanol via Pseudomonas putida KT2440 harboring heterologously expressed P450 monooxygenase from Mycobacterium marinum is presented. Maximum cell-specific conversion rates of 12.7 mg_octanol g_CDWh^–1 were observed not only in shaking flasks but also in 3.7-L-bioreactor studies. The bioreactor experiments were performed avoiding explosive gas mixtures by lowering volumetric power input, aeration rates and substrate concentrations. Based on a stoichiometric network of P. putida KT2440 topological studies were carried out. As a conclusion, potential limitations of NAD(P)H and/or ATP supply at production conditions can be excluded. Hence, the great potential of the host for further increasing conversion is outlined.

Two-phase biotransformation process for selective hydroxylation of n-octane to 1-octanol via heterologous expression of P450 monooxygenase in P. putida KT2440 is established under safe, industry-like bioreactor conditions. Based on topological studies potential limitations of NAD(P)H and ATP supply at production conditions could be excluded.

Die fermentative Herstellung von Biotensiden wird meist durch die exzessive Bildung von stabilem Schaum erschwert. Am Beispiel von Monorhamnolipiden werden Vorschläge sowohl zur stabilen Aufrechterhaltung von begasten und gerührten Fermentationen wie auch zur Isolierung dieser Biotenside im größeren Maßstab gegeben, da diese kommerziell nur in sehr kleinen Mengen erhältlich sind. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Verwendung nachwachsender Rohstoffe.

The fermentative production of biosurfactants is usually hampered by the excessive formation of stable foam. Using the example of monorhamnolipids, proposals both for stable maintenance of gassed and stirred fermentations as well as for the isolation of these biosurfactants on a larger scale are given, as these are commercially available only in very small quantity. A special focus is on the use of renewable resources.

Die fermentative Herstellung von Biotensiden verbunden mit einer Maßstabsvergrößerung stellt eine große Herausforderung an Apparate, Prozessführung und Aufarbeitungstechnik dar. Am Beispiel der Produktion von Monorhamnolipiden soll auf diese Herausforderungen eingegangen und Lösungsansätze gegeben werden.

Normen für Überkopf-Personennotduschen in Laboratorien und Betrieben zum Abspülen von Gefahrstoffkontaminationen stellen Anforderungen an das Sprühbild und an den Wasservolumenstrom – bislang ohne wissenschaftlich gesicherte Grundlage. In einer praxisorientierten Untersuchung an 15 anwendungsüblichen Duschköpfen wurde die Abspülwirkung für wasserlösliche Kontaminanten bei 20 bis 110 L min^–1 Wasservolumenstrom untersucht. Ein Zusammenhang zwischen Wirkung und Volumenstrom konnte nicht gezeigt werden: Bei 30 L min^–1 Wasser ist die Abspülzeit nicht generell länger als bei wesentlich höheren Volumenströmen. Die kürzeste Abspülzeit wurde an Notduschen mit nicht-normkonformem Sprühbild gefunden.

Standards for overhead emergency safety showers used for decontamination in laboratories and production sites specify the spray pattern and the water flow rate. Up to now, there has not been a scientific basis for these requirements. The decontamination of water-soluble contaminants has been investigated using 15 customary shower heads at 20 to 110 L min^–1 water flow rate. A general relationship between water flow rate and decontamination effectiveness could not be established: At a flow rate of 30 L min^–1 the wash-off time in general did not exceed the time observed at considerably higher flow rates. The shortest decontamination time has been found with a spray pattern that does not fulfill current standards.

„Viel hilft viel” gilt nicht für Überkopf-Notduschen zur Dekontamination nach Chemikalienunfällen, wenn der Einfluss des Wasservolumenstroms auf die Abspülzeit betrachtet wird. Eine Untersuchung an 15 anwendungsüblichen Duschköpfen gibt Hinweise auf andere Einflussgrößen, die den Abspülerfolg bestimmen.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen des Deformations- und Bruchverhaltens von Weizenkörnern bei verschiedenen Druckbeanspruchungen vorgestellt. Die Beanspruchungsgeschwindigkeiten lagen zwischen 0,02 und 0,11 mm s^–1. Die Anwendbarkeit des Kontaktmodells des sphärischen Partikels wurde für elliptische Weizenkörner bestätigt. Die wesentlichen Kennwerte der Brucheigenschaften von Weizenkörnern wie Bruchkraft, Bruchfestigkeit, Bruchenergie, Bruchweg wurden mit Normalverteilungen beschrieben.

Compression tests of deformation and fracture behavior of wheat grains were carried out at different loading rates that varied from 0.02 to 0.11 mm s^–1. The contact model originally developed for the spherical particles was adapted to describe the deformation and fracture behavior of elliptical wheat grains. The distributions of basic fracture parameters of wheat grains such as fracture force, fracture strength, fracture energy, and fracture displacement were fitted with normal distribution function.

Die detaillierte Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Einzelkörner ermöglicht es, die Physik der verfahrenstechnischen Mikroprozesse und -vorgänge zu verstehen. Wichtige Brucheigenschaften des Einzelkorns, die die Bedingungen für zuverlässigen Transport oder für Lagerung, Trocknung, Zerkleinerung liefern, wurden bei verschiedenen Beanspruchungsgeschwindigkeiten bestimmt.

Numerical solvers based on population balance equations (PBE) coupled with flow equations are a promising approach to simulate liquid/gas-liquid dispersed flows, which are very commonly observed in nature and in industrial processes. The challenges for the numerical solution of the coupled equation systems are discussed and detailed numerical recipes are presented whose main ingredients are the method of classes, positivity-preserving linearization and the high-order FEM-AFC schemes, additional to the FeatFlow in-house flow solver package. Liquid-liquid flows through static mixers and dispersed phase systems in a flat bubble column are studied with the accordingly developed computational tool. The suggested recipes were validated by comparing the numerical results against experimental data.

The state of the art on the numerical simulation of liquid/gas-liquid dispersed flows with population balance equations coupled to computational fluid dynamics, and the related numerical challenges are explained. A novel approach is presented to numerically simulate bubbly flows at moderate gas holdups. The suggested recipes are validated with experimental data.

Infrarotspektroskopie ist eine aussagekräftige Analysemethode, die auf charakteristischen Absorptionen von infraroter Strahlung bei der Anregung von Molekülschwingungen beruht. Gerade im Bereich zwischen 400 – 4000 cm^–1 ergeben sich stark ausgeprägte Absorptionsbanden, die die Identifikation von Molekülen und Molekülgruppen möglich machen. Die hohe Absorptionsstärke erfordert für Transmissionsmessungen erhöhte Probenpräparation. So können nur Schichtdicken von wenigen Mikrometern verwendet werden. Bei der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) sind solche Anstrengungen dagegen nicht erforderlich. Hier ist es ausreichend, beispielsweise eine Flüssigkeit in Kontakt mit einem ATR-Kristall zu bringen. ATR-Messsonden ermöglichen es, diese einfache Technik auch zur Online-Überwachung an chemischen Reaktoren einzusetzen.

Infrared spectroscopy is a significant technique of analysis, based on the characteristic absorptions of infrared radiation by molecules. This leads, especially in the mid-infrared between 400 and 4000 cm^–1, to strong distinctive absorption bands which allow the identification of molecules and molecular groups. The large strength of absorption demands an extensive sample preparation for measurements in transmission. Sample layer thicknesses of some micrometers have to be realized. In the measurement geometry of attenuated total reflection (ATR), however, these efforts are not necessary. In this case it is sufficient to drop some liquid, e.g., onto an ATR crystal. ATR probes make it possible to use this simple technique also for online monitoring of chemical reactors.

ATR-Sonden ermöglichen eine einfache Aufnahme von Infrarotspektren ohne Probenvorbehandlung und eignen sich daher ideal für eine Online-Verfolgung von chemischen Reaktionen. Die physikalischen Grundlagen der ATR-Spektroskopie werden vorgestellt, mögliche Konfigurationen einer Messsonde diskutiert und anhand einer Beispielreaktion Messergebnisse gezeigt.

Die gängigsten Messmethoden zur Bestimmung des pH-Werts sind elektrochemischer oder optischer Natur. Als Messsysteme sind dabei besonders die Glaselektrode oder aber der pH-Teststreifen jedem Anwender geläufig. Daneben existieren aber auch weitere Messprinzipien für speziellere Anwendungen z. B. zur pH-Bestimmung in Geweben, Pasten oder unter extremen Prozessbedingungen. Zudem gibt es Methoden wie die pH-Messung mithilfe der NMR, die allein aufgrund des apparativen Aufwands über ein Nischendasein nicht herauskommen werden. Die verschiedenen Methoden zur pH-Bestimmung werden vorgestellt und ihre Vor- und Nachteile diskutiert.

The most used measuring principles for the determination of the pH are of electrochemical and optical nature. As measuring system glass electrodes and indicator papers are known by every user. Beside this there are further measuring principles for special applications for example the pH determination in tissues, pastes or under extreme process conditions. Furthermore there are methods like NMR for pH-measurement, which will always relegate to a niche existence because of their complex and expensive apparatus. This article gives an overview of the different available methods and discusses potential applications.

Dieser Übersichtsartikel stellt die unterschiedlichsten Messprinzipien zur Bestimmung des pH-Werts dar. Betrachtet werden dabei elektrochemische Methoden, wie die Glas- oder die Kalomelelektrode, optische Methoden wie Indikatorteststreifen oder Optoden, bis hin zu weiteren Methoden wie NMR.

Due to the low reactivity of CH bonds and often low regio- and stereoselectivities, CH activations rank among the most challenging reactions in synthetic organic chemistry. In contrast, in nature CH functionalizations are integral part of numerous biosyntheses, especially of secondary metabolites. In aerobic organisms these reactions are typically catalyzed by oxygenases, among which the cytochrome P450 monooxygenases are the most prominent. A second large group are the α-ketoglutarate- (αKG) dependent dioxygenases, whose enormous synthetic potential has been discovered only recently. Although the utilization of oxygenases for organic synthesis is most desirable, their technical application is limited, because they are usually difficult to process. With αKG-dependent dioxygenases some of the problems can be reduced or even avoided. In this article some prominent examples for approaches with αKG-dependent dioxygenases are reviewed and efforts to engineer a deacetoxycephalosporin synthase are discussed.

In addition to the well-known P450 monooxygenases, α-ketoglutarate-dependent dioxygenases have a great potential for the catalysis of regio- and stereoselective CH-functionalizations even at the industrial scale. In this review the most important approaches for the application of this as yet scarcely employed group of enzymes are discussed.

The rotary chamber technique is capable of observing small levitated bubbles in liquid for various research purposes. The present paper focuses on diffusion of a small spherical bubble into undersaturated water. The decaying bubble size is recorded in time by image processing. The results are plotted as Sherwood versus Reynolds number where the Schmidt number is of order 300. Similarity is found for each of four gases in water. The boundary layer prediction is confirmed in general. A physically accountable model provides a good representation of results.

Diffusion of small gas bubbles into unsaturated water is studied for four gases. Rotary chamber technique allows investigating bubble size vs. time by a CCD camera. The results are plotted dimensionless by Sherwood vs. Reynolds number. The boundary layer theory can be confirmed. A physically accountable model is specified.

Robust and reproducible processes are necessary to achieve a constant and high quality of biotechnological products. Thus, suitable online measurement systems and an increased understanding of the parameters influencing the process are required. In this study, two online measurement devices were used to detect the influence of the initial pH value on the lag phase of three E. coli and one B. licheniformis strains cultivated in buffered mineral media. It was shown that the initial pH value, the type of buffer and its concentration have to be carefully chosen to avoid differences in the lag phase, unsuitable pH values during the cultivation, and osmotically inhibiting high buffer concentrations.

For a robust and reproducible process with constant and high quality products, the factors influencing the cultivation have to be determined. Here, the influence of the pH value on the lag phase of three E. coli and one B. licheniformis strain cultivated in shaken bioreactors with buffered mineral medium was studied with online measurement systems.

Die Hydrodynamik einer Blasensäule beeinflusst Größen wie Umsatz, Selektivität und Ausbeute einer Reaktion. Besondere Bedeutung erlangen die Rückvermischung der flüssigen Phase und der Gehalt an disperser Gasphase. Zur Ermittlung dieser Parameter steht eine Vielzahl an Korrelationen in der Literatur zur Verfügung. Diese Korrelationen wurden oftmals von Versuchsanlagen im Labormaßstab abgeleitet, die nicht unter industriell relevanten Bedingungen betrieben wurden. In diesem Beitrag wird der Stand der vorhandenen Untersuchungen an Blasensäulen hinsichtlich Gasgehalt und Dispersion unter erhöhtem Druck dargestellt und eine Empfehlung für weiterführende Untersuchungen gegeben.

Bubble column hydrodynamics influence important performance parameters like conversion, selectivity and yield of a chemical reaction. Backmixing of the liquid phase and gas holdup are thereby of particular importance. In order to determine these parameters, a number of correlations exist within the literature. These correlations are mainly derived from small scale equipment operated at atmospheric conditions by the use of the physical system air/water. Published experimental results regarding gas holdups and dispersion in bubble columns operated under high pressure are discussed and a recommendation for further research is given.

Blasensäulen werden in zahlreichen Feldern der industriellen Produktion angewendet. Dennoch existieren nur wenige unter industriellen Bedingungen durchgeführte Untersuchungen hinsichtlich der Hydrodynamik dieser Apparate. Ein Überblick über vorhandene Arbeiten zur Beschreibung von Blasensäulen unter Hochdruckbedingungen wird gegeben.

Combinatorial and high-throughput methods are increasingly common in industrial research. Academic institutions are often unable to afford the equipment necessary and to provide the maintenance required for permanent operation. Teaching is often more constrained by budget than by research topics. This article describes a modular course that has been designed to allow an affordable implementation of combinatorial and high-throughput experiments in academic teaching laboratories. Currently, the course consists of five experimental modules and has already been successfully taught on two occasions.

High-throughput methods are nowadays commonplace in industrial research, but not in academic teaching. The presented cost-conscious, modular course enables academic institutions to integrate practical teaching in combinatorial and high-throughput methods into existing laboratory courses.

In den letzten fünfzig Jahren sind die pulverförmigen und granularen Waschmittel in der Leistung und in der Ökologie deutlich verbessert worden: viel konzentrierter (weniger Chemie), abbaubare Tenside, keine Phosphate, geringerer Wasser- und Energieverbrauch. Der Einsatz von optimierten Enzymen sowie von Bleichkraftverstärkern erlaubte das Absenken der Waschtemperaturen und die Beseitigung natürlicher Anschmutzungen. Die Herstellung fester Waschmittel erfolgt entweder in Sprühtürmen ohne und mit Kompaktierungsstufe oder in Non-Tower-Granulieranlagen. Die neueste Generation eines Granulationsprozesses mit integrierter Mahltrocknung ermöglicht die Produktion von kugelförmigen Partikeln, die einstellbar klein oder groß, leicht oder schwer sein können. Die weitere Rezepturentwicklung geht in Richtung Tieftemperatur-Waschmittel.

In the last fifty years, powder and granular detergents have been significantly improved in performance and ecology: more concentrated (less chemicals), biodegradable surfactants, no phosphates, reduced water and energy consumption. The use of optimized enzymes and bleaching boosters enables lowered wash temperatures and the removal of natural stains. The production of solid detergents runs either in spray towers without and with compaction step, or in a non-tower agglomeration plant. The latest generation of granulation with an integrated mill for simultaneous drying and grinding allows the production of spherical particles, which can be adjusted (small or large, heavy or light). Future formulations will enable lower washing temperatures.

Feste Waschmittel werden in Sprühtürmen ohne und mit Kompaktierungsstufe oder in Non-Tower-Granulieranlagen hergestellt. Die neueste Generation eines Granulationsprozesses mit integrierter Mahltrocknung ermöglicht die Produktion von kugelförmigen Partikeln einstellbarer Größe. Verschiedene Aspekte des Produktdesigns von Waschmitteln werden diskutiert.

Tertiäre Alkohole finden sich als Strukturmerkmal in einer Vielzahl von pharmazeutischen Wirkstoffen und Naturstoffen. Die Biosynthese dieser Naturstoffe bietet somit prinzipiell eine gute Möglichkeit zur Identifikation geeigneter enzymatischer Verfahren zur Darstellung enantiomerenreiner oder -angereicherter tertiärer Alkohole. Bislang konnten hierfür aber nur relativ wenige enzymatische Methoden in biotechnologische Verfahren umgesetzt werden. Im Gegensatz zur enzymatischen asymmetrischen Synthese chiraler sekundärer Alkohole, die effizient und hoch selektiv durch Reduktion prochiraler Ketone in hohen Ausbeuten bei gleichzeitig breiten Substrat- und Enzymspektren erfolgt, gibt es bislang kein allgemein anwendbares Verfahren für die Synthese tertiärer Alkohole. In dem Artikel wird eine Zusammenfassung der bislang identifizierten biokatalytischen Methoden gegeben. Zudem erfolgt eine kritische Diskussion dieser Verfahren im Hinblick auf mögliche biotechnologische Anwendungen.

Tertiary alcohols are found as a motif in many pharmaceuticals and natural products. Elucidation of their biosynthesis is thus a good starting point for the identification of enzymes for the synthesis of chiral tertiary alcohols. To date, however, relatively few enzymatic methods for such syntheses have been established in biotechnological processes. Whereas secondary alcohols can be efficiently synthesized via the (asymmetric) reduction of ketones, a generally applicable method for the enzymatic synthesis of tertiary alcohols has been more difficult to identify. Herein, a survey of the biocatalytic methods for the synthesis of (chiral) tertiary alcohols is presented. Advantages and disadvantages of the respective methods are discussed from a synthetic point of view.

Für die enzymatische Herstellung tertiärer Alkoholfunktionen in Natur- und pharmazeutischen Wirkstoffen fehlt es bislang an allgemein anwendbaren, biotechnologischen Verfahren. Bereits identifizierte biokatalytische Methoden werden vorgestellt und ihre Vor- und Nachteile bezüglich möglicher Anwendungen diskutiert.

Kraftstoffdampfrückhaltesysteme (KDRS) werden in Fahrzeugen eingesetzt, um die Emissionen leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre zu verhindern. Bis 2020 sollen 10 % der Kraftstoffe durch Biokraftstoffe ersetzt werden, wobei Bioethanol eine entscheidende Rolle spielt. In dieser Arbeit wird die Funktionstüchtigkeit von KDRS bei Verwendung von Bioethanol/Kraftstoff-Gemischen untersucht. Hierzu werden Aktivkohlen, die bereits in KDRS eingesetzt werden, getestet. Erhaltene Ergebnisse und Messdaten fließen in ein mathematisches Modell ein, das die Funktionsweise von KDRS in Abhängigkeit der Bioethanol/Kraftstoff-Zusammensetzung simuliert.

Fuel vapor restraint systems are used in vehicles to avoid discharge of volatile hydrocarbons from fuel tanks. Until 2020 nearly 10 % of all fossil fuels shall be replaced by biofuels upon which bioethanol plays an important role. The topic of this article is the proper operation of fuel vapor restraint systems depending on the composition of bioethanol-fuel blends. As a first step, activated carbons commonly used in fuel restraint systems are tested. Received results and measured data serve as input for a mathematical model with the intention to simulate the performance of fuel vapor restraint systems depending on bioethanol-fuel composition.

Über eine templatgestützte Methode wurden hochporöse Kohlenstoffmonolithe unter Verwendung von Porenbeton als Templat hergestellt. Aufgrund der guten mechanischen Bearbeitbarkeit von Porenbeton lassen sich poröse Kohlenstoffmonolithe in vielfältiger Form synthetisieren. Die Porenweitenverteilung der erhaltenen Monolithe erstreckt sich vom Mikro- bis zum Makroporenbereich. Derartige Materialien stellen eine vielversprechende Basis für die Entwicklung von technischen Komponenten für den Einsatz in Adsorption oder Katalyse dar.

Porous carbon monoliths have been prepared by template assisted routes using porous concrete as the template. Due to its good workability, porous concrete is a suitable template to produce carbon monoliths with defined shape. The pore widths of the obtained monoliths are distributed over a broad range from the micropore to the macropore region. Such materials are a promising base for developing construction components which can be applied in adsorption devices or catalytic systems.

Hochporöse Kohlenstoffmonolithe wurden über eine templatgestützte Methode mit Porenbeton als Templat hergestellt. Die gute mechanische Bearbeitbarkeit von Porenbeton ermöglicht vielfältig geformte Kohlenstoffmonolithe. Mögliche Anwendungsgebiete derartiger Materialien sind z. B. die Adsorption oder die Katalyse.

Kugelmühlen gehören zu einer Klasse von Apparaten, die für die Zerkleinerung und Vermischung fester Stoffe in der Verfahrenstechnik angewendet werden. Die Tatsache, dass bei der Bewegung von Kugeln in den Mahlbehältern Energie auf die Reaktionsmischung übertragen wird, lässt sich für die Initiierung chemischer Reaktionen ausnutzen. Zahlreiche Beispiele aus dem Gebiet der organischen Synthesechemie zeigen die allgemeine Anwendbarkeit dieser Technik aber auch die Herausforderungen, die damit einhergehen und Potenzial für zukünftige Entwicklungen bieten.

Ball mills are instruments for the comminution and particle refinement of solids as part of process engineering. Due to the movement of milling balls inside the milling chamber energy is transferred to the reaction mixture which can be utilized to initiate chemical reactions. Numerous examples from the field of organic synthesis prove the general applicability of this technology but also point out accompanied challenges with potential for future developments.

In den vergangenen Jahren haben vermehrt neue Techniken zur Initiierung chemischer Reaktionen Einzug gehalten. Kugelmühlen haben sich aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften (Durchmischung, Robustheit) für die Durchführung vieler chemischer Reaktionen in Abwesenheit von Lösungsmitteln bewährt. Verschiedene Anwendungsbeispiele werden vorgestellt.

Eine ganzheitliche Betrachtungsweise von Abgasnachbehandlungssystemen ist derzeit der attraktivste Ansatzpunkt für die weitere Verminderung der Schadstoffemissionen und um auf neue Herausforderungen durch strengere Emissionsgrenzwerte, neue Rohstoffbasis und effektivere Motorkonzepte schneller zu reagieren. Dieser Artikel gibt einen Überblick zu gegenwärtigen Abgasnachbehandlungssystemen. Heutige und zukünftige Herausforderungen und Ansätze zu deren Bewältigung werden diskutiert. Bei den vorgestellten Lösungsansätzen spielen hierarchische Modellierung von DFT-Berechnungen bis zur CFD-Simulation des kompletten Abgasstranges, realitätsnahe Abgasprüfstände und Alterungsverfahren sowie On-board-Diagnostik ebenso wie die Charakterisierung von Katalysatoren insbesondere unter Reaktionsbedingungen sowie möglichst alle Längenskalen eine wichtige Rolle. In Zukunft werden wissensbasierte roboter-kontrollierte Präparation und dynamische Modelle, gekoppelt mit Informationen aus dem realen Betrieb, Forschung und Entwicklung maßgeblich unterstützen.

Looking at exhaust-gas after-treatment systems in its entirety leads to further improvement of emission control devices and to the accomplishment of future challenges such as lower legislative emission limits, new fuels, and more efficient engine concepts. This article provides an overview on the state-of-the art mobile exhaust-gas after-treatment devices. Current and future challenges are discussed in the light of present approaches such as hierarchical modeling reaching from DFT computations of molecular processes to CFD simulation of entire lines of exhaust-gas cleaning devices, close-to-reality emission control test benches and aging procedures, on-board diagnostics, and catalyst characterization at operating conditions and preferentially all length scales. In future, knowledge-based robot-controlled preparation and dynamic models coupled with information from real operation will significantly support research and development.

Der Übersichtsartikel diskutiert Stand und Herausforderungen heutiger Abgasnachbehandlungssysteme. Speziell wird auf das Design, hierarchische Modellierung, In-situ-Charakterisierung über alle Längenskalen und realitätsnahe Testverfahren eingegangen, um strengere Emissionsgrenzen, veränderte Kraftstoffzusammensetzung und effektivere Motorkonzepte zu berücksichtigen.

In Zeiten der Energiewende erlangen chemische Speichertechnologien eine vermehrte Bedeutung, da nur mit ihrer Hilfe die Energie des Exzessstromes aus Wind- und Solaranlagen in großen Mengen in Form von Kohlenwasserstoffen gespeichert werden kann. Der durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff wird mit Kohlendioxid zu Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Dazu muss kostengünstig reines CO₂ zur Verfügung gestellt werden. Für die Bereitstellung wird ein nachhaltiges Konzept vorgestellt.

In times of the German energy transition (“Energiewende”) chemical storage technologies achieve an increasing interest because only with their help the energy of the excess electricity from wind- and solar plants can be stored in huge quantities in form of hydrocarbons. The hydrogen generated by water electrolysis can be converted with carbon dioxide to hydrocarbons. In addition, pure CO₂ must be available at a reasonable price. For this CO₂ supply a sustainable concept is presented.

Der anfallende Stromüberschuss aus Wind- und Solaranlagen verlangt nach geeigneten Speichermethoden. Eine Option wäre die Umsetzung von elektrolytisch erzeugtem H₂ mit CO₂ zu Kohlenwasserstoffen. Durch die synergetische Nutzung von Biogas- und Biokohleanlagen könnte das hierzu benötigte CO₂ nachhaltig bereitgestellt werden.

Zur Reduzierung der Stickoxid-Konzentration in Autoabgasen wird meist die selektive katalytische Reduktion mit Ammoniak verwendet. Um jedoch das Mitführen von Ammoniak in Kraftfahrzeugen zu vermeiden, wird auf Harnstoff als NH₃-Vorläufer zurückgegriffen. Zur kontrollierten Harnstoffzersetzung bereits vor dem Eindüsen in den Abgasstrang bietet sich der Einsatz eines separaten Reaktors an. Die Harnstoffzersetzung zu Ammoniak in der Flüssigphase unter Druck in einem beheizten Reaktor wurde mit der Zersetzung in der Gasphase verglichen. Hierbei wurden in der Flüssigphase weit höhere Umsatzraten pro Reaktorvolumen erreicht. Katalysatoren, die in der Gasphase eine hohe Aktivität zeigten, hatten nur einen kleinen Einfluss auf die Flüssigphasenzersetzung.

In order to reduce the NO_x concentration in car exhausts usually the selective catalytic reduction with ammonia is used. However, to avoid the transport of ammonia in vehicles urea is applied as NH₃ precursor. Controlled urea decomposition before the injection into the exhaust gas system itself may be accomplished by the use of a separate reactor. Urea decomposition to ammonia in the liquid phase under pressure in a heated reactor was compared to its decomposition in the gas phase. In the liquid phase, higher conversion rates relative to the reactor volume were realized than in the gas phase. Catalysts which showed high activity in the gas phase influenced the decomposition in the liquid phase only slightly.

Die Zersetzung von Harnstoff zu Ammoniak unter Druck in der Flüssigphase wurde in einem beheizten Reaktor unter Laborbedingungen untersucht und mit der Zersetzung in der Gasphase verglichen. In der Flüssigphase wurden sowohl mit als auch ohne Katalysator weit höhere Umsatzraten pro Reaktorvolumen erreicht als in der Gasphase.

The potential of the natural chabazite for the selective catalytic reduction (SCR) of NOx with NH₃ is evaluated in the present work. Activity tests were performed under technically relevant reaction and temperature conditions for the fresh and hydrothermally aged catalysts. The natural chabazite before and after alkaline removal as well as after iron and copper addition were compared. The structural as well as surface and bulk properties were elucidated by a variety of complementary characterization techniques, i.e. XRD, XPS, EPR, BET, NH₃-TPD, ex situ and in situ XAS. The results indicate that an important facet for using the natural chabazite for the standard and fast SCR reactions is the removal of alkaline metals, which at the same time also leads to a partial change of the structure and the size of the iron-containing particles. The performance and especially the hydrothermal stability can be further improved by copper addition.

The potential of the natural chabazite for the selective catalytic reduction of NOx with NH₃ is investigated. The natural chabazite before and after alkaline removal as well as after iron and copper addition were compared with respect to their performance under technically relevant reaction and temperature conditions in their fresh and hydrothermally aged state.

In dieser Arbeit wurden die Hydrodynamik einer Gas/Flüssig-Zweiphasenströmung und erzielbare Stofftransportraten in einem Perlschnurreaktor charakterisiert. Die Katalysatorpackung im Reaktor besteht aus runden Kanälen mit einem Kanaldurchmesser von 1,41 mm, in die kugelförmige Katalysatorpartikel mit einem Durchmesser von 0,8 mm integriert sind. Bei gleichzeitig ablaufender Reaktion (Flüssigphasenhydrierung von α-Methylstyrol) konnten volumetrische Gesamtstoffdurchgangskoeffizienten für Wasserstoff zwischen 0,8 und 5,5 s^–1 ermittelt werden. Aufgrund der hohen erzielbaren Stofftransportraten und des einfachen Aufbaus können Perlschnurreaktoren schnell in der Industrie implementiert werden und tragen zur Generierung hocheffizienter Reaktionsapparate bei.

In this work, a pellet string reactor was characterized with respect to hydrodynamics and mass transfer. The catalyst packing consists of a cylindrical channel with a diameter of 1.41 mm, which was filled with spherical catalyst particles, having an outer diameter of 0.8 mm. Under reaction conditions (liquid phase hydrogenation of α-methylstyrene) overall (gas-liquid-solid) volumetric mass transfer coefficients for hydrogen between 0.8 and 5.5 s^–1 were computed. Due to high mass transfer rates and simple reactor geometry, pellet string reactors can be applied in industry as highly efficient reaction units.

Perlschnurreaktoren weisen aufgrund kleiner Kanaldurchmesser eine gute Phasenkontaktierung und hohe Stofftransportraten auf. Durch den Einsatz standardisierter, industrieller Katalysatoren sind sie ein interessantes Konzept zur Überführung diskontinuierlicher Prozesse in der Feinchemikaliensynthese in eine kontinuierliche Produktionsweise.

Vehicles running on compressed natural gas (CNG) are a promising option to significantly decrease automotive CO₂ emissions. However, considerable amounts of methane are emitted by the exhaust of CNG powered engines which are difficult to convert by standard catalytic converters. Yet, by combining the catalyst with an efficient heat exchanger, the temperature level of the catalyst can be raised for enhanced conversion performance. Experimental results of stationary tests performed with a heat-integrated laboratory-scale system are shown. A special cold start strategy required for fast system heating is presented based on a detailed transient simulation study and a new system layout is described.

By incorporation of a heat exchanger, the exhaust catalyst temperature of combustion engines can be increased considerably. This is of particular importance for natural gas powered engines. Stationary experimental results for exhaust purification of such engines are presen-ted and the development process towards a system suitable for dynamic vehicle operation is discussed.

Different Pt-based catalyst layers have been prepared and tested in a stacked foil microreactor for CO oxidation and preferential oxidation of CO in presence of hydrogen. The reactions were performed on Pt without support by impregnation of a pre-oxidized microstructured metal plate, Pt/Al₂O₃ and Pt/CeO₂ based on sol methods as well as Pt/nano-Al₂O₃, a combined method of sol-gel and nanoparticle slurry coating. The ceria based sol-gel catalyst was much more active for CO oxidation than alumina based sol-gel catalysts at low temperature. However, total oxidation was only obtained at higher temperature on the alumina based catalysts. The combined method seems to have advantages in terms of less internal mass transfer limitation when trying to increase the catalyst coating thickness based on sol-gel approaches due to no reduction of CO selectivity up to 300 °C reaction temperature. Experiments on CO oxidation with the Pt/CeO₂ catalyst have been conducted in an oxygen supply microreactor to evaluate the catalyst performance under sequential oxygen supply to reaction zone (CO excess).

Preferential CO oxidation was performed on different Pt/Al₂O₃ and Pt/CeO₂ based catalysts, prepared by sol methods as well as nano-Al₂O₃ nanoparticle slurry coating and a combined method of sol-gel and nanoparticle slurry coating. A microreactor with distributed air feeding showed an effect on the CO oxidation by the CO excess and, thus, surface coverage.

In automotive exhaust aftertreatment simulation, both macro- and microkinetic models are commonly used. In this contribution both models are applied for the simulation of diesel oxidation catalysts (Pt/γ-Al₂O₃) with different catalyst loading and degree of thermal aging. The study proves that the structure insensitive kinetics of the considered catalysts can be described with the same rate equations only by scaling the rate constants of the different reaction steps with the catalytically active Pt surface, which is accessible by CO adsorption or light-off measurements. In addition, NO oxidation is strongly influenced by a reversible, slow transformation of Pt into Pt-oxide.

Simulation of DOCs with different Pt loading and thermal aging is easily achieved by scaling the rate constants with the catalytically active Pt surface, which is accessible by CO adsorption or light-off measurements. In addition, NO oxidation is strongly influenced by a reversible deactivation due to the transformation of Pt into Pt-oxide.

Three commercial carbon black samples as well as self-made C₃H₆ soot were investigated for their reactivity in the oxidation on an α-Fe₂O₃ catalyst. These studies were performed by temperature programmed oxidation (TPO) using a packed bed. For reference purposes, TPO studies in the absence of the catalyst were made as well. The carbon black samples were characterized towards the content of C, H, N and O as well as higher heating value, specific surface area, moisture and volatile matter and were deemed to be suitable model substances for diesel soot of different maturity. The correlation of these physico-chemical properties with the kinetics in catalytic TPO indicated that the soot oxidation on Fe₂O₃ is significantly affected by the initial number of surface oxygen compounds of the soot. The decomposition of these surface species causes the formation of active carbon sites, which are supposed to accelerate the soot oxidation.

Four carbon blacks as models for diesel soot at different maturity stages were studied towards their oxidation reactivity in the absence and presence of a Fe₂O₃ catalyst. The kinetics of the catalytic oxidation of the carbon black samples could be correlated with their number of initial surface oxygen compounds. The influence of typical exhaust gas components on catalytic soot oxidation reactivity was also addressed.

Ein kürzlich entwickeltes und patentiertes schnelles optisches Tomographiesystem wurde eingesetzt, um zweidimensionale Verteilungen der OH*-Chemilumineszenz in laminaren und turbulenten Flammen zu ermitteln. Dies konnte mit der Anordnung trotz der in Flammen äußerst geringen OH*-Konzentration von lediglich einigen ppb bei Belichtungszeiten bis zu 100 – 200 μs und einer räumlichen Auflösung von < 1 – 2 mm erreicht werden. Die Ergebnisse liefern u. a. wichtige Informationen im Hinblick auf die Ermittlung der Wärmefreisetzungsrate von Flammen zur Vorhersage instabiler Betriebspunkte in Gasturbinen.

A recently developed and patented fast tomographic reconstruction system has been applied to detect two-dimensional distributions of the OH* chemiluminescence in laminar and turbulent flames. This could be achieved by the arrangement at exposure times down to 100 – 200 μs at a spatial resolution of < 1 – 2 mm, even though the concentration of OH* in flames is in the order of some ppb and, therefore, extremely small. Among other things the results provide important information regarding the determination of the heat release rate in flames to predict unstable operating points of gas turbines.

Zur Vorhersage instabiler Betriebspunkte von verbrennungstechnischen Anlagen wurde ein optisches Tomographiesystem entwickelt, das die Ermittlung zweidimensionaler Verteilungen der OH*-Chemilumineszenz in laminaren und turbulenten Flammen ermöglicht. Kleinste Konzentrationsverteilungen einzelner oder mehrerer Spezies lassen sich selektiv nachweisen.

The kinetics of N₂O decomposition over a commercial iron zeolite catalyst was determined in an integral laboratory reactor. The formal kinetic equation developed permits a very good description of the observed rate as a function of temperature and the concentrations of N₂O, NO and H₂O. The influence of mass transfer phenomena on the reaction rate was investigated experimentally by using different catalyst particle sizes. A reactor model taking into account internal and external mass transfer resistances, axial dispersion and pressure drop was developed. Reactor simulations for different configurations revealed that random packings of catalyst extrudates must be placed in radial-flow reactors to limit the pressure drop. Honeycomb monolith catalysts are attractive alternative geometries because they allow both better utilization of active material and the design of more compact reactors.

The reaction kinetics of N₂O decomposition on a commercial iron zeolite catalyst was determined by systematic measurements for typical conditions in nitric acid plant tail gases. Based on these measurements, a reactor model was developed that takes into account mass transfer resistances, axial dispersion and pressure drop. With this model, different options for the catalyst geometry were compared quantitatively.

Der steigende Energiebedarf und der damit verbundene CO₂-Ausstoß bei gleichzeitig abnehmenden Reserven an fossilen Rohstoffen erfordert neue Konzepte zur nachhaltigen Energieerzeugung. Das sogenannte Adam-und-Eva-Prinzip zur CO₂-freien Gewinnung von Methanol aus Kohle und durch Nuklearenergie wird aufgegriffen und an heutige Gegebenheiten adaptiert. Als H₂-Quelle dient die Wasserelektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien. Gleichzeitig wird mit dem bei der Elektrolyse gebildeten Sauerstoff in einem Oxyfuel-Prozess Kohle verbrannt, dadurch Strom erzeugt und relativ reines CO₂ erhalten. Dieses wird mit dem Elektrolyse-Wasserstoff zu Methanol umgesetzt, das dann als Chemie- und Energierohstoff eingesetzt werden kann.

The increasing energy demand, the associated CO₂ emissions, and the concurrently decreasing reserves of fossil fuels require new concepts for sustainable energy production. The so-called Adam-and-Eve principle for CO₂-free production of methanol from coal and nuclear energy is revisited and adapted to today's circumstances. Electrolysis of water using renewable electricity is applied for H₂ production. Simultaneously, coal and the oxygen formed during electrolysis are burned in an oxyfuel process, generating electricity and relatively pure CO₂. Hydrogen from electrolysis and CO₂ are converted to methanol, which can then be used as chemical- and energy feedstock.

Ein Konzept zur zukünftigen Energieerzeugung basierend auf der CO₂-freien Gewinnung von Methanol aus CO₂ und Wasserstoff wird vorgestellt. Hierbei wird der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Energien – vorzugsweise Wind – gewonnen. Das CO₂ kann durch Verbrennung von Kohle in einem Oxyfuel-Prozess bereitgestellt werden.

Die Abreicherung höherer Kohlenwasserstoffe aus Erdgas oder Erdölbegleitgasen ist ein unablässiger Schritt vor der Einspeisung in das Endverbrauchernetz. Membrantechnologien könnten dabei als Ersatz für energieintensive und kostspielige Reinigungsmethoden eingesetzt werden. Vor diesem Hintergrund wurde die entsprechende Eignung zeolithischer MFI-Membranen untersucht und der Einfluss von Membranträgergeometrie, Gaszusammensetzung, Temperatur und Druck auf die Trennung von Methan/n-Butan-Mischungen getestet.

The depletion of higher alkanes from methane is a key aspect during the conditioning of natural gases or accompanying gases. Membrane technologies could be used as alternative to energy and cost intensive purifications. Against this background the influence of membrane geometry, composition of the gas mixture as well as temperature and pressure was investigated in separation experiments for methane/n-butane mixtures using MFI membranes.

Die auf Adsorption basierte Trennung von Alkanmischungen wurde an MFI-Membranen sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Es zeigten sich Möglichkeiten zur Taupunkteinstellung als energieeffiziente Alternative zu konventionellen Verfahren der Erdgaskonditionierung.

Vorgestellt wird ein physikalisch-mathematisches Modell zur Beschreibung des Zerfalls von Flüssigkeitsstrahlen und der Tropfenbildung im Zentrifugalfeld unter Berücksichtigung der umgebenden Gasphase und der Viskosität. Das Modell beruht auf der Methode der kleinen Schwingungen, bei der die Strömung in eine zeitlich gemittelte Grundströmung und eine instationäre Störungsbewegung unterteilt wird. Die resultierenden Tropfengrößen werden mit experimentellen Daten verglichen und zeigen eine gute Übereinstimmung. Als Randbedingung dient dem Modell die experimentell ermittelte Zerfallslänge.

A physical mathematical model for the description of the break-up of a liquid jet and the drop formation in the centrifugal field is presented taking the surrounding gaseous phase and the liquid viscosity into account. The model is based on perturbation theory, thus, the motion is decomposed into the time steady motion of the jet and the transient motion of the oscillation of the liquid gas interphase. The resulting drop size is in good accordance with the experimental data. The break-up length serves as a boundary condition and is based on experimental data.

Ein physikalisch-mathematisches Modell zur Beschreibung des Zerfalls von Flüssigkeitsstrahlen und der Tropfenbildung im Zentrifugalfeld unter Berücksichtigung der umgebenden Gasphase und der Viskosität wird vorgestellt. Die resultierenden Tropfengrößen werden mit experimentellen Daten verglichen und zeigen eine gute Übereinstimmung.

Für Argon/Neon-Gemische wurden über den gesamten Zusammensetzungsbereich binäre Diffusionskoeffizienten D_ij mittels einer Loschmidt-Zelle bei 293,15 – 333,15 K und 1 – 10 bar bestimmt. Die beiden Halbzellen der Loschmidt-Zelle wurden vor Beginn der Messungen mit den unterschiedlichen Reingasen befüllt. Nach Verbindung der beiden Halbzellen wurde die Veränderung der partiellen Moldichte bzw. des Brechungsindex als Funktion von Ort und Zeit mittels holografischer Interferometrie detektiert. Die hieraus erhaltenen Daten für D_ij zeigen im Vergleich zu Literaturdaten in der oberen Halbzelle systematische Abweichungen. Für die entsprechenden Werte der unteren Halbzelle kann dagegen eine sehr gute Übereinstimmung mit der Literatur gefunden werden. Das Produkt aus molarer Mischungsdichte und D_ij weist im Rahmen der Messunsicherheit keine signifikante Abhängigkeit vom Druck auf.

Binary diffusion coefficients D_ij were determined for mixtures of argon and neon over the entire composition range using a Loschmidt cell at 293.15 – 333.15 K and 1 – 10 bar. Before the measurements, the different pure gases were added into the two half-cells of the Loschmidt cell. After connecting both half-cells, the change in partial molar density, or rather in the refractive index has been detected simultaneously as a function of position and time within each half-cell using holographic interferometry. The binary diffusion coefficients obtained for the upper half-cell show systematic deviations from literature data. In contrast, the data measured in the lower half-cell are in excellent agreement with literature. Within the measurement uncertainty, the product of the molar density of the mixture and D_ij is not affected by the pressure.

Mit einer neuen Loschmidt-Zelle kombiniert mit holografischer Interferometrie werden experimentell ermittelte Diffusionskoeffizienten für Ar/Ne-Mischungen in Abhängigkeit der Temperatur, des Drucks und der Konzentration vorgestellt. Das Produkt aus molarer Mischungsdichte und binärem Diffusionskoeffizient zeigt im Rahmen der Messunsicherheit keine signifikante Druckabhängigkeit.

Zur Ausschöpfung des Potenzials funktionaler Nanomaterialen bedarf es neuartiger Produktionsverfahren, die die Dispersion der Nanopartikel entlang der Prozesskette sicherstellen. Am Beispiel von Medizinprodukten mit antibakteriellem Schutz vor Biofilmbildung auf Basis von Silbernanopartikeln werden die Volumenintegration in Kunststoffe und die Nanopartikelsynthese durch Laserabtrag in Flüssigkeiten vorgestellt. Die antibakterielle Wirksamkeit der Nanokomposite und Verarbeitbarkeit zu Prototypen werden gezeigt.

New production technologies are required to benefit of the full potential of nanocomposites by homogeneous dispersion of nanoparticles along the process chain. Synthesis of silver nanoparticles by laser ablation in liquid and their integration into polymers are presented. Antibacterial properties of these materials and processability into prototypes for medical devices with antibacterial protection are demonstrated.

Die Nanopartikelsynthese und agglomeratfreie Volumenintegration in Kunststoffe durch Einsatz des Laserabtrags in Flüssigkeit werden am Beispiel bioaktiver Medizinprodukte mit antibakteriellem Schutz auf Basis von Silbernanopartikeln vorgestellt. Die Verarbeitbarkeit zu Prototypen wird demonstriert.

Adsorption thermal response screening by optical adsorption calorimetry was recently demonstrated to be a versatile tool for rapid surface area and adsorption capacity testing of porous materials. Beyond the high throughput approach, further insight in possibilities and application examples for the method will be presented. Especially a rapid classification of porous materials regarding their pore properties and the possibility to evaluate adsorption kinetics by using thermal response measurements will be discussed.

The temperature change of porous material upon exposure to a test gas (thermal response) can provide information about the adsorbent properties in a rapid way. Application examples for the prospective use of this novel method are given and discussed. The versatility of the thermal response method as a screening tool for porous materials is demonstrated.

Es wird eine neue Methode zur inlinefähigen Partikelcharakterisierung in hochkonzentrierten Dispersionen mittels Ultraschallrückstreuung vorgestellt, die sensitiv gegenüber der Partikelgröße und der Konzentration ist. Eine Analyse der Ultraschallrückstreusignale liefert neben der Schalldämpfung zusätzlich ein Maß für die Streuintensität. Die Messung kann ohne Probenahme und minimalinvasiv direkt im Prozess erfolgen.

A new method for inline characterization of particles in high concentrated dispersions by ultrasonic backscattering is described, that is sensitive against particle size and concentration. Analyzing the backscattering signal yields the sound attenuation as well as a scattering intensity equivalent. The measurement can be performed without sampling and minimally invasive directly in the process.

Eine neue Methode zur Partikelcharakterisierung in hochkonzentrierten Dispersionen auf Basis der Ultraschallstreuung wird vorgestellt. Das Verfahren ermöglicht minimalinvasive Inline-Messungen direkt im Prozess.

Um Lignocellulose als nachwachsende Rohstoffquelle für die chemische Industrie zu erschließen, müssen nachhaltige Aufschlussverfahren entwickelt werden. Es wird ein neuartiger Prozess vorgestellt, mit dem nicht nur einjährige Faserpflanzen oder Laubholz, sondern auch widerstandsfähigeres Nadelholz effektiv fraktioniert werden können. Der erhaltene hochreine Zellstoff ist frei von inhibierenden Abbauprodukten und lässt sich nahezu vollständig enzymatisch hydrolysieren.

The utilization of lignocellulose as renewable feedstock for the chemical industry necessitates the development of sustainable pulping processes. A new process is introduced enabling the effective fractionation not only of annual fiber plants or hardwood but also of more resistant softwoods. The resulting ultrapure pulp is free of inhibiting degradation products and can be almost completely enzymatically hydrolyzed.

Der Aufschluss von Lignocellulose ist die Grundvoraussetzung für deren Nutzung als nachwachsende Rohstoffquelle in der chemischen Industrie. Der hier vorgestellte neu- artige Prozess fraktioniert selbst widerstandsfähige Nadelhölzer innerhalb weniger Minuten und liefert hochwertige Zwischenprodukte für eine weiterführende stoffliche Verwertung.