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Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 1: Technische Auslegung des Reaktorsystems

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst ein kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 1 ist die technische Etablierung des neuen Reaktorsystems. Dies insbesondere durch Überarbeitung eines Bioreaktors für den Einsatz mit Elektroden unter besonderer Berücksichtigung von Korrosion im Reaktorraum. Neben den konstruktiven Ansätzen umfasst dies die Erschaffung und Charakterisierung neuer Elektodenoberflächen aus elektrisch leitfähigen, biokompatiblen Hydrogelen. Zugrundeliegende Stoffstrombilanzen werden in ein Modell überführt, um Signifikanzanalysen durchzuführen.

Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 2: Untersuchung des Elektronentransfers und Genexpressionsanalyse

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst in kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 2 ist die Untersuchung des Elektronentransfers und die Genexpressionsanalyse. Dafür soll die Biofilmbildung auf der Elektrode und die mögliche Ausbildung von Nanodrähten analysiert werden, die einen direkten Elektronentransfer ermöglichen. Unterschiede zwischen nativen und synthetischen Biofilmen werden untersucht. Erhaltene Erkenntnisse werden auf den Produktionsprozess im Bioreaktor übertragen und der Einfluss des angelegten Potentials auf die Genexpression analysiert.

Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst ein kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 1 ist die technische Etablierung des neuen Reaktorsystems. Dies insbesondere durch Überarbeitung eines Bioreaktors für den Einsatz mit Elektroden unter besonderer Berücksichtigung von Korrosion im Reaktorraum. Neben den konstruktiven Ansätzen umfasst dies die Erschaffung und Charakterisierung neuer Elektodenoberflächen aus elektrisch leitfähigen, biokompatiblen Hydrogelen. Zugrundeliegende Stoffstrombilanzen werden in ein Modell überführt, um Signifikanzanalysen durchzuführen.

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben C

Markt für 1-Butanol

technologyComment of hydroformylation of propylene (RER, RoW): In the oxo reaction (hydroformylation), carbon monoxide and hydrogen are added to a carbon – carbon double bond in the liquid phase in the presence of catalyst (hydrocarbonyls or substituted hydrocarbonyls of Co, Rh, or Ru). In the first reaction step aldehydes are formed with one more C-atom than the original olefins. For olefins with more than two C-atoms, isomeric aldehyde mixtures are normally obtained. In the case of propylene these consist of 1-butanal and 2-methylpropanal. imageUrlTagReplace600920a3-5103-4466-9c05-fd1d8ed0d89c There are several variations of the hydroformylation process, the differences being in the reaction conditions (pressure, temperature) as well as the catalyst system used. The classic high-pressure process exclusively used until the beginning of the 1970s operates at pressures of 20 – 30 MPa (200 – 300 bar) CO/H2 and temperatures of 100 – 180 °C. The catalyst is Co. It leads to about 75 % 1-butanol and about 25 % 2-methyl-1-propanol. The new process developments of the past few years have led to a clear shift in the range of products. The processes operating at relatively low pressures (1 – 5 MPa , 10 – 50 bar) use modified Rh-catalysts. The isomeric ratios achieved are about 92 : 8 or 95 : 5 1-butanol to 2-methyl-1-propanol. However, by the use of unmodified Rh the percentage of 2-methyl-1-propanol can be increased to about 50 %. Catalytic hydrogenation of the aldehydes leads to the formation of the corresponding alcohols. As only primary alcohols can be obtained via the oxo synthesis, it is not possible to produce 2-butanol and 2-methyl-2-propanol by this process. Reference: Hahn, H., Dämkes, G., Ruppric, N.: Butanols. In: Ullmann's Encyclopedia of In-dustrial Chemistry, Seventh Edition, 2004 Electronic Release (ed. Fiedler E., Grossmann G., Kersebohm D., Weiss G. and Witte C.). 7 th Electronic Release Edition. Wiley InterScience, New York, Online-Version under: http://www.mrw.interscience.wiley.com/ueic/articles/ technologyComment of synthetic fuel production, from coal, high temperature Fisher-Tropsch operations (ZA): SECUNDA SYNFUEL OPERATIONS: Secunda Synfuels Operations operates the world’s only commercial coal-based synthetic fuels manufacturing facility of its kind, producing synthesis gas (syngas) through coal gasification and natural gas reforming. They make use of their proprietary technology to convert syngas into synthetic fuel components, pipeline gas and chemical feedstock for the downstream production of solvents, polymers, comonomers and other chemicals. Primary internal customers are Sasol Chemicals Operations, Sasol Exploration and Production International and other chemical companies. Carbon is produced for the recarburiser, aluminium, electrode and cathodic production markets. Secunda Synfuels Operations receives coal from five mines in Mpumalanga (see figure attached). After being crushed, the coal is blended to obtain an even quality distribution. Electricity is generated by both steam and gas and used to gasify the coal at a temperature of 1300°C. This produces syngas from which two types of reactor - circulating fluidised bed and Sasol Advanced SynthoTM reactors – produce components for making synthetic fuels as well as a number of downstream chemicals. Gas water and tar oil streams emanating from the gasification process are refined to produce ammonia and various grades of coke respectively. imageUrlTagReplacea79dc0c2-0dda-47ec-94e0-6f076bc8cdb6 SECUNDA CHEMICAL OPERATIONS: The Secunda Chemicals Operations hub forms part of the Southern African Operations and is the consolidation of all the chemical operating facilities in Secunda, along with Site Services activities. The Secunda Chemicals hub produces a diverse range of products that include industrial explosives, fertilisers; polypropylene, ethylene and propylene; solvents (acetone, methyl ethyl ketone (MEK), ethanol, n-Propanol, iso-propanol, SABUTOL-TM, PROPYLOL-TM, mixed C3 and C4 alcohols, mixed C5 and C6 alcohols, High Purity Ethanol, and Ethyl Acetate) as well as the co-monomers, 1-hexene, 1-pentene and 1-octene and detergent alcohol (SafolTM).

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben D

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben A

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben B

ERACoBioTECH Call 1 - Bester: Bioprozesse für eine optimierte Produktion von Butylestern aus nachwachsenden Rohstoffen, Teilprojekt Rostock

Die Spezialchemieindustrie ist ein 450-Milliarden-Dollar-Markt und Teil des globalen Chemiemarktes mit einem Gesamtwert von 5,4 Billionen Dollar. Der Projektpartner GBL umschließt bereits einen Markt für Butanol und Aceton mit einem Wert von 2,3 Milliarden US-Dollar innerhalb des Marktes für erneuerbare fortgeschrittene Technologien im kommerziellen Maßstab, zum Beispiel für die Herstellung verschiedenster Chemikalien wie Butylester. Butylester, gewonnen aus Butanol und organischen Säuren, haben vielfältige Anwendungen von der Grundchemikalie bis hin zu hochwertigen Inhaltsstoffen in Duftstoffen, Aromen, Kosmetika, Spezialpolymeren und Beschichtungen. Um einen nachhaltigen und effizienten Weg zu erneuerbaren Butylestern aus Lignocellulose-Biomasse zu generieren, wird sich das BESTER-Projekt auf die Herstellung von Carbonsäuren konzentrieren. Diese entwickelten Säuren und deren enzymatische Veresterung der Komponentenprodukte mit Butanol, auf die das BESTER Projekt abzielt, werden den Marktwert erhöhen und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen verringern.

Chem-Org\Methanol-DE-2000

Methanolherstellung durch Steamreforming von Erdgas. Die industrielle Methanolproduktion kann in die drei Hauptschritte: · Produktion von Synthesegas · Synthese von Methanol · Aufarbeitung des Rohmethanols untergliedert werden. Beim ersten Prozeßschritt erfolgt eine katalytische Dampfspaltung (steam reforming) des Erdgases (Methan). Methan wird dabei mit Wasserdampf in einem Reaktor unter Ausschluß von Sauerstoff zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) umgesetzt. Um das für eine Methanolsynthese erforderliche Synthesegas-Verhältnis zwischen H2 und CO von 2,2 bis 2,3 einzustellen, wird dem Erdgas CO2 zugesetzt. Das so hergestellte Synthesegas wird komprimiert und bei Drücken von 50 bis 100 bar (Niederdruckverfahren) und Katalysatoren in einem weiteren Reaktor zu Methanol umgewandelt. Das entstandene Rohmethanol wird destillativ in einer Leichtsiederkolonne von leichtflüchtigen Nebenprodukten abgetrennt. Durch eine weitere Destillation in der Schwersiederkolonne erfolgt die endgültige Reinigung des Produkts. Weniger als 2 Mio. Tonnen der derzeitigen weltweiten Herstellungskapazität von ca 21. Mio. t (Westeuropa ca. 2 Mio. t) basieren auf einem anderen Einsatzstoff als Erdgas (Ullmann 1990a). Nach (Vriens 1994) wird der Bedarf an Methanol in Westeuropa für 1993 mit ca. 5,1 Mio. Tonnen angegeben. Wobei nur in Nordwesteuropa Methanol produziert wird (ca 2,5 Mio. t). Für Deutschland werden die Produktionskapazitäten und Einsatzstoffe gemäß den Werten in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Produktionskapazitäten und Einsatzstoffe für die Methanolproduktion in Deutschland nach (Vriens 1994). Werk Einsatzstoff Kapazität [Mio. t/Jahr] BASF Offgas 0,30 DEA Rückstände 0,45 Leunawerke Rückstände 0,66 Veba Rückstände 0,26 Das Offgas als Einsatzstoff ist mit Erdgas vergleichbar. Bei der Methanolherstellung auf der Basis von Rückständen können Rückstandsöle aus den Raffinerien als Einsatzstoffe verwendet werden. Sämtliche Methanol-Importe und auch die restliche Methanolproduktion in Westeuropa (außer Deutschland) beruhen auf der Herstellung von Methanol aus Erdgas. Aus den obigen Angaben und der Annahme, daß die deutschen Werke zu 90 % ausgelastet sind, ergibt sich, daß der westeuropäische Methanolbedarf zu ca. 70 % aus Methanol mit Erdgas als Einsatzstoff gedeckt wird. Bei GEMIS wird nur die Methanolherstellung auf der Basis von Erdgas bilanziert. Verfahren die mit Rückständen als Einsatzstoffen arbeiten werden nicht berücksichtigt. Die gebildeten Kennziffern stehen für die Methanolherstellung in Westeuropa und beruhen auf Angaben zu einer Produktionsanlage Mitte der 90er Jahre. Die Bilanzierung der Methanolherstellung ist vom verwendeten Rohstoff abhängig, somit ist eine Übertragung der Kennziffern auf andere Einsatzstoffe nicht möglich. Allokation: keine Genese der Daten: - Massenbilanz: Zur Herstellung von einer Tonne Synthesegas werden als Rohstoffe Erdgas (483 kg/t) und Wasser (374 kg/t, nur für die chemische Reaktion) benötigt. Um das für die Methanolsynthese erforderliche Synthesegasverhältnis zwischen H2 und CO von 2,2 bis 2,3 einzustellen, wird dem Erdgas CO2 (283 kg/t Synthesegas, u. a. aus dem Rauchgas) zugesetzt (DSD 1995). Für die anschließende Umwandlung in Methanol ist eine Menge von 1792 kg Synthesegas/t Methanol erforderliche (Methanol 1996). Somit ergibt sich insgesamt ein Rohstoffbedarf von 760 kg Erdgas, 445 kg CO2 und 588 kg Wasser (pro Tonne Methanol). Bei der chemischen Umwandlung des Synthesegases zu Methanol entstehen außerdem pro Tonne Methanol 672 kg Purgegas (Hauptbestandteile: 52,0 Vol.-% Wasserstoff, 20,9 Vol.-% Methan und 16,0 Vol.-% Kohlenmonoxid) und als Reststoff fallen ca. 120 kg/t Fuselöle an (30 Masse-% Wasser, 54 Masse-% Methanol, 8 Masse-% Ethanol und 8 Masse-% Butanol) (Methanol 1996). Die Fuselöle werden bei GEMIS als Produktionsabfall bilanziert. Dem Purgegas wird eine Gutschrift für eine energetische Verwertung angerechnet (Bereitstellung von Prozeßwärme durch Verbrennung im Kessel mit einem Wirkungsgrad von 85 %). Energiebedarf: Der größte Anteil der Energie zur Synthese von Methanol entfällt auf die Synthesegasherstellung. Für die Herstellung einer Tonne Synthesegas werden 1,397 GJ elektrische Energie und weitere 7,312 GJ an Prozeßenergie benötigt (davon 1,412 GJ für Reformer-Dampf, 0,786 GJ zur Erwärmung des Erdgases und 0,104 GJ zur Erwärmung des CO2). Die Prozeßenergie wird durch die Verbrennung von Erdgas bereitgestellt wird (DSD 1995). Bei der anschließenden Umwandlung des Synthesegases zu Methanol werden 3,415 GJ an Strom eingesetzt. Weiterhin werden 1652 kg Dampf (5 bar, 155 §C; 4,645 GJ) benötigt. Durch Wärmeausnutzung entstehen dabei 912 kg Dampf (39 bar, 360 §C; 2,847 GJ), die gutgeschrieben werden (Methanol 1996). Nach Abzug der Dampfgutschrift ergibt sich insgesamt für die Herstellung einer Tonne Methanol ein Energiebedarf von ca. 18,3 GJ (14,9 GJ durch Erdgasverbrennung und 3,4 GJ elektrische Energie; die Gutschrift für das Purgegas ist dabei noch nicht berücksichtigt). Aus der Verbrennung des Purgegases (Bereitstellung von Prozeßwärme) wird eine Gutschrift von ca. 17,2 GJ/t Methanol berechnet. Wasser: Für das Reaktionsgemisch zur Herstellung des Synthesegases werden 588 kg Wasser (Reformer-Dampf) pro Tonne Methanol eingesetzt. Weitere 2474 kg Prozesswasser (u. a. für CO2-Druckwäsche) werden benötigt. Diese fallen auch als Abwasser an (DSD 1995). Der Wasserbedarf für die anschließende Methanolsynthese aus dem Synthesegas wird mit 256 kg beziffert (Methanol 1996) (da Kesselspeisewasser bzw. Dampf beim Output als Dampf bzw. Kondensat anfällt und weiterverwendet wird, wurde der Wasserbedarf hier gleich dem anfallenden Abwasser gesetzt). Als gesamte Wasserinanspruchnahme ergibt sich ein Wert von 3318 kg Wasser sowie eine Abwassermenge von 2730 kg. Umweltauswirkungen: Nebenprodukte bei der Methanolherstellung werden falls möglich weiterverwendet. Der einzige regelmäßig anfallende Abfall ist der Rückstand (Wasser, Methanol, Ethanol, höhere Alkohole, andere sauerstoffhaltige organische Verbindungen und verschiedene Mengen an Paraffinen) der Reindestillation von Methanol (Ullmann 1990a). Diese Reststoffe (in der Massenbilanz als Fuselöle bezeichnet, 120 kg/t Methanol (Methanol 1996)) werden bei GEMIS als Produktionsabfall bilanziert. Katatysatoren (Cu, Co, Ni, Mo) werden zurückgewonnen oder anderweitig verwendet (Ullmann 1990a). Quantitative Angaben zu Luftemissionen oder Abwasserwerten liegen nicht vor. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Brennstoffe-fossil-Gase gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2000 Lebensdauer: 20a Leistung: 1MW Nutzungsgrad: 59% Produkt: Brennstoffe-Sonstige Verwendete Allokation: Allokation durch Gutschriften

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