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    Comprehensive characterization and evaluation of the process chain and products from Euphausia superba exocuticles to chitosan
    (2023) Hahn, Thomas; Egger, Jeannine; Krake, Simon; Dyballa, Michael; Stegbauer, Linus; Seggern, Nils von; Bruheim, Inge; Zibek, Susanne
    Antarctic krill (Euphausia superba) is a source for compounds of high nutritive value. Within that process of extraction, exocuticles (shells) accumulate which are currently disposed. A valorization of the compounds of the exocuticle such as chitosan would be beneficial to avoid waste and to obtain a versatile polymer at the same time. In contrast to previous investigations focusing on chitosan production from whole krill, we applied and optimized process stages of the chitosan production from the exocuticles, performing a comprehensive analytical evaluation of the whole process, the side streams and the products for the first time. Degreasing was the first step resulting in a krill oil yield of 6.2% using ethanol. The fatty acid profile exhibited high contents of phospholipids (21.2%). Citric acid offered a demineralization efficiency of 93%. Deproteinization investigation revealed 2 M NaOH and 90°C for 2.5 h to be the best parameters, resulting in a deproteinization efficiency of 99.9% and a chitin content of 92.8%. The spectroscopic investigation indicated that the chitin has a crystallinity index of 76% and an acetylation degree of 88%. The deacetylation degrees of the resulting chitosans is determined to be 74%-88%, the molecular weight ranges from 102 to 126 kDa.
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    Selective oxidation of methane to hydrocarbon oxygenates using H2O2 over Fe-containing MFI zeolites in a micro fixed-bed reactor
    (2018) Zuo, Hualiang; Klemm, Elias (Prof. Dr.-Ing.)
    The selective oxidation of methane to value-added hydrocarbon oxygenates has profound meaning not only for chemical industry but also for academic research. However, it is a key challenge in catalysis as methane is a highly symmetric molecule that does not possess any dipolar moment or functionality that would allow for directing chemical reactions. The presented work studied the selective oxidation of methane to hydrocarbon oxygenates using aqueous H2O2 as an oxidant over Fe-containing MFI zeolites. The aim of this work is to improve the catalytic performance by intensifying the mass transport, adapting reaction conditions and optimizing the preparation of Fe-containing MFI zeolites.
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    Asymmetric Rh diene catalysis under confinement : isoxazole ring‐contraction in mesoporous solids
    (2024) Marshall, Max; Dilruba, Zarfishan; Beurer, Ann‐Katrin; Bieck, Kira; Emmerling, Sebastian; Markus, Felix; Vogler, Charlotte; Ziegler, Felix; Fuhrer, Marina; Liu, Sherri S. Y.; Kousik, Shravan R.; Frey, Wolfgang; Traa, Yvonne; Bruckner, Johanna R.; Plietker, Bernd; Buchmeiser, Michael R.; Ludwigs, Sabine; Naumann, Stefan; Atanasova, Petia; Lotsch, Bettina V.; Zens, Anna; Laschat, Sabine
    Covalent immobilization of chiral dienes in mesoporous solids for asymmetric heterogeneous catalysis is highly attractive. In order to study confinement effects in bimolecular vs monomolecular reactions, a series of pseudo‐C2‐symmetrical tetrahydropentalenes was synthesized and immobilized via click reaction on different mesoporous solids (silica, carbon, covalent organic frameworks) and compared with homogeneous conditions. Two types of Rh‐catalyzed reactions were studied: (a) bimolecular nucleophilic 1,2‐additions of phenylboroxine to N‐tosylimine and (b) monomolecular isomerization of isoxazole to 2H‐azirne. Polar support materials performed better than non‐polar ones. Under confinement, bimolecular reactions showed decreased yields, whereas yields in monomolecular reactions were only little affected. Regarding enantioselectivity the opposite trend was observed, i. e. effective enantiocontrol for bimolecular reactions but only little control for monomolecular reactions was found.
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    Herstellung von Acrylnitril aus biobasierter Milchsäure und Propionsäure
    (2019) Mack, Daniel; Klemm, Elias (Prof. Dr.-Ing.)
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    Optimierung von Reaktionsparametern und Katalysatorsystemen für die direkte Verflüssigung von Braun- und Biokohlen im Satzreaktor
    (2014) Trautmann, Martin; Traa, Yvonne (PD Dr. rer. nat.)
    Die Spitzenölausbeute dieser Arbeit bei der direkten Braunkohleverflüssigung unter optimalen Reaktionsbedingungen von 71 Ma.-% mit dem Umsatz von 97 % übertraf den Bestwert aus dem industriell aktiven Shenhua-Prozess (Produktionshöhe 1 Mt a-1), welcher 65 Ma.-% und 93 % beträgt. Hierbei bedient sich der Shenhua-Prozess einer hoch inkohlten Steinkohle, während die Prozessbedingungen pRkt. = 17 MPa, TRkt. = 728 K betragen. Die reaktivere aliphatenhaltige „bitumenreiche Braunkohle“ der vorliegenden Arbeit, HOME1 (nH/nC = 1,25; HHVwaf-Kohle = 32,5 MJ kg-1), erreichte die beschriebenen Werte für die Ölausbeute und den Kohleumsatz bei kleinerer Reaktionstemperatur von TRkt. = 673 K und ähnlichem Reaktionsdruck von pRkt. = 18 MPa. Eine Senkung der Reaktionstemperatur ist aus ökonomischer Sicht wichtig, um die Investitionskosten, welche den größten Beitrag für einen Prozess stellen, zu minimieren. Die hervorragenden Ergebnisse für die eigene Ölausbeute wurden mithilfe einer einfachen Katalysatoroptimierung erreicht. Durch Voruntersuchungen stellten sich 18Co/SiO2-Katalysatoren als ideal heraus, wobei SiO2 (ABET = 352 m2 g-1) für nanosphärisches pyrogenes Siliciumdioxid steht, welches dafür sorgen sollte, dass die reaktive Kontaktfläche zwischen Katalysator (hydrieraktive Cobaltkomponente) und makromolekularen Kohlefragmenten möglichst groß wird. Im Gegensatz zum industriell verwendeten FeS2 Katalysator, konnten mit diesen Katalysatoren höhere Ölausbeuten (55 Ma.-% mit S-18Co/SiO2_773K773A und 47 Ma.-% mit FeS2) bei gleicher Metallkonzentration (1,8 Ma.-%) erreicht werden. Der als aktiver eingestufte Industriekatalysator Co-Mo/Al2O3 ermöglichte zwar eine höhere Ölausbeute von 58 Ma.-% bei identischer Cobaltkonzentration (1,8 Ma.-%), jedoch betrug dessen Katalysatormasse nahezu das Fünffache des 18Co/SiO2-Katalysators, was sich aufgrund der modifizierten Verweilzeit nachteilig auf ein etwaiges Upscaling auswirkt. Durch die Erhöhung der Metalldispersion (von 3,0 auf 11,0 %) des 18Co/SiO2-Katalysators über mildere Aktivierungsbedingungen (keine Kalzinierung und H2-Aktivierung bei 673 K, statt Kalzinierung und H2-Aktivierung bei jeweils 773 K), und durch die zusätzliche in-situ-Sulfidierung dieses Katalysators zur Bildung der aktiveren Co9S8-Phase, konnte die Ölausbeute von 61 auf 71 Ma.-% erhöht werden. Dabei muss erwähnt werden, dass der Cobaltanteil an der Reaktion halbiert wurde und lediglich 0,9 Ma.-% bezogen auf die wasser- und aschefreie Braunkohle betrug. Hiermit konnte, zumindest im Labormaßstab, eine neuartige Katalysatorgeneration für die DCL entwickelt werden. Während der hohe Kohleumsatz von 97 Ma.-% die Möglichkeit einer einfachen Katalysatorwiedergewinnung bietet, die bereits unter suboptimalen Bedingungen zu 70 Ma.-% ohne Aktivitätsverlust möglich war, wurde auch die Variante eines magnetischen Trägermaterials SiO2/Fe3O4 für die Abtrennung getestet. Der Katalysator mit diesem Träger konnte zu 82 Ma.-% zurückgewonnen werden, während die Ölausbeute auf 67 Ma.-% sank, allerdings das Recycling des Katalysators keinen Aktivitätsverlust zufolge hatte. Die Öle der HOME1-Verflüssigung zeigen nicht zuletzt wegen der hochwertigen Einsatzkohle sehr gute Charakteristika (nH/nC = 1,57; HHVÖl = 43,5 MJ kg-1) welche sogar dem Rohöl „Arabian Light“ nahe kommen (nH/nC = 1,77; HHVÖl = 44,8 MJ kg-1), wodurch sich eine kosteneffiziente Aufarbeitung des Verflüssigungsöls ergäbe. Das Konzept der DCL mit 18Co/SiO2 als Katalysator konnte ebenso auf eine gewöhnliche, aromatenreichere Braunkohle, HOME 3 (nH/nC = 0,99; HHVwaf-Kohle = 30,0 MJ kg-1) ausgeweitet werden, wobei die Ölausbeute auf 57 Ma.-%, nH/nC auf 1,38 sowie HHVÖl auf 41,9 MJ kg-1 sanken. Diesbezüglich zeigte sich, dass insbesondere der aliphatische Charakter der bitumenreichen Braunkohle HOME1 entscheidend für die herausragenden Verflüssigungseigenschaften ist. Als ökologisch grünere Variante konnte die direkte Verflüssigung der Biokohle „SunCoal“ erfolgreich auf eine Bioölausbeute von 42 Ma.-% optimiert werden. Hierbei lag die Reaktionstemperatur mit 623 K sogar tiefer als für die DCL der Braunkohlen. Die erhaltenen Bioöle (nH/nC = 1,31; HHVÖl = 40,5 MJ kg-1; wO = 5,2 Ma.-%) erfüllten nahezu alle Kriterien eines „Bio-Petroleum“ (nH/nC > 1,5; HHVOil > 40,0 MJ kg-1; wO > 6,0 Ma.-%) und sind Teil einer vielversprechenden Route für die Produktion von „Biokraftstoffen der zweiten Generation“, welche komplementär zu weiteren „Upgradingmethoden“, wie etwa der Hydrodeoxygenierung von Bioölen ist. Der Katalysator 18Ni/TiO2 wurde ebenfalls in kleinsten Mengen (0,9 Ma.-% Nickel bezogen auf die waf-Kohle) verwendet und konnte magnetisch zu 99 Ma.-% zurückgewonnen werden, wenn die Biokohle keinen Schwefel enthielt. Die Möglichkeit, Biokohlen ohne Schwefel unter kontrollierten Bedingungen mit hoher Toleranz bezüglich des Einsatzstoffes herzustellen, existiert bereits. Der Katalysator zeigte ebenfalls kaum Deaktivierungserscheinungen in einer Recyclingreaktion. Insgesamt ist die direkte Biokohleverflüssigung eine aussichtsreiche Technologie, um künftige CO2-Emissionen zu senken und sollte weiter evaluiert werden. Insbesondere das Konzept lokaler HTC-Einheiten, von denen aus die erzeugte Biokohle (aus Bioabfällen) zu einer zentralen DCL-Anlage transportiert wird, könnte bei weiterer Verbesserung der Bioöleigenschaften relevant werden.
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    Reaktionstechnische Untersuchungen zur oxidativen Veresterung von Methacrolein mit Methanol an Au/NiO-Festbettkatalysatoren
    (2017) Otterstätter, Robin; Klemm, Elias (Prof. Dr.-Ing.)
    Die FISCHER Veresterung erreicht gewöhnlich zufriedenstellende Ausbeuten, wenn aktivierte Carbonsäuren eingesetzt werden. Dies führt zu stöchiometrischen Salzanfällen. Die direkte oxidative Veresterung (DOE) ist eine grüne Alternative zur verbreiteten FISCHER Veresterung. Im Vergleich dazu zieht die DOE Nutzen aus der Verwendung von Sauerstoff als Oxidans, welcher lediglich Wasser als Abfall produziert. Eine heterogene Reaktionsführung erhöht darüberhinaus ihren Vorzug. Ein Ester der in einigen Million Tonnen pro Jahr produziert wird, ist Methylmethacrylat, welches als Polymer eingesetzt wird. Jedoch ist der üblicherweise durchgeführte Produktionspfad sehr teuer und nicht umweltfreundlich: der Acetoncyanhydrin Prozess. Die DOE könnte eine konkurrenzfähige und stabile Alternative sein. Diese Arbeit führt einen neuen experimentellen Aufbau zur Untersuchung der DOE, einer Dreiphasenreaktion, ein. Der Aufbau besteht aus einer in-line Gasabsorptionskolonne und einem Festbettreaktor. Mit dieser Konfiguration konnten die unterschiedlichen Massentransferphänomena getrennt untersucht werden. Mittels Gasabsorptionskolonne kann der gas/flüssig Stoffdurchgang (Gaslöslichkeit) eingestellt werden und der gas/fest Stoffdurchgang (Filmdiffusion) kann mit dem Volumenfluss eingestellt werden. Es wurde ermittelt, dass die Porendiffusion eine wichtige Rolle für die Reaktion spielt, die durch die geringe Konzentration von gelöstem Sauerstoff vermittelt wird. Daher sollte der Partialdruck erhöht werden, was die Raumzeitausbeute wegen des HENRY-Gesetzes erhöht. Eine maximale Reaktionsrate wurde oberhalb von 4 bar Sauerstoffpartialdruck gemessen, während die Temperatur konstant bei 50 C belassen wurde. Diese Ergebnisse wurden in einem Vergleichssystem erzielt, dem Rührkesselreaktor. Ebenso wurde der Einfluss der Struktur des eingesetzten Katalysators und insbesondere des Trägers untersucht. So wurde festgestellt, dass mikroporöse Träger fast keinen Umsatz zeigten, wohingegen meso- and makroporöse schon. Dies unterstreicht die Bedeutung der Porendiffusion. Für die Diffusionsimprägnierung konnte der Schluss gezogen werden, dass eine geringe Konzentration des Metallsalzes und eine kurze Imprägnierdauer zu leistungsfähigeren Katalysatoren führen. Analysen mit einer Elektronenmikrosonde zeigten ebenso, dass das imprägnierte Gold näher am Rand der Trägerkügelchen gefunden werden konnte. Abschließend wurde die Desaktivierung erforscht, die schneller auftritt, wenn die Metallbeladung verringert wurde. Verschiedene Gründe konnten erfolgreich ausgeschlossen werden, welche am Ende zum Hinweis führten, dass Methacrylsäure oder oligomere Spezies die reversible Desaktivierung verursachen.
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    Eignung von metallorganischen Gerüstverbindungen als stationäre Phase in der Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC)
    (2017) Lieder, Christian; Klemm, Elias (Prof. Dr.-Ing.)
    Anwendung von metallorganischen Gerüstverbindungen als stationäre Phase in der HPLC, Vergleich mit klassischen Silika-Materialien. Synthese der metallorganischen Gerüstverbindungen, Modifizierung. Befüllung chromatographischer Säulen und Gegenüberstellung der Füllmethoden. Methodenentwicklung, Einflüsse auf chromatographische Ergebnisse. Chirale Erkennung, Untersuchung der Wechselwirkungen. Theoretisch chemische Berechnungen der Wechselwirkungen.
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    Prozessintensivierung einer anionischen Polymerisation von 1,3-Butadien in einem Kapillarreaktor
    (2017) Schulze, Simon Frank; Klemm, Elias (Prof. Dr.-Ing.)
    Zur Untersuchung der Prozessintensivierung einer anionischen Polymerisation von 1,3-Butadien wurden zwei experimentelle Aufbauten errichtet. Die Ergebnisse der Experimente, die in einem halbkontinuierlichen Rührkesselreaktor durchgeführt wurden, waren notwendig die Standardbedingungen zu definieren und um eine Rezeptur zur Produktion eines Polybutadiens mit einer Molmasse von 4500 g/mol, einem Vinylgehalt von etwa 75% und einer Polydispersität kleiner als 1.1 zu erstellen. Die Übertragung der anionischen Polymerisation in einen Kapillarreaktor führte zu Polybutadienen mit den geforderten Spezifikationen. Die Mikroreaktionstechnik erlaubt es, die Polymerisation in einem neuen Prozessfenster mit Reaktionstemperaturen über 70°C und Drücken über 15 bar durchzuführen. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand Experimenten, numerischer Modellierung und dem Vergleich idealer Reaktormodelle, dass die fluiddynamischen Eigenschaften den minimal erzielbaren PDI auf 1.04 begrenzen. Zudem wurden die Rahmenbedingungen, wie isotherme Reaktionsführung oder eine vollständige Initiierungsphase durch Simulationen belegt. Zur Bestimmung des Potenzials der Prozessintensivierung wurden die Raum-Zeit-Ausbeuten der beiden Prozesse verglichen. Die Übertragung in einen kontinuierlich betriebenen Flussreaktor und der Einsatz der Mikroreaktionstechnik führen zu einer Intensivierung um etwa den Faktor 100. Im Rahmen des CoPIRIDE-Projekts (unterstützt durch die EU, FP7) flossen die Ergebnisse dieser Arbeit in den Aufbau einer Produktionsstätte im Standard-Container-Format mit ein.
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    CHEMampere : technologies for sustainable chemical production with renewable electricity and CO2, N2, O2, and H2O
    (2022) Klemm, Elias; Lobo, Carlos M. S.; Löwe, Armin; Schallhart, Verena; Renninger, Stephan; Waltersmann, Lara; Costa, Rémi; Schulz, Andreas; Dietrich, Ralph‐Uwe; Möltner, Lukas; Meynen, Vera; Sauer, Alexander; Friedrich, K. Andreas
    The chemical industry must become carbon neutral by 2050, meaning that process‐, energy‐, and product‐related CO2 emissions from fossil sources are completely suppressed. This goal can only be reached by using renewable energy, secondary raw materials, or CO2 as a carbon source. The latter can be done indirectly through the bioeconomy or directly by utilizing CO2 from air or biogenic sources (integrated biorefinery). Until 2030, CO2 waste from fossil‐based processes can be utilized to curb fossil CO2 emissions and reach the turning point of global fossil CO2 emissions. A technology mix consisting of recycling technologies, white biotechnology, and carbon capture and utilization (CCU) technologies is needed to achieve the goal of carbon neutrality. In this context, CHEMampere contributes to the goal of carbon neutrality with electricity‐based CCU technologies producing green chemicals from CO2, N2, O2, and H2O in a decentralized manner. This is an alternative to the e‐Refinery concept, which needs huge capacities of water electrolysis for a centralized CO2 conversion with green hydrogen, whose demand is expected to rise dramatically due to the decarbonization of the energy sector, which would cause a conflict of use between chemistry and energy. Here, CHEMampere's core reactor technologies, that is, electrolyzers, plasma reactors, and ohmic resistance heating of catalysts, are described, and their technical maturity is evaluated for the CHEMampere platform chemicals NH3, NOx, O3, H2O2, H2, CO, and CxHyOz products such as formic acid or methanol. Downstream processing of these chemicals is also addressed by CHEMampere, but it is not discussed here.