Mehlwürmer (Tenebrio molitor) sind eine nachhaltige Proteinquelle mit hohem Proteingehalt (~25-75 % ihres Trockengewichtes). Für die industrielle Verarbeitung ist die Trocknung entscheidend, da sie Produktqualität, Haltbarkeit und Energiekosten beeinflusst. Konventionelle Verfahren sind energieaufwändig und bisher nicht für eine maßgeschneiderte Produktqualität ausgelegt. Alternativen wie Mikrowellen- und Wirbelschichttrocknung sind theoretisch viel energieeffizienter, jedoch prozesstechnisch für Mehlwürmer noch nicht ausreichend erforscht, insbesondere vor dem Hintergrund einstellbarer Produkteigenschaften.
Mikrowellen- und Wirbelschichttrocknung sollen so gestaltet werden, dass der Energieverbrauch im Vergleich zur herkömmlichen Trocknung deutlich reduziert wird. Dafür wird der Einfluss von Temperatur und Wassergehalt auf die Proteineigenschaften untersucht. Ziel ist ein Vorhersagemodell zur dynamischen Prozesssteuerung auf Basis weniger Messdaten, um die Einstellbarkeit der Produktqualität einerseits und die Energieeffizienz andererseits zu verbessern. Das Projekt liefert KMU und Start-Ups wichtiges Wissen zu Produktqualität, Energieeffizienz und neuen Trocknungstechnologien. Effiziente Trocknung kann weltweit bis zu 150.000 TJ Energie einsparen.

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Erneuerbare Ressourcen können zur Herstellung biologisch abbaubarer Polymere unter Verwendung verschiedener Mikroorganismen genutzt werden. Um die Produktionsprozesse für Biopolymere zu intensivieren, können neuartige und wettbewerbsfähige Reaktorkonzepte wie Biofilmreaktoren entwickelt werden. Eine solche Entwicklung erfordert eine starke wissenschaftliche Grundlagenforschung, für die wir leistungsfähige mathematische Modelle anstreben.

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Das Projekt "In-situ-Bestimmung von Erwärmung und Phasenänderungen in mikrowellen-beheizten Schüttbettreaktoren" betrachtet die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen mit materialabhängiger Reflexion, Transmission und Absorption bei stark gekoppelten Änderungen der dielektrischen Eigenschaften mit Temperatur und Zusammensetzung. Zu diesem Zweck wird in Zusammenarbeit mit SFB Bulk Reaction Projekt B1 ein neuartiger radarbasierter Messaufbau für Prozesse bis zu max. 1000°C entwickelt. Die wesentliche Neuerung dieser Messtechnik wird die Möglichkeit sein, sie in-situ unter Hochtemperaturbedingungen im Mikrowellenreaktor einzusetzen. Die erfassten dielektrischen Änderungen werden zeitaufgelöste Korrelationen für lokale Temperatur- und Zusammensetzungsänderungen liefern. Die Funktionalität des Systems wird für Phasenänderungen in Holz zusammen SFB Bulk Reaction Projekt B4 demonstriert werden. Der Einfluss interner Wärmequellen (direkte volumetrische Erwärmung durch Mikrowellen) auf die Wärmeübergangskoeffizienten wird zusammen mit SFB Bulk Reaction Projekt B2 untersucht.

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Projektziel ist eine solide Grundlage für die Entwicklung skalierbarer Bioreaktoren, in welchen produktive Biofilme in porösen Strukturen immobilisiert sind. Das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, das in solchen Reaktoren realisiert wird, stellt den Schlüssel zu wettbewerbsfähigen Raum-Zeit-Ausbeuten dar. Für die Methodenentwicklung wird die anaerobe Kohlenmonoxid-Fermentation durch Methanosarcina acetivorans betrachtet, einem genetisch handhabbaren Mikroorganismus mit nachgewiesenem Potenzial für die industrielle Synthese von Feinchemikalien, einschließlich Terpenen. Ein zuverlässig vorhersagbarer Prozess wird durch Kombination von Transkriptomanalyse und genetischer Manipulation auf der einen und verfahrenstechnischer Überwachung thermodynamischer und struktureller Eigenschaften auf der anderen Seite erreicht. Messungen werden durch einen skalierbaren numerischen Ansatz vervollständigt, der ein rechnerisch effizientes 3D-Porennetzwerkmodell des gekoppelten Transports und Wachstums umfasst sowie die realistische Struktur der porösen Reaktoren und die Physiologie von M. acetivorans berücksichtigt. Die Modellentwicklung wird Teil des Projekts sein und Experimente mit kontinuierlich durchströmten mikrofluidischen Plattformen einbeziehen, da sie sowohl das Wachstum von M. acetivorans unter kontrollierten Bedingungen in einem kleinen Reaktor als auch die erforderlichen Modellparameter abbilden können. Die Terpenproduktivität soll durch Modulation der Biofilmarchitektur, der Filmdicke und der Umsatzrate maximiert werden. Dies wird durch Anpassung der Durchflussraten, Konzentrationsprofile und der räumlichen und zeitlichen Variation der Temperatur unter Verwendung des Vorhersagemodells erreicht. Die optimale Substratstruktur, die ebenfalls durch Modellvorhersagen zugänglich wird, soll eine hohe Porennutzung und eine langanhaltende hohe Biofilmproduktivität ermöglichen. Als Packungsmaterial wird zunächst Polyacrylnitril (PAN) betrachtet, das sich bereits als geeignet für die Biofilmbildung von M. acetivorans unter Batch-Bedingungen erwiesen hat. Die Erfassung der Anpassung des Biokatalysators an die Variation der räumlichen und zeitlichen Bedingungen wird durch eine sinnvolle Verknüpfung von experimentellen und in-silico Daten möglich sein, wodurch biologische Regulierungsroutinen auf die spezifischen Anforderungen zugeschnitten werden können. Schließlich wird M. acetivorans in einem auf hohe Produktivität ausgelegten Plug-Flow-Bioreaktor (PFBR) kultiviert. Das Wachstum wird mittels Röntgentomographie abgebildet, und die Produktivität wird durch Analyse von gelösten und gasförmigen Stoffwechselprodukten sowie durch Untersuchung von Zellmaterial nach dem Prozess bewertet. Diese Experimente werden den Übergang von geschlossenen Behältern zu kontinuierlichen Produktionsbedingungen vorantreiben. Die Ergebnisse werden sowohl für die Validierung des modellgestützten Ansatzes als auch für die Konzipierung einer Upscaling-Strategie von Nutzen sein.

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In der Ziegelproduktion ist die Trocknung ein prozessbestimmender Schritt, da sie zum einen über die Qualität des Produktes entscheidet und zum anderen die Produktionskapazität bestimmt. Momentan werden dafür bei den Ziegelherstellern fast ausschließlich konvektive Verfahren eingesetzt, welche heiße Luft als Trocknungsmedium verwenden. Die Möglichkeiten der Prozessintensivierung sind mit den derzeitigen Konzepten bereits weitestgehend ausgeschöpft. Außerdem wird die heiße Luft durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen, in der Regel Erdgas, erzeugt. Eine Elektrifizierung ist hier zielführend, so dass die Trocknung mit regenerativen Energien erfolgen kann, wenn langfristig Ofen und Trockner entkoppelt werden und die Wärme nicht aus dem Brennprozess zurückgewonnen wird.

Das Forschungsvorhaben leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Konstruktion, Regelung und Betrieb von Mikrowellentrocknern. Die Untersuchungen sind auf die systematische Prozessführung unter Berücksichtigung der Prozess- und Materialparameter fokussiert. Als Projektergebnis werden Handlungsempfehlungen in Form einer umfangreichen Datenbasis zum Verhalten von Ziegelrohlingen in Mikrowellentrocknern bei unterschiedlichen Prozessführungen angestrebt. Diese können genutzt werden, um das skalierbare Segment eines Mikrowellentrockners in die Industrie zu überführen.

Somit hat das Vorhaben in zweierlei Hinsicht einen Beitrag zum gesellschaftlichen und gesamtwirtschaftlichen Ziel der Energie- und Ressourceneffizienz. Zum einen direkt durch die gesteigerte Energieeffizienz, zum anderen als Verfahren klimaneutraler, industrieller Prozesse.

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Um die Emissionsziele bis 2045 zu erreichen, sind insbesondere im Bereich der energieintensiven Industrieprozesse, in welchen thermische Energie derzeit hauptsächlich durch Verbrennung fossiler Energieträger bereitgestellt wird, Anpassungen und Innovationen der bestehenden Technologien und Prozesse notwendig. Eine Möglichkeit, um die Treibhausgasemissionen zu senken und gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch zu reduzieren, stellt die Mikrowellenerwärmung dar, welche eine vollständige Elektrifizierung auf Grundlage von erneuerbaren Energien ermöglicht. Sie steht für vielfältige thermische Prozesse, auch im Hochtemperaturbereich (Trocknung, Kristallisation, Katalyse, Schmelzen, Sintern, Eisenreduktion, Pyrolyse, Verdampfen, …) zur Verfügung, hat jedoch in den meisten verfahrenstechnischen Anwendungen einen niedrigen technischen Entwicklungsgrad. Bei der Mikrowellenerwärmung wird Wärme im Produkt in Abhängigkeit der Verteilung der elektromagnetischen Feldstärke und der dielektrischen Produkteigenschaften dissipiert. Die Energiedissipation ist vor allem in Produkten mit hohen dielektrischen Verlustfaktoren, z.B. wasserhaltigen Materialien, sehr effizient. In thermisch dicken Materialien, in welchen das Wasser auch örtlich inhomogen verteilt vorliegen kann, kann die Energiedissipation zu sogenannten hot spots führen. In diesen lokal begrenzten Bereichen kann die Temperatur extrem schnell ansteigen. Dies kann in Prozessen, wie der Pyrolyse, von Vorteil sein. Bei der Trocknung mechanisch anspruchsvoller Materialien hingegen, kann dies zu ungewünschten Produktschädigungen führen. In der Literatur sind hierfür bisher keine Modelle beschrieben, welche die Mikrowellenerwärmung porenskalig berücksichtigen. Um ein besseres Verständnis für die Temperaturverteilung auf der Porenebene zu generieren, soll ein nicht-isothermes 3D-Porennetzwerkmodell (PNM) mit inneren Energiequellen- und Senken in MATLAB erstellt werden, welches die Produktstruktur sowie die örtlich verteilte Wasserbeladung berücksichtigt.

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Elektromagnetische Erwärmung eines Festbettreaktors für Hochtemperaturanwendungen
Versuchsergebnisse zur Holzpyrolyse im Mikrowellenreaktor haben die Bedeutung der Probengröße sowie des Wassergehalts für die dielektrische Erwärmung untermauert. Während freies oder kapillares Wasser den Erwärmungsprozess offensichtlich behindert, scheinen gebundenes Wasser und möglicherweise auch das während der Reaktion entstehende Wasser die dielektrischen Eigenschaften deutlich zu verbessern. Darüber hinaus scheint die Größe der Probe entscheidend für eine effiziente Erwärmung zu sein. Die verfügbare Literatur enthält lediglich Beschreibungen von experimentellen Beobachtungen, die bei der Pyrolyse von zufälligen Biomassen gewonnen wurden. Eine systematische Untersuchung der gekoppelten Auswirkungen von Wassergehalt und Probengröße oder ein grundlegendes Verständnis der Erhitzungsmechanismen liegen nicht vor.

Die Mikrowellenpyrolyse erfolgte mit einem Laborreaktor und Buchenholzblöcken unterschiedlicher Größe, definiertem Anfangswassergehalt und bei unterschiedlichen Leistungsstufen Die räumliche und zeitliche Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Mikrowellenreaktor, sowohl im leeren Zustand als auch mit Probe, wurde simuliert, um die Wechselwirkungen zwischen ihnen aufzuzeigen. Referenzversuche mit konventioneller Pyrolyse lieferten Daten über Temperaturniveaus und Umwandlungsstadien.

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Wir werden zur Aufklärung der Pyrolyse-Mechanismen von Biomasse und Kunststoffen beitragen, indem wir NMR- und IR-Analysetechniken anwenden (verantwortliche Wissenschaftlerin: Dr. Liane Hilfert). Verschiedene Kunststoffe (Abfälle) und lignozellulosehaltige Biomasse werden auf ihre Pyrolyse hin getestet. Noch wichtiger ist, dass verschiedene Mischungen von Kunststoffen und Biomasse untersucht werden.

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Wir werden zur Aufklärung der Pyrolyse-Mechanismen von Biomasse und Kunststoffen beitragen, indem wir NMR- und IR-Analysetechniken anwenden (verantwortliche Wissenschaftlerin: Dr. Liane Hilfert). Verschiedene Kunststoffe (Abfälle) und lignozellulosehaltige Biomasse werden auf ihre Pyrolyse hin getestet. Noch wichtiger ist, dass verschiedene Mischungen von Kunststoffen und Biomasse untersucht werden.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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Die intermittierende Mikrowellentrocknung kann derzeit als einziges alternatives Verfahren die rein auf fossilen Brennstoffen basierende konvektive Trocknung in der Ziegelindustrie ablösen und zu einer Verkürzung der Trocknungsdauer bei gleichzeitiger energetischer Optimierung des Prozesses beitragen. Der im Vergleich zur konvektiven Trocknung um ein Vielfaches effizientere Energieeintrag ermöglicht sehr hohe Verdampfungsgeschwindigkeiten und bedarf daher einer gut optimierten Regelung. Andernfalls würden die hohen Dampfdrücke zur Zerstörung der Ziegelrohlinge führen. Die Prozessteuerung muss auf den zeitlich veränderlichen und beiderseitig gekoppelten Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen im Inneren der Ziegel basieren. Bisher existieren aber keine belastbaren Daten an Hand derer dies realisierbar ist. Ziel des Projektes ist es, auf Grundlage der Materialeigenschaften und experimentbasierter Berechnungsmodelle die intermittierende Mikrowellentrocknung so weit zu entwickeln, dass sie als Verfahrensschritt für die Ziegelindustrie und somit als ein alternatives Trocknungsverfahren zur Verfügung steht. Zur Beschreibung des Trocknungsprozesses sollen elektrodynamische und thermodynamische Modelle formuliert und miteinander gekoppelt werden. Für die Modellformulierung und deren Validierung werden Experimente in einem absatzweise betriebenen Mikrowellentrockner stattfinden. Außerdem ist eine vollständige Charakterisierung sowohl der Ziegelrohlinge wie auch der fertig getrockneten Produkte vorgesehen.

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Bei der Trocknung poröser Medien, aber auch in anderen verfahrenstechnischen Anwendungen, in welchen mindestens zwei Phasen (Gas und Flüssigkeit) gleichzeitig durch den porösen Feststoff transportiert werden, können hydraulisch leitfähige Flüssigkeitsfilme auftreten. Die Flüssigkeitsfilme bilden sich entlang der Feststoffoberfläche aus, wenn sich die Flüssigkeit aus den Poren zurückzieht. Sie können Durchmesser von mehreren Mikrometern erreichen und sich über eine Distanz von mehreren Porenreihen erstrecken. Flüssigkeitsfilme können damit einen erheblichen Beitrag zum Stofftransport leisten und z.B. zu einer Verkürzung der Gesamttrocknungsdauer beitragen. Das Ziel dieses Projektes war es daher, den Transport von Wasser bei Auftreten von Flüssigkeitsfilmen während der Trocknung von Porennetzwerken zu untersuchen.
Flüssigkeitsfilme tragen vor allem deswegen zu einer Verkürzung der Trocknungszeit bei, weil sie die Flüssigkeitsleitfähigkeit an die Trocknungsfront über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten können. Die Gesamtsättigung kann daher bei konstanter Trocknungsfrontposition und Trocknungsgeschwindigkeit um einen erheblichen Anteil reduziert werden. Die Tortuosität der Flüssigkeitsfilme im 2D-Netzwerk führt zu Abweichungen im Vergleich zu den Vorhersagen der in der Literatur beschriebenen Einzelkapillaren. Der Vergleich der gefundenen Ergebnisse mit Literaturdaten zeigt, dass sowohl Gravitation als auch die Berücksichtigung der Netzwerkgeometrie (2D, 3D) für zukünftige Betrachtungen erforderlich ist. Die Parametrierung des Porennetzwerkmodelles kann dabei unter Zuhilfenahme von Lattice-Boltzmann-Simulation erfolgen.

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