Masterarbeit

Simulationsunterstützte Optimierung einer magnetisch

unterstützten Wirbelbettelektrode zur in-situ Generierung

von H2O2 für elektroenzymatische Synthesen

Hintergrund:

Herkömmliche Prozesse zur Chemikaliensynthese verwenden meist fossile Rohstoffe und verursachen  dadurch klimaschädliche Emissionen. Eine innovative Alternative für eine grüne Chemikalienherstellung ist die Elektrobiosynthese, die Elektrochemie mit Biotechnologie kombiniert. Durch Strom aus erneuerbaren Energien, der Verwendung von grünen Katalysatoren (e.g. Enzyme) und dem Einsatz nachwachsender Rohstoffe können Chemikalien „CO2-neutral“ synthetisiert werden. Um möglichst konkurrenzfähige Elektrobiosynthesen zu erzielen, werden hohe Raum-Zeit Ausbeuten angestrebt und Reaktoren mit hohen volumenspezifischen Elektrodenoberflächen benötigt. In dem Forschungsprojekt in das die Masterarbeit eingebettet ist, soll ein magnetisch unterstützter Wirbelbettreaktor für elektroenzymatische Synthesen  entwickelt und eingesetzt werden. Die Elektrode bilden in diesem Reaktorkonzept elektrisch leitfähige Magnetpartikel, die durch eine magnetische Verkettung eine kontrollierte Fluidisierung ermöglichen. Durch die vorteilhafte magnetische Unterstützung soll eine verbesserte elektrische Kontaktierung erreicht und die hohe Oberfläche der Partikelelektrode für elektrochemische Reaktionen nutzbar gemacht werden.In Kombination mit den guten Stofftransporteigenschaften des Wirbelbetts soll ein skalierbarer Reaktorprototyp für hohe elektrochemische Umsätze entwickelt werden. Die Effizienz des Reaktors für elektro-enzymatische Synthesen soll durch die Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid, das als Co-Faktor für Oxyfunktionalisierungsreaktionen von Peroxygenasen benötigt wird, demonstriert werden. Da die Löslichkeit von Sauerstoff in wässrigen Lösungen gering ist, ist es eine Herausforderung die Elektrodenoberfläche zu maximieren und die Kontaktierung der Partikelelektrode zu optimieren.

Aufgabenstellung:

Im Rahmen der Masterarbeit soll die in-situ Generierung von Wasserstoffperoxid im magnetisch unterstützten Wirbelbett experimentell und simulativ optimiert werden.

Die Arbeitspakete umfassen:

- Design von Kontaktierungselementen für eine optimierte elektrische Kontaktierung der Partikelelektrode

- Experimentelle Untersuchung von Einflussparametern wie Flussrate, Spannung, Magnetfeld und pH auf die elektrochemische Generierung von Wasserstoffperoxid im optimierten elektrochemischen Wirbelbettreaktor

- Modellierung von Kernphänomenen für die elektrochemische Generierung von Wasserstoffperoxid mit der Simulationssoftware COMSOL Multiphysics

- Vergleich des Simulationsmodells mit den experimentellen Ergebnissen

Betreuung:

Neben der wissenschaftlichen Betreuung durch Herrn Prof. Dr.-Ing. Matthias Franzreb wird Herr/Frau XXX in der praktischen Durchführung der Arbeit durch Herrn M. Sc. Michael Abt, Doktorand am Lehrstuhl, unterstützt.