Identifizierung und Auswertung von Reaktionsnetzwerken zur Herstellung von maßgeschneiderten Kraftstoffen aus Biomasse ausgehend von Itaconsäure

Abstract:
Die vorliegende Diplomarbeit ist im Rahmen des Exzellenzclusters „Tailor-Made Fuels from Biomass“ (Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse) der RWTH Aachen im Bereich Reaktions- und Prozesstechnik angefertigt worden. Ziel des Exzellenzclusters ist es, optimierte Synthesewege zu neuen, auf Biomasse basierenden, synthetischen Kraftstoffen zu erforschen, die das Potenzial hinsichtlich moderner Verbrennungstechniken in herkömmlichen Motoren ausschöpfen. Durch eine interdisziplinäre Herangehensweise an das Thema soll eine optimale Kombination zwischen den Kraftstoffkomponenten und deren Herstellungsprozessen gefunden werden, die auf erneuerbaren Rohstoffen und neuen Verbrennungsprozessen basieren. Der Schwerpunkt der Forschung liegt dabei auf der „grünen“ und der holzartigen Syntheseroute, deren Bezeichnung sich jeweils auf den eingesetzten Rohstoff bezieht. In dieser Diplomarbeit liegt der Fokus auf der Untersuchung der „grünen“ Syntheseroute, bei der Itaconsäure aus der direkten Fermentation der „grünen“ Biomasse gewonnen wird. Die Aufgabenstellung der Diplomarbeit umfasst die Untersuchung und die Bewertung von alternativen Synthesewegen zur Kraftstoffherstellung aus Biomasse ausgehend von Itaconsäure. Für die Itaconsäure wird zuerst ein Reaktionsnetzwerk aufgestellt, in dem Synthesewege zu ausgewählten Kraftstoffzielmolekülen identifiziert werden können. Dabei werden sowohl bereits etablierte als auch bisher wenig genutzte Reaktionen berücksichtigt. Das aufgestellte Reaktionsnetzwerk wird anschließend in GAMS modelliert und hinsichtlich der Ausbeuten von Zielmolekülen optimiert. Das formulierte lineare Optimierungsproblem wird dann mit Hilfe der drei eingeführten Bewertungskriterien Ausbeute, Abschätzung des wirtschaftlichen Potentials und Toxizitätenbewertung ausgelegt, um die große Anzahl an alternativen Synthesewegen bewerten zu können. Anhand der Ergebnisse der Optimierung kann eine qualitative Bewertung der einzelnen alternativen Synthesewege durchgeführt werden, um so den „bestmöglichen“ Syntheseweg für das gegebene Zielmolekül zu identifizieren. Ziel der Diplomarbeit ist es also, die Kraftstoffherstellung ausgehend von Itaconsäure zu untersuchen und anhand von verschiedenen Zielmolekülen beispielhaft auszuwerten.