Design und Herstellung von 3D-gedruckten Reaktoreinbauten für eine Kaskadenreaktion aus H₂O₂-Direktsynthese und Enzymkatalyse

Hintergrund:

Kaskadenreaktionen, bei denen mehrere chemische Prozesse in einem einzigen Reaktor stattfinden, bieten eine effiziente Möglichkeit zur Herstellung komplexer Verbindungen. In dieser Masterarbeit soll eine Kaskadenreaktion entwickelt werden, bei der Wasserstoffperoxid (H₂O₂) durch Direktsynthese aus H₂ und O₂ erzeugt und anschließend durch eine enzymatische Reaktion mit Peroxygenasen weiterverarbeitet wird. Hierfür ist der Einsatz von 3D-gedruckten Reaktoreinbauten geplant, die sowohl den Katalysator für die H₂O₂-Synthese als auch das Enzym in einer optimierten Geometrie integrieren.

 

Laura L. Trinkies, Derrick Ng, Zongli Xie, Christian H. Hornung, Manfred Kraut, Roland Dittmeyer, Direct synthesis of hydrogen peroxide at additively manufactured fluid guiding elements as structured catalysts, Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, Volume 188, 2023, 109353, ISSN 0255-2701

 

Ziel der Arbeit:

Das Ziel dieser Masterarbeit ist das Design, die Herstellung und die experimentelle Validierung von 3D-gedruckten Strömungsleitelementen (SLEs) oder anderen Geometrien für die Kaskadenreaktion von H₂O₂-Direktsynthese und Enzymkatalyse. Diese Einbauten sollen es ermöglichen, den Direktsynthese-Katalysator auf der Oberfläche zu beschichten und das Enzym in einem "Käfig" zu integrieren, um eine effiziente und stabile Reaktion zu gewährleisten.


Aufgaben:

1.    Design der Reaktoreinbauten:
•    Entwicklung von 3D-Modellen für Strömungsleitelemente (SLEs) und anderen Geometrien mit integrierten Bereichen für den Katalysator und das Enzym.
•    Optimierung der Geometrie für eine gleichmäßige Strömungsverteilung und maximale Reaktionsausbeute.

 

2.    Herstellung und Charakterisierung:
•    3D-Druck der entwickelten Reaktoreinbauten unter Verwendung geeigneter Materialien.
•    Beschichtung der SLEs mit dem Katalysator für die H₂O₂-Direktsynthese.
•    Integration des Enzyms in die Käfigstruktur innerhalb der SLEs und Charakterisierung der Enzymaktivität und -stabilität.

 

3.    Experimentelle Validierung:
•    Durchführung von Reaktionstests, um die Effizienz der H₂O₂-Synthese und der enzymatischen Umwandlung zu bewerten.
•    Analyse der Reaktionsprodukte und Bewertung der Stabilität und Langzeitperformance des Systems.


Voraussetzungen:
•    Studium im Bereich Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen, Chemie, Materialwissenschaften oder verwandte Fachrichtungen.
•    Kenntnisse in der Katalyse, enzymatischen Reaktionen und idealerweise im 3D-Druck.
•    Interesse an der Entwicklung neuer Reaktortechnologien und an interdisziplinärer Forschung.
•    Selbstständige, kreative und analytische Arbeitsweise.

 

Gruppe Flüssige und disperse Systeme (LIQ)
Stellenart: Masterarbeit
Eintrittstermin: ab Oktober 2024
Kontaktperson: Till Peters, Email: till.peters@kit.edu, Telefon: +49 721 608-26716