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Ressourcenschonende Optimierung der Produktion des alternativen Zuckers Allulose

Allulose ist ein vielversprechender alternativer Zucker. Da Allulose bspw. in den USA bereits für den Lebensmittelbereich zugelassen ist und die Zulassung für Europa für 2025 erwartet wird, ist die industrielle Erzeugung von Allulose für das im Rheinischen Revier ansässige Unternehmen SAVANNA Ingredients GmbH von Interesse.  Auch wenn SAVANNA Allulose bereits in einer Demonstrationsanlage herstellt, ist diese Produktion bislang wenig ressourceneffizient und damit nicht wirtschaftlich. AllRePro soll dazu dienen, bestehende wissenschaftlich-technische Hürden zu überwinden und die heimische Alluloseproduktion wettbewerbsfähig zu machen. In einem ersten Schritt soll die Wirtschaftlichkeit der chemisch-katalytischen Erzeugung von D-Allulose durch die Entwicklung chemischer Katalysatoren erhöht werden. Dabei sollen Vorteile dieser Vorgehensweise gegenüber der enzymatischen Synthese herausgestellt werden. Zu diesem Zweck werden potenzielle Katalysatoren untersucht, die gezielt die Umwandlung von D-Fructose zu D-Allulose katalysieren (AP 1.1). Ausgewählte Katalysatorsysteme werden im Folgenden hinsichtlich Ihrer großtechnischer Einsatzmöglichkeiten untersucht (AP 1.2) und Möglichkeiten von deren Immobilisierung zur heterogenen Reaktionsführung geprüft (AP 1.3). Darauf aufbauend werden industriell anwendbare Aufreinigungsverfahren der chemisch katalysierten Reaktionsführung erarbeitet (AP 2). Zunächst werden konzeptionell Aufarbeitungsverfahren erarbeitet (AP 2.1). Dazu notwendige thermodynamische Daten werden abgeschätzt oder durch gezielte experimentelle Untersuchungen einzelner Unitoperations im Labor bestimmt (AP 2.2). Ein als vielversprechend identifiziertes Aufreinigungsverfahren wird anschließend experimentell entwickelt (AP 2.3) und im Rahmen einer techno-ökonomischen Analyse gegen die etablierte enzymatisch katalysierte Allulosesynthese in Relation gesetzt (AP 2.4). Die bisher verfolgte enzymatische Allulosesynthese wird zeitgleich einer simulativen Optimierung unterzogen (AP 3), was eine Ersparnis des eingesetzten Enzyms ermöglicht sowie in Verbindung mit den Ergebnissen aus AP 2.4 zu einer valideren techno-ökonomischen Vergleichbarkeit der enzymatischen Reaktionsführung führt. In AP 4 wird simulativ und experimentell die Auftrennung des resultierenden Feedgemischs durch eine kontinuierliche chromatografische Trennung evaluiert. Dazu wird in einem ersten Schritt ein sequenzieller Ansatz zur Parametrisierung des Trennsystems durchgeführt (AP 4.1). Diese Ergebnisse dienen als Grundlage für modellbasierte Untersuchungen des Trennprozesses (AP 4.2), welche unter Einbindung einer chromatografischen Demonstrationsanlage experimentell validiert werden (AP 4.3). Im Weiteren sollen auf die chromatografische Aufreinigung aufbauende Optimierungen des Allulose-Produktionsverfahrens hinsichtlich der Ressourceneffizienz des Kristallisationsverfahrens stattfinden (AP 5). Dazu werden gezielte Steuerungen von Kristallisationsparametern hinsichtlich der Übersättigung der Allulose vorgenommen, um die Kristallausbeute zu steigern und die Eigenschaften des Kristalls gezielter kontrollieren zu können (AP 5.1). Zur weiteren Steigerung der Ressourceneffizienz wird die Wiedereinsetzbarkeit der aus der Kristallisation resultierenden Mutterlauge angestrebt. Grundlage dieser Bestrebung sollen Untersuchungen von Aufarbeitungsschritten der aus der Kristallisation resultierenden Lösung bilden, die zu einer Identifizierung eines geeigneten Aufarbeitungsschritts dieser Lösung führt (AP 5.2). Zur Erlangung eines detaillierten Verständnisses der chemischen Vorgänge während verschiedener Schritte zur Aufreinigung der Allulose, werden Neben-, Reaktions- und Abbauprodukte, die aus der präparativen Aufarbeitung von Nebenkomponenten aus AP 4.1 resultieren, umfassenden analytischen Untersuchungen unterzogen, sodass darauffolgende Anpassungen an verschiedenen Stellen des Herstellungsverfahrens vorgenommen werden können (AP 6). 
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