TY - THES A1 - Dasgupta, Sunanda T1 - Metastable zone determination and nucleation kinetics during melt crystallization of poly-unsaturated fatty acids T1 - Bestimmung der metastabilen Bereiche und Keimbildungskinetiken der Schmelzkristallisation von mehrfach ungesättigten Fettsäuregemischen N2 - The range of application of fatty acids is as broad and varied as the diverse kinds of fatty acids themselves, stretching from bulk scale productions as in the case of biodiesel or lubricant manufacturing over consumer or end products like cosmetics, medicinal or nutritional additives to relatively smaller scale specialty chemicals like epoxy resins, insect repellents and so on. The crystallization temperatures of the unsaturated fatty acids are much lower than those of the saturated ones, which is an important and desirable property for raw materials such as in the production of epoxy resins. Separation and purification of these enriched unsaturated fatty acid fractions depending on their applications is mainly performed by two thermal fractionation processes, namely, distillation and crystallization. The potential behind the success of purification of these multi-component organic fatty acid mixtures with the help of melt crystallization, apart from the fact that it is cost effective owing to the obvious reduction of solvent removal and regeneration steps, is that of the relatively large differences in the melting points of the individual fatty acids. A detailed and fundamental understanding of the crystallization especially nucleation kinetics of a variety of vegetable oil based fatty acid mixtures has been provided in this work. It also describes the solid-liquid phase diagrams of these poly-unsaturated mixtures including their metastable zone widths of nucleation and solidification. This theoretical part of this thesis is a detailed resource on the global production and application of vegetable oils and their derivatives. A clear mathematical and physical road map for the application of the Fisher Turnbull model to calculate the enthalpy values starting from the very basic supersaturation equation has been established and extensively explained as well. Nucleation studies have been carried out on various reactor setups in micro-, milli- and liter-scale. It successfully models the induction times of nucleation as a function of supercooling at different cooling rates both in micro and macro scale. 3D modeling of this parameter to see the combined effects of temperature and in turn viscosity have also been successfully implemented on the milliliter scale results, as more of the bulk nucleation phenomenon was observed in the latter. Fisher Turnbull plot and the Gibbs Thompsons model were adjusted and applied to correlate the Gibbs free energy, involved with the rate of nucleation captured by the FBRM™ (Focused Beam Reflectance Measurement) technology. The scope of this measurement technology was also tested in liter scale. The results showed that FBRM technology is applicable when the solution is relatively dilute and does not have too many overlapping crystals. N2 - Das Anwendungsgebiet für Fettsäuren ist so breit wie die verschiedenen Arten von Fettsäuren selbst, von großtechnischen Anwendungen wie Biodiesel oder Schmiermittel, über Kundenendprodukte wie Kosmetika, Medikamente oder Nahrungsergänzungsmittel bis hin zu Spezialchemikalien wie Epoxidharzen, Insekten-Repellentien und vieles mehr. Die Kristallisationstemperaturen der ungesättigten Fettsäuren sind viel niedriger als die der gesättigten Fettsäuren, was eine wichtige und wünschenswerte Eigenschaft für Rohmaterialien ist, wie für die Herstellung von Epoxyharzen. Die Trennung und Reinigung dieser angereicherten, ungesättigten Fettsäurefraktionen in Abhängigkeit von ihren Anwendungen wird hauptsächlich durch zwei thermische Fraktionierungsverfahren durchgeführt, der Destillation und Kristallisation. Das Potential hinter dem Erfolg der Reinigung dieser mehrkomponentigen organischen Fettsäuregemische mit Hilfe der Schmelzkristallisation ist auf die relativ großen Unterschiede in den Schmelzpunkten der einzelnen Fettsäuren zurückzuführen. Darüber hinaus ist das Verfahren kosteneffektiv, da auf Lösungsmittelentfernung und Regenerierungsschritte verzichtet wird. Ein detailliertes und grundlegendes Verständnis der Kristallisation, insbesondere der Nukleationskinetik einer Vielzahl von Fettsäuremischungen auf Pflanzenölbasis wurde in dieser Arbeit bereitgestellt. Es beschreibt auch die Fest-Flüssig-Phasendiagramme dieser polyungesättigten Gemische einschließlich ihrer metastabilen Zonen von Keimbildung und Erstarrung. Dieser theoretische Teil der Arbeit beinhaltet ebenfalls eine detaillierte Übersicht über die globale Produktion und Anwendung von Pflanzenölen und deren Derivaten. Ein klarer mathematischer und physikalischer Leitfaden für die Anwendung des Fisher-Turnbull-Modells zur Berechnung der Enthalpiewerte, ausgehend von der sehr grundlegenden Übersättigungsgleichung, wurde erstellt und ausführlich erläutert. Nukleationsstudien wurden an verschiedenen Reaktoraufbauten im Mikro-, Milliliter- und Liter-Maßstab durchgeführt. Es wurden erfolgreich die Induktionszeiten der Keimbildung als Funktion der Unterkühlung bei unterschiedlichen Abkühlraten sowohl im Mikro- als auch im Makrobereich modelliert. Die 3D-Modellierung dieses Parameters, um die kombinierten Effekte von Temperatur und wiederum Viskosität zu sehen, ist auch erfolgreich auf den Milliliter-Skalen-Ergebnissen implementiert worden, da mehr von dem Phänomen der Bulk-Keimbildung in diesem Bereich beobachtet wurde. Für das Fisher-Turnbull-Plot und das Gibbs-Thompsons-Modell erfolgte eine Anpassung bei der Anwendung, um die freie Gibbs Energie mit der Keimbildungsrate zu korrelieren. Diese wurde durch die FBRM ™ (Focused Beam Reflectance Measurement) -Technologie erfasst. Diese Messtechnik wurde ebenfalls im Liter-Maßstab getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die FBRM-Technologie anwendbar ist, wenn die Lösung relativ verdünnt ist und nicht zu viele überlappende Kristalle aufweist. KW - Metastable zone KW - Fatty acid KW - Nucleation kinetics KW - Melt crystallization KW - FBRM KW - Metastabil Bereich KW - Mehrfach ungesättigte Fettsäure KW - Keimbildung Kinetik KW - Schmelzkristallisation KW - FBRM KW - Polyenfettsäuren KW - Keimbildung KW - Kinetik KW - Schmelzkristallisation KW - Metastabilität Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44175 ER - TY - THES A1 - Jurischka, Constantin T1 - Entwicklung eines kombinierten Verfahrens zur Isolierung von Pflanzeninhaltsstoffen am Beispiel von ausgewählten ätherischen Ölen T1 - Development of a combined process for isolation of plant compounds such as selected ethereal oils N2 - Pflanzenbasierte Roh- und Wertstoffe erlangen auf allen Gebieten des menschlichen Denkens und Handelns zunehmend an Bedeutung. So werden Wirksubstanzen natürlichen Ursprungs in kosmetischen und pharmakologischen Anwendungen, sowie in der Nahrungsmittelmittelindustrie als beispielsweise Nahrungsergänzung verstärkt gegenüber synthetischen Produkten bevorzugt. Diese Entwicklung beruht auf dem zunehmenden Verständnis für nachhaltige Entwicklungen in Wirtschafts- und Naturkreisläufen einerseits und dem breiten, hocheffektiven Wirkspektrum bei akzeptablen Nebenwirkungsprofilen biologisch aktiver Substanzen andererseits. Grundvoraussetzung zur Nutzung dieses Potentials ist eine Technologiekaskade, welche die primäre Gewinnung und die darauf aufbauende Aufbereitung und Veredlung bis hin zur vollständigen Isolierung dieser Naturstoffe erlaubt. Die vorliegende Arbeit leistet in Bezug auf die stoffschonende Auslegung von Einzelprozessen und die anschließende effiziente Kombination der entwickelten Verfahrensschritte zu einem Gesamtprozess einen wesentlichen Beitrag. Ausgehend von der effektiven Gewinnung flüchtiger Stoffe und Stoffgruppen aus ausgewählten ätherischen Ölpflanzen konnten wertbestimmende Substanzen als L-Fenchon (Foeniculum vulgare) aus dem Bitteren Fenchel und Bisaboloide, sowie Chamazulen aus der Echten Kamille (Matricaria chamomilla) identifiziert und nutzbare Aufreinigungs- und Separationsverfahren abgeleitet werden. Eine erste effiziente Anreicherung der Wirkstoffe erfolgte mithilfe der neu entwickelten Methode als separierende Trägerdampf-Destillation, wobei durch die gezielte Druckanpassung und Variation der Trägerdampfzusammensetzung eine Prozesstemperaturabsenkung mit positiven Effekten auf die Trennleistung und Wertstoffausbringung erreicht wurde. Die anschließende vollständige Isolierung ist durch flüssigchromatographische Verfahrensabfolgen realisiert worden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die kontinuierliche Prozessführung als quasikontinuierliches Verfahren sowie der bewegte Gegenstrom als Simulated Moving Bed (SMB) einer diskontinuierlichen Batch-Chromatographie in Bezug auf Stoff- und Ressourcenschonung in den betrachteten Anwendungsfällen deutlich überlegen ist. Die abschließende verbrauchsrelevante und darauf aufbauend wirtschaftliche Bewertung des entwickelten kombinierten Verfahrens wies die umgesetzte Methodenkopplung als effiziente Alternative zu den im Vergleich ressourcenaufwendigen und bisher hauptsächlich ausgelegten Single-Unit-Operations aus. N2 - Plant based raw materials and resources are gaining importance in all areas of human thinking and actions. Active ingredients of natural origin are being preferred to synthetic ones in cosmetic and pharmaceutical applications as well as in the food industry as supplements. This development is a result of an increased awareness for renewable industries and natural cycles on one hand and the wide and highly effective spectrum of acceptable side effects of biologically active substances on the other. The basic prerequisites to exploit this potential is to develop a technological cascade starting from the primary extraction followed by processing and refining to a complete isolation of the specific natural material. The work presented here makes a substantial contribution to the application of gentle processes and design of a combination of the developed process steps to generate an overall process for the same. Among the various effective extraction of volatile substances and group of substances from selected ethereal oil plants, L-Fenchone from the bitter fennel (Foeniculum vulgare) and Bisaboloids, as well as Chamazulene from the German Camomile (Matricaria chamomilla) have been identified along with useful purification and separation processes. The first enrichment of the substance succeeded with the help of a newly developed method of steam distillation. A positive effect on the separation efficiency and output could be achieved by adjusting the pressure and varying the steam composition with process temperature reduction. The final complete isolation was done by mean of liquid chromatography. It was also shown that a continuous process to purify the resources for the necessary applications could be realized with the application of a quasi-continuous process with a moving crossflow in the form of a Simulated Moving Bed (SMB) on the discontinuous batch chromatography method. The resulting consumption relevant and subsequent economic evaluation of the developed combined method proves that the used coupling of methods is an effective alternative to the resource consuming and the existing Single Unit Operations. KW - Isolierung KW - Pflanzeninhaltsstoffe KW - Trägerdampf-Destillation KW - Kontinuierliche Chromatographie KW - Verfahrenskombination KW - Purifikation KW - Plant ingredients KW - Steam distillation KW - Continuous chromatography KW - Process combination KW - Isolierung KW - Flüssigkeitschromatographie KW - Pflanzeninhaltsstoff KW - Destillation Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41644 ER -