Katalyse in Bioraffinerien

Hintergrund und Zielsetzung

Der Übergang zu einer auf erneuerbaren Ressourcen beruhenden und rohstoffeffizienten Wirtschaft ist ein wichtiges Ziel – nicht nur der deutschen Bundesregierung. In einer solchen Bioökonomie müssen die bisher ganz überwiegend auf fossilen Rohstoffen wie Erdöl basierenden petrochemischen Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Bioraffinerien arbeiten analog wie bestehende Erdölraffinerien, in denen Erdöl zunächst in verschiedene Fraktionen aufgespalten und dann in hochintegrierten, oft vielstufigen Prozessketten zu Treibstoffen und Chemieprodukten weiterverarbeitet wird. Auch Biomasse wird zunächst fraktioniert – zum Beispiel in Stärke, Zucker, Cellulose, Öle & Fette. In folgenden Stufen des Prozesses werden daraus verschiedenste Zwischen- und Endprodukte: Chemikalien, Lösemittel, Monomere, Polymere und vieles mehr.

Für solche Stoffumwandlungen kommen neben thermochemischen und biotechnischen Konversionen insbesondere chemische und chemisch-katalytische Konversionsprozesse in Betracht. Derzeit dominieren katalytische Prozesse in der chemischen Industrie – rund 80-90 % aller Produkte werden über Katalysatoren hergestellt. In den zukünftigen Bioraffinerien werden katalytische Prozesse sicher eine ähnlich große Bedeutung haben. Um bestehende und zukünftige Bioraffinerieprozesse analysieren, entwickeln und bewerten zu können, ist daher ein umfassendes Knowhow über chemische Prozessketten, chemisch-katalytische Konversionen und über Katalysatoren selbst unerlässlich.

Neben verbesserten Katalysatoren und Prozessbedingungen für die verschiedenen Konversionsverfahren liegt uns besonders daran, die bestmöglichen Konversionsrouten in Kombination oder auch im Vergleich zu alternativen biotechnischen bzw. thermochemischen Verfahren zu identifizieren.

Vorgehensweise

In zahlreichen Drittmittelprojekten bearbeiten wir unterschiedliche Fragestellungen der chemisch-katalytischen Konversion von nachwachsenden Rohstoffen. Dazu zählen unter anderem:

• Selektiv-Oxidation von Kohlenhydraten zu Zuckersäuren und Zwischenprodukten der Vitamin-C-Herstellung
• Selektiv-Oxidation von Fettalkoholethoxylaten zu Ethercarbonsäuren zum Einsatz in Wasch- und Reinigungsmitteln
• Herstellung von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) aus Kohlenhydraten
• Katalytische Derivatisierung biobasierter Itaconsäure für Polyester-Anwendungen
• Bioethanol als zukünftige Plattformchemikalie
• Herstellung von Maleinsäure aus Xylose

Vorläufige Ergebnisse

Für verschiedene dieser Konversionsverfahren konnten wir bedeutende Fortschritte gegenüber dem Stand der Technik erzielen. Mehrere Verbesserungen an Katalysatoren und Verfahrensbedingungen wurden patentiert. Das zeigt, dass unsere Forschung in diesem Gebiet international konkurrenzfähig ist, wir somit „an vorderster Front“ forschen. Auf diese Weise erwerben wir gleichzeitig das Wissen, das für eine umfassende und qualifizierte Bewertung anderer Verfahren unabdingbar ist.