Wertschöpfung aus Lignocellulose

Projektbeschreibung

Die chemische Industrie ist in hohem Maße von fossilen Ressourcen wie Erdöl, Erdgas und Kohle abhängig. Neben dem Einsatz in der Energieerzeugung, finden sie auch als Rohstoffe für eine Vielzahl von Produkten des alltäglichen Lebens, wie beispielsweise Kunst- und Treibstoffe, Lösemittel, Kosmetika und Pharmazeutika, Verwendung. Diese Abhängigkeit stellt angesichts endlicher Ressourcen, volatiler Märkte und der globalen Klimakrise eine große Herausforderung dar.

Unsere Forschung zielt darauf ab, nicht-toxische, bio-basierte und nachhaltige Alternativen aus Biomasse zu entwickeln und ihre Herstellung in kontinuierliche Prozesse zu überführen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Xylose-basierten Acetalen, die sich als grüne, polare und aprotische Lösungsmittel einsetzen lassen. In industriell relevanten Reaktionen - etwa Hydrierungen, Alkylierungen oder Heck-Reaktionen - erreichen sie eine mit konventionellen Lösungsmitteln vergleichbare Leistungsfähigkeit, bieten jedoch deutliche Vorteile hinsichtlich Toxizität und Arbeitssicherheit. Zudem ermöglicht die strukturelle Variabilität dieser Derivate eine gezielte Anpassung ihrer Verbrennungseigenschaften, wodurch sie als potenzielle Kraftstoffadditive interessant werden.
Für die Herstellung der Xylose-Acetale untersuchen wir innovative heterogene Katalysator-systeme, insbesondere immobilisierte Heteropolysäuren auf hochfunktionalisierten Trägermaterialien.^[1] Diese Systeme zeichnen sich durch hohe Aktivität, Selektivität sowie gute Stabilität und Recyclingfähigkeit aus. Beim Scale-up in kontinuierlichen Anlagen stoßen die pulverförmigen Katalysatoren jedoch an ihre Grenzen.

Unser Projekt adressiert diese Herausforderungen durch die Entwicklung additiv gefertigter, mechanisch stabiler und chemisch resistenter Katalysatormonolithe. Grundlage bildet der Einsatz von Polymerfilamenten, die nach dem Druckprozess carbonisiert und anschließend mit Heteropolysäuren beladen werden. Perspektivisch soll ein 3D-druckfähiges Polymer-Katalysator-Kompositmaterial entwickelt werden, das die direkte Herstellung maßgeschneiderter poröser Strukturen mit definierten Strömungskanälen ermöglicht. Die Katalysatoren werden umfassend charakterisiert - unter anderem mittels Elementaranalyse, N₂-Physisorption, NH₃-TPD sowie Elektronenmikroskopie (SEM, TEM, EDX) - um Struktur-Aktivitäts-Beziehungen systematisch zu verstehen.

In kontinuierlichen Reaktoren untersuchen wir anschließend Aktivität, Selektivität und Stabilität des entwickelten Katalysators, sowie die Skalierbarkeit des Prozesses. Die gewonnenen Erkenntnisse übertragen wir auf weitere säurekatalysierte Biomassewertschöpfungen. Ein Beispiel ist Solketal, ein biobasiertes Acetal mit breiten Anwendungen als Schmierstoff, Kraftstoffadditiv oder Lösungsmittel. Es wird über die säurekatalysierte Acetalisierung von Glycerin mit Aceton hergestellt. Durch den Ersatz petrochemisch erzeugten Acetons sollen vollständig biobasierte Solketal-Derivate entwickelt werden.

Unser übergeordnetes Ziel ist die Transformation der chemischen Industrie durch die Entwicklung eines skalierbaren, sicheren und nachhaltigen Prozesses für die Produktion biobasierter Produkte voranzutreiben.

Quellenverweise

1. A. K. Beine, L. Rothe:

   "A Catalytic Process for the Production of the Polar Aprotic Solvent Diformylxylose using Supported Heteropolyacids"

   ChemistrySelect 2025, 10, e202405682.