Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

 

Flüssigphasen-Dehydratisierung von fermentativ gewonnener Milchsäure zur Produktion von biobasierter Acrylsäure

Anschrift
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg - Technische Fakultät - Department Chemie- und Bioingenieurwesen - Chemische Reaktionstechnik
91058 Erlangen
Egerlandstr. 3
Kontakt
Prof. Dr. Peter Wasserscheid
Tel: +49 9131 85-27420
E-Mail: peter.wasserscheid@crt.cbi.uni-erlangen.de
FKZ
22009614
Anfang
16.06.2014
Ende
15.06.2017
Aufgabenbeschreibung
Acrylsäure spielt als ungesättigte Carbonsäure für die Produktion von Acrylatpolymeren eine äußerst wichtige Rolle, insbesondere für die Konsumgüterindustrie (weltweite Produktion > 5 Mio Tonnen/Jahr). Während die heutige Produktion von Acrylsäure (AA) die Oxidation von Propen nutzt und damit auf einer fossilen Rohstoffversorgung aufbaut, eröffnet die Dehydratisierung (Wasserabspaltung) von fermentativ hergestellter Milchsäure eine hochattraktive Alternative, die AA aus Abfallbiomasse zugänglich macht. Heute werden für die katalytische Dehydratisierung vor allem Gasphasenreaktionen untersucht. Allerdings legen Analogieschlüsse nahe, dass ein Flüssigphasen-Verfahren - unter Zuhilfenahme einer effizient Wasser-bindenden Reaktionsmatrix in einem katalytischen Mehrphasensystem das deutlich effizientere Verfahren sein könnte. Im Projekt soll der Weg einer Flüssigphasen-Dehydratisierung von Milchsäure technologisch entwickelt und bewertet werden. Dazu sollen insbesondere verschiedene Katalysatorsysteme, Reaktor- und Prozesskonzepte getestet und verglichen werden. Mit Hilfe eines Katalogs an Evaluierungskriterien (beinhaltend beispielsweise Selektivität, Produktivität, Katalysatorstabilität etc.) soll die attraktivste Kombination aus Katalysator-, Reaktor- und Prozesstechnologie identifiziert werden. Für diese attraktivste Kombination werden alle relevanten Prozessparameter einer weiteren Optimierung unterzogen. Das Projekt beinhaltet Planung, Aufbau und Inbetriebnahme der kontinuierlichen Laboranlage zur Produktion von Bio-AA (Kapazität 1 kg AA/Stunde). Die Versuche in der Laboranlage sollen eine Bewertung der Katalysator- und Prozessstabilität ermöglichen und eine detaillierte Ermittlung aller Massen- und Wärmeströme ermöglichen. Das Entwicklungsergebnis wird danach ökonomisch und mittels einer Life Cycle Analysis (LCA) bewertet und mit der AA-Synthese auf Propen-Basis verglichen.
Ergebnisdarstellung
Es konnte eine neuartige Methode zur Flüssigphasen-Dehydratisierung von fermentativ gewonnener Milchsäure zur Produktion von biobasierter Acrylsäure entwickelt werdn. Das entwickelte Reaktionssystem setzt Milchsäure und Milchsäure-Derivate (z.B. Dilactid) durch HBr-Katalyse in einer bromidhaltigen Salzschmelze / ionischen Flüssigkeit zu Acrylsäure um. Die eingesetzte Reaktionsmatrix erfüllt dabei folgende Funktionen: Katalysator, Lösungsmittel, Puffer, und Bromidquelle. Der postulierte und innerhalb des Projektes bestätigte Reaktionsmechanismus verläuft dabei über die bromierten Intermediate 2- und 3-Bromopropionsäure. Optimierungen des Katalysatorsystems, der Reaktionsmatrix sowie der Prozessführung führten zu Acrylsäure-Ausbeuten von bis zu 80 %. Die dabei verwendete Reaktionstemperatur (ca. 200 °C) liegt deutlich unter üblichen Prozessbedingungen für die Herstellung von Acrylsäure aus Milchsäure in der Gasphase. Es ist möglich, den Prozess ein-, zwei- oder dreistufig zu betreiben. Jede der drei Prozessmöglichkeiten wurde separat entwickelt und ausgiebig charakterisiert und weitestgehend optimiert. Zudem lag der Fokus der Forschung auf der Ausarbeitung eines kontinuierlichen Reaktorkonzepts, dem Upscaling und der Umsetzung der erfolgreich entwickelten NADA-Technologie zur Gewinnung von bio-AA aus LA. Besonderes Augenmerk lag in der zweiten Hälfte des Projektes v.a. auf der Auslegung und dem Aufbau, sowie der Inbetriebnahme der kontinuierlichen Laboranlage. Im Hinblick auf die kontinuierliche Laboranlage wurden Materialbeständigkeits- bzw. Korrosionstest durchgeführt. Während der Inbetriebnahme, wurde das „Downstreaming" des Produktstroms der kontinuierlichen Laboranlage untersucht und optimiert. Aus wirtschaftlicher und prozesstechnischer Sicht stellt das einstufige Verfahren die vielversprechendste Variante dar. Aktuell wird dieser Prozess vom Industriepartner P&G techno-ökonomisch validiert.

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