Fachagentur Nachwachsende RohstoffeEin Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Komplementäre chemisch-biotechnologische Verfahrensentwicklung zur neuartigen Herstellung der 2,5-Furandicarbonsäure aus Inulin-akkumulierenden Pflanzen (KEFIP); Teilvorhaben 3: FDCA-Chemokatalyse - Akronym: KEFIP

Anschrift
Karlsruher Institut für Technologie (Großforschungsaufgabe) - Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT)
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Projektleitung
Prof. Dr. Jan-Dierk Grunwaldt
Tel: +49 721 608-42120
E-Mail schreiben
FKZ
22010718
Anfang
01.05.2019
Ende
31.10.2022
Ergebnisverwendung
Im Projekt wurden verschiedene Katalysatoren basierend auf Gold, Platin, Palladium und Ruthenium synthetisiert, charakterisiert und getestet. Dabei zeigte sich, dass Gold-basierte Katalysatoren die höchsten Ausbeuten an FDCA liefern. Daraufhin wurde der Einfluss von Glucose, Fructose, Nitrat sowie einer Mischung aus Lävulin- und Ameisensäure auf den Katalysator und den Oxidationsprozess untersucht. Dies sind Stoffe, die besonders häufig in der nicht aufgereinigten HMF-Lösung auftreten. So konnten kritische Stoffe bestimmt und deren Konzentration in der Ausgangslösung mit Hilfe unserer Projektpartner minimiert werden. Zudem wurde der Einfluss von Aminosäuren auf die verschiedenen Edelmetalle untersucht. Vor allem die Schwefelhaltigen hatten bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen einen starken Einfluss auf alle Katalysatoren. Dies konnte auf die starke Adsorption von schwefelhaltigen Verbindungen an der Oberfläche der Edelmetalle zurückgeführt werden, wodurch diese vergiftet wurden. Dieser Einfluss war aber nicht für alle Edelmetalle gleich stark ausgeprägt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde ein optimiertes Katalysatorsystem basierend auf einer Gold-Palladium-Legierung synthetisiert. Dieser kombiniert die hohe Aktivität von Gold mit der guten Stabilität von Palladium. So kann eine deutlich höhere Konzentration der kritischen Begleitstoffe in der Lösung toleriert und trotzdem hohe Ausbeuten erhalten werden. Mit dem optimierten Katalysatorsystem wurden zudem die Reaktionsbedingungen für den Oxidationsprozess mit einer biobasierten Lösung optimiert. Dabei konnten bei höherem Luftdruck und höherer Temperatur die besten Ausbeuten erzielt werden. Gleichzeitig musste die Menge der zugegebenen Base (Natriumcarbonat) reduziert werden, um Nebenreaktionen von HMF und anderen enthaltenen Stoffen zu unterdrücken. So konnten Ausbeuten an FDCA von >90% und eine Reduktion der Katalysatormasse erreicht werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Prozesses verbessert wird.
Aufgabenbeschreibung
In diesem Teilvorhaben sollte ein heterogenkatalysierter Prozess zur Oxidation von 5-(Hydroxymethyl)furfural (HMF) zu 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) entwickelt werden. FDCA kann als Monomer eingesetzt werden und dabei Terphthalsäure, die aus fossilen Rohstoffen gewonnen wird, ersetzen. So wird ein alternativer, biobasierter Polyester zu dem häufig als Verpackungsmaterial verwendeten Polyethylenterephthalat (PET) erhalten. Der Fokus der Arbeit lag dabei auf der Verwendung einer nicht aufgereinigten HMF-Lösung, die direkt aus Chicoréerüben synthetisiert wurde. Durch die Verwendung von Chicoréerüben, einem Abfallrohstoff der Agrarindustrie, ist der Prozess nachhaltiger und attraktiver als bei einer reinen HMF-Lösung aus Zuckern. Durch diese effizientere und nachhaltigere Prozessführung enthält die biobasierte Lösung allerdings noch verschiedene Nebenprodukte, wie nicht umgesetzte Zucker, und andere Begleitstoffe aus der Biomasse, wie Proteine und Aminosäuren. Diese können zu einer Deaktivierung des Katalysators führen und somit den Prozess und die erzielte Ausbeute beeinträchtigen. Hierfür sollte ein möglichst stabiles und effizientes Katalysatorsystem basierend auf Edelmetallen entwickelt werden, das andere Stoffe in der Lösung tolerieren kann und eine hohe Ausbeute ermöglicht. Hierfür sollte systematisch der Einfluss typischer Inhaltsstoffe der Lösung auf die Katalysatoren untersucht werden, um Grenzwerte für einzelne Stoffe abzuschätzen. Die erhaltenen Erkenntnisse sollten in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern zur Optimierung des Gesamtprozesses beitragen. Gleichzeitig sollte ein stabileres Katalysatorsystem entwickelt werden. Abschließend sollten die Reaktionsbedingungen des Prozesses für eine größtmögliche Ausbeute an FDCA optimiert werden und dieses in einer für die Polymerisation ausreichenden Reinheit abgetrennt werden.

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