Projekt 22447/01

Machbarkeitsstudie zur mikrowellen- und ultraschallassistierten hydrothermolytischen Spaltung nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung von organischen Zwischenprodukten und Feinchemikalien

Projektträger

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT)
Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7
76327 Pfinztal
Telefon: 0721/4640-173

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Als wesentliche Ziele der nachhaltigen Chemie gelten die Schonung der Ressourcen durch Verwendung nachwachsender Rohstoffe, die Begrenzung der Emissionen und die Begrenzung von Umweltrisiken. Eine Maßnahme stellt in diesem Zusammenhang die so genannte reaktionstechnische Verfahrensüberarbeitung durch den Einsatz von alternativen Reaktionspartnern bzw. Rohstoffen (nachwachsende Rohstoffe wie natürliche Fette und Öle, Zucker, Stärke oder Cellulose), die Erarbeitung alternativer Synthesewe-ge (katalytische oder biochemische Prozesse), der Einsatz alternativer Lösungsmittel (überkritische Fluide) oder der Einsatz alternativer Reaktortypen einschließlich alternativer Formen des Energieeintrags dar. An dieser Stelle setzt das vorgeschlagene Vorhaben an, indem es nachwachsende Rohstoffe als Rohstoff und Wasser als Lösungsmittel verwendet. Darüber hinaus werden alternative Formen des Energieeintrags wie Mikrowellen und Ultraschall eingesetzt, um eine schonende Umsetzung der Edukte bei der Produktherstellung zu garantieren. Ziel des vorgeschlagenen Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger Prozesse zur ressourceneffizienten Herstellung von chemischen Produkten durch Verwendung nachwachsender Rohstoffe als Rohstoffbasis und neuer Reaktoren, die den nichtklassischen Energieeintrag durch Mikrowellen oder Ultraschall nutzen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss von Mikrowellen und Ultraschall
In diesem Arbeitspaket sollen zunächst die dielektrischen Eigenschaften der Edukte, die Grundlagen für die Dispergierbarkeit von Zuckerlösungen bzw. Fett/Wasser-Mischungen mittels Ultraschall und die mikrowellengesteuerte Erwärmung wässriger Zucker- bzw. Fettgemische im Hinblick auf die hydrothermale Umsetzung unter erhöhtem Druck untersucht werden.
2. Grundlegende Untersuchungen zur Hydrothermolyse von Zuckern und Fetten
In diesem Arbeitspaket erfolgt zunächst die Integration der Mikrowellenkavität und des Ultraschalldispergators. Anschließend sollen Versuche zur Hydrothermolyse von Glucose und Fructose bzw. zur Fettspaltung unter Variation der Parameter Druck, Temperatur, Verweilzeit und Konzentration durchgeführt werden. Die Darstellung der bevorzugten Reaktionspfade soll durch eine reaktionstechnische Auswertung basierend auf der Bilanzierung von Umsatz, Selektivität und Ausbeute erfolgen. Nach Spaltung der Zu-cker bzw. Fette erfolgen die Charakterisierung der gebildeten Produkte und die Produktabtrennung.


Ergebnisse und Diskussion

Die Machbarkeitsstudie zum Thema Mikrowellen- und ultraschallassistierten hydrothermolytischen Spal-tung nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung von organischen Zwischenprodukten und Feinchemikalien hatte sich zum Ziel gesetzt, Pflanzenfett und auch Zucker mit Hilfe von Wasser hydrothermal in chemisch wichtige Zwischenprodukte zu spalten und aufzutrennen. Hierbei wurde für den alternativen Energieeintrag ein neuer Hochdruckmikrowellenreaktor entwickelt, der eine kontinuierliche Umsetzung der Edukte bei der Produktsynthese ermöglicht. Die dielektrischen Funktionen der Eduktmischungen konnten sowohl für die Zucker als auch die Fette bestimmt werden. Die Laborversuche zur Herstellung von 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) aus Fructose haben gezeigt, dass es durch den Einsatz stark sau-rer Ionenaustauscher möglich ist, diese Reaktion bei akzeptablen bzw. optimierbaren Ausbeuten auch unter nicht überkritischen Bedingungen durchzuführen. Der Einsatz alternativer Lösungsmittel, wie z. B. ionischer Flüssigkeiten, ergab erste viel versprechende Ergebnisse bezüglich der HMF-Ausbeute. Im Technikumsmaßstab konnten bei klassischer Reaktionsführung (beheiztes Strömungsrohr) HMF-Ausbeuten von über 38 % erzielt werden.
Die Laborversuche zur Emulgierung von Fett verliefen äußerst erfolgreich. Mit der entwickelten Ultra-schallapparatur war es möglich, im Labormaßstab kontinuierlich Fett-Wasser-Emulsionen zu erzeugen, um diese einer weiteren Reaktion in der Mikrowelle zuzuführen. Dazu sind allerdings noch weiterführende Optimierungen notwendig. Erste Ergebnisse zur hydrothermalen Spaltung dieser Emulsion deuten auf einen vollständigen Umsatz unter den gewählten Reaktionsbedingungen hin, wobei noch einige analytische Fragestellungen eingehender untersucht werden müssen. Im Technikumsmaßstab konnte bei klassi-scher Rohreaktor-Fahrweise als optimaler Fettspaltbereich 350 °C bei einer Verweilzeit von 900 Sekunden identifiziert werden. Hierbei erreicht die Glycerinausbeute bei hoher Selektivität ihr Maximum. Die hydrierende Spaltung, d. h. die gleichzeitige Spaltung und Hydrierung ungesättigter Fettsäuren, konnte hingegen bisher noch nicht optimiert werden. Erste Versuche zeigen die Machbarkeit, allerdings müssen aufgrund der Komplexität technische Veränderungen an der Anlage vorgenommen werden. Im Technikumsbereich konnte ein neues Reaktorsystem eines hochdruckbetriebenen, kontinuierlichen Mikrowellendurchflussreaktors mit einer Pulsleistung von 3500 Watt erfolgreich in Betrieb genommen werden, allerdings nur, aufgrund von Dichtigkeitsproblemen der Bornitrid-Abdichtung, mit einer begrenzten Standzeit.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse wurden und werden im Rahmen von Vorträgen auf nationalen und internationalen Tagungen auszugsweise präsentiert. Darüber hinaus besteht für interessierte Kreise die Möglichkeit, sich über die verwendeten Anlagen und Verfahren bei den Projektpartnern im Rahmen der bestehenden Verträge zu informieren.
Die in diesem Projekt erarbeitenden Ergebnisse stellen für alle Partner einen wichtigen Zwischenschritt auf dem Weg von grundlagenorientierten Arbeiten zur konkreten Umsetzung in die Praxis (Technologietransfer) dar. Die Ergebnisse bilden die Basis für weitere Aufträge aus der Wirtschaft und damit zur konkreten Umsetzung in neue Produkte oder Verfahren.
Den Projektpartnern nutzen die erhaltenen Ergebnisse zur Entwicklung neuer Verfahren, die nachwachsende Rohstoffe als Quellen verwenden, sowie für die Herstellung von Produkten auf der Basis der bei den hydrothermolytischen Prozessen erhaltenen hochfunktionalisierten organischen Zwischenprodukte.


Fazit

Die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie zeigen, dass sowohl im Labor- als auch Technikumsmaßstab bereits sehr aussichtsreiche Ergebnisse zur mikrowellen- und ultraschallassistierten Umsetzung von Zuckern und Fetten in neue Produkte erzielt werden konnten. Es wurden Lösungen und auch neue Ideen hinsichtlich der Synthesestrategien und Reaktorsysteme entwickelt, die es weiter zu optimieren gilt. Erste Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zeigen, dass im Falle der HMF-Synthese Herstellungskosten im Bereich von 1-2 Euro pro Kilogramm, je nach Rohstoffpreis, realistisch sind. Auch im Falle der einstufigen, hydrie-renden Fettspaltung ist ein Energieeinsparpotenzial von rund 50 % zu erwarten. Technische Umsetzun-gen können erst nach erfolgreichen Tests im Technikumsmaßstab erfolgen. Die Optimierung dieser neuartigen zucker- bzw. fettbasierten Synthesen und den dazugehörigen Reaktorsystemen ist das Ziel des beantragten Folgevorhabens.