Energieeffiziente Gewinnung von biomassebasierten hydrophilen Diolen, Polyolen und Monosacchariden aus wässriger Phase durch Adsorption an boronsäurehaltige Polymere

Stipendiatin/Stipendiat: Guido Schroer

Lignocellulose ist eine vielversprechende, preisgünstige erneuerbare Rohstoffquelle. Sie findet sich in verfügbaren Abfallströmen (landwirtschaftliche Abfälle, Ernterückstände, kommunale Abfälle), in Forstprodukten (Holz, Fällungsabfälle), Energiepflanzen (stärkehaltige Pflanzen, pflanzliche Öle, Gräser) und aquatischer Biomasse (Algen). Da sie nicht vom Menschen verdaut werden kann, steht sie nicht in direkter Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie. Es wurde viel an der effizienten Synthese nützlicher Verbindungen, insbesondere Monosacchariden, Polyolen und 1,2-vicinalen Diolen, basierend auf Lignocellulose geforscht. Polyole wie Xylitol und Sorbitol werden als Süßungsmittel genutzt, während Diole wie Ethylenglykol und 1,2-Propandiol Einsatz in Kunststoff-, Pharma- und Kosmetikindustrie finden. Monosaccharide werden in der Lebensmittelindustrie sowie in der Synthese von Feinchemikalien eingesetzt. Während der Fokus auf der Entwicklung eines wirksamen Katalysators und der Optimierung der Reaktionsbedingungen lag, wurde der Abtrennung der Substanzen gleichzeitig vergleichsweise wenig Beachtung geschenkt. Dies kann für eine industrielle Anwendung jedoch zu einem limitierenden Faktor werden.Herkömmliche Abtrennungsmethoden, wie Destillation oder Extraktion, sind in den meisten Fällen zur Abtrennung von Monosacchariden, Polyolen und 1,2-vicinalen Diolen nicht zugänglich, da die Reaktionen in wässriger Phase durchgeführt werden und diese aus der Biomasse erzeugten Verbindungen eine geringe Volatilität, vergleichsweise hohe Siedepunkte und Tendenz zur Zersetzung bei höheren Temperaturen aufweisen. Auch in industriell umgesetzten Prozessen werden derzeit kosten- und energieintensive Verfahren zur Abtrennung dieser hydrophilen Substanzen aus wässriger Phase genutzt.In diesem Projekt wird die Gewinnung von hydrophilen Molekülen durch Adsorption an boronsäurehaltige Polymere als eine energieeffiziente Methode zur Isolierung von Diolen, Polyolen und Sacchariden untersucht. Die Adsorption findet aufgrund von Komplexbildung zwischen einer oberflächlichen Benzolborongruppe und einem 1,2-vicinalen Diol-Motiv der organischen Edukte statt. Die Methode soll die Gewinnung der Verbindungen aus komplexen Reaktionsgemischen und industriellen Lösungen (Fermentationsbrühen, Hemicellulose-Hydrolysat, etc.) ermöglichen. Zurückgewinnung des Stoffes ist durch Rückextraktion bei Verschiebung des pH-Werts möglich. Um reine Verbindungen zu erhalten, kann das Lösungsmittel abdestilliert werden. Zur Nachhaltigkeit dieses Schrittes soll die Möglichkeit leicht siedende, organische Lösungsmittel und nachhaltige Säuren (bspw. überkritisches CO2) als Desorptionsmittel zu nutzen untersucht werden.In Laufe des Projekts ist die Optimierung der Polymerstruktur geplant. Materialien mit hoher Sorptionskapazität sollen synthetisiert werden. Die boronsäurehaltige Polymere sollen mittels verschiedener Syntheserouten dargestellt, charakterisiert und für die Abtrennung von Biomasse-basierten Diolen, Polyolen und Monosacchariden genutzt werden. Zusammenhänge zwischen Polymerstruktur, des zu adsorbierenden Stoffes und der Sorptionskapazität und -affinität sollen bestimmt werden. Ad- und Desorptionsbedingungen mit einem Fokus auf die Nutzung leichtsiedender Lösungsmittel sowie nachhaltiger Säuren wie CO2 sollen optimiert werden. Die Gewinnung der Diole, Polyole und Monosaccharide aus realen Strömen nach der Hydrogenolyse von Biomasse, Hydrolyse von Hemicellulose und Fermentationsprozessen wird untersucht. Dies gewährleistet die Ermittlung von potenziellen Einflüssen der anderen Lösungskomponenten auf die Sorptionsfähigkeit. Die Stabilität und Wiederverwendbarkeit der Polymere als eine Voraussetzung für eine großtechnische Anwendung werden untersucht. Die Projektergebnisse sollen die Entwicklung eines energieeffizienten, selektiven und simplen Trennverfahrens zur Gewinnung von polaren Diolen und Sacchariden aus komplexen, wässrigen Medien ermöglichen.

Förderzeitraum:
01.01.2018 - 31.03.2021

Institut:
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
Institut für Technische und Makromolekulare Chemie
Lehrstuhl für Heterogene Katalyse und Technische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Regina Palkovits

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Publikationen: