Entwicklung eines nachhaltigen Prozesses zur selektiven katalytischen Umsetzung von biogenen Humin-Modellsubstraten und biomassestämmigen Huminen zu Carbonsäuren mit Hilfe maßgeschneiderter Polyoxometallat-Katalysatoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jakob Albert
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436322957

Humine sind dunkle, polymere Feststoffe, die in zahlreichen Prozessen entstehen, in denen Biomasse säurekatalysiert zu Wertstoffen umgewandelt wird. Sie sind nur in starken Basen löslich und bisher nicht großtechnisch chemisch nutzbar. Die genaue Struktur und ein Bildungsmechanismus sind bisher nicht bekannt, die wissenschaftliche Untersuchung der Humine beschränkte sich bislang hauptsächlich auf ihre Vermeidung oder Minimierung im jeweiligen Prozess. Aufgrund der Kinetik ist dies indes meist nicht möglich.Durch eine neuartige chemische Nutzung der Humine, die im Prozess der Lävulinsäure- bzw. HMF-Herstellung zwangsläufig entstehen, würde die Wertschöpfung aus Biomasse signifikant erhöht werden. Aufbauend auf ersten erfolgsversprechenden Vorarbeiten zur katalytischen Oxidation von Huminen zu niedermolekularen organischen Säuren (Ameisensäure, Essigsäure) mit Hilfe homogener Polyoxometallat-Katalysatoren in wässrigem Medium ist es das übergeordnete Projektziel, erstmalig ein grundlegendes Verständnis dieser bislang völlig neuen katalytischen Niedertemperaturumsetzung von Huminen zu Carbonsäuren im Hinblick auf eine mögliche technische Umsetzung durch reaktionstechnische Untersuchungen zu gewinnen.Hierfür sollen zunächst Untersuchungen der Struktur-Aktivitätsbeziehungen anhand von Humin-Modellverbindungen durchgeführt werden. Durch eine gezielte Einstellung von Katalysatoreigenschaften und Prozessbedingungen für die selektive Oxidation der Modellsubstrate mit humintypischen Strukturmerkmalen kann die Produkt-Selektivität eingestellt werden. Anhand kinetischer Untersuchungen sollen anschließend reaktionstechnische Kenngrößen bestimmt und Strofftransporteinflüsse identifiziert werden. Daran schließen sich mechanistische Untersuchungen zur strukturellen Übertragbarkeit der Erkenntnisse mit Modellsubstraten auf reale Humine sowie Untersuchungen zur Rezyklierbarkeit der eingesetzten Katalysatoren und Isolierung der Reaktionsprodukte an. Abschließend ist die Zusammenführung aller Erkenntnisse und die Demonstration des neuartigen Verfahrens in einer kontinuierlicher Miniplant vorgesehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen