Entwicklung eines nachhaltigen Prozesses zur selektiven katalytischen Umsetzung von biogenen Humin-Modellsubstraten und biomassestämmigen Huminen zu Carbonsäuren mit Hilfe maßgeschneiderter Polyoxometallat-Katalysatoren
Technische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projektes wurde erreicht, da es in Arbeitspaket AP7 erfolgreich umgesetzt werden konnte. Hierfür wurden die in den Arbeitspaketen AP1 bis AP6 gewonnenen Erkenntnisse zielführend kombiniert. Zunächst wurden die Struktur-Aktivitätsbeziehungen anhand von Humin-Modellverbindungen intensiv untersucht. Durch die Umsetzung verschiedener Modellsubstanzen konnte der Abbaupfad der komplexen Humin-Strukturen nachvollzogen werden. Mit Hilfe eines Katalysator-Screenings konnte die selektive Oxidation der Modellsubstrate mit humintypischen Strukturmerkmalen weiter verbessert werden. Durch die strukturierte Auswertung der Screening-Versuche konnten die katalytischen Aktivitäten untersucht und gezielt ein Katalysator mit den benötigten Eigenschaften für die selektive Oxidation gefunden werden. Anhand der Variation der Substrate bei der Humin-Synthese sowie der Durchführung eines Design of Experiments konnten optimierte Prozessbedingungen für eine hohe Produkt-Selektivität gefunden werden. Die Auswertung der Versuche wurden hierbei stets durch eine detaillierte Analytik der Reaktionsprodukte gestützt. Anhand von zeitaufgelösten Experimenten wurde die Kinetik der selektiven Oxidation der Huminmodellsubstrate und anschließend die strukturelle Übertragbarkeit der Erkenntnisse von den Modellsubstraten auf reale Humine untersucht. Hierfür wurden mechanistische Untersuchungen durchgeführt, die in dem erfolgreichen Einsatz von Methanol und para-Toluolsulfonsäure als Lösungsvermittler resultierten. Mithilfe von Rezyklierungsversuchen und Untersuchungen für die Isolierung der Reaktionsprodukte unter Verwendung von Membrantrennverfahren, konnte die Basis für die abschließende Zusammenführung aller Erkenntnisse und der Demonstration des Prozesses in einer kontinuierlichen Miniplant gelegt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of an efficient downstream process for product separation and catalyst recycling of a homogeneous polyoxometalate catalyst by means of nanofiltration membranes and design of experiments. Chemical Engineering Research and Design, 185, 37-50.
Esser, Tobias; Huber, Michael; Voß, Dorothea & Albert, Jakob
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Catalytic Valorization of Humins by Selective Oxidation Using Transition-Metal-Substituted Keggin-Type Polyoxometalate Catalysts. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 12(1), 543-560.
Esser, Tobias; Wassenberg, André; Raabe, Jan-Christian; Voß, Dorothea & Albert, Jakob
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Efficient downstream processing in green processes using homogenous polyoxometalate catalysts by means of nanofiltration membranes, 14th European Congress of Chemical Engineering 2023, Berlin Germany (oral presentation)
T. Esser, D. Voß & J. Albert
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Investigation of the Formation, Characterization, and Oxidative Catalytic Valorization of Humins. Materials, 16(7), 2864.
Wassenberg, André; Esser, Tobias; Poller, Maximilian J. & Albert, Jakob
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Valorization of waste materials resulting from the chemical conversion of biomass using tailor made polyoxometalate catalysts (poster), 15th European Congress on Catalysis 2023, Prague-Czech Republic
A. Wassenberg, T. Esser, M. J. Poller & J. Albert
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Humin‐free synthesis of levulinic acid from fructose using heteropolyacid catalysts. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 18(5), 1585-1597.
Wassenberg, André; Esser, Tobias; Poller, Maximilian J.; Voß, Dorothea & Albert, Jakob
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Selective catalytic oxidation of humins to carboxylic acids using the H4[PVMo11O40] Keggin-type polyoxometalate enhanced by alcohol doping and solubilizer. Reaction Chemistry & Engineering, 9(7), 1666-1684.
Esser, Tobias; Wassenberg, André; Voß, Dorothea & Albert, Jakob
