Geförderte Referenzprojekte: ELEVATOR

Projekttitel:
Elektrochemische Valorisierung Furanreicher Prozessströme aus dem hydrothermalen Aufschluss landwirtschaftlicher Reststoffe 

Projektvolumen:
770 T€

Projektlaufzeit:
05/2023 – 04/2026

Projektkoordinator:
Fraunhofer IGB

ESy-Labs Projektleitung:
Dr. Johannes Seidler
E-Mail: elevator@esy-labs.de

Motivation

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) steht laut dem US-Energieministerium in der Top-10-Liste der vielversprechendsten biobasierten Chemikalien. Die Umwandlung von HMF in wertschöpfende Chemikalien ist ein hochaktuelles Thema, sowohl für die akademische Forschung als auch für die kommerzielle Verwertung. Als multifunktionales Molekül hat HMF ein erhebliches Potenzial als Plattformchemikalie. Vielseitige Ansätze zur HMF-Gewinnung befinden sich in der Entwicklung. Ein vergleichsweise simpler Ansatz besteht in der Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und homogenen Brønsted-Säuren, wie etwa Salpetersäure, als Katalysator. Eine weniger intensive Vorbehandlung kann deutlich preisgünstiger umzusetzen sein, wird aber zulasten der HMF-Ausbeute gehen. Entsprechend muss ein Kompromiss gefunden werden. Eine weitere Herausforderung besteht in der Isolierung und Aufreinigung des gut wasserlöslichen HMF. Neuere Ansätze versuchen sich daher an einer direkten Weiterverarbeitung von HMF nach nur einem Minimum an Aufbereitung mit Ziel, einfacher abtrennbare Produkte, wie z. B. Furandicarbonsäure (FDCA) und Dimethylfuran (DMF), zu generieren. ELEVATOR verfolgt den Ansatz, HMF haltiges Prozesswasser bio- bzw. heterogenkatalytisch zu FDCA und DMF aufzubereiten. Das beinhaltet insbesondere die Eliminierung von Störstoffen bzw. Vermeidung der Bildung von Störstoffen und die Stabilisierung des Zwischenprodukts HMF. Diesbezüglich wird es vermutlich keine für alle Aufbereitungsverfahren geeignete Methode geben. Stattdessen ist eine iterative, gegenseitige und individuelle Parameteranpassung unerlässlich für eine erfolgreiche Prozessintegration.

Ziele und Vorgehen

Das Ziel des Vorhabens ist die Etablierung eines effizienten, gekoppelten elektrochemischen Prozesses für die Herstellung von biobasierter Furandicarbonsäure (FDCA) und biobasiertem Dimethylfuran (DMF) aus landwirtschaftlichen Reststoffen. Der Transfer von einer fossilen zu einer komplett nachwachsenden Rohstoffbasis für die Synthese chemischer Produkte bildet eine zentrale Voraussetzung für die Schaffung einer nachhaltigen chemischen Industrie. Landwirtschaftliche Reststoffe repräsentieren den massebezogen größten Teil der produzierten Biomasse und unterliegen überwiegend einer energetischen Nutzung in Form von Verbrennung oder Vergärung. Dabei bieten landwirtschaftliche Reststoffe aufgrund ihrer Homogenität und Verfügbarkeit ein hohes Potential zur stofflichen Nutzung und damit zu einer über die energetische Nutzung hinausgehenden Wertschöpfung. PET ist ein in großen Mengen hergestellter Polyester, der beispielsweise für die Herstellung von Verpackungsmaterialien (PET-Flaschen) wie auch von Fasern eingesetzt wird. Durch die Substitution von Terephthalsäure mit FDCA wäre Polyethylenfuranoat (PEF) eine erneuerbare Alternative zu PET, die wiederum als erneuerbare Quelle für die Herstellung von Folien und Fasern, Verpackungsmaterialien und Softdrinkflaschen genutzt werden kann. Ziel des Verbundvorhabens „ELEVATOR“ ist die Entwicklung eines gekoppelten elektrochemischen Verfahrens zur gleichzeitigen Umsetzung von HMF zu FDCA und DMF.

Im Fokus dieses Projektes steht die Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur HMF-Oxidation bei niedrigen pH-Werten mit hohen Ausbeuten. Ziel ist die Nutzung eines Eduktstroms von industrieller Relevanz, mit der für biogene Rohstoffe typischen Heterogenität und ohne aufwendige und unwirtschaftliche Reinigungsschritte vor der elektrochemischen Umsetzung. Der ELEVATOR-Ansatz bildet eine komplette und relevante Prozesskette ab, unter Nutzung eines lignocellulosehaltigen Reststoffs in Kombination mit der elektrokatalytischen Produktion von FDCA und DMF.

Deutliche Vorteile der elektrokatalytischen Konversion liegen im hohen Entwicklungspotential für einen ökonomisch und ökologisch umsetzbaren Prozess.

Innovationen und Perspektiven

Die spezifischen Projektziele in ELEVATOR sind:

1. Entwicklung einer kombinierten elektrokatalytischen Konversion von HMF zu FDCA und DMF als hochwertige Plattformchemikalien, Polymerbausteine und Kraftstoffkomponenten.
2. Erhöhung der Gesamteffizienz der Konversion durch kombinierte Nutzung der anodischen Oxidation und kathodischen Reduktion zur parallelen Synthese hochwertiger Produkte in einer einzigen elektrochemischen Zelle (“200% Zelle”).
3. Nutzung eines industriell relevanten Eduktstroms aus dem hydrothermalen Aufschluss eines landwirtschaftlichen Reststoffs
4. Etablierung einer Prozesskaskade aus hydrothermalem Biomasseaufschluss und anschließender elektrokatalytischer Umsetzung unter besonderer Beachtung der technischen Herausforderungen durch die Schnittstelle zwischen den Prozessstufen.
5. Skalierung des elektrochemisch gekoppelten Prozesses in einer Laboranlage und Betrieb der Anlage zur Herstellung von Mustermengen.
6. Etablierung eines Verfahrens zur Aufreinigung für die Produkte FDCA und DMF

Ein besonderes Anliegen des Vorhabens ist die Etablierung eines neuen Verfahrens zur elektrochemischen Synthese von Wertstoffen aus erneuerbaren und gut verfügbaren Rohstoffen. Damit leistet das ELEVATOR-Projekt einen wichtigen Beitrag zur „Elektrifizierung“ der chemischen Industrie und zur Energie- und Rohstoffwende in Wirtschaft und Gesellschaft.

Zur Verdeutlichung des technischen Ansatzes von ELEVATOR ist in Abbildung 2 das Gesamtverfahren in Form eines technischen Fließschemas dargestellt.