Projekttitel
Nachhaltige Periodatspaltung von MonoterpenenProjektvolumen
754.988 € (94% Förderanteil durch das BMEL)Projektlaufzeit
01.06.2023 – 31.05.2026Projektkoordinator
Fraunhofer IGB, Institutsteil StraubingESy-Labs Projektleitung
Dr. Julian Müller
E-Mail: napemon@esy-labs.de
Motivation
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. Monoterpene sind sekundäre Metaboliten aus der Klasse der Terpene. Sie kommen in großen Mengen in Pflanzen, Früchten, Mikroorganismen, Pilzen etc. vor und können aus diesen oft in, vergleichsweise, hoher Reinheit gewonnen werden. Etwa 200 kt fallen jährlich im Zuge der Celluloseherstellung als Nebenproduktstrom beim Kraft-Prozess an, werden beim ersten Eindampfen der Schwarzlauge leicht abgetrennt und bisher hauptsächlich thermisch verwertet. Monoterpene werden seit der Antike als Lösungsmittel oder Duftstoffe eingesetzt, und können durch chemische Modifikation zu Vorstufen von Medikamenten, Aromastoffen, Additiven, Monomeren für neue Kunststoffe, etc. umgewandelt werden. Für die Oxidation von Monoterpenen sind zahlreiche katalytisch-chemische, enzymatische und elektrochemische Methoden beschrieben. Eine vielversprechende Route ist die Oxidation mit Periodat. Dieses kann elektrochemisch generiert werden. Die Oxidation wird an bordotierten Diamantanoden durchgeführt, welche beständig, metallfrei und ungiftig sind.
Ziele und Vorgehen
Das Gesamtziel von NaPeMon ist die Entwicklung eines elektrochemischen Verfahrens zur Umwandlung von Monoterpenen des Rohterpentins in werthaltige Plattformchemikalien (Carbonylverbindungen) und deren anschließende Umsetzung zu Alkoholverbindungen. Dazu werden die Ausgangstoffe durch Reaktion mit Periodat selektiv oxidativ gespalten und so in Carbonylverbindungen überführt, die als Plattformchemikalien nicht nur für die Synthese von Alkoholen, sondern auch von Carbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren, oder Aminosäuren verwendet werden können. Das bei der Reaktion anfallende Iodat wird elektrochemisch regeneriert. In NaPeMon wird die elektrochemische Reduktion der Carbonylverbindungen zu Alkoholen an die oxidative Regeneration des Periodats gekoppelt, um ein sog. 200%-Elektrolysesystem mit optimaler Effizienz zu etablieren. Das System wird abschließend durch ESy-Labs auf den halbtechnischen Maßstab skaliert.
Innovationen und Perspektiven
NaPeMon bietet das Potenzial, die komplexen und exklusiven chemischen Strukturen der Monoterpene in Form von Dicarbonylen für industrielle Anwendungen zugänglich zu machen. Durch die von der Natur vorgegebenen Strukturen, wie Drei- und Vierringe oder aliphatische Seitenketten, können diese Plattformchemikalien fossil-basierte Industriechemikalien nicht nur ersetzten, sondern auch neue Anwendungen erschließen und bisherige Eigenschaftsprofile erweitern. NaPeMon eröffnet folglich die Chance zur dezentralen, regionalen Herstellung von vielseitigen Plattformchemikalien durch die innovative Verwendung umweltfreundlicher, sicherer, selektiver und effizienter Elektrosyntheseprozesse zur Konversion biogener industrieller Reststoffströme. Dabei wird das Wissen allgemein im Bereich Elektrosynthese und speziell in Verbindung mit der Umsetzung nachwachsender Rohstoffe erweitert und diese Zukunftstechnologie weiter in der Industrielandschaft Deutschlands integriert. Zusammen mit der guten Skalierbarkeit und hohen Arbeitssicherheit elektrochemischer Anlagen bietet das NaPeMon-Verfahren ein hohes Anwendungspotenzial in der Verarbeitung des industriellen Reststoffstroms Rohterpentin dezentral und direkt bei einem Zellstoffwerk.