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Montag, 11. Dezember 2017

Forschung

Ohne Katalyse läuft nichts

Von Bettina Reckter | 13. Juli 2017 | Ausgabe 28

Holz wäre ein idealer Rohstoff für viele chemische Produkte. Katalyseexpertin Regina Palkovits erklärt, wie Biomasse fit für die Chemiewende wird.

VDI nachrichten: Frau Palkovits, können wir unsere chemischen Rohstoffe mithilfe von Biomasse herstellen?

Foto: RWTH Aachen

Regina Palkovits: Die Chemieingenieurin ist Professorin für Heterogene Katalyse an der RWTH Aachen.

Regina Palkovits: Von der Funktionalität der pflanzlichen Rohstoffe her könnte man wahrscheinlich eine komplette Substituierung durchführen. Viele Technologien dafür haben wir bereits. Damit könnte man fast alle bekannten chemischen Pfade bedienen. Möglicherweise wäre auch Synthesegas eine geeignete Brückentechnologie. Das funktioniert mit Erdgas, Kohle und Biomasse oder mit einer Kombination von CO2-haltigen Abgasen mit Wasser. 

Wirtschaftlich sind diese Prozesse aber im Moment oft nicht. Dafür ist Erdöl zu billig, sind die Verfahren zu etabliert und die Raffinerien seit 100 Jahren optimiert. Es ist also nicht einfach, da in den Wettbewerb zu treten. 

Katalyse

Was wäre denn nötig, um pflanzliche Rohstoffe für die Chemiewende fit zu machen?

Schon 90 % aller chemischen Produkte haben in ihrer Herstellung irgendwann mal einen Katalysator gesehen – vor allem heterogene Katalysatoren, also feste Materialien. Sie machen den überwiegenden Teil der Katalysatoren in der Industrie aus. Aber wenn man Biomasse umsetzen will, sind ganz andere Reaktionsvermittler gefragt als die in der chemischen Industrie üblichen.

Die klassischen Katalysetechnologien taugen also nicht für die Biomasse?

Das ist nicht so einfach zu beantworten. Nehmen Sie Holz oder noch besser pflanzliche Reststoffströme. Das sind ideale nachwachsende Rohstoffe, um daraus neue Wertstoffe herzustellen, weil sie nicht in Konkurrenz zur Nahrungskette stehen. Im Gegensatz dazu werden Biotreibstoffe aus Pflanzenölen oder auf Basis von Stärke und Zucker hergestellt, die auf dem Teller oder im Trog fehlen würden.

Regina Palkovits

Aber Holz lässt sich nicht so einfach wie Erdöl umwandeln?

Nein. Trotzdem erleben wir zurzeit einen Paradigmenwechsel in der klassischen Erdölraffinerie. Denn Erdöl ist chemisch betrachtet komplett unfunktional. Es besitzt keine chemisch funktionellen Gruppen und besteht nur aus Kohlenwasserstoffketten. Diese werden in der Raffinerie nach Länge sortiert und dann in Hochtemperaturgasphasenprozessen an festen Katalysatoren umgewandelt.

Und das funktioniert bei Holz nicht?

Biomasse – etwa einen Holzstamm – kann man nicht verdampfen. Das liegt daran, dass Holz und Pflanzenmaterial hauptsächlich aus Lignocellulose bestehen, einem Polymergemisch mit hohem Sauerstoffanteil. Also ist hier eine neue Technologie gefragt. Für Lignocellulose brauchen wir Katalysatoren, die in der Flüssigphase bei niedrigen Temperaturen den gebundenen Sauerstoff selektiv entfernen.

Genau genommen könnte man den Holzstamm schon vergasen, dabei entsteht das Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Auch damit lässt sich Aufbauchemie betreiben. Aber dann nutzt man nicht die Synthesestruktur der Natur. Die hat ja wertvolle Bausteine in die Biomasse eingebaut, die in neue Funktionsmaterialien und Zielprodukte umgewandelt werden können.

Nennen Sie uns bitte ein Beispiel.

Foto: BioEconomy e. V.

Holz ist ein enorm vielseitiger Rohstoff für die biobasierte Chemie. Daraus lassen sich Basischemikalien und Monomere für Kunststoffe herstellen.

Holz besteht zu 70 % aus Zucker. Dieser bildet in Form der Polymere Cellulose und Hemicellulose den wesentlichen Teil von Lignocellulose. Auf Basis von solchem Zucker lässt sich Furandicarbonsäure herstellen. Diese könnte im Kunststoff PET, also in Polyethylenterephthalat, anstelle der Terephthalsäure eingesetzt werden. Getränkeflaschen, die Furandicarbonsäure enthalten, haben dann vergleichbare Eigenschaften, sind aber weniger gasdurchlässig als PET-Flaschen. Der Vorteil: Die Kohlensäure bleibt länger in der Flasche.

Wo steckt da die katalytische Herausforderung?

Wir müssen methodisch ganz anders arbeiten als bisher, wo Prozesse in der Gasphase bei hohen Temperaturen stattfinden. Um Furandicarbonsäure zu gewinnen, brauchen wir die Flüssigphase bei niedriger Temperatur. Im Zuckermolekül steckt viel Sauerstoff. Um den über eine Wasserabspaltung zu entfernen, ist ein saurer Katalysator nötig. Wir nehmen dafür einen festen Katalysator und nicht etwa flüssige Schwefelsäure, denn dann würden daraus wieder Abfallströme resultieren.

Sie suchen also einen neuen technologischen Ansatz.

Ja, wobei die vielen funktionellen Gruppen im pflanzlichen Material viele Vorteile für Hochleistungsprodukte mit sich bringen. Aber es können sich natürlich auch unerwünschte Nebenprodukte bilden. Die Selektivität ist daher eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Katalysatoren und Prozessen.

Wie gehen Sie vor, um vielversprechende Katalysatoren herauszukristallisieren?

Nehmen wir den Excellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ der RWTH Aachen. Da untersuchen wir, wie sich neue Biokraftstoffe auf den Verbrennungsprozess auswirken. Es hat sich gezeigt, dass Moleküle, die etwas Sauerstoff enthalten, die Ruß- und Stickoxidemission der gesamten Verbrennung stark senken. Der Kraftstoff hilft also, den Schadstoffausstoß zu reduzieren.

Gilt das auch für Polymere und Feinchemikalien?

Bei der Frage nach Polymeren aus Biomasse bietet sich die Elektrokatalyse als direkte Einkopplung von regenerativ erzeugter Elektrizität in chemische Umwandlung an. Mit einem Kollegen aus der Biotechnologie haben wir kürzlich Itaconsäure, ein Monomer für Kunststoffe, betrachtet. Problematisch ist allerdings die Aufreinigung der Säure aus den Fermentationsbrühen. Wir konnten jetzt aber zeigen, dass man die Itaconsäure ganz ohne Aufreinigung elektrokatalytisch weiter umsetzen kann. Ich bin sicher, dass bei den Themen in Zukunft noch einiges passieren wird.

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