Weltweit werden jedes Jahr etwa 20 Millionen Tonnen Lösungsmittel verbraucht, von denen bisher nur ein kleiner Teil biobasiert hergestellt wird. Ein internationales Projektteam möchte mit Dimethylfuran eine Alternative zu etablierten Lösungsmitteln bereitstellen. Der Stoff ist biobasiert und bioabbaubar. Für das Vorhaben kooperieren die Ruhr-Universität Bochum (RUB), das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Straubing und der Industriepartner AURO Pflanzenchemie AG.
Ausgangspunkt für die Arbeiten ist die Substanz 5-Hydroxymethylfurfural (HMF), die sich aus Biomasse gewinnen und in Dimethylfuran (DMF) umwandeln lässt. Das Verfahren dafür haben Forschende der RUB um Prof. Dr. Martin Muhler und Dr. Baoxiang Peng vom Lehrstuhl für Technische Chemie bereits in einem Vorgängerprojekt etabliert. Im aktuellen Forschungsvorhaben wollen sie den Katalysator und die Reaktionsbedingungen optimieren, um die Basis für eine industrielle Produktion von DMF zu legen.
Das IGB-Team um Dr. Harald Strittmatter und Ferdinand Vogelgsang aus den Innovationsfeldern „Bioinspirierte Chemie“ und „Nachhaltige katalytische Prozesse“ wird die katalytische Reaktion auf einen 40-fach größeren Maßstab hochskalieren. Zusammen mit dem Industriepartner AURO werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schließlich fertig ausgearbeitete Rezepte für den Einsatz von DMF als Lösungsmittel zur Verfügung stellen und in der Produktion von Naturfarben erproben. Ziel des Teams ist es, die komplette Prozesskette von der Katalysatorsynthese bis zur Aufreinigung des Produkts abzudecken.
Den Katalysator und den Prozess optimieren
Als Katalysator verwenden die Bochumer Chemiker Palladium-Nanopartikel. Im Vergleich zu Vorgängerarbeiten wollen sie beispielsweise die Reaktionstemperatur von 160 auf 130 Grad Celsius senken, um die Energiekosten zu reduzieren. Außerdem suchen sie nach einem milden Lösungsmittel, in dem die Reaktion stattfinden kann und aus dem sich das Endprodukt leicht abtrennen lässt. „Wir wollen Wasser als Lösungsmittel verwenden, weil die Reaktion möglichst unbedenklich für Mensch und Umwelt ablaufen soll“, sagt Baoxiang Peng.
Die Projektpartner am Fraunhofer IGB untersuchen im zweiten Schritt, ob der Prozess nicht nur im Reagenzglas, sondern auch im größeren, industrierelevanten Maßstab funktioniert. Durch das interdisziplinäre Zusammenspiel der beiden beteiligten Forschungsbereiche verfügt das Institut über die dafür notwendigen Kompetenzen. Ingenieur Vogelgsang und Chemiker Strittmatter bringen ihre jeweilige Expertise in den Bereichen Katalyse und organische Synthese in das Projekt ein.
„So skalieren wir die Umsetzung von HMF zu DMF in einen Litermaßstab hoch und reinigen das Produkt im Anschluss auf“, erklärt Vogelgsang. „Danach testen wir das Endprodukt als Lösungsmittel und als Extraktionsmittel für Naturstoffe, bevor es an unseren Industriepartner geht.“