Doktorarbeit über die Angewandte heterogene Basenkatalyse als kostengünstiges Verfahren

Jonas Vosberg, Doktorand an der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften (Bild: Viola Gräfenstein/TH Köln)

Jonas Vosberg untersucht in seiner Forschungsarbeit „Heterogenkatalytische 1,3 Diol-Synthese“ im Rahmen einer kooperativen Promotion mit der RWTH, Aachen unter der Betreuung von Prof. Dr. Regina Palkovits, ein Verfahren, das kosten- personal- und energiegünstiger als die bestehende Herstellung bestimmter Produkte für die Industrie ist.

Bei der Zielreaktion handelt es sich um die Umsetzung von Acetaldehyd zu 3‑Hydroxybutanal. Die Untersuchung geschieht mit dem Zweck einer industriellen Anwendung, das heißt, dass die Reaktion zum einen durch Feststoffe katalysiert wird, die entweder bereits kommerziell verfügbar oder durch geringfügige Modifikationen solcher darstellbar sind, zum anderen soll die Reaktion kontinuierlich in einem Festbettreaktor durchgeführt werden, damit der Katalysator ohne zeit- und kostenaufwändige Unterbrechung im Rohr bleiben kann.

Interessantes Substrat für die Kosmetik- und Pharmaindustrie

Die Reaktion ist für die Industrie besonders durch die Folgechemie des in der Reaktion gewonnenen 3‑Hydroxybutanals relevant. Dieses kann technisch leicht zu 1,3‑Butandiol umgesetzt werden. 1,3‑Butandiol hat u.a. die Eigenschaft, Feuchtigkeit in der Haut zu konservieren und ist deshalb besonders für die Kosmetik und Pharmaindustrie von großem Interesse. Das Substrat Acetaldehyd wird im Wacker-Hoechst-Verfahren großtechnisch aus Ethylen hergestellt und ist somit in großen Mengen zu einem niedrigen Preis verfügbar. „Zwar gehört die Aldoladdition zu den grundlegenden Reaktionen der organischen Chemie, allerdings wird Acetaldehyd in industriellem Maßstab nicht in idealer Weise umgesetzt. Meine Arbeit schließt die Wertschöpfungskette von Ethylen zu 1,3‑Butandiol“, sagt Jonas Vosberg.

Beim Verfahren Kosten und Umwelt im Blick

Um die Kosteneffizienz, aber auch die Umweltverträglichkeit einer Reaktion möglichst optimal zu gestalten, sind vor allem zwei Methoden unabdingbar: Die Anwendung heterogener Katalysatoren sowie eine kontinuierliche Prozessführung. Heterogene Katalysatoren (wie z.B. zu Tabletten verpresste Metalloxid-Pulver) können im Vergleich zu homogenen Katalysatoren (Flüssigkeiten) nach der Reaktion einfach abgetrennt werden. So bleiben Kosten und Energieaufwand möglichst gering. „Der Vorteil von Katalyse ist, dass ich Energie einspare und weniger Nebenprodukte habe, die eventuell umweltschädlich oder wertlos sind und zu Abfall werden. Ich spare damit Geld und schone die Umwelt. Wer Katalyse macht, ist deshalb automatisch immer ein bisschen grün“, betont Jonas Vosberg.

Einsparungen bei einem Prozess ohne Unterbrechungen

Ein kontinuierlicher Prozess generiert nach kurzer Anfahrphase fortlaufend das Produkt. So können im Vergleich zum diskontinuierlichen Betrieb, bei dem der Prozess durch Rühren und Herausholen sowie durch das Abtrennen des Katalysators vom Rest immer wieder unterbrochen wird, in dem ein Rührkessel für jeden Durchlauf neu befüllt und angefahren werden muss, ebenfalls Kosten- und Energie sowie Personalbedarf eingespart werden. „Es gibt bisher mehrere Untersuchungen und Veröffentlichungen zu diesem oder ähnlichen Systemen, allerdings erfüllt keine dieser Arbeiten beide Anforderungen - kontinuierlich, heterogenkatalytisch - zugleich. Diese Lücke zu schließen, ist die Motivation meiner Arbeit“, betont Jonas Vosberg.

Hohe Anforderungen bei Weiterverarbeitung des Produktgemisches für die Industrie

Eine besondere Herausforderung stellt die Handhabung von Acetaldehyd sowie die Neigung des Systems, Nebenprodukte zu bilden, dar, denn Acetaldehyd weist mit etwa 20 Grad einen sehr niedrigen Siedepunkt auf. „Es ist deshalb besonders schwierig damit zu arbeiten und geht mit einem speziellen apparativen Aufwand einher“, sagt Vosberg. Aus dem Vorhaben, das Produktgemisch in der Pharma- und Kosmetikindustrie weiterzuverarbeiten, resultiert eine besonders hoher Anforderung an die Reinheit des Produktstroms. „Das Vermeiden von Nebenprodukten muss deshalb stets im Blick behalten werden. Das System weist eine Vielzahl von möglichen Nebenreaktionen auf, was wiederum den Anspruch dieser Arbeit erhöht“, sagt Jonas Vosberg.

(Die Firmen Lanxess, MEL Chemicals, Saint Gobain sowie DOW Chemicals unterstützen das Forschungsprojekt mit Sachmitteln.)

(25.09.18 VG/JV)

M
M