BMWE-Verbundvorhaben Elektrochemische Synthese als Basistechnologie zur energieeffizienten Gewinnung biogener Plattformchemikalien; Kurztitel: ElektroSyn

Abstract

Für die Defossilisierung der chemischen Industrie gewinnt nicht nur der Einsatz regenerativer Energieträger, sondern auch die Verwendung regenerativer Rohstoffquellen, zunehmend an Bedeutung. Hierbei werden sog. Plattformchemikalien als vielversprechende Substitute zu petrochemischen Grundchemikalien betrachtet. Für die Synthese der Plattformchemikalie 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) sind verschiedene Syntheserouten bekannt, wobei insb. elektrochemische Verfahren aufgrund milder Reaktionsbedingungen als vorteilhaft angesehen werden. In dem Verbundforschungsprojekt „ElektroSyn“ wurde die FDCA-Synthese durch Elektrooxidation von Hydroxymethylfurfural (HMF) im sauren Reaktionsmilieu sowie die anschließende Produktabtrennung mittels Kühlungskristallisation untersucht. Im Gegensatz zur üblicherweise beschriebenen Synthese im basischen Milieu weist der hier verfolgte Ansatz vor allem durch die höhere Stabilität der HMF-Lösung und den geringeren Ressourcenbedarf bei der Produktabtrennung Vorteile auf. Daher wurde in „ElektroSyn“ zunächst ein geeignetes Reaktionssystem im Labormaßstab identifiziert. Die optimierte Reaktionsführung wurde anschließend erfolgreich vom Labor- in den Miniplant-Maßstab überführt. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur Produktgewinnung mittels Kühlungskristallisation im Labor- und Miniplant-Maßstab durchgeführt. Ergänzend zur Elektrosynthese wurde ein konventionelles Oxidationsverfahren konzeptioniert, welches anschließend als Referenzprozess für die begleitende ökonomische und ökologische Bewertung des entwickelten Elektrosyntheseverfahrens diente. Im Zuge des Projektes konnte die Elektrosynthese von FDCA aus HMF im sauren Milieu erfolgreich etabliert und ein Maßstabsübertrag durchgeführt werden. Zudem wurden die derzeit bestehenden Hemmnisse für den Transfer in die industrielle Anwendung identifiziert, welche im Zuge weiterer Forschungsarbeiten aufgegriffen werden sollen.

The defossilization of the chemical industry builds on the use of renewable energy as well as renewable feedstocks. In this context, platform molecules derived from sustainable raw materials are considered as promising substitutes for petrochemical synthesis precursors. 2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA) is regarded as a promising platform molecule. For its synthesis several pathways and approaches are known, from which electrochemical processes are commonly considered advantageous over conventional oxidation processes due to their mild reaction conditions. The collaborative research project “ElektroSyn” covers the FDCA synthesis via electrooxidation of Hydroxymethylfurfural (HMF) in an acidic reaction medium and the subsequent product removal via cooling crystallization. In contrast to the commonly used electrosynthesis in alkaline media, the approach investigated here offers a higher stability of the HMF feedstock solution and requires a lower resource demand for product removal. Therefore, a suitable reaction system has been identified as part of “ElektroSyn” at first. Afterwards, the optimized electrosynthesis was transferred from the laboratory to a miniplant scale plant. Furthermore, the subsequent product removal by cooling crystallization was investigated in both laboratory and miniplant scale. In addition to the electrosynthesis, a conventional oxidation process was designed and used as the reference for the economic and ecological analysis of the electrosynthesis process. In the project, the electrosynthesis of FDCA from HMF in acidic media was successfully established and a process scale-up was performed. Currently present challenges hindering the transfer to an industrial application were identified and should be addressed in future research activities.