Neue Katalysatortechnologie verbessert das Verfahren und senkt die Kosten für die Herstellung erneuerbarer Chemikalien. (Bild: John Beumer, NSF Center for Sustainable Polymers, University of Minnesota)

Erneuerbare Materialien aus Bäumen und Mais

Publiziert

Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Minnesota Twin Cities hat eine bahnbrechende neue Katalysatortechnologie entwickelt, die erneuerbare Materialien wie Bäume und Mais in die Schlüsselchemikalien Acrylsäure und Acrylate umwandelt, die in Farben, Beschichtungen und superabsorbierenden Polymeren verwendet werden. Die neue Katalysatortechnologie ist zudem hocheffizient, was niedrigere Kosten für die Herstellung erneuerbarer Chemikalien bedeutet.

Die neue Katalysatorformulierung wandelt aus Mais gewonnene Chemikalien auf Milchsäurebasis mit der bisher höchsten Ausbeute in Acrylsäure und Acrylate um. Im Vergleich zu anderen Klassen führender Katalysatoren weist die Technologie eine wesentlich höhere Leistung auf. Die Forschungsergebnisse sind online im Journal of the American Chemical Society Gold(JACS Au), einer führenden Open-Access-Zeitschrift der American Chemical Society, veröffentlicht. Das Forschungsteam wurde von der U.S. National Science Foundation durch das NSF Center for Sustainable Polymers unterstützt, einem Team aus mehreren Universitäten, das sich zum Ziel gesetzt hat, die Art und Weise, wie Kunststoffe hergestellt, entfernt und neu hergestellt werden, durch innovative Forschung zu verändern.

Material kommt in Beschichtungen und Lacken vor
Die Öffentlichkeit ist mit Acrylsäure und verwandten Acrylaten am meisten vertraut, da sie in alltäglichen Gegenständen wie Farben und Beschichtungen, Klebstoffen und superabsorbierenden Materialien in Windeln verwendet werden. Diese Chemikalien und Materialien wurden im letzten Jahrhundert aus fossilen Brennstoffen hergestellt. Doch in den letzten Jahrzehnten hat sich die Maisindustrie über die Herstellung von Lebensmitteln und Viehfutter hinaus auf die Herstellung nützlicher Chemikalien ausgedehnt. Eine solche aus Mais gewonnene Chemikalie ist die nachhaltige Milchsäure, ein Hauptbestandteil bei der Herstellung von erneuerbarem und kompostierbarem Kunststoff, der in vielen alltäglichen Anwendungen eingesetzt wird.
Milchsäure kann mit Hilfe von Katalysatoren auch in Acrylsäure und Acrylate umgewandelt werden. Bis zu dieser neuen Katalysatorentdeckung waren herkömmliche Katalysatoren jedoch sehr ineffizient und erzielten nur geringe Ausbeuten, so dass der gesamte Prozess zu teuer war. "Unsere neu entdeckte Katalysatorformulierung erzielt die bisher höchste Ausbeute an Acrylsäure aus Milchsäure", so Paul Dauenhauer, Professor am Department of Chemical Engineering and Materials Science der University of Minnesota. "Wir haben die Leistung unseres neuen Katalysators mit allen bisherigen Katalysatoren verglichen, und die Leistung übertrifft bei weitem alle bisherigen Beispiele."

Erhebliche Konstensenkung möglich
Die neue Katalysatorformulierung senkt die Kosten für die Herstellung von erneuerbarer Acrylsäure und Acrylaten aus Mais erheblich, indem sie die Ausbeute verbessert und den Abfall reduziert. Dadurch könnte der Preis für erneuerbare Acrylsäure erstmals unter den Preis für Chemikalien aus fossilen Rohstoffen sinken. Die wirtschaftlichen Möglichkeiten, die sich durch den neuen Katalysator ergeben, werden von Låkril Technologies genutzt, einem Start-up, das kostengünstige erneuerbare Acrylsäure und Acrylate herstellen will. Durch die Lizenzierung der Katalysatortechnologie von der University of Minnesota wird Låkril Technologies die Technologie über das Labor hinaus entwickeln.
Die chemische Industrie verlässt sich seit einem halben Jahrhundert auf eine Klasse von Katalysatoren, die Zeolithe" genannt werden", sagt Dr. Chris Nicholas, CEO von Låkril Technologies. "Da die neue Katalysatorentdeckung auf einer Zeolithformulierung basiert, die bereits in grossem Massstab verfügbar ist, wird unser neues Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure und Acrylaten niedrige Kosten bei geringem Risiko erzielen." Låkril Technologies mit Sitz in Chicago hat bereits eine Vorfinanzierung in Höhe von 1,4 Millionen Dollar erhalten, um das Verfahren zu skalieren. Die Iowa Corn Growers Association war federführend bei der Finanzierung, an der sich auch die Kentucky Corn Growers Association beteiligte, sowie Zuschüsse des Minnesota Corn Research and Promotion Council, des Indiana Corn Marketing Council, des Corn Marketing Council of Michigan und SBIR-Zuschüsse (Small Business Innovation Research) des US-Landwirtschaftsministeriums und des US-Energieministeriums.

Grundlagenforschung geht weiter
An der Universität von Minnesota plant das Forschungsteam, seine Grundlagenforschung zum Katalysatordesign fortzusetzen, um die grundlegenden Aspekte der Chemie zu verstehen, mit finanzieller Unterstützung des Zentrums für nachhaltige Polymere, das seinen Sitz an der Universität von Minnesota hat. "Dies ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie die Beantwortung wichtiger Fragen der Grundlagenforschung, die den Kern der fundamentalen Katalyse bilden, zu innovativen neuen Prozessen führen kann, die ein echtes technologisches Versprechen darstellen", sagte Marc Hillmyer, Direktor des Zentrums für nachhaltige Polymere und Professor am Fachbereich Chemie der Universität Minnesota. "Eine grosse Herausforderung des Zentrums für nachhaltige Polymere ist die effiziente und nachhaltige Umwandlung von Biomasse in Polymerbestandteile, und diese Arbeit stellt eine bahnbrechende Lösung für diese Herausforderung dar, die nachhaltige Auswirkungen haben wird."

Literatur
Yutong Pang et al.; Multifunctional Amine Modifiers for Selective Dehydration of Methyl Lactate to Acrylates; JACS Au 2023

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Bezugsquellenverzeichnis