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Fraktionierung und selektive Oxidation lignocelluloser Biomasse zu Ameisensäure und hochreiner Cellulose

Lignocellulose Biomasse ist eine der wichtigsten erneuerbaren Ressourcen zur nachhaltigen Produktion von Biotreibstoffen, bio-basierten Materialien und Plattformchemikalien. Lignocellulose Biomasse wird aus atmosphärischem CO2, Wasser und Sonnenlicht mittels Photosynthese hergestellt. Da das CO2, das während der Umsetzung der Biomasse frei wird, zuvor aus der Atmosphäre in der Biomasse gespeichert wurde, wird von einem CO2-neutralen Prozess gesprochen. Zudem kann lignocellulose Biomasse in großen Mengen bereitgestellt werden und kann daher als vielversprechende Alternative zu fossilen Ressourcen angesehen werden.

Durch die hohe Komplexität und Inhomogenität von lignocelluloser Biomasse ist deren selektive Umsetzung allerdings sehr anspruchsvoll. Typischerweise besteht sie aus Hemicellulose (25 %), Lignin (25 %), Cellulose (40 %) und 10 % anderen Bestandteilen.

Cellulose ist ein besonderes interessantes Produkt für Materialanwendungen, wie beispielsweise die Papierindustrie. Hemicellulose und Lignin hingegen können zur Energieerzeugung oder für die Herstellung von Plattformchemikalien genutzt werden. Durch den höheren Marktwert von Cellulose im Vergleich zu Hemicellulose und Lignin, gibt es verschiedene Ansätze lignocellulose Biomasse in die einzelnen Bestandteile zu zerlegen. Diese sogenannte Fraktionierung ermöglicht die Nutzung von Cellulose für beispielsweise die Papierindustrie und die Weiterverarbeitung von Lignin und Hemicellulose zur Energieerzeugung oder zur Herstellung von Plattformchemikalien.

Ameisensäure ist eine wichtige Plattformchemikalie, die beispielsweise in der Futtermittel-, Arzneimittel- oder Textilindustrie Anwendung findet. Zudem kann Ameisensäure als auf Kohlenstoffdioxid geträgertes Wasserstoffäquivalent betrachtet werden. Durch den flüssigen Aggregatszustand und die Stabilität unter Normbedingungen hinsichtlich Handhabung, Transport und Lagerung stellt Ameisensäure einen attraktiven, chemischen Wasserstoffspeicher dar.

In der Arbeitsgruppe „Biomasse und nachhaltige Erzeugung von Plattformchemikalien“ beschäftigen wir uns mit der Fraktionierung lignocelluloser Biomasse kombiniert mit einer selektiven in-situ Umsetzung von Hemicellulose und Lignin zu Ameisensäure. Die so erhaltene Cellulose kann anschließend abfiltriert und für weitere Anwendungen genutzt werden. Hierfür werden in unserer Arbeitsgruppe verschiedene Katalysatoren aus der Substanzklasse der Polyoxometallate entwickelt und spezielle Reaktionsmatrizen eingesetzt. Dieses Projekt bearbeiten wir gemeinsam mit unseren akademischen (Imperial College London) und industriellen Partnern (Chrysalix, UK und OxFA GmbH, DE).