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OxFA-Prozess- Oxidative Umsetzung von Biomasse zu Ameisensäure

Eine vielversprechende Möglichkeit der chemischen Wertschöpfung von Biomasse stellt die selektive katalytische Oxidation biogener Rohstoffe im OxFA-Prozess (englisch: Oxidation of Biomass to Formic Acid) dar. Das Konzept dieser Arbeit beruht auf einem thermo-chemischen Umwandlungsprozess von Biomasse in einer „kalten Verbrennung“ zu Ameisensäure (engl. Formic Acid, kurz: FA). Diese Verbindung kann als auf Kohlenstoffdioxid geträgertes Wasserstoffäquivalent betrachtet werden und stellt in diesem Zusammenhang einen chemischen Wasserstoffspeicher dar. Dieser ist aufgrund seines flüssigen Aggregatszustands und seiner Stabilität bei Normalbedingungen hinsichtlich Handhabung, Transport und Lagerung vergleichbar mit konventionellen Flüssigkraftstoffen. Des Weiteren bietet Ameisensäure verschiedene Möglichkeiten der stofflichen Nutzung, beispielsweise in der Futtermittel-, Arzneimittel- oder Textilindustrie. Ihre Salze finden zudem Verwendung als Enteisungsmittel oder als Additiv in Bohrflüssigkeiten.

Möglich wird dieses Verfahren durch die Verwendung von wasserlöslichen, selektiven Oxidationskatalysatoren aus der Substanzklasse der Polyoxometallate. Diese maßgeschneiderten Katalysatoren ermöglichen es, eine große Bandbreite an zuckerhaltigen Biomassen in wässriger Suspension unter Zuhilfenahme von molekularem Sauerstoff und Additiven aus der Reihe der organischen Sulfonsäuren selektiv zu Ameisensäure umzusetzen. Ferner kann mit Hilfe der molekularen Optimierung dieser Katalysatoren eine verbesserte Prozessführung unter milden Bedingungen in einem exothermen Prozess gewährleistet werden. Unter Anwesenheit einer zweiten, organischen Phase, wird die gebildete Ameisensäure durch eine in-situ Reaktivextraktion aus der wässrigen Reaktionsphase extrahiert.

Die Forschungsergebnisse führten 2011 zur Patentierung des OxFA-Prozesses. Im März 2015 gründete der Unternehmer Dr. Wolf Ibach die OxFA® GmbH, um die Entwicklung des Verfahrens weiterzuführen. Die Firmengründung erfolgte als Joint-Venture der IBACH GmbH mit dem Biogasanlagenbauer EnviTec Biogas AG.

In der Arbeitsgruppe „Biomasse und nachhaltige Erzeugung von Plattformchemikalien“ beschäftigen wir uns damit, die Industriereife des OxFA-Prozesses weiter zu entwickeln. Hierfür wurde ein Upscaling durchgeführt und eine Miniplant zur kontinuierlichen Betriebsweise des Verfahrens in Betrieb genommen. Durch eine detaillierte Sensitivitätsanalyse konnten die Prozessparameter dieser Miniplant bereits optimiert werden. Durch Untersuchung verschiedener Parameter (wie Temperatur, Druck, Rührerdrehzahl, Konzentration, Volumenströme und Volumenstrom-Verhältnisse) konnten die größten Einflussfaktoren auf den Prozess ermittelt werden. Auch ein Recycling des Extraktionsmittels konnte realisiert werden. So zeigte die Verwendung von redestilliertem Extraktionsmittel in den Versuchen ebenfalls gute Ergebnisse. Sogar die Umsetzung von realer Biomasse in der kontinuierlichen Miniplant ist möglich. Neben Modellsubstraten wie Sucrose konnte vor kurzem die Oxidation von Melasse zu Ameisensäure erfolgreich durchgeführt werden.