Erdöl ist für die chemische Industrie so wertvoll wegen der enthaltenen Kohlenstoffverbindungen. Doch nicht nur pflanzliche Biomasse, auch das Treibhausgas Kohlendioxid kommt als alternative Kohlenstoffquelle für chemische Prozesse in Frage – sofern diese Prozesse profitabel sind. Ein Schlüsselelement für die Wirtschaftlichkeit sind dabei Katalysatoren. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) arbeiten daran, solche Katalysatoren und Prozesse zu optimieren. Für die Herstellung von Ethen ist ihnen das in den Institutsteilen in Leuna und in Straubing mit einer eigens entwickelten elektrochemischen Zelle in größerem Maßstab gelungen.

Ethenproduktion im industrienahen Maßstab

„Mit dieser Anlage produzieren wir auf 130 Quadratzentimetern Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren Ethen aus CO₂ und Wasser in einem einzigen Schritt“, berichtet IGB-Forscher Carsten Pietzka. Vergleichbare Ergebnisse für diesen Elektrosyntheseprozess seien bislang nur im Labormaßstab erzielt worden, „mit Elektrodenflächen von wenigen Quadratzentimetern und nur in kleinem Maßstab herstellbaren Katalysatoren“, so der Chemiker. Eine neue Elektrolyseplattform soll ab 2020 ermöglichen, den Prozess in den industrienahen Maßstab zu skalieren. Nachhaltig seien diese Verfahren natürlich nur, wenn der genutzte Strom aus regenerativen Quellen stamme, betonen die Forscher.

Für die Herstellung von Methanol haben IGB-Forscher die Erzeugung der zugehörigen Katalysatoren revolutioniert. Bislang wurden diese aufwändig in mehreren Zwischenstufen aus kupferhaltigen Lösungen hergestellt. „Um bei der Katalysatorsynthese im industriellen Maßstab Energie, Zeit und Ressourcen einzusparen, haben wir das Verfahren für den kontinuierlichen Betrieb optimiert“, erklärt IGB-Forscher Lénárd Csepei. Außerdem haben die Chemiker ein Verfahren entwickelt und zum Patent angemeldet, das es vereinfacht, Katalysatoren unterschiedlichster Elementzusammensetzungen herzustellen.

Katalysatortest im Hochdurchsatz

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Katalysatoren zu testen, haben die Wissenschaftler eine spezielle Apparatur entwickelt. „In unserem Mehrzwecksystem mit vier parallelen Reaktorrohren können wir Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen – etwa unterschiedlichen Synthesegasgemischen, Drücken und Temperaturen – im Hochdurchsatz testen“, schildert Csepei. Einer der wichtigsten Faktoren für einen Katalysator sei die möglichst hohe Ausbeute an gewünschtem Produkt. Nebenprodukte sollten möglichst nicht entstehen.

Doch den Wissenschaftlern geht es um mehr als Katalysatoren. „Wir entwickeln auch neue Verfahren und konstruieren entsprechende Apparate, um CO₂ elektrochemisch – mit Strom aus erneuerbaren Energien – oder chemisch umzuwandeln, oder kombinieren diese mit biotechnologischen Verfahren“, erläutert Gerd Unkelbach, der am IGB das Geschäftsfeld „Nachhaltige Chemie“ verantwortet.

Synthesegas mit biotechnologischer Fermentation koppeln

Weil die elektrochemische Herstellung von Chemikalien aus Kohlendioxid nur im wirklich großen Maßstab konkurrenzfähig zur erdölbasierten Alternative ist, arbeiten die Fraunhofer-Forscher an einer Lösung für kleinere Emittenten wie Biogasanlagen oder Brauereien: Sie wollen die Synthese direkt mit einer biotechnologischen Fermentation zu höherwertigen Chemikalien koppeln. „Über eine neue Reaktionsführung wird Methanol dabei zum Zwischenprodukt und – ohne weiteren Aufarbeitungsschritt – in bestimmten Zeitabständen direkt in einen Fermenter gepumpt“, beschreibt Csepei das Ziel. Die Mikroorganismen verwenden das Methanol als einzige Kohlenstoffquelle und produzieren beispielsweise Milchsäure, Isopren, Polyhydroxybuttersäure und langkettige Terpene – Produkte, für die sich gute Preise erzielen lassen, da die herkömmliche Herstellung auf chemisch-katalytischem Weg aufwendig und teuer ist.

bl