Umsetzung von Furfurylalkohol im Batch- und Rieselbettreaktor: Eine nachhaltige Route zu Pentandiolen

Nachwachsende Rohstoffe spielen in der chemischen Industrie eine zunehmend größere Rolle, weshalb deren effiziente Umsetzung von immer größerem Interesse ist. Die direkte Umsetzung von Biomasse in Wertchemikalien ist aufgrund der komplizierten und stark variierenden Zusammensetzung von Biomasse noch immer eine Herausforderung. Die schrittweise Umsetzung von Biomasse über neue Plattformchemikalien wie Furfurylalkohol bietet den Vorteil, dass bereits industriell etablierte Prozesse für deren Produktion genutzt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl Ruthenium- als auch Kupferkatalysatoren vielversprechende Katalysatorsysteme für die Umsetzung von Furfurylalkohol zu Pentandiolen darstellen. So wurden im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich chromfreie Kupferkatalysatoren getestet, die hohe Selektivitäten sowohl bezüglich 1,2- als auch 1,5-Pentandiol erreichen. Während Kupferkatalysatoren in wässrigen Medien nicht ausreichend stabil sind, stellen unter diesen Bedingungen Ruthenium-Katalysatoren vielversprechende Alternativen mit hoher Aktivität für die Umsetzung von Furfurylalkhol zu 1,2-Pentandiol dar. Die hohe Aktivität des Katalysatorsystems macht zudem den Einsatz in kontinuierlichen Reaktionssystemen wie dem Rieselbettreaktor möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Umsetzung von Furfurylalkohol experimentell sowohl in Batch- als auch Rieselbettreaktor-Versuchen untersucht. Mit Hilfe experimenteller Daten wurde ein kinetisches Modell für die Reaktion angepasst, welches wiederrum in einem reaktionstechnischen Modell des Rieselbettreaktors Anwendung fand. Mit Hilfe dieses Modells konnte für die Umsetzung im Rieselbettreaktor gezeigt werden, dass höhere Selektivitäten zu 1,2-Pentandiol auf eine Stofftransportlimitierung von Wasserstoff zurückgeführt werden können. Somit stellen beide Katalysatorsysteme interessante Alternativen zu bestehenden Systemen dar, wobei sich im Falle der Ruthenium-Katalysatoren der Einsatz im Rieselbettreaktor empfiehlt, während sich Kupfer-Katalysatoren aufgrund der geringeren Aktivität für den Einsatz in Batch-Reaktoren eignen.

Renewable resources are playing an increasingly important role in the chemical industry, so their efficient implementation is of increasing interest. The direct conversion of biomass into value chemicals is still a challenge due to the complicated and widely varying composition of biomass. The stepwise implementation of biomass via new platform chemicals such as furfuryl alcohol offers the advantage that already industrially established processes can be used for their production. In this work it could be shown that both ruthenium and copper catalysts are promising catalyst systems for the conversion of furfuryl alcohol to pentanediols. In this work, chromium-free copper catalysts were successfully tested, which achieve high selectivities for both 1,2- and 1,5-pentanediol. While copper catalysts are not sufficiently stable in aqueous media, under these conditions ruthenium catalysts are promising alternatives with high activity for the conversion of furfuryl alcohol to 1,2-pentanediol. The high activity of the catalyst system also makes it suitable for use in continuous reaction systems such as the trickle bed reactor possible. In this work, the conversion of furfuryl alcohol was experimentally investigated in both batch and trickle bed reactor experiments. Using experimental data, a kinetic model for the reaction was adapted, which in turn was used in a model of the trickle bed reactor. With the help of this model, it could be shown for the reaction in the trickle bed reactor that higher selectivities to 1,2-pentanediol can be attributed to a mass transfer limitation of hydrogen. Thus, both catalyst systems represent interesting alternatives to existing systems, wherein in the case of ruthenium catalysts, the use in the trickle bed reactor is recommended, while copper catalysts are suitable for use in batch reactors because of the lower activity.