Institut für Nichtklassische Chemie e. V. – INC


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Geförderte Projekte: 4


Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von organischen Zwischenprodukten durch Ultraschall unterstützte heterogen-katalytische Oxidation von Zuckern und Stärken


bench-scale-Anlage zur Ultraschall-unterstützten heterogen-katalytischen Oxidation
bench-scale-Anlage zur Ultraschall-unterstützten heterogen-katalytischen Oxidation

Projektidee

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur oxidativen Spaltung von Kohlenhydraten in wässriger Phase. Dabei wurden Feststoffkatalysatoren in Verbindung mit Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel eingesetzt. Mit dieser Technologie können monomere und oligomere Zucker und Stärken bei Normaldruck und moderaten Temperaturen (bis 70 °C) kostengünstig zu Produkten umgesetzt werden, die für die Lebensmittelindustrie von Bedeutung sind bzw. aus denen in der chemischen Industrie hochveredelte Produkte, z.B. für die Papierindustrie, hergestellt werden. Die wesentlichen Vorteile dieser Technologie bestehen darin, dass durch die Anwendung eines heterogenen Katalysators aufwändige Abtrennoperationen bei der Aufarbeitung des wässrigen Produktgemisches entfallen und kostengünstige Oxidationsmittel zur Anwendung kommen.

Das Projektziel, die Entwicklung einer neuen hocheffektiven Technologie zur Herstellung von oxidierter Stärke, wurde durch die Anwendung neuartiger heterogener Katalysatoren, die sich bereits in der Umwelttechnologie bewährt haben, erreicht. Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und der Raum-Zeit-Ausbeuten und zur Beseitigung von ggf. auftretenden Ablagerungen an der Katalysatoroberfläche wurde Ultraschall eingesetzt.

Einen Schwerpunkt des Projektes bildeten Grundlagenuntersuchungen zur heterogen-katalytischen Oxidation von monomeren, oligomeren und polymeren Zuckerderivaten. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine kontinuierlich arbeitende bench-scale-Anordnung konzipiert und die Effektivität der Technologie demonstriert.

Kundennutzen

Herstellung von oxidierter Stärke
Die Produktion von oxidierten Stärken stellt hohe Ansprüche an die Verfahrenstechnik, denn die technisch anfallende Stärkelösung ist keine homogene Lösung sondern eine Suspension, die bis zu 40 % Stärkekörner enthält. Dies setzt konventionellen Oxidationsverfahren klare Grenzen. Hier musste ein Weg gefunden werden, der es erlaubt, das komplette Stärkekorn zu „oxidieren„, so dass eine möglichst homogene modifizierte Stärke gewonnen wird.
Durch Verwendung von Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel in der wässrigen Phase kann dieses durch das Quellen des Stärkekorns in das Korn diffundieren, so dass das Oxidationsmittel nahezu gleichmäßig in der Stärke verteilt ist. Damit ist eine einheitliche Oxidation der Stärke möglich. Kommerziell oxidierte Stärken bestehen aus kürzeren Ketten mit ca. 1 % Oxidationsprodukten. Dieses Ergebnis konnte auch mit dem im Rahmen dieses Vorhabens entwickelten Verfahren erreicht werden.
Somit konnte ein neuer Weg unter Verwendung preiswerter Katalysatoren zur Produktion von oxidierten Stärken aufgezeigt werden.

Modifizierung von nativer Stärke in kurzkettigere lösliche Stärke
Während des Projektes wurde durch Gespräche mit Industriepartnern ein weiteres Anwen-dungsgebiet für die Modifizierung von Stärke erschlossen. Hier stehen insbesondere Anwendungen in der Lebensmittelindustrie im Mittelpunkt.
Dabei geht es um die Spaltung der Ketten von langkettigen schwerlöslichen Stärken zu kurzkettigen wasserlöslichen Stärken ohne Veränderung der chemischen Struktur. Hierbei kann auf das Oxidationsmittel vollständig verzichtet werden, da der Prozess allein durch höhere Temperaturen initiiert wird.

Abbau von Stärke und polymeren Zuckern zu Einfach- und Zweifachzuckern
Durch Reaktionsbedingungen, die drastischer als bei der Oxidation der Stärken sind, können Stärken und andere oligomere Zuckerderivate nahezu vollständig und ohne Nebenproduktbildung in monomere bzw. dimere Zucker überführt werden. Da im Vergleich zur gegenwärtig angewendeten sauren Hydrolyse kein Katalysator angewendet werden muss, gestaltet sich die Aufarbeitung des Produktes wesentlich einfacher und kostengünstiger. Die Verwendung der dabei erhaltenen monomeren Zucker ist nicht nur auf die Lebensmittelindustrie beschränkt. Die Zucker sind Ausgangsstoffe für die Synthese von Schlüsselverbindungen für die chemische Industrie, die als Basis für die Herstellung von Wertstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden.

Ausblick

Es ergeben sich weitreichende Möglichkeiten der Verwendung von Zuckern, die aus Stärken gewonnen wurden, in der Bioraffinerie. Maßgebliche Impulse für den Wandel von einer erdöl- zu einer biobasierten Industrie setzt die Bundesregierung auch mit ihrer Nationalen Forschungsstrategie "Bioökonomie 2030", wofür wesentliche neue Beiträge geliefert werden können. Durch Vergärung zu Ethanol steht ein weites Verwendungsfeld offen. Als Beispiel kann der Energiesektor (Super E10) genannt werden. Hier ist ein lagerfähiges, erdölähnliches Produkt zugänglich, dass in der Fahrzeugindustrie und in der Energiewirtschaft eine große Rolle spielen wird.
Es kann davon ausgegangen werden, dass das Verfahren für die gesamte Breite an Stärken aus unterschiedlichen Quellen einsetzbar ist.

Das Potential dieser Anwendung zur Herstellung von oxidierten Stärken ist signifikant vom Bedarf und von den Eduktpreisen sowie den Herstellungskosten durch diese Technologie abhängig.

Auf Grund der im Rahmen des Vorhabens gewonnenen Erkenntnisse werden neue Anwendungsfelder für die Oxidationstechnologien und die Hydrolyse von oligomeren Zuckern erschlossen und bestehende Technologien weiter entwickelt.

Stand: 27.03.2014
Projektdaten aktualisiert: 04.12.2013

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