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Biosprit aus Abfällen

Zeolith-Katalysatoren ebnen den Weg für dezentrale chemische Prozesse

Sprit aus Abfall? Ist machbar. Doch Biomüll in Treibstoffe umzuwandeln, ist bisher kaum konkurrenzfähig. Zu hohe Temperaturen und zu viel Energie sind nötig. Mit einem neuen Katalysatorkonzept ist es Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) jetzt gelungen, Temperatur und Energiebedarf eines wichtigen Schrittes im chemischen Prozess entscheidend zu senken. Der Trick: Die Reaktion findet auf engstem Raum, im Inneren von Zeolith-Kristallen statt.

Immer mehr Strom wird dezentral erzeugt – durch Windräder, Wasserkraft und Solaranlagen. «Da liegt es nahe, auch die Chemieproduktion zu dezentralisieren», meint Prof. Johannes Lercher, der an der TU München den Lehrstuhl für Technische Chemie II leitet. «Theoretisch könnte jede Gemeinde ihren eigenen Sprit oder ihren eigenen Dünger herstellen.»
Bisher ist dies nicht möglich, weil chemische Prozesse viel Energie benötigen – mehr als die regenerativen Energiequellen vor Ort liefern. «Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, durch neue Prozesse die Voraussetzungen für eine dezentrale chemische Produktion zu schaffen, die durch alternative Energiequellen gespeist werden kann», erklärt der Chemiker, der in Personalunion Direktor des amerikanischen Institute for Integrated Catalysis an Pacific Northwest National Laboratory ist.
Eine Grundlage für die Wende in der chemischen Produktion hat sein Team jetzt geschaffen: Im Labor konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich mit Hilfe von Zeolith-Kristallen in wässriger Lösung die zur Spaltung von Kohlenstoff-Sauerstoff Bindungen notwendige Temperatur drastisch senken lässt. Zeolith-Katalysatoren beschleunigen den Prozess darüber hinaus erheblich.

 

Die Natur als Vorbild
Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens stand die Natur Pate: In biologischen Systemen sorgen Enzyme, an deren Oberflächen sich kleine Taschen befinden, dafür, dass chemische Prozesse schneller ablaufen.
«Wir haben uns überlegt, wie wir diese biologischen Funktionen auf die organische Chemie übertragen können», erläutert Lercher. «Auf der Suche nach geeigneten Katalysatoren, die die Reaktion beschleunigen, sind wir auf die Zeolithe gestossen: Kristalle mit kleinen Hohlräumen, in denen Reaktionen unter ähnlich beengten Verhältnissen ablaufen wie in den Taschen der Enzyme.»

Säure in die Enge getrieben
Doch steigert die Enge tatsächlich die Reaktivität? Um diese Frage zu beantworten, verglich Lerchers Team im Labor die Reaktion von Kohlenstoffverbindungen mit Säuren im Becherglas mit der in Zeolithen. Ergebnis: In den engen Hohlräumen der Kristalle, wo reagierende Moleküle, beispielsweise Alkohole, auf Hydronium-Ionen der Säuren treffen, laufen Reaktionen bis zu hundert Mal schneller und bereits knapp über 100°C mit hohen Raten ab.
«Unsere Experimente zeigen, dass die Zeolithe als Katalysatoren eine Wirkung entfalten, die vergleichbar ist mit der von Enzymen: Beide senken das Energieniveau, das für die Reaktionen notwendig ist ganz erheblich», berichtet Lercher. «Die katalytische Wirkung wird dabei stärker, je kleiner die Hohlräume sind, in denen die Reaktionen stattfinden. Die besten Ergebnisse haben wir bei Durchmessern von weit unter einem Nanometer erzielt.»

Gecko, Wachs und Zeolithe
Doch warum macht Enge die Moleküle reaktionsfreudiger? «Die Kraft, die den Reaktionspfad verbessert, ist dieselbe, die dafür sorgt, dass Wachs an der Tischplatte klebt und Geckos an der Decke laufen können», antwortet Lercher. «Je mehr Kontaktpunkte es zwischen zwei Oberflächen gibt, desto grösser die Adhäsion. In unserm Experiment werden die organischen Moleküle, die sich in wässriger Lösung befinden, von den Poren der Zeolithe regelrecht angezogen.»
Im Inneren der Hohlräume haben die Hydronium-Ionen daher eine erheblich höhere Wahrscheinlichkeit auf einen Reaktionspartner zu treffen als ausserhalb. Das Ergebnis ist eine sauer katalysierte chemische Reaktion, die schneller und mit weniger Energiezufuhr abläuft.

Aus Müll wird Sprit
Durch den Kontakt mit den Hydronium-Ionen verlieren die organischen Moleküle Sauerstoff. Das Verfahren eignet sich daher gut, um Bio-Öl, das aus organischen Abfällen gewonnen wird, in Treibstoff umzuwandeln.
Bis das neue Verfahren in der Praxis eingesetzt werden kann, wird freilich noch einige Zeit vergehen. «Noch arbeiten wir an den Grundlagen», betont Lercher. «Mit denen wollen wir die Voraussetzung schaffen für eine neue, dezentrale Chemie, die keine grosstechnischen Anlagen mehr benötigt.»
Die Arbeiten entstanden in einer Kooperation des Lehrstuhls für Technische II mit dem Zentralinstitut für Katalyseforschung der TU München und dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Sie wurden gefördert mit Mitteln des U.S. Department of Energy (DOE). Ein Teil der NMR-Experimente wurde am Environmental Molecular Science Laboratory (EMSL) des PNNL durchgeführt, dessen National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) auch Rechenzeit für Simulationen zur Verfügung stellte.

 

Quelle: TUM

Aktuell

LANXESS: Matthias L. Wolfgruber zum neuen Vorsitzenden des Aufsichtsrats gewählt

  • Wolfgruber tritt Nachfolge von Dr. Rolf Stomberg an
  • Dr. Rolf Stomberg zum Ehrenvorsitzenden des Aufsichtsrates ernannt
  • Pamela Knapp rückt in den Aufsichtsrat nach

Dr. Matthias L. Wolfgruber (64) ist neuer Aufsichtsratsvorsitzender der LANXESS AG. In seiner konstituierenden Sitzung wählte der Aufsichtsrat des Spezialchemie-Konzerns den promovierten Chemiker und ehemaligen Vorstandsvorsitzenden der Altana AG zum Nachfolger von Dr. Rolf Stomberg (78), der sein Mandat mit Ablauf der heutigen Hauptversammlung beendet hat. Wolfgruber gehört dem Kontrollgremium als Vertreter der Aktionäre bereits seit 2015 an.

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Breites Themenspektrum unter einem Dach

SECURITE LAUSANNE 2018 und FORUM SECURITE 2018

Vom 14. bis 16. November 2018 wird die SECURITE LAUSANNE zum Treffpunkt der Westschweizer Sicherheitsbranche. Ein zentraler Bestandteil der Messe ist das kostenlose FORUM SECURITE mit seinen qualitativ sehr hochstehenden Vortragsreihen.

Die Fachmesse SECURITE LAUSANNE hat ihren hohen Stellenwert für die Westschweiz mehrmals unterstrichen und geniesst die volle Anerkennung der Sicherheitsbranche in der Romandie. Bei der letzten Austragung im Jahr 2016 lockte sie rund 2300 Fachbesucher und Forum-Teilnehmer an. Auch für den November 2018 ist die Messe voll auf Kurs. Die wichtigsten Branchenverbände unterstützen die SECURITE LAUSANNE massgeblich und bereits haben sich rund 40 Aussteller angemeldet, darunter mehrere Key-Player und verschiedene Neuaussteller. So wird die SECURITE LAUSANNE 2018 wieder alle Messethemen umfassend abdecken können und ist in den Agenden der Westschweizer Sicherheitsexperten ein Pflichttermin.

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Erneute Rekordzahl an Master-Abschlüssen in Life Sciences

Dieses Jahr verzeichnet die ZHAW in Wädenswil mit 74 Master-Titeln in Life Sciences eine erneute Steigerung an Abschlüssen. 28 Frauen und 46 Männer konnten am 25. Mai 2018 ihr Diplom für das konsekutive Masterstudium entgegennehme

Das dreisemestrige Studium schliesst mit dem international anerkannten Titel «Master of Science ZFH in Life Sciences» ab. Der Titel wird ergänzt durch eine der vier möglichen Vertiefungsrichtungen: Pharmaceutical Biotechnology, Chemistry for the Life Sciences, Food and Beverage Innovation, Natural Resource Sciences. Seit letztem Jahr haben 74  Studierende erfolgreich eine Master-Thesis verfasst und dafür das Diplom erlangt. Die Festansprache an der Diplomfeier hielt Prof.em. Dr. Christian Wandrey, ehemaliger Leiter des deutschen Instituts für Biotechnologie am Forschungs­zentrum Jülich (Helmholtz Zentrum, Deutschland).

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