Ein Reaktor mit guter Energiebilanz

Nun hat eine Forschergruppe um den Evonik-Experten Prof. Dr. Robert Franke dieses Problem gelöst und das Beste aus beiden Katalysewelten vereint – indem sie dank eines neuen Reaktorkonzepts die katalytische Reaktion und Abtrennung in einem einzigen Prozessschritt möglich macht. Das Ergebnis: eine Art 2-in-1-Reaktor, der dank des Einsatzes einer Membran besonders energieeffizient arbeitet.

Mit diesem Reaktor will das Forscherteam den Prozess der Hydroformylierung revolutionieren. Dabei handelt es sich um eine großtechnische Reaktion, bei der aus Olefinen und Synthesegas Aldehyde entstehen. Diese dienen als Vorprodukte unter anderem für Alkohole, die in Medikamenten, Waschmitteln, Tensiden oder Weichmachern benötigt werden. Bei der Hydroformylierung entstehen jährlich rund 12 Millionen Tonnen an Produkten.

Neun Partner aus Wissenschaft und Industrie haben für die Entwicklung ihre Fähigkeiten im EU-geförderten Projekt „ROMEO“ gebündelt. Der Name steht für „Reactor Optimisation by Membrane Enhanced Operation“. In dem neuen Membranreaktor wird das gewünschte Produkt kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch ausgeschleust. Möglich macht dies eine Membran, die außen auf einen Monolithen angebracht wird. Der Monolith ist eine Art Zylinder, dessen innere Oberfläche mit dem Katalysator belegt ist. Dies führt dazu, dass der Katalysator auf dem Monolithen verbleibt und das Reaktionsprodukt durch die Membran abgetrennt wird. Das erübrigt die energieintensive Aufarbeitung des Reaktionsprodukts in einer Destillationskolonne.

Das Prinzip klingt bestechend einfach, birgt aber zahlreiche Tücken – angefangen bei der Beschaffenheit von Träger, Katalysator und Membran bis hin zum modularen Aufbau des Reaktors, der ein zügiges Upscaling ermöglicht, also die Umsetzung in einer technischen Produktionsanlage. „Um diese Herausforderungen zu bewältigen, mussten wir viele Technologien vereinen“, erklärt Franke, der die Hydroformylierungsforschung im Geschäftsgebiet Performance Intermediates von Evonik leitet. „Daher war es wichtig, Experten aus verschiedenen Gebieten rund um chemische Reaktionen und Reaktortechnologien in einem gemeinsamen Projekt zusammenzubringen.“

Zwei von ihnen sind Prof. Dr. Rasmus Fehrmann von der Technischen Universität Dänemark und Prof. Dr. Peter Wasserscheid, Inhaber des Lehrstuhls für Chemische Reaktionstechnik der Universität Erlangen/Nürnberg. Unter Fehrmanns Leitung hatten sie zusammen mit anderen Forschern bereits 2003 erstmalig gezeigt, wie die Hydroformylierung in einem sogenannten Festbettreaktor mit einem speziellen Katalysator gelingen kann – und dieser sich dennoch nicht im Produkt löst. Die sogenannten Supported-Ionic-Liquid-Phase-Katalysatoren (SILP) sind homogene Katalysatoren, die in gelöster Form auf einen Träger aufgetragen und in dieser festen Form in der Reaktion eingesetzt werden. Auf diese Weise ist der hoch selektive homogene Katalysator „immobilisiert“, also zu einem heterogenen Katalysator geworden.