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Posts Tagged ‘Katalyse’

… was würde er tun, haben wir Harun Tüysüz in unserem Interview gefragt, und die Antwort des DECHEMA-Preisträgers 2019 war eindeutig. Wie er die Aussichten auf eine klimaneutrale Chemieindustrie bis 2050 sieht, erfahren Sie außerdem hier im zweiten Teil unseres Interviews (hier geht es zum ersten Teil).

Eine Frage kann ich mir nicht verkneifen: Wir haben hier gerade eine Studie veröffentlicht, nach der die chemische Industrie eigentlich bis 2050 treibhausgasneutral werden könnte – vorausgesetzt, man bringt die entsprechenden Technologien jetzt voran und vorausgesetzt, man hat den entsprechenden günstigen erneuerbaren Strom. Halten Sie das aus technologischer Sicht für realistisch?

Photo by Chris LeBoutillier on Pexels.com

Es wäre traumhaft. Ich würde wirklich gerne ja sagen, aber ich fürchte, die Umsetzung könnte sich schwierig gestalten. Ich finde es wichtig, dass wir darüber sprechen. Sowohl Deutschland als auch die EU haben sich ja das Ziel gesetzt, bis 2050 klimaneutral zu sein. Es geht also um einen Entwicklungszeitraum von 30 Jahren. Bisher haben wir aber Probleme, unsere Ziele zu erreichen: Wenn wir uns die Treibhausemissionen des Umweltbundesamtes bis 2020 anschauen und mit denen von 1990 vergleichen, müssten wir jetzt bei 40 % weniger Emissionen sein. Tatsächlich haben wir eine Reduktion von lediglich 32 % erreicht – bis 2030 sollen es bereits 55 % weniger Emissionen sein. Die Entwicklung hat jedoch innerhalb der letzten 2-3 Jahre stagniert – wir müssen also etwas anders machen als bisher.

Den Bericht der DECHEMA finde ich da sehr spannend. Hier werden drei Szenarien skizziert – ich möchte mich auf das dritte fokussieren, nachdem die chemische Industrie bis 2050 treibhausgasneutral sein könnte. Dort steht, dass die Annahmen teilweise optimistisch ausfallen und neue Technologien schneller in den Markt gebracht werden. Dafür müssten wir unter anderem neue Katalysatoren entwickeln. Nehmen wir die  Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Damit produzieren wir insgesamt ungefähr 1,5 % der globalen Treibhausemissionen und des globalen Stromverbrauchs. Solche Verfahren innerhalb von 30 Jahren zu erneuern, wäre eine sehr große Herausforderung.

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Wir müssten dafür neuartige Katalysatoren entwickeln, um die elektrische Ammoniaksynthese zu umgehen. Aber auch für die Wasserspaltung durch Sonnenergie in Wasserstoff benötigen wir neuartige Katalysatoren. Gleichzeitig benötigen wir mehr Wasserstoff, z.B. durch elektrochemische Wasserspaltung. Optimal wäre natürlich, wenn wir CO2 direkt in Kohlenwasserstoffverbindungen umwandeln könnten. Wenn wir also Katalysatoren für diese 3 oder 4 wichtigen Verfahren entwickeln könnten und diese dann in 30 Jahren direkt in der Industrie anwenden könnten – dann würde ich sagen, Klimaneutralität ist machbar.

Aber ist das realistisch? Eher nicht. Das Verfahren der photokatalytischen Wasserspaltung wurde in den 1970er Jahren entwickelt und seitdem haben wir keine großen Sprünge gemacht. Die Katalysatoren, die wir haben, sind entweder nicht stabil oder absorbieren nur einen sehr geringen Bereich der Sonnenenergie. Die Mehrheit sind UV-absorbierende Materialien mit geringer Aktivität. Es gibt einen großen Bedarf an neuartigen Halbleitermetallen für die Solarwasserspaltung, und bei der elektrochemischen Wasserspaltung haben wir immer noch große Probleme mit dem Katalysator bei der Sauerstoffentwicklung.  Er basiert auf Ruthenium-Iridium-Oxid. Wenn wir so viel Wasserstoff erzeugen wollen, dass wir damit Kohle und Erdgas ersetzen können, brauchen wir riesige Katalysatormengen. Momentan hätten wir nicht einmal genug, um den Wasserstoffbedarf von Deutschland zu decken. Iridium ist ein ausgesprochen seltenes Element, das man hauptsächlich in Meteoriten findet – wir haben einfach nicht genug davon. Wir brauchen also Katalysatoren, die nicht auf Edelmetallen basieren.

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Ein anderes ganz heißes Thema ist die elektrochemische Ammoniaksynthese. In einem Traumszenario könnte man Stickstoff direkt aus der Luft verwenden, dazu Wasser, grünen Strom aus Wind- oder Sonnenenergie und könnte dann an einem Katalysator bei Raumtemperatur den Stickstoff zu Ammoniak umsetzen. Bisher können wir die Mengen, die wir so erzeugen, aber nicht einmal detektieren.

Wir müssen daran arbeiten und besonders die Entwicklung neuer Materialien ist sehr dringend. Aber dafür müssen wir mehr investieren, wir brauchen mehr Manpower und benötigen starke Teams mit Theoretikern und Physikern, um an neuartigen Katalysatoren zu forschen. Wenn wir das alles machen und es am Ende gemeinsam mit der Industrie umsetzen, dann könnten wir es schaffen. Ich bin nicht sehr optimistisch, aber ich hoffe, dass wir es hinbekommen.

Ich sehe aber noch einen anderen Aspekt auf dem Weg zur Klimaneutralität. Um solche Ziele zu erreichen, muss jeder einzelne mitmachen. Wir alle müssen nachhaltiger leben, darauf achtgeben, wie und womit wir fahren und was wir konsumieren. Schauen Sie sich zum Beispiel die Textilindustrie an: Hier wird viel CO2 produziert und wenn die Kleidung nun zu sehr geringen Preisen verkauft wird und der Endverbraucher sie nach kurzer Zeit wegwirft, dann ist das alles andere als klimafreundlich. Das Stichwort hier lautet „Recycling“.  Wir dürfen nicht Millionen Tonnen Plastik ins Meer schütten, sondern müssen daraus neue Waren produzieren. Auch die Industrie sollte nicht CO2 oder Stickstoff in die Luft ablassen, sondern es isolieren und in andere Chemikalien umwandeln.

Wir verfolgen das zum Beispiel mit dem Projekt Carbon2Chem. Darin geht es darum, Abgase aus der Stahlindustrie zu nutzen. Wir arbeiten zusammen mit Covestro daran, das Kohlenmonoxid für die Polymerproduktion einzusetzen. Andere Partner versuchen  Kohlendioxid zu Methanol und weiteren Chemikalien umzusetzen. Insgesamt müssen wir den Umgang mit Recycling verbessern und das ist nicht nur eine Aufgabe für Regierungen und Politik. Jeder muss hier seinen Beitrag leisten, um den CO2-Ausstoß global zu verringern.

Stellen Sie sich vor, die gute Forschungsfee kommt in Ihr Labor, und Sie dürfen sich etwas wünschen:  Eine Methode, ein Werkzeug, einen Katalysator – was würden Sie sich wünschen, was Sie besonders weiterbringen würde?

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Ich arbeite sehr gerne mit der Templatierungsmethode. Wir benutzen sie, um Katalysatoren mit sehr genau definierter Morphologie herstellen zu können. Mit den Synthesebedingungen können wir die Eigenschaften variieren und den Zusammenhang zwischen Struktureigenschaften und katalytischer Leistung ermitteln.

Wenn ich mir aber einen Katalysator wünschen könnte, dann wäre das einer, mit dem sich Stickstoff bei Raumtemperatur zu Ammoniak umwandeln ließe und ein Katalysator auf Basis von Übergangsmetallen für die effektive Wasserstoffherstellung.

Gerade wenn wir uns in eine nachhaltige Richtung bewegen wollen, dann wird meiner Meinung nach die Wasserstoffproduktion ein großes Problem für die Gesellschaft. Egal welches Verfahren Sie anschauen, CO2-Reduktion, Ammoniak-Synthese, Fischer-Tropsch oder Ähnliches – am Ende ist die Erzeugung von Wasserstoff der Knackpunkt. Wir brauchen also gute Verfahren und neuartige Katalysatoren, um Wasserstoff aus sauberen Quellen wie zum Beispiel Wasser herstellen zu können. Das wäre also mein Wunsch und auch der wichtigste Schritt auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft.

Herzlichen Dank für das Gespräch.

Die Verleihung des DECHEMA-Preises 2019 findet am 27. August 2020 im Rahmen einer Online-Veranstaltung statt. Im Mittelpunkt steht dabei die Wasserstofferzeugung als wissenschaftliches Thema. Die Anmeldung ist kostenfrei – registrieren Sie sich hier für den DECHEMA-Prize 2019.

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… sagt Harun Tüysüz, Katalyseforscher am MPI für Kohlenforschung in Mülheim und DECHEMA-Preisträger 2019. Den DECHEMA-Preis wird er am 27. August 2020 im Rahmen einer hybriden Veranstaltung entgegennehmen (Anmeldung zum DECHEMA-Prize 2019). Wir haben uns mit ihm über seine Forschung, seine „Traumreaktion“ und die Vision von einer treibhausgas-neutralen Chemieindustrie unterhalten. Im heutigen ersten Teil des Interviews erfahren Sie mehr darüber, welche Faktoren die Katalysator-Aktivität beeinflussen und was Harun Tüysüz an seiner Arbeit besonders gut gefällt.

Herr Tüysüz, das Spektrum Ihrer Forschungsarbeiten ist unglaublich breit. Gibt es so etwas wie einen kleinsten „gemeinsamen Nenner“? Einen Bereich, den man als Ausgangspunkt für Ihre Forschung bezeichnen könnte?

Harun Tüysüz ist begeisterter Wissenschaftler.

Ich gebe Ihnen Recht, von außen betrachtet erscheint meine Forschungsrichtung sehr breit. Im Kern beschäftige ich mich jedoch mit dem Design und der Entwicklung von Katalysatoren mit sehr genau definierter Nanostruktur und deren Anwendung im Bereich nachhaltiger Energie.

Hierbei haben wir ein klar definiertes Ziel: Ob CO2-Aktivierung, elektrochemische Wasserspaltung oder sogar der Halogenid-Perowskit-Katalysator  –  letztlich versuchen wir immer, eine Verbindung zwischen der Struktur und ihrer katalytischen Aktivität zu finden. Damit definieren wir die Struktur-Aktivitäts-Korrelation durch die Syntheseparameter und schlussendlich auch ihre katalytische Aktivität und Anwendung.

Welche Rolle spielt denn die Struktur überhaupt für den Katalysator? Man könnte ja denken, dass bei der Katalyse eigentlich nur die Oberfläche  ausschlaggebend ist und vielleicht noch, wie gut das Molekül dort hinkommt. Aber tatsächlich geht es um mehr als das?

Es geht auf jeden Fall um mehr. Natürlich gibt es Reaktionen, die sehr empfindlich auf die Struktur und die physikalischen Eigenschaften der Materialien reagieren. Ein Beispiel: die Fischer-Tropsch-Katalyse, die hier am Max-Planck-Institut entdeckt wurde. Bei dem Verfahren kann mithilfe von Kobalt-Nanopartikeln  Kohlenmonoxid mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffverbindungen umgewandelt werden. Es gibt dabei einen Trend, der besagt, „je kleiner der Nanopartikel, desto aktiver und besser ist der Katalysator“.  Für diesen gibt es aber eine Grenze: unterhalb einer Partikelgröße von 6-7 Nanometern verringert sich die Aktivität des Katalysators wieder. Das ist eine sehr spezifische Eigenschaft der Fischer-Tropsch-Katalysatoren, die auch für andere Reaktionen gelten kann. Neben der Struktur spielen also die Zusammensetzung, die Morphologie, die Porosität, die Oberfläche, die Partikelgröße, die Partikelform und die Defekte sehr wichtige Rollen in der heterogenen Katalyse.

Es gibt also viel mehr Faktoren als die Partikelgröße?

Die Oberflächenstruktur eines Katalysators hat einen wesentlichen Einfluss auf seine Aktivität.

Absolut! Morphologie, Partikelgröße und Form sind alles wichtige Parameter, die eine große Rolle in der Katalyse spielen können. Während einer chemischen Reaktion sind die Wechselwirkungen zwischen den Katalysatoren und den Reaktanden sowie deren Adsorptions- und Desorptionsenergien sehr stark von der Form und den Facetten der Katalysatoren abhängig.  Wenn Sie einen Katalysator haben, der an der Oberfläche Würfel-, Oktaeder- oder Pyramidenstrukturen bilden kann, werden Sie je nach Oberflächenstruktur unterschiedliche Aktivitäten und auch Produktselektivitäten beobachten.

Man könnte also anhand der Katalysatorstruktur vorhersagen, wie ein Reaktion abläuft bzw. welche Struktur man für ein gewünschtes Ergebnis bräuchte. Wie gut versteht man diesen Zusammenhang denn schon?

Für viele Reaktionen lässt sich das bereits mithilfe des entsprechenden theoretischen Hintergrundwissens vorhersagen. Aber es gibt auch immer noch viele Fälle in der Katalyseforschung, in denen das Ergebnis am Ende eine Überraschung ist.

Wenn Sie wie beispielsweise bei der Wasserspaltung in eine neue Richtung forschen, können sich die tatsächlichen Ergebnisse stark von Ihren Anfangsannahmen unterscheiden. Sie können zwar ungefähr berechnen, welche Aktivität oder Stromstärke Sie von einer bestimmten Elektrokatalyse erwarten, doch Aspekte wie die Kinetik, die Diffusion oder der Stofftransport können dazu führen, dass das Resultat weit von dem abweicht, was Sie erwartet haben.

Die Katalyseforschung ist ein sehr großes Feld mit viel Theorie und immer noch unvorhersehbaren Ergebnissen – was fasziniert Sie besonders daran?

90% aller hergestellten Produkte sind auf ihrem Lebensweg einem Katalysator begegnet. [Photo by Martin Lopez on Pexels.com]

Die Katalyseforschung ist ein Bereich mit einer langen und reichen Geschichte. Sie wird eine noch strahlendere Zukunft haben, da die Herausforderungen unserer Gesellschaft mehr Unterstützung erfordern. Sie ist auch der Schlüssel zur Schaffung einer sicheren, nachhaltigeren und umweltverträglichen Zukunft.

Die Katalyseforschung ist sehr interdisziplinär und erstreckt sich über weite Bereiche der Chemie, Biochemie, Biotechnologie, Chemietechnik und Materialwissenschaften. Ungefähr 90% aller hergestellten Materialien beinhalten auf der einen oder anderen Stufe ihrer Herstellung mindestens einen katalytischen Prozess. Es beeindruckt mich, wie breit das Feld der Katalyse gefächert ist und wie sehr sie unser tägliches Leben beeinflusst, manchmal ohne dass wir es wissen.

Ich glaube, die große Faszination meiner Arbeit ist, dass kein Tag dem anderen gleicht. Jeder Tag im Büro birgt neue Herausforderungen. Die stete Weiterentwicklung fasziniert mich – jeden Tag ergeben sich neue Puzzleteile, die wir dann am Ende zu einem großen Bild zusammenbauen, um so Lösungen für wissenschaftliche Probleme liefern zu können.

Wo sehen Sie denn die größten Hürden bei Ihrer Arbeit?

Die größte Herausforderung für die Katalysegemeinschaft ist die Beobachtung der katalytischen Reaktion unter Betriebsbedingungen. Dies liefert wesentliche Erkenntnisse über die Veränderung der Katalysatoren, ihre Aktivierung oder Deaktivierung. Wir brauchen die Entwicklung fortschrittlicherer analytischer Techniken, um mehr Einblick in die katalytische Reaktion- und den Reaktionsmechanismus sowie die Bestimmung der aktiven Zentren zu ermöglichen.

Die Bürokratie kann eine hohe Hürde für Wissenschaftler sein. [Photo by Pixabay on Pexels.com]

Für meine Arbeit sehe ich die größten Hürden, um ehrlich zu sein, tatsächlich im nicht-wissenschaftlichen Bereich. Das betrifft vor allem die Bürokratie und den unnötigen Papierkram. Der zweite große Punkt sind die Schwierigkeiten, wenn es darum geht, Finanzmittel für die Grundlagenforschung zu gewinnen. Ich gebe Ihnen dafür gern ein Beispiel: Nobelpreisträger Otto Warburg hat Anfang 1921 einen Antrag bei der DFG eingereicht. Dieser Antrag bestand aus einem einzigen Satz: „Ich benötige 10.000 (zehntausend) Mark.“ Dieser Antrag wurde bewilligt und Otto Warburg hat am Ende die benötigten Mittel erhalten.

Wenn ich heutzutage einen Antrag auf Fördermittel stellen möchte, dann dauert das Verfahren extrem lang, häufig 8-12 Monate. Es kann Jahre dauern, bis man tatsächlich Mittel für eine neue Forschungsrichtung bekommt. Wenn es dann soweit ist, sind andere Wissenschaftler oder Länder vielleicht schon gar nicht mehr an diesem Thema interessiert. Ohne konkrete Anwendung ist es ebenfalls schwierig, an Fördermittel zu kommen. Dabei ist es sehr wichtig, die Grundlagenforschung in Deutschland zu unterstützen. Wenn man heute ein Chemiebuch zur Hand nimmt, beruht fast alles Wissen darin auf Grundlagenforschung. Das müssen wir erhalten.

Ich merke schon, die Hürden in Ihrer Arbeit beziehen sich weniger auf die Forschung, sondern eher auf das Drumherum.

Mit der Forschung bin ich sehr zufrieden. Ich arbeite am Max-Planck-Institut und wir haben eine sehr gute Infrastruktur vor Ort. Wir erhalten zudem viel Unterstützung von der zentralen Max-Planck-Gesellschaft. Außerdem ist das MPI für Kohlenforschung eine Stiftung, die sich zum Teil durch alte Patente zum Beispiel für die Polyethylen-Herstellung finanziert. Wissenschaftlich geht es uns also sehr gut.

Lesen Sie nächste Woche im zweiten Teil des Interviews, wie Harun Tüysüz die Chancen für eine treibhausgas-neutrale chemische Industrie bis 2050 einschätzt, was dafür gebraucht würde und welchen Katalysator er sich von einer guten „Wissenschafts-Fee“ wünschen würde.

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Von Tony Boehle – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27335434

Metallorganische Gerüstverbindungen oder MOFs gehören vielleicht zu den spannendsten Materialklassen überhaupt. Die Vielfalt der möglichen Zusammensetzungen, Strukturen und Oberflächeneigenschaften eröffnet eine enorme Breite möglicher Anwendungsgebiete. Das zeigt ein Blick auf einige beispielhafte Veröffentlichungen der letzten Monate:

  • Eines der vielbeachteten Einsatzgebiete von MOFs ist die Abtrennung von CO2 aus feuchten Gasströmen. Bisher bereitet das große Probleme, weil die Wassermoleküle mit CO2 um die Bindungsstellen an vielen adsorptiven Materialien konkurrieren. Wissenschaftler der Polytechnischen Hochschule Lausanne um Peter Boyd screenten mit einem Computermodell 325.000 metallorganische Gerüstverbindungen auf ihr Adsorptionsverhalten. Dabei stießen sie auf 35 Strukturen, die CO2 aus nassen Abgasen filtern können. Der Trick: Die Materialien verfügen über getrennte Bindungsstellen für Wasser bzw. für CO2. So wird die Konkurrenz der beiden Moleküle vermieden. Die Ergebnisse aus dem Rechner konnten an zwei Materialien bereits verifiziert werden – sie eignen sich besser als bisher verfügbare Zeolithe und ähnliche Materialien zur CO2-Abtrennung aus feuchter Umgebung. (Publikation in Nature)
  • Ein Team der Universität Manchester stellte im November Ergebnisse zum Einsatz von MOF gegen Luftverschmutzung durch Stickoxide vor. Das „Manchester Framework Material 520 – MFM-520“ adsorbiert 4,2 mmol NO2-Dimere pro g. Behandelt man das MOF anschließend mit Wasser in Luft, wird das NO2 quantitativ zu HNO3 umgewandelt, und das MOF wird vollständig regeneriert. Damit steht ein neues edelmetallfreies Material für die Denitrifikation von trockenen und feuchten Gasströmen zur Verfügung. (Webseite der Universität Manchester)
Photo by Heorhii Heorhiichuk on Pexels.com
  • Auch andere gefährliche Substanzen lassen sich mit Hilfe von MOFs aus der Atemluft entfernen: Im Journal der American Chemical Society berichten Wissenschaftler aus den USA und China über den Einsatz von MOFs, um chemische Kampfstoffe aus der Luft unschädlich zu machen. Bisherige Ansätze scheiterten daran, dass für die Hyrolyse der Nervengifte alkalische Lösungen mit flüchtigen toxischen Basen benötigt wurden. Die Forscher der Nordwestern University und ihre Partner kombinieren MOFs auf Zirkonium-Basis mit linearem Polyethylimin, einer festen Base. Der Verbundstoff speichert genug Wasser aus der Luftfeuchtigkeit, um die Hydrolyse ohne flüssiges Wasser zu ermöglichen. Er lässt sich auf Textilien auftragen und kann so beispielsweise in Luftfiltern oder Schutzanzügen eingesetzt werden. (Artikel im J. Am.Chem. Soc.)
  • Doch der Einsatz von metallorganischen Gerüstverbindungen beschränkt sich nicht nur auf die Abtrennung von Gasen. So berichteten Wissenschaftler kürzlich in Nature Communications über Wege, MOFs so zu designen, dass sie als Katalysatoren bei der Wasserelektrolyse die Sauerstoffentstehung fördern. Dabei werden Verknüpfungen innerhalb des MOF entfernt; anstelle von Liganden mit mehreren Koordinationsstellen werden einfache Liganden eingesetzt, so dass die Netzwerkstruktur Lücken bekommt („missing linkers“). Erste experimentelle Ergebnisse bestätigen die Berechnungen und lassen darauf schließen, dass durch diese Methoden auch MOFs für andere katalytische Reaktionen optimiert werden können. (Artikel in Nature Communications)

Mehr Aktuelles zu metallorganischen Gerüstverbindungen gibt es bei der 7th International Conference on Metal-Organic Frameworks and Open Framework Compounds vom 20 – 23 September 2020 in Dresden. Bis 14. Februar 2020 können Sie Ihren Beitrag einreichen.

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Welche Rolle könnte Methanol als Energieträger und Plattformchemikalie der Zukunft spielen? Diese Frage hat Hans Jürgen Wernicke durch seine gesamte Berufslaufbahn begleitet – und auch beim DECHEMA-Kolloquium anlässlich seines 70. Geburtstages ist der Blick nicht nur auf den aktuellen Stand der Technik, gerichtet, sondern darüber hinaus auf die Einsatzmöglichkeiten von Methanol in der nahen und mittleren Zukunft. Wir sprachen mit dem früheren DECHEMA-Vorsitzenden darüber, was ihn an Methanol so fasziniert:

Dr. Hans Jürgen Wernicke

Herr Dr. Wernicke, welche Rolle hat Methanol in Ihrer Laufbahn gespielt?
Methanol hat mich über meine gesamte Berufslaufbahn begleitet. Bei Linde haben wir einen Reaktor entwickelt, der unter anderem für die stark exotherme Synthese von Methanol dient, bei der Süd-Chemie (heute Clariant) waren und sind  Methanolkatalysatoren ein wichtiger Teil des Geschäfts und wurden kontinuierlich verbessert  – ich war also immer in der einen oder anderen Weise mit Methanol befasst.

Wo sehen Sie die größten Potenziale für den Einsatz von Methanol in der nahen und in der mittleren Zukunft?
Das größte Potenzial sehe ich darin, CO2 zu recyceln und mit „grünem“ Elektrolysewasserstoff zu nachhaltigem Methanol umzusetzen. Methanol lässt sich vielseitig einsetzen, z.B. als hochoktaniger  Kraftstoffzusatz oder weiterverarbeitet  als Benzin oder Diesel. Über die in großem Maßstab realisierte  Herstellung von Olefinen aus Methanol lässt sich  die gesamte petrochemische Prozesskette  abbilden. Methanol könnte so wesentlich zum  Ersatz fossiler Rohstoffe beitragen. Die Handhabung von Methanol ist Stand der Technik, es  ist ein flüssiger Energieträger, für den, anders als z.B. bei  Wasserstoff oder den Ladestationen für Batterien, nicht in eine neue Infrastruktur investiert werden müsste. .

Warum werden diese Potenziale bisher nicht genutzt – welche technischen oder sonstigen Hürden stehen dem im Wege?
Da gibt es mehrere Gründe: Der zur CO2-Hydrierung benötigte Elektrolysewasserstoff –  insbesondere  aus regenerativen Energiequellen –  ist noch zu teuer. CO2 ist dagegen leicht abzutrennen und in großer Menge verfügbar, vor allem aus industriellen Quellen. Die zweite Hürde ist die generelle  Akzeptanz: Wenn die Öffentlichkeit überhaupt etwas über Methanol hört, dann als Giftstoff im Zusammenhang mit Schwarzbrennerei. Deshalb bestehen dort Vorbehalte. Technische Hürden sehe ich eigentlich nicht. In Island läuft seit 2012 eine Anlage, die „grünes“ Methanol aus CO2 und Wasserstoff produziert, der über Geothermie gewonnen wird. Seit 2015 produziert die Anlage 4000 t Methanol im Jahr, das als Benzinzusatz genutzt wird. Darüber hinaus laufen vielfältige Projekte im Rahmen von Kopernikus oder Carbon2Chem, um die technische Skalierbarkeit nachzuweisen und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Mehr zum Thema Methanol, seiner Herstellung und seinen Einsatzmöglichkeiten beim DECHEMA-Kolloquium am 4. Juli 2019 – melden Sie sich jetzt kostenfrei an!

Hans Jürgen Wernicke wurde 1949 geboren und trat nach dem Studium der Chemie und der Promotion an der Christian-Albrechts-Universität Kiel zunächst in die Linde Group ein, für die er acht Jahre lang in München und Südafrika tätig war. 1985 wechselte er zum Süd-Chemie Konzern, für den er unter anderem als Projektleiter in Südafrika und als Geschäftsbereichsleiter in den USA und in Deutschland arbeitete. Im Jahr 1997 wurde er in den Vorstand berufen und war von 2007 bis 2011 stellvertretender Vorstandsvorsitzender der Süd-Chemie AG. Seit 2011 ist Hans Jürgen Wernicke beratend tätig und u.a. in mehreren Aufsichtsräten vertreten. Neben zahlreichen ehrenamtlichen Aufgaben war er von 2009 bis 2012 Vorsitzender des DECHEMA e.V. und ist aktuell Vorsitzender des Stiftungsrates des DECHEMA-Forschungsinstituts. 2016 verlieh die DECHEMA ihm die Ehrenmitgliedschaft.

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Letzte Woche stellten wir im ersten Teil des Interviews mit der DECHEMA-Preisträgerin 2018 Dörte Rother ihre wissenschaftliche Arbeit vor. Im zweiten Teil geht es um die Frage, wie der Schritt in die industrielle Umsetzung gelingt und warum die Chancen dafür derzeit außerhalb Deutschlands besser stehen.

Wo sehen Sie die größte Hürde bei der industriellen Umsetzung?

Die größte Hürde sind die Katalysatorkosten. Daran sind auch schon industrielle Umsetzungen mit Kooperationspartnern gescheitert. Die Enzymkaskaden selbst funktionieren sehr gut, wir halten alle Spezifikationen ein und erreichen auch die nötigen Produktkonzentrationen. Aber die Kosten für die Enzyme lassen sich schwer senken, besonders für kleinere Ansätze. Was im ganz großen Maßstab vielleicht akzeptabel wäre, ist bei Volumina von ein paar Hundert oder Tausend Liter nicht kompetitiv.

Dazu kommt, dass viele klassische pharmazeutische Firmen oft nicht die nötigen Lizenzen für Arbeiten mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen haben. Wird die günstige Ganzzellformulierung gewählt, muss nachgewiesen werden, dass die eingesetzten Zellen wirklich tot sind, wenn sie geliefert werden, sonst sind die entsprechenden Zulassungen notwendig. Generell  treten wir gegen bestehende, lang etablierte Prozesse an. Wenn man vorhandene Prozesse verändert, braucht man besonders im Pharmabereich oft eine neue Zulassung; das kann teuer und langwierig werden.

Sie arbeiten in letzter Zeit verstärkt mit internationalen Partnern – warum?

Wir stellen fest, dass in letzter Zeit zunehmend mehr Interesse beispielsweise von chinesischen Firmen für unsere enzymatischen Ansätze kommen. In China wurden die Umweltauflagen verschärft, und es kann passieren, dass Unternehmen, die sie nicht einhalten, stillgelegt werden. Damit eröffnet sich für uns eine Chance – wir treten eben nicht gegen bestehende Referenzprozesse an und haben damit eine bessere Position, um unsere biokatalytischen Kaskaden umzusetzen.

Wie sind Sie auf dieses Forschungsgebiet gekommen?

Ich habe Biologie studiert, aber schon im Grundstudium gemerkt, dass mich der Schwerpunkt Biotechnologie besonders interessiert, und mich dann in Richtung Biokatalyse und Bioverfahrenstechnik spezialisiert. Biokatalyse eröffnet alternative Synthesemöglichkeiten mit vielen Aspekten, die für Nachhaltigkeit relevant sind. Das ist mir besonders wichtig.

Wo sehen Sie die Zukunft Ihrer Forschungsansätze?

Je reiner und komplexer das Produkt, desto ökonomischer ist ein multi-enzymatischer Prozess. Besonders im Pharmabereich lohnt es sich, mit hochselektiven Biokatalysatoren zu arbeiten, weil wir es viel mit optisch aktiven Produkten zu tun haben, die hochrein hergestellt werden müssen – da können Enzyme ihre Vorteile voll ausspielen. Bei nicht-optisch aktiven Bulkprodukten ist die chemische Synthese vielfach schneller und günstiger.

Würde man die ökologischen Kosten zusätzlich berücksichtigen, zum Beispiel über Zertifikate für CO2 oder ökologisch sensible Lösungsmittel, würde sich das Verhältnis möglicherweise zugunsten grüner Syntheseansätze aus der Chemie und verstärktem Einsatz von Enzymen (die ja selber untoxisch sind) verschieben. Wir sehen ja am chinesischen Beispiel, wie ein solcher Umbruch aussehen kann. Auch hier steigt das Bewusstsein für Nachhaltigkeits-Aspekte. Ich glaube, dass es wichtig ist, jetzt Lösungen zu entwickeln, die man hervorholen kann, wenn sie gebraucht werden. Die Autoindustrie ist da ein gutes Beispiel – es ist gut, vorbereitete Alternativen wie die Elektromobilität zu haben, die weiterentwickelt werden können, wenn sich die Rahmenbedingungen ändern, statt bei Null anzufangen.

Ich kann mir vorstellen, dass ein ähnlicher Bewusstseinswandel auch bei der Produktion von Materialien und Pharmaka kommen wird, und in diesem Bereich sehen wir uns.

https://dechema.de/Veranstaltungen/DECHEMA_Tag+2019.html

Was sind Ihre nächsten Vorhaben?

Ich glaube an die Vorteile von Enzyme, aber ich glaube, es gibt auch Fälle, wo der Einsatz chemischer Katalysatoren günstiger sein kann, nicht nur ökonomisch sondern ebenfalls in Bezug auf die Ökobilanz. So haben wir in mehrschrittigen Synthesen auch schon ein Enzym gegen Phosphatpuffer, in dem die Kaskade sowieso stattfand, ersetzen können. Da das Startsubstrat optisch sehr rein war, fand der Phosphat-vermittelte Schritt ebenfalls mit hohen Selektivitäten zu einem reinen Produkt mit drei optisch aktiven Zentren statt. Ein schönes Beispiel dafür, dass man immer den besten Katalysator verwenden sollte, der zur Verfügung steht. Egal, welcher Natur er ist. Und dies nach ökonomischen und ökologischen Kriterien bewerten sollte.

Wir arbeiten gerade mit Kooperationspartnern daran, nicht nur chemische Katalysatoren und Enzyme miteinander zu kombinieren, sondern diese in hybriden Prozessen mit mikrobiellen Zellfabriken zu koppeln. Die Zellfabriken können beispielsweise aus nachwachsenden Rohstoffen wie Bagasse sowohl die aromatischen als auch die aliphatischen Ausgangsstoffe für unsere Kaskaden herstellen. Wie sehen die Schnittstellen aus, wie lassen sich chemo-enzymatische Kaskaden mit lebenden Ganzzellkatalysatoren kombinieren, an welchen Stellen muss ich aufreinigen? – das sind sehr spannende Fragestellungen, mit denen wir uns beschäftigen.

Was wäre Ihr persönliches Traumprojekt?

Ich würde gerne zusammen mit akademischen und industriellen Partnern einen Prozess komplett von den nachwachsenden Rohstoffen bis zum hochreinen Produkt entwickeln und umsetzen, und das vom Labor bis zum Industriemaßstab. Ein solcher kompletter hybrider Prozess könnte dann als Blaupause für andere Prozesse dienen. In einigen Kooperationsprojekten sind wir auf einem guten Weg, diesem Ziel näher zu kommen.

Ich denke, wir brauchen gute Modellprozesse, damit Firmen auf den Zug aufspringen. Und dann bräuchten wir die politischen Rahmenbedingungen, um den Wandel hin zu solchen Prozessen zu vollziehen.

Auf der anderen Seite arbeiten wir aber auch am Verständnis von Enzymkaskaden im deutlich grundlagenorientierteren Bereich. Hier versuchen wir derzeit, Enzyme in ihrer Aktivität durch externe Stimuli regulieren können. Je komplexer eine Enzymkaskade wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit von Nebenproduktbildungen. Wir lösen das bisher über räumliche Trennung, also Kompartimentierung und modulare Prozesse. Das geht gut. Meine Vision ist aber, alles in einem Topf durchführen zu können und die Enzyme je nach Bedarf „ein- und auszuschalten“. Am besten kombiniert mit einer Feedbackschleife, bei der die Inline-Analytik signalisiert „das erste Substrat ist aufgebraucht, schalte Stufe 2 ein“. An so einem Konzept arbeiten wir gerade. Wir möchten ausdrücklich nicht die Expression regeln, sondern das Enzym selbst, und das ist herausfordernd. Hier arbeiten wir mit Licht und Mikrotemperaturen als Stimuli und hoffen so, eines Tages einen derartig geregelten Eintopfreaktor präsentieren zu können. Einzelne Aspekte klappen bereits, aber bis alle Schritte ineinander greifen wird es noch eine Weile dauern.

Die beiden Beispiele zeigen, dass wir sowohl akademische Herausforderungen angehen als auch die (spätere) Applikation im Sinn haben. Ich finde, es ist unsere Aufgabe als Wissenschaftler, auch die Anwendung zu sehen und zu versuchen, die Ergebnisse in neue Technologien umzusetzen. So können wir nachhaltige Prozesse entwickln, die ökologische und ökonomische Aspekte verbinden und so bestenfalls unseren ökologischen Fußabdruck reduzieren, selbst wenn wir nicht bereit sind, an unserem bereits erworbenen hohen Lebensstandard zu rütteln. Über den letzten Punkt sollte man auch diskutieren – aber das ist eine ganz andere Geschichte.

Wenn Sie mehr über die Arbeit von Dörte Rother erfahren oder mir ihr ins Gespräch kommen möchten – kommen Sie zum DECHEMA-Tag 2019 am 23. Mai 2019 ins DECHEMA-Haus!

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Dörte Rother erhält am 23. Mai 2019 den DECHEMA-Preis 2018

Chirale Substanzen selektiv herstellen – was für den „klassischen“ Chemiker eine der größten Herausforderungen ist und in der chemischen Katalyse im wahrsten Sinne des Wortes hochkomplexe Strukturen erfordert, leisten Enzyme quasi im Handumdrehen. Dennoch ist ihre industrielle Anwendung alles andere als trivial, alleine schon wegen der Kosten. Wir sprachen mit der DECHEMA-Preisträgerin 2018 Prof. Dr. Dörte Rother über ihre wissenschaftliche Arbeit, die Herausforderungen bei der Umsetzung und ihr „Traumprojekt“. Im ersten Teil erklärt sie uns ihre Vorgehensweise, um auf Basis synthetischer Enzymkaskaden wettbewerbsfähige Prozesse zu entwickeln.

Worum geht es in Ihrer wissenschaftlichen Arbeit?

Wir arbeiten an synthetischen Enzymkaskaden. Das bedeutet, dass Enzyme miteinander kombiniert werden, die in der Natur so nicht vorkommen. Beim Metabolic Engineering werden Enzyme kombiniert, die zumindest teilweise auch in der Natur gemeinsam in synthetischen Pathways auftreten. Unser Ansatz ist, für jeden Syntheseschritt den besten Katalysator zu finden (der übrigens auch mal ein chemischer Katalysator sein kann) und diese dann zu kombinieren. Der „Baukasten“, den wir dafür nutzen, enthält Enzyme, die alle ungefähr die gleiche Reaktion unterstützen, aber sich in ihren Selektivitäten ein bisschen unterschieden. So werden leicht unterschiedliche Substrate akzeptiert oder die gewonnenen Produkte unterscheiden sich hinsichtlich ihrer optischen Aktivität – das ist besonders für den Pharmabereich sehr relevant. Wenn ich diese Enzyme mit ihren verschiedenen Selektivitäten kombiniere, bekomme ich nicht nur ein Produkt, sondern habe eine Technologieplattform für eine ganze Bandbreite von Produkten.

https://dechema.de/Veranstaltungen/DECHEMA_Tag+201

Arbeiten Sie dabei zellfrei?

Zellfrei zu arbeiten ist der einfachste Weg, aber: wir möchten die Lücke zwischen Grundlagenforschung und Anwendung schließen und unsere Kaskaden in industrielle Prozesse bringen. Das heißt, wir müssen ähnlich hohe Produktkonzentrationen erzielen wie in chemischen Synthesen, ohne deutlich teurer zu werden. Enzyme sind sehr selektiv und arbeiten unter ökologisch vorteilhaften Bedingungen – keine hohen Drücke, keine toxischen Additive, moderate Temperaturen; das sind Pluspunkte, besonders, wenn die Nachhaltigkeit im Fokus steht. Zudem sind Biokatalysatoren einfach durch Erwärmung inaktivierbar, ohne toxische Abfälle zu hinterlassen. Lauter gute Gründe, Enzyme als Katalysatoren einzusetzen.  Aber die Herstellungskosten für Enzyme sind hoch, besonders für gereinigte Enzyme. Deshalb arbeiten wir, wenn möglich, mit ganzen, oft gefriergetrockneten Zellen. Das ist circa 10fach günstiger. Diese Zellen können auch wiederverwertet oder kontinuierlich eingesetzt werden. Dazu kann man die ganzen Zellen zurückhalten oder auch gereinigte Enzym immobilisieren. Letzteres sollte möglichst kombiniert werden – also Aufreinigung und Immobilisierung in einem Schritt – alles andere ist kaum wettbewerbsfähig.

Wie genau funktioniert Ihr Ganzzellverfahren?

Die Zellen, die wir einsetzen,  sind gefriergetrocknet und daher überwiegend nicht mehr lebensfähig. Eigentlich ist das die einfachste Form der Immobilisierung: Die Enzyme, die in hohen Konzentrationen in den Zellen vorliegen, sind etwas geschützt, wir können mit vergleichsweise hohen Substratkonzentrationen arbeiten, und die Zellen lassen sich hinterher abtrennen und wieder einsetzen. Zu den Zellen geben wir dann Substrate, Lösungsmittel und eine bestimmte Menge Puffer, um gute Umsätze zu erlangen. Zumindest bei Substraten wie Ketonen konnten wir sogar im reinen Substrat ohne Zugabe weiterer Additive arbeiten. Bei sehr reaktiven und toxischen Substraten wie Aldehyden braucht man allerdings Lösungsmittel, um Deaktivierungen zu vermeiden. Wir versuchen, in den Standardsystemen der chemischen Synthese zu arbeiten. Nur so erreichen wir hohe Produktkonzentrationen beispielsweise auch mit schwer wasserlöslichen Aromaten und können das Produkt hinterher auch wieder abtrennen.

Und wie gelangt das Substrat in die Zelle?

Wir wissen es nicht ganz genau, gehen aber davon aus, dass die Membran sehr porös oder teilweise gar nicht mehr vorhanden ist. Jedenfalls haben wir bei diesem Verfahren kaum Diffusionshemmnisse. Unter dem Elektronenmikroskop sieht man, dass die E. coli-Zelle um ca. ein Drittel geschrumpft ist, aber ihre Form behält. Zumindest in den von uns gewählten mikro-wässrigen Reaktionsbedingungen zeigten nur ca. 10 % der Zellen Löcher oder andere Veränderungen. Gerade für die Industrie sind solche Ganzzellprozesse attraktiv, und sie funktionieren gut.

Worauf achten Sie bei der Prozessentwicklung besonders?

Die nachhaltige Produktion ist mir sehr wichtig. Wir verwenden zum Beispiel Lösungsmittel, die nachhaltige Kriterien erfüllen – also nicht toxisch sind und möglichst auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt wurden. Die Biokatalyse hat eine „Kinderkrankheit“: Sie ist sehr „grün“, was die Prozessbedingungen betrifft, aber am Ende liegt das Produkt oft in niedrigen Konzentrationen in einem wässrigen System vor. Um es daraus abzutrennen, wird sehr viel Lösungsmittel benötigt. Alternativ ist es möglich, in mikro-wässrigen Reaktionssystemen zu arbeiten, so wie wir es mit den gefriergetrockneten ganzen Zellen, wenn möglich, tun, um Vorteile bei der Produktaufarbeitung zu haben.

Wir versuchen, eine effektive Aufarbeitung in die Prozessentwicklung zu integrieren. Dazu planen wir von Anfang an, wie wir das Produkt am Ende aufreinigen können, und forschen parallel an den verschiedenen Prozessschritten, um den besten Gesamtprozess zu entwickeln.

Der 2. Teil des Interviews erscheint am 2. April. Dann fragen wir nach den Hürden bei Industriekooperationen, und Dörte Rother verrät uns ihr „Traumprojekt“.

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Walter Leitner, MPI für Chemische Energiekonversion, Mülheim/D

Was ist derzeit die spannendste Entwicklung auf dem Feld der Katalyse?

Wir sehen im Moment zwei Entwicklungen, die die Katalyse-Landschaft fundamental verändern werden. Das Eine ist die Verschmelzung von molekularer und Materialperspektive. Das Verständnis katalytischer Prozesse an festen Oberflächen auf molekularer Ebene entwickelt sich so schnell, und gleichzeitig wird der Blick auf die molekulare Katalyse immer systemischer. So werden ganz neue Reaktivitäten möglich! Der andere Trend ist die Synergie zwischen Experiment und Theorie. Wir erreichen langsam ein Niveau, auf dem die Theorie von der Analyse in die Vorhersage übergeht, und gleichzeitig werden Technologien zugänglich, mit denen riesige Mengen analytischer Daten ausgewertet werden können. In dieser Hinsicht eröffnet das Buzzwort „Digitalisierung“ neue und spannende Möglichkeiten für die Katalyseforschung!

Und was ist derzeit die größte noch ungelöste Herausforderung für die Katalyseforschung?
Die größte Herausforderungen ist die Dynamik, die Veränderungen, die während eines katalytischen Zyklus stattfinden. Das Ziel ist, sie nicht nur zu verstehen, sondern sie auch zu beherrschen und zu kontrollieren. Sie müssen effektiv und graduell angepasst werden, damit katalytische Zyklen erfolgreich verknüpft werden können.

Das ganze Interview in englischer Sprache finden Sie auf http://europacat2019.eu/chairman_interview.html.

Die nächsten Termine für Katalytiker:

52. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, 13.-15. März 2019, Weimar

EuropaCat 2019, 18.-23. August 2019, Aachen

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von Edward Nürenberg, Timo Rabe und Sebastian Leubner

Während der Promotion kann es oft schwierig sein, das universitäre Umfeld zu verlassen und sich Anregungen für die spätere berufliche Laufbahn anzueignen. Der Workshop „Zeolites in Contemporary Applications” der ProcessNet-Fachgruppe Zeolithe und der BASF SE am 17.-19.09.2018 in Ludwigshafen gab 20 Studenten und Promotionsstudenten der Chemie und MaterialwisGruppenbildsenschaften aus ganz Deutschland genau dazu die Möglichkeit. Gemeinsam mit sechs fachkundigen Experten auf dem Gebiet der Zeolithe und porösen Materialien in Bezug auf Katalyse diskutierten sie aktuelle Anwendungen von Zeolithen und bekamen so Einblicke in die aktuelle Forschung und Anwendung dieser vielseitigen Materialien.

Deutsche Zeolith-Tagung 2019

Mehr zu Zeolithen gibt es vom 6.-8. März 2019 bei der Deutschen Zeolith-Tagung. Reichen Sie bis zum 3. Dezember Ihren Beitrag ein!

Das wissenschaftliche Programm umfasste vier Vorträge aus dem Bereich der akademischen Forschung und zwei anwendungsorientierte Präsentationen von Wissenschaftlern der BASF SE. Eine Postersession ermöglichte das weite Feld der Zeolith-Forschung aktiv zu erkunden, eigene Forschungsergebnisse zu präsentieren sowie in regen wissenschaftlichen Austausch mit anderen Teilnehmern und Vertretern der BASF SE zu treten.

Eine Busrundfahrt über das BASF-Gelände verschaffte einen beeindruckenden Einblick in die größte zusammenhängende Chemieanlage der Welt. Die anschließende Podiumsdiskussion mit Vertretern von Universitäten und der Industrie rundete die Veranstaltung ab.

Der Workshop war sehr gut von der BASF und der Fachgruppe Zeolithe organisiert, umfasste eine breite Auswahl von relevanten wissenschaftlichen Themen und bot gute Möglichkeiten zu Interaktionen zwischen den akademischen Teilnehmern untereinander sowie mit den Vertretern der BASF. Besonders spannend am Programm war die Verbindung zwischen industriell etablierten Zeolith-basierten Systemen und futuristischen Neuentwicklungen, welche schon gegenwärtig und in Zukunft in wichtigen Bereichen wie der Medizin, Wasseraufbereitung, Katalyse, Energiespeicherung und vielen anderen von hoher Relevanz sein werden.

Der Workshop kombinierte hervorragend zwei Facetten; zum einen über aktuelle und schon dagewesene Forschung mit Experten auf diesem Gebiet zu diskutieren und sich selbst weiterzubilden und zum anderen die innere Struktur eines Großkonzernes kennenzulernen. So war dieser Workshop eine wunderbare Chance, einen Einblick in die die Welt jenseits der Universität zu bekommen.

 

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The 51st Katalytikertagung (German Catalysis Meeting) took place in Weimar from 14-16 March 2018. Whether you missed it or want to revive your memory, we have created a little review from the tweets:

 

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