Einsatz kontinuierlicher Reaktoren zur Steigerung von Nachhaltigkeit und Effizienz bei der Elektrosynthese von n-Oktan aus Lävulinsäure

In dieser Arbeit wurde eingangs am Beispiel der Elektroreduktion von Lävulinsäure zu Valeriansäure untersucht, wie die Aussagekraft experimenteller Ergebnisse bei Laborarbeiten vom verwendeten Reaktortypen abhängt. Bei Untersuchungen zur Phasenseparation der Valeriansäure vom schwefelsauren Elektrolyten wurden zwei konfektionierte Durchflusszellen und zwei individuelle H-Zellen verwendet. Dabei stellte sich heraus, dass das Strom/-Spannungsverhalten in H-Zellen aufgrund baulicher Eigenheiten, die eine komplexe Geometrie des elektrischen Felds erzwingen, sensibel auf geringfügigste Änderungen der Reaktionsbedingungen reagiert. Während eine Modifikation der H‑Zelle nur unzureichende Verbesserungen der experimentellen Reproduzierbarkeit bewirkte, genügte bei der Durchflusszelle dazu die Berücksichtigung der Materialverträglichkeit von Dichtungen und Schläuchen mit den Elektrolytlösungen und Reaktionsprodukten. Bezüglich der Phasenseparation der Valeriansäure konnte ein nachteiliger Einfluss auf Stromdichte bzw. Arbeitselektrodenpotential und damit auf die Produktionsrate und Energieeffizienz identifiziert werden, der die energetischen Vorteile der Selbstseparation relativiert.

Nach der Identifikation von Durchflusszellen als wenig störanfällige Reaktoren für elektroorganische Synthesen, wurde mit ihrer Hilfe die oxidative Kolbekopplung von Valeriansäure zu n‑Oktan optimiert. Zunächst wurden in einer Parameterstudie geeignete Betriebsbedingungen und Steuerungsmöglichkeiten für die Elektrosynthese von n-Oktan in der Durchflusszelle durch Untersuchungen zur Eduktkonzentration, der Stromdichte, dem pH-Wert, der Verweilzeit und der Temperatur ermittelt. Die so gewonnen Erkenntnisse wurden im Folgenden zusammengeführt, um zwei verschiedene kontinuierliche und potentiell autonom ablaufende Produktionsprozesse für n‑Oktan im Labormaßstab zu realisieren, die durch die Ausnutzung der Selbstseparation des Produkts eine in-situ Aufbereitung und Wiederverwertung der Elektrolytlösung erlauben. Dadurch können selektivitäts- und energieeffizienzsenkende Einflüsse auf die Elektrolyse eliminiert werden und gleichzeitig eine vollständige Nutzung des verwendeten Edukts ermöglicht werden, die sich im Satzbetrieb der Elektrolyse ausschließen. Das Resultat der Untersuchungen ist ein Musterprozess für die Bereitstellung langkettiger Kohlenwasserstoffe auf Basis biogener Ausgangsmaterialien.