EP2132377A1 - Method for the breakdown of lignin - Google Patents

Method for the breakdown of lignin

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Publication number
EP2132377A1
EP2132377A1 EP08706378A EP08706378A EP2132377A1 EP 2132377 A1 EP2132377 A1 EP 2132377A1 EP 08706378 A EP08706378 A EP 08706378A EP 08706378 A EP08706378 A EP 08706378A EP 2132377 A1 EP2132377 A1 EP 2132377A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lignin
radical scavenger
radical
group
molecules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08706378A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tobias Voitl
Philipp Rudolf Von Rohr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Original Assignee
Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
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Filing date
Publication date
Application filed by Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ filed Critical Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Publication of EP2132377A1 publication Critical patent/EP2132377A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21CPRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C9/00After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08HDERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H6/00Macromolecular compounds derived from lignin, e.g. tannins, humic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08HDERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21CPRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00Pulping cellulose-containing materials

Definitions

  • the present invention relates to the targeted conversion of lignin to chemicals.
  • Lignin is a major component of plants that provide rigidity to the cell scaffold.
  • the lignin content can vary from plant to plant.
  • the chemical structure of lignin also has plant-specific differences.
  • the macromolecule lignin depending on the plant type of different
  • Vanillin is the only lignin-based phenolic product that is commercially produced. Part of the global production of vanillin (12,000 tonnes / year) is achieved by oxidative degradation of lignosulfonic acids.
  • the invention takes into account in two respects the chemically complex task of maximizing the yield of degradation products.
  • the reaction of lignin is carried out in the presence of a catalytic system.
  • This catalytic system includes so-called polyoxometalates, which allows the selective cleavage of bonds even at relatively low temperatures.
  • radical scavengers are added to the reaction mixture. These prevent repolymerization reactions, or combination reactions of lignin fragments, and stabilize the desired target products.
  • the alkaline oxidation of lignin can be used.
  • the reaction of 10 g of a hardwood lignin (steam digestion) under 1.4 MPa oxygen and 170 ° C using a Cu (II) / Fe (III) catalyst results in 4.7 wt% vanillin and 9.5 wt% syringaldehyde.
  • the yield of aldehydes vanillin and syringaldehyde was 15% by weight.
  • Various polyoxometalates have been used for delignification and patented, as described, for example, in US 5,302,248, US 5,552,019 or WO95 / 26438.
  • the unbleached pulp is treated here in a first process step with an aqueous polyoxometalate solution (eg: Na 7 AlVW 11 O 4 Q) under an inert atmosphere, wherein the lignin is finally converted to carbon dioxide and water.
  • an aqueous polyoxometalate solution eg: Na 7 AlVW 11 O 4 Q
  • the invention thus aims to convert lignin directly into chemicals by means of polyoxometalates.
  • so-called free-radical scavengers can be used in addition to polyoxometalates.
  • lignin and polyoxometalates each describe whole classes of substances and are therefore briefly presented below.
  • chemicals can be obtained from all lignin types using the method described in this invention. It is also possible to carry out a targeted pretreatment of the lignin used, for example to modify the solubility in organic or inorganic solvent. It is also possible to use an already partially decomposed lignin.
  • lignin-containing biomass such as wood
  • Polyoxometallates belong to the class of metal-oxygen cluster anions. Polyoxometalates are characterized, among others, by their mostly simple synthesis, their structural modification and their specific redox behavior. For many reaction systems important key properties, such as solubility in organic / inorganic media, redox potential and pH, can be adapted by targeted synthesis.
  • the synthesis of the polyoxometalates is usually carried out in one stage by heating an acidic, aqueous solution containing all the components in the desired, stoichiometric ratio. The polyoxometalate, or the Polyoxometalatmischung, thus resulting from the amounts of the components used. It also makes it clear that there is a wide variety of polyoxometalates. The following two names for structurally different polyoxometalates have become established in the literature: "isopolyanions" and "heteropolyanions”. These anions are represented by the following general empirical formula:
  • polyoxometalates includes both anion types: isopoly and heteropolyanions.
  • heteropolyacids are very strong acids, which are composed of heteropolyanions with protons as countercations. In the case that all countercations consist of other elements, one also speaks of heteropoly salts. A number of these polyoxometalates have proven to be particularly interesting for catalysis.
  • M molybdenum or tungsten
  • X Heteroatoms
  • P 5+ , Si 4+ , As 5+ , Ge 4+ , B 3+ are most frequently mentioned in connection with catalytically used polyoxometalates.
  • P 5+ , Si 4+ , As 5+ , Ge 4+ , B 3+ are most frequently mentioned in connection with catalytically used polyoxometalates.
  • polyoxometalates In comparison to the very large number of polyoxometalates, only a few polyoxometalates are currently used as catalysts, these being mainly limited to the class of keggin anions and their derived structures. It is therefore usually sufficient to use a very simplified nomenclature.
  • heteroatoms are placed in front of the addenda atoms and the countercations in front of the heteroatoms.
  • the heteropolyanion is placed in square brackets and thus separated from the countercations.
  • Na 6 [P 2 Mo 1S O 62 ] can thus be represented as [P 2 Mo 18 O 62 ] or even P 2 Mo 18 .
  • Any polyoxometalate (isopoly and heteropolyanions), its acids, salts and partial salts can be used regardless of the method of preparation of this invention. It is also possible to use mixtures of different polyoxometalates. In fact, depending on the pH in solution, many species may be in equilibrium side by side, with a crystalline isolated compound not necessarily being the major component.
  • the polyoxometalates used can be reversibly oxidized and reduced, which is the case for all polyoxometallates of the Keggin and Wells / Dawson type.
  • a preferred class of polyoxometalates are components of the form [Y 3-1S] 0+ [X 1-4 M 1-36 O O 1 -60] 11 ", each" X "released from the elements of the
  • Periodic system is selectable and / or also a molecular part with four or less
  • each "X” is chosen freely from the group of elements P, Si, As, Ge, B, Al, Co, S 5 Fe.
  • Each "M” part is preferably free Mo, W, V, Ti 3 Co, Cu, Zn, Fe, Ni, Mn, Cr, lanthanides, Ce, Al, Ga, In, Tl.
  • the counter cations "Y" are preferably free from the group H.
  • polyoxometalates of Form [Yf + [XM 12 O 40 ] 11 ' where "Y", “X", “M” and “n” are the same definitions as above, the most preferred polyoxometalates are of the form [Yf + [ XM 12 O 40 ] " " , wherein "Y” and “n” are as defined above, "X” is Si, P, Ge or As and each "M” is freely selected from Mo, V or W.
  • one or more components are used as Radikallanger.
  • Radical scavengers serve in the context of this invention to scavenge the radicals formed during the degradation of lignin and thus to reduce repolymerization reactions. In particular, this should increase the yield of desired chemicals.
  • Radical scavengers are generally all components which, under the given conditions, form radicals in one or more steps or already exist as free radicals.
  • radical scavengers which are already present as free radicals in the form S *.
  • TEMPO 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl
  • radical free radical polymerization as radical scavenger.
  • radical scavengers which can form free radicals by homolytic cleavage of a covalent bond (Equation 4). From a thermodynamic point of view, a relatively low binding energy of the S-S 'bond in comparison to the binding energies of the possible coupling products R-S, R'-S, R-S' and R'-S 'is then to be preferred when selecting the radical scavenger.
  • free radical scavengers which are free radicals in several steps form.
  • several steps can be taken in conjunction with catalysts to form a radical S *.
  • S * For example, acid-catalyzed condensation of methanol to dimethyl ether in the presence of POM as an acid catalyst with subsequent homolytic cleavage of the ether bond to the radicals CH 3 O * and CH 3 'drove.
  • the radical scavenger can serve as a hydrogen donor and, on the other hand, prevent the repolymerization of the lignin fragments.
  • suitable components of the general form S-H are those in which H represents a hydrogen available for reaction and S denotes the radical of the radical scavenger, i. minus the considered hydrogen atom.
  • the radical scavenger can have several accessible hydrogen atoms.
  • radical scavenger The operation of the radical scavenger is illustrated in the following exemplary second reaction scheme.
  • radicals which have been formed by separation of an ether bond of the lignin (equation 5), where R in turn represents lignin fragments, are now considered.
  • radicals of the form R * (or S *) in the presence of oxygen form radicals of the form ROO * (or SOO *). Due to the sometimes very strong tendency of POMs to pick up electrons (and protons), POM can also interact with radical scavengers. It should be noted at this point that phenolic degradation products of lignin are per se radical scavengers.
  • radical scavengers molecules which can give off hydrogen atoms under the given conditions are suitable as radical scavengers. Therefore, considering the chemical structure, H 2 is the simplest radical scavenger. Also possible are alcohols and acids.
  • molecules are prepared which contain at least one benzene ring in their structure.
  • molecules are produced which have at least one and at most three benzene rings in their structure.
  • Most preferred is an embodiment in which molecules are made containing only one benzene ring in their structure.
  • the benzene ring is used as a backbone used.
  • the functional groups and possible bonds between Benzqlringen can be chosen arbitrarily.
  • the radical scavengers which may be used can be integrated into the structure of the chemicals produced. It is possible to obtain a mixture of several chemicals by the method explained in this invention.
  • One embodiment provides for converting lignin into a suitable reactor by means of POM.
  • lignin and POM are dissolved or suspended in a suitable liquid medium.
  • the mixture is placed on conditions which promote the degradation of lignin for a sufficient time.
  • the temperature may be between 0 ° C and 500 0 C, but preferably between 25 ° C and 300 ° C.
  • the degradation of lignin can take place here under inert gas, oxygen-containing, ozone-containing or hydrogen-containing gas at pressures up to 300bar.
  • the pH value can be in the range 0-10 or be set.
  • products from the group of chemicals defined above are to be formed.
  • the products are obtained in the range between complete decomposition of lignin and quasi-unchanged lignin.
  • This approach represents a new optimization task in terms of suitable POM systems, temperatures, reaction times, etc.
  • the difficult task of intercepting degradation products can be solved, inter alia, by the use of radical scavengers.
  • One embodiment therefore envisages converting lignin by means of POM in the presence of radical scavengers.
  • This procedure is analogous to the first embodiment.
  • the main difference is that at a suitable time a radical scavenger is added to the reaction mixture.
  • the radical scavenger can be present as a solid, liquid or gas.
  • Radical scavengers are generally all components which under the given conditions form radicals in one or more steps or are already present as free radicals.
  • scavengers for example, substances can be used which can give off one or more hydrogen atoms under the conditions used.
  • POM can promote the activation of radical scavengers (or the formation of radicals) due to their mostly strong electron (and proton) affinity.
  • radical scavengers It is also possible to use stable radicals, such as nitroxyl radicals, as radical scavengers. It is also possible to use radical formers, such as, for example, dibenzoyl peroxide from the group of peroxides, as radical scavengers.
  • Another embodiment provides to convert lignin by means of POM in the presence of two liquid phases.
  • the procedure is analogous to the first embodiment.
  • the main difference is that two only partially or immiscible liquid phases are in contact during the degradation of lignin. Due to different solubilities of POM, lignin and lignin-based degradation products in the selected liquid phases, a partial or complete separation of the components lignin, POM and lignin-based degradation products can take place.
  • a further embodiment provides to convert lignin by means of POM in the presence of radical scavengers and two liquid phases.
  • a further embodiment provides for using a metallic catalyst in conjunction with one of the abovementioned embodiments.
  • Combinations of metallic catalysts, mostly palladium, with polyoxometalates have been studied in a number of oxidations and reductions.
  • Catalyst allows the degradation of lignin at lower temperatures and has a positive effect on the selectivity of the target products. It is also the case that the yield of desired products using an additional increase metallic catalyst. It is possible to use a metallic catalyst in combination with polyoxometalates for the most complete oxidation of non-desired degradation products of lignin during the workup.
  • reaction stage The reaction of lignin according to the above-mentioned embodiments (reaction stage). Separation of the products from the reaction medium (for example by extraction).
  • non-target lignin fragments or lignin for energy production (e.g., thermal energy from oxidation).
  • the essence of the invention is thus inter alia, in summary, a process for the direct production of molecules having a minimum molecular weight of 78 g / mol by the degradation of lignin, lignin derivatives, lignin fragments and / or lignin-containing substances or mixtures in the presence of at least one polyoxometalate in a liquid medium.
  • a radical scavenger is preferably used at least in sections, during the degradation, wherein this radical scavenger is preferably a system or a mixture of systems which contains radicals, such as e.g. atomic hydrogen provides and / or which the repolymerization resp.
  • radicals such as e.g. atomic hydrogen provides and / or which the repolymerization resp.
  • the radical scavenger can be used gaseous, liquid and / or as a solid, and wherein the radical scavenger is particularly preferably selected from: molecular hydrogen, a peroxide such. Hydrogen peroxide or
  • Dibenzoyl peroxide an alcohol such as methanol and / or ethanol, a stabilized free radical such as a nitroxyl radical, an organic acid such as ascorbic acid, a phenol such as butylhydroxytoluene, an ether such as dimethyl ether, an ester such as ethyl acetate, an anhydride such as
  • Acetic anhydride or mixtures of such systems are Acetic anhydride or mixtures of such systems.
  • a second, liquid phase can be added to the mixture, wherein this second liquid phase preferably has a substantially different polarity from the first medium.
  • a metallic catalyst in particular from the group of transition-element-containing catalysts, preferably from the group VIIIB group of metal-containing and / or group IB metal-containing catalysts, it being possible for the catalyst to be bound to and / or in a preferably porous substrate ,
  • the reaction can be carried out under an inert gas, under an oxygen-containing gas phase, under a hydrogen-containing gas phase or under an ozone-containing gas phase in the pressure range from 0 to 300 bar, preferably at more than 5 bar.
  • the polyoxometalate is H 3 PMo 12 O 40 , in liquid medium to water, wherein an alcoholic radical scavenger is used, preferably selected from methanol and / or ethanol, wherein particularly preferably the volume ratio of water to alcoholic radical scavenger in the range of 1:10 to 10: 1 and wherein preferably a pressure of more than 2 bar prevails.
  • an alcoholic radical scavenger is used, preferably selected from methanol and / or ethanol, wherein particularly preferably the volume ratio of water to alcoholic radical scavenger in the range of 1:10 to 10: 1 and wherein preferably a pressure of more than 2 bar prevails.
  • the liquid medium is water, optionally in combination with an alcohol. It can be used per 100 ml of liquid medium between 2-200 g Polyoxometallate, more preferably between 8-12 g. It is therefore preferable to use concentrations in the range from 0.01 mol / 1 to 1 mol / l.
  • Fig. 1 shows chemicals from the degradation of lignin by means of POM and radical scavengers.
  • the liquid phase was removed after 20 minutes. The sampling was carried out by a water-cooled cooling coil. The sample was filtered once and then extracted three times with 10 ml of chloroform. To the organic phase was added 30 ⁇ l of n-decane as internal standard for GC / MS analysis (Fisons instruments GC8000 / MD800; column of Restek Rtx-5MS 30m x 0.25mm x 0.25 ⁇ m).
  • the yield of lignin-based products was increased by about 30% by in situ extraction (see Experiment 01 with Experiment 02).
  • a second liquid phase chloroform
  • chloroform was added to the reaction mixture. This has a higher solubility for the desired degradation products and can therefore any products formed the actual reaction medium (aqueous POM solution) withdraw before possible subsequent reactions destroy the products formed again.
  • the lignin from Aldrich (Batch NrO9724CE) is according to the manufacturer a softwood lignin (mainly from spruce wood), which was obtained by Kraft process.
  • the lignin from the Granit® process was obtained from agricultural plants and therefore has a different chemical structure.
  • the sodium salt Na 3 PMo 12 O 4 O corresponding to H 3 PMo 12 O 4O was used as POM.
  • the yield of chemicals is noticeably higher in this experiment. It therefore appears that, from a chemical point of view, minor changes in the POM system used can affect the yield of desired products. The use of an optimal POM system is therefore crucial for achieving high yields.
  • Figure 1 shows the associated GC / MS chromatograms and illustrates that not only are the amounts of vanillin and 4-hydroxyacetyl-2-methoxy-phenol produced greater when using the radical scavengers, but also new components are prepared in comparable amount to vanillin.
  • dimethyl ether as a radical scavenger to react lignin in aqueous H 3 PMo 12 O 40 solution under nitrogen and in the absence of methanol resulted in the production of a small amount of vanillic acid methyl ester. It has thus been shown that dimethyl ether is effective directly as radical scavenger and the homolytic cleavage of dimethyl ether and the associated formation of vanillic acid methyl ester is possible.
  • poplar lignin was used.
  • the product yield is also in the range of 3.5 wt .-%.
  • the main products here are vanillin (5.0mg), vanillic acid methyl ester (6.2mg), syringaldehyde (8.2mg) and syringic acid methyl ester (12.2mg), corresponding to the chemical structure of poplar lignin with a relatively high proportion of syringyl units.
  • vanillic acid methyl ester is formed when using methanol and ethyl vanillate when using Ethanol. It therefore appears possible, by means of suitable combinations of POM and free-radical scavengers, to be able to decisively influence not only the yield but also the selectivity with respect to a target product.
  • Table 1 Results for the preparation of chemicals from lignin using POM and radical scavenger compared to conventional methods. based on dry lignin

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Abstract

The invention describes a method for the direct production of molecules with a minimum molecular weight of 78 g/mol by means of the breakdown of lignin, lignin derivatives, lignin fragments, and/or lignin-containing substances or mixtures in the presence of at least one polyoxometallate and preferably in the presence of a radical scavenger in a liquid medium.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
TITEL Verfahren zum Abbau von LigninTITLE Process for the degradation of lignin
TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft die gezielte Umsetzung von Lignin zu Chemikalien.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the targeted conversion of lignin to chemicals.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Alternative Verfahren zur Herstellung von Chemikalien aus Biomasse gewinnen im Zuge der Verknappung fossiler Rohstoffe zunehmend an Bedeutung. So wurden z.B. Verfahren entwickelt, welche aus dem Zellulose-, bzw. Hemizelluloseanteil von Pflanzen Kraftstoffe gewinnen. Nachwachsende, pflanzliche Rohstoffe beinhalten nebst Zellulose und Hemizellulose auch Lignin, wobei Lignin nach Zellulose der zweithäufigste organische Stoff der Erde ist.Alternative processes for producing chemicals from biomass are becoming increasingly important as fossil fuels become scarcer. For example, Develops methods that win from the cellulose, or hemicellulose content of plants fuels. Renewable, plant-based raw materials include cellulose and hemicellulose as well as lignin, with lignin being the second most abundant organic substance on earth after cellulose.
Lignin ist ein Hauptbestandteil von Pflanzen mit der Funktion, dem Zellgerüst Steifigkeit zu verleihen. Der Ligninanteil kann dabei von Pflanze zu Pflanze variieren.Lignin is a major component of plants that provide rigidity to the cell scaffold. The lignin content can vary from plant to plant.
Die chemische Struktur des Lignins weist ebenfalls pflanzenspezifische Unterschiede auf. So setzt sich das Makromolekül Lignin je nach Pflanzentyp aus verschiedenenThe chemical structure of lignin also has plant-specific differences. Thus, the macromolecule lignin depending on the plant type of different
Verhältnissen der Monomere Coniferylalkohol, Sinapylalkohol und Cumarylalkohol zusammen, wobei in vielen Fällen der Anteil an Coniferylalkohol (insbesondere bei Weichhölzern) dominiert. Ausserdem existieren zahlreiche Verfahren zur Abtrennung des Lignins von den anderen Zellwandbestandteilen, welche die chemische Struktur des natürlichen Lignins zum Teil erheblich modifizieren. Während verschiedene Verfahren zur Herstellung von Chemikalien aus Zellulose den grossindustriellen Massstab erreicht haben, gibt es zurzeit noch kaum wirtschaftliche Möglichkeiten den Ligninanteil von Biomasse als Ausgangsstoff zur Herstellung von Chemikalien zu verwenden. Bei der Papierherstellung fallen grosse Mengen Lignin als Neben- bzw. Abfallprodukt an. Von den ungefähr 50 Millionen Tonnen Lignin, die jährlich bei der Papierherstellung anfallen, werden lediglich 1-2% kommerziell weiter verarbeitet.Coniferyl alcohol, sinapyl alcohol and Cumarylalkohol together, in many cases dominated by the proportion of coniferyl alcohol (especially softwoods). In addition, there are numerous methods for separating the lignin from the other cell wall components, which in part considerably modify the chemical structure of the natural lignin. While various processes for the production of chemicals from cellulose have reached the big-industrial scale, there is currently little economic opportunity to use the lignin content of biomass as a raw material for the production of chemicals. In papermaking, large quantities of lignin are produced as by-products or by-products. Of the approximately 50 million tonnes of lignin produced each year in papermaking, only 1-2% are processed commercially.
Die Verwendung des Lignins beschränkt sich dabei hauptsächlich auf relativ preiswerte Dispergier- und Bindemittel. Vanillin ist das einzige ligninbasierte phenolische Produkt, welches kommerziell hergestellt wird. Ein Teil der weltweiten Vanillin-Produktion (12000 Tonnen/Jahr) wird durch oxidativen Abbau von Ligninsulfonsäuren realisiert.The use of lignin is limited mainly to relatively inexpensive dispersants and binders. Vanillin is the only lignin-based phenolic product that is commercially produced. Part of the global production of vanillin (12,000 tonnes / year) is achieved by oxidative degradation of lignosulfonic acids.
In der Literatur sind zahlreiche Methoden zur Verwendung von Lignin als Rohstoff beschrieben. Ein häufig verwendeter Ansatz ist die Vergasung von Biomasse bei hohen Temperaturen (800-10000C) mit Luft und/oder Wasserdampf zu Synthesegas (CO, H2, CO2 und CH4). Aus diesem Synthesegas können in weiteren Stufen verschiedene Grundchemikalien, wie Methanol, Ether, Ameisensäure und höhermolekulare Kohlenwasserstoffe (mittels Fischer-Tropsch) dargestellt werden.Numerous methods of using lignin as a raw material are described in the literature. A frequently used approach is the gasification of biomass at high temperatures (800-1000 0 C) with air and / or water vapor to synthesis gas (CO, H 2, CO 2 and CH 4). From this synthesis gas various basic chemicals, such as methanol, ether, formic acid and higher molecular weight hydrocarbons (by Fischer-Tropsch) can be represented in further stages.
Hierbei geht die ursprünglich vorhandene komplexe chemische Struktur komplett verloren. Diese Zersetzungs- und Rekombinationsstrategie benötigt sehr viel Energie und produziert unerwünschte Nebenprodukte. Zudem können mit diesem Verfahren nur relativ einfache, billige Moleküle produziert werden. Für wirtschafliche Rentabilität sind daher sehr grosse Umsätze nötig. Alternativ sind verschiedene Methoden (z.B. oxidative und nicht-oxidative Hydrolyse, Hydrogenolyse, Pyrolyse) zur direkten Herstellung monomerischer oder niedermolekularer Chemikalien bekannt. Während diese Methoden dazu geeignet sind Lignin in kleinere Fraktionen zu zerlegen, ist keine Methode selektiv genug ein einzelnes Produkt in hoher Ausbeute herzustellen.Here, the originally existing complex chemical structure is completely lost. This decomposition and recombination strategy requires a lot of energy and produces unwanted by-products. In addition, only relatively cheap, cheap molecules can be produced with this method. For economic profitability therefore very large sales are necessary. Alternatively, various methods (e.g., oxidative and non-oxidative hydrolysis, hydrogenolysis, pyrolysis) for directly producing monomeric or low molecular weight chemicals are known. While these methods are capable of breaking down lignin into smaller fractions, no method is selective enough to produce a single product in high yield.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Die hier vorgeschlagene erfindungsgemässe Methode unterscheidet sich konzeptionell wesentlich von bisherigen Ansätzen.The inventive method proposed here differs conceptually significantly from previous approaches.
Die in der Literatur beschriebenen Versuche Lignin zu monomerischen Chemikalien umzusetzen beschränken sich auf rein physikalische Methoden (hohe Temperatur und Druck), einfache säure- oder basenkatalysierte Hydrolyse oder die Biotechnologie. Bei näherer Betrachtung der Chemie wird es klar, dass diese relativ einfachen Methoden nicht dazu geeignet sind, eine hohe Ausbeute an monomerischen Chemikalien zu erreichen.The experiments described in the literature to convert lignin to monomeric chemicals are limited to purely physical methods (high temperature and pressure), simple acid- or base-catalyzed hydrolysis or biotechnology. On closer examination of the chemistry, it becomes clear that these relatively simple methods are not suitable for achieving a high yield of monomeric chemicals.
Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass die gewünschten Produkte bei der Umsetzung des Lignins Abbauprodukte sind. Mittels einfacher Methoden können diese Abbauprodukte auf Grund von Folgereaktionen nicht in grossen Mengen gewonnen werden.The reason for this lies in the fact that the desired products in the conversion of lignin are degradation products. By simple methods, these degradation products can not be obtained in large quantities due to subsequent reactions.
Die Erfindung berücksichtigt in zweifacher Hinsicht die aus chemischer Sicht komplexe Aufgabe der Maximierung der Ausbeute an Abbauprodukten. Zum ersten wird die Umsetzung von Lignin in Anwesenheit eines katalytischen Systems durchgeführt. Dieses katalytische System beinhaltet sogenannte Polyoxometallate, welche die selektive Spaltung von Bindungen schon bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglicht.The invention takes into account in two respects the chemically complex task of maximizing the yield of degradation products. First, the reaction of lignin is carried out in the presence of a catalytic system. This catalytic system includes so-called polyoxometalates, which allows the selective cleavage of bonds even at relatively low temperatures.
Zum zweiten werden dem Reaktionsgemisch sogenannte Radikalfänger zugefügt. Diese verhindern Repolymerisationsreaktionen, bzw. Kombinationsreaktionen von Ligninfragmenten, und stabilisieren die gewünschten Zielprodukte. Als Benchmark für die liier dargestellte Erfindung kann die alkalische Oxidation von Lignin herangezogen werden. Die Umsetzung von 10g eines Hartholzlignins (Dampfaufschluss) unter 1.4 MPa Sauerstoff und 170°C unter Verwendung eines Cu(II)/Fe(III) Katalysators resultiert in 4.7 Gew% Vanillin und 9.5 Gew% Syringaldehyd. In einer sehr ähnlichen Studie an Hartholzlignin betrug die Ausbeute an Aldehyden (Vanillin und Syringaldehyd) 15 Gew%.Secondly, so-called radical scavengers are added to the reaction mixture. These prevent repolymerization reactions, or combination reactions of lignin fragments, and stabilize the desired target products. As a benchmark for the invention presented herein, the alkaline oxidation of lignin can be used. The reaction of 10 g of a hardwood lignin (steam digestion) under 1.4 MPa oxygen and 170 ° C using a Cu (II) / Fe (III) catalyst results in 4.7 wt% vanillin and 9.5 wt% syringaldehyde. In a very similar study on hardwood lignin, the yield of aldehydes (vanillin and syringaldehyde) was 15% by weight.
Verschiedene Polyoxometallate wurden bereits zur Delignifizierung eingesetzt und patentiert, wie z.B. beschrieben in US 5,302,248, US 5,552,019 oder WO95/26438. Der ungebleichte Faserstoff wird hierbei in einem ersten Prozessschritt mit einer wässrigen Polyoxometallat-Lösung (z.B.: Na7AlVW11O4Q) unter inerter Atmosphäre behandelt, wobei das Lignin am Ende zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt wird.Various polyoxometalates have been used for delignification and patented, as described, for example, in US 5,302,248, US 5,552,019 or WO95 / 26438. The unbleached pulp is treated here in a first process step with an aqueous polyoxometalate solution (eg: Na 7 AlVW 11 O 4 Q) under an inert atmosphere, wherein the lignin is finally converted to carbon dioxide and water.
Diese Prozesse verfolgen ausschliesslich das Ziel, Zellstoff von unerwünschtem Lignin zu befreien. Das Lignin soll vollständig zu CO2 und H2O umgesetzt werden ohne die Zellulose zu zersetzen. Die Möglichkeit Abbauprodukte bzw. Chemikalien durch Behandlung mit Polyoxometallaten direkt zu gewinnen wurde nicht betrachtet.These processes exclusively pursue the goal of liberating pulp from unwanted lignin. The lignin should be completely converted to CO 2 and H 2 O without decomposing the cellulose. The possibility of directly obtaining degradation products or chemicals by treatment with polyoxometalates was not considered.
Die Erfindung zielt also darauf ab, Lignin mittels Polyoxometallaten direkt zu Chemikalien umzusetzen. Hierbei können nebst Polyoxometallaten sogenannte Radikalfänger verwendet werden.The invention thus aims to convert lignin directly into chemicals by means of polyoxometalates. In this case, so-called free-radical scavengers can be used in addition to polyoxometalates.
Die Begriffe Lignin und Polyoxometallate umschreiben jeweils ganze Klassen von Substanzen und werden daher im folgenden kurz vorgestellt.The terms lignin and polyoxometalates each describe whole classes of substances and are therefore briefly presented below.
Es wird weiterhin definiert, wie die Begriffe „Radikalfänger" und „Chemikalien" im Zusammenhang mit diesem Dokument verstanden werden.It is further defined how the terms "scavengers" and "chemicals" are understood in the context of this document.
Lignin:Lignin:
Es können mit der in dieser Erfindung dargestellten Methode unabhängig von Herkunft und Vorbehandlung aus allen Lignintypen Chemikalien gewonnen werden. Es ist auch möglich, eine gezielte Vorbehandlung des verwendeten Lignins vorzunehmen, um beispielsweise die Löslichkeit in organischem, bzw. anorganischem Lösungsmittel zu modifizieren. Es ist auch möglich, ein bereits teilweise zersetztes Lignin zu verwenden.Independently of origin and pretreatment, chemicals can be obtained from all lignin types using the method described in this invention. It is also possible to carry out a targeted pretreatment of the lignin used, for example to modify the solubility in organic or inorganic solvent. It is also possible to use an already partially decomposed lignin.
Es ist auch möglich, ligninhaltige Biomasse, wie beispielsweise Holz, ohne vorhergehende Abtrennung des Ligninanteils der Biomasse zu verwenden.It is also possible to use lignin-containing biomass, such as wood, without prior separation of the lignin portion of the biomass.
Pol yoxometallate :Pol yoxometalates:
Polyoxometallate gehören zur Verbindungsklasse der Metall-Sauerstoff-Clusteranionen. Polyoxometallate zeichnen sich unter anderem durch ihre meist einfache Synthese, ihre strukturelle Modifizierbarkeit und ihr spezifisches Redoxverhalten aus. Für viele Reaktionssysteme wichtige Schlüsseleigenschaften, wie z.B. Löslichkeitsverhalten in organischen/anorganischen Medien, Redoxpotential und pH-Wert, können durch gezielte Synthese angepasst werden. Die Synthese der Polyoxometallate erfolgt hierbei meist einstufig durch Erhitzen einer sauren, wässrigen Lösung, die alle Bausteine im gewünschten, stöchiometrischen Verhältnis enthält. Das Polyoxometallat, bzw. die Polyoxometallatmischung, ergibt sich somit aus den Mengen der verwendeten Bausteine. Es wird damit auch klar, dass es eine grosse Vielfalt an Polyoxometallaten gibt. In der Literatur haben sich folgende zwei Bezeichnungen für strukturell unterschiedliche Polyoxometallate durchgesetzt: „Isopolyanionen" und „Heteropolyanionen". Diese Anionen werden durch folgende allgemeine Summenformel dargestellt:Polyoxometallates belong to the class of metal-oxygen cluster anions. Polyoxometalates are characterized, among others, by their mostly simple synthesis, their structural modification and their specific redox behavior. For many reaction systems important key properties, such as solubility in organic / inorganic media, redox potential and pH, can be adapted by targeted synthesis. The synthesis of the polyoxometalates is usually carried out in one stage by heating an acidic, aqueous solution containing all the components in the desired, stoichiometric ratio. The polyoxometalate, or the Polyoxometalatmischung, thus resulting from the amounts of the components used. It also makes it clear that there is a wide variety of polyoxometalates. The following two names for structurally different polyoxometalates have become established in the literature: "isopolyanions" and "heteropolyanions". These anions are represented by the following general empirical formula:
[MmOy]p" Isopolyanionen[M m O y ] p " isopolyanions
[XχMmOy] q" (x ≠ m) Heteropolyanionen[XχM m O y ] q " (x ≠ m) heteropolyanions
Der „M"-Teil wird Addenda-Atom genannt und der Teil „X" wird als Heteroatom bezeichnet. In diesem Dokument umfasst die Bezeichnung Polyoxometallate beide Anionentypen: Isopoly- und Heteropolyanionen.The "M" part is called the addenda atom and the part "X" is called the heteroatom. In this document, the term polyoxometalates includes both anion types: isopoly and heteropolyanions.
Eine wichtige Untergruppe innerhalb der Polyoxometallate sind die Heteropolysäuren. Heteropolysäuren sind sehr starke Säuren, welche sich aus Heteropolyanionen mit Protonen als Gegenkationen zusammensetzen. Im dem Fall, dass alle Gegenkationen aus anderen Elemente bestehen, spricht man auch von Heteropolysalzen. Eine Reihe dieser Polyoxometallate haben sich als besonders interessant für die Katalyse erwiesen.An important subgroup within the polyoxometalates are the heteropolyacids. Heteropolyacids are very strong acids, which are composed of heteropolyanions with protons as countercations. In the case that all countercations consist of other elements, one also speaks of heteropoly salts. A number of these polyoxometalates have proven to be particularly interesting for catalysis.
Die häufigsten Addenda-Atome („M") sind Molybdän oder Wolfram, weniger häufig sind Vanadium oder Niob, oder Mischungen dieser Elemente in den höchsten Oxidationsstufen (d°, d1). Als Heteroatome („X") kommen im wesentlichen alle Elemente des Periodensystems in Frage. Die Elemente P5+, Si4+, As5+, Ge4+, B3+ sind dabei am häufigsten im Zusammenhang mit katalytisch verwendeten Polyoxometallaten genannt. Im Vergleich zur sehr grossen Anzahl an Polyoxometallaten werden derzeit nur wenige Polyoxometallate als Katalysatoren verwendet, wobei sich diese hauptsächlich auf die Klasse der Keggin- Anionen und dessen abgeleitete Strukturen beschränkt. Es ist daher meist ausreichend, eine sehr vereinfachte Nomenklatur zu verwenden. Diese behandelt Polyoxometallate als quasi-koordinierte Komplexe. Falls ein Heteroatom vorhanden ist, wird dieses als zentrales Atom des Komplexes betrachtet, welches von den Addenda- Teilen als Liganden umgeben ist. In der Summenformel der Heteropolyanionen werden die Heteroatome vor die Addenda-Atome gesetzt und die Gegenkationen vor die Heteroatome. Das Heteropolyanion wird in eckige Klammern gesetzt und damit von den Gegenkationen getrennt.The most common addenda atoms ("M") are molybdenum or tungsten, less common are vanadium or niobium, or mixtures of these elements in the highest oxidation states (d °, d 1 ). Heteroatoms ("X") are essentially all elements of the periodic table in question. The elements P 5+ , Si 4+ , As 5+ , Ge 4+ , B 3+ are most frequently mentioned in connection with catalytically used polyoxometalates. In comparison to the very large number of polyoxometalates, only a few polyoxometalates are currently used as catalysts, these being mainly limited to the class of keggin anions and their derived structures. It is therefore usually sufficient to use a very simplified nomenclature. This treats polyoxometalates as quasi-coordinated complexes. If a heteroatom is present, this is considered to be the central atom of the complex, which is surrounded by the addenda parts as ligands. In the molecular formula of the heteropolyanions, the heteroatoms are placed in front of the addenda atoms and the countercations in front of the heteroatoms. The heteropolyanion is placed in square brackets and thus separated from the countercations.
Dies soll in folgenden Beispielen verdeutlicht werden:This will be clarified in the following examples:
[SiW12O40]4" 12-Wolframsilikat[SiW 12 O 40 ] 4 " 12-tungsten silicate
H3[PMo12O40] 12-PhosphormolybdänsäureH 3 [PMo 12 O 40 ] 12-phosphomolybdic acid
Manchmal werden bei der vereinfachten Darstellung die Gegenkationen, die Ladung des Polyanions und sogar die Sauerstoffatome nicht explizit angegeben. Na6[P2Mo1SO62] kann somit als [P2Mo18O62] oder sogar P2Mo18 dargestellt werden.Sometimes, in the simplified representation, the counter cations, the charge of the polyanion, and even the oxygen atoms are not explicitly stated. Na 6 [P 2 Mo 1S O 62 ] can thus be represented as [P 2 Mo 18 O 62 ] or even P 2 Mo 18 .
Jedes Polyoxometallat (Isopoly- und Heteropolyanionen), dessen Säuren, Salze und partiellen Salze können unabhängig vom Herstellungsverfahren für diese Erfindung verwendet werden. Es ist auch möglich Mischungen verschiedener Polyoxometallate zu verwenden. Tatsächlich können in Abhängigkeit vom pH- Wert in Lösung viele Spezies im Gleichgewicht nebeneinander vorliegen, wobei eine kristallin isolierte Verbindung nicht unbedingt auch die Hauptkomponente sein muss.Any polyoxometalate (isopoly and heteropolyanions), its acids, salts and partial salts can be used regardless of the method of preparation of this invention. It is also possible to use mixtures of different polyoxometalates. In fact, depending on the pH in solution, many species may be in equilibrium side by side, with a crystalline isolated compound not necessarily being the major component.
Bevorzugtermassen können die verwendeten Polyoxometallate reversibel oxidiert und reduziert werden, was bei allen Polyoxometallaten der Keggin- und Wells/Dawson-Preferably, the polyoxometalates used can be reversibly oxidized and reduced, which is the case for all polyoxometallates of the Keggin and Wells / Dawson type.
Struktur gegeben ist. Eine bevorzugte Klasse an Polyoxometallaten sind Komponenten der Form [Y3-1S]0+[X1-4M1-36O1O-60]11", wobei jedes „X" frei aus den Elementen desStructure is given. A preferred class of polyoxometalates are components of the form [Y 3-1S] 0+ [X 1-4 M 1-36 O O 1 -60] 11 ", each" X "released from the elements of the
Periodensystems wählbar ist und/oder auch ein molekularer Teil mit vier oder wenigerPeriodic system is selectable and / or also a molecular part with four or less
Atomen sein kann. „M" ist frei aus der Gruppe der Metalle wählbar, „Y" repräsentiert Gegenkationen und „n" ist ganzzahlig. Eine weitere bevorzugte Klasse sindCan be atoms. "M" is freely selectable from the group of metals, "Y" represents countercations and "n" is integer, another preferred class is
Polyoxometallate der Form [Y3-I8]^[M1-36O1O-60]11', wobei „Y", „M" und „n" wie oben definiert sind.Polyoxometalates of the form [Y 3 -I 8 ] ^ [M 1-36 O 1 O -60 ] 11 ' , wherein "Y", "M" and "n" are as defined above.
In den bevorzugten Ausführungen wird jedes „X" frei aus der Gruppe der Elemente P, Si, As, Ge, B, Al, Co, S5 Fe gewählt. Jeder „M"-Teil wird bevorzugterweise frei aus folgender Gruppe gewählt: Mo, W, V, Ti3 Co, Cu, Zn, Fe, Ni, Mn, Cr, Lanthaniden, Ce, Al, Ga, In, Tl. Die Gegenkationen „Y" werden bevorzugt frei aus der Gruppe H, Zn, Co, Cu, Bi5 Na, Li, K, Rb, Cs, Ba, Mg, Sr, Ammonium, C1-12-Alkylammonium, C1-12- Alkylamin gewählt. In einer besonders bevorzugten Ausführung werden Polyoxometallate der Form [Yf+[XM12O40]11' verwendet, wobei für „Y", „X", „M" und „n" diesselben Definitionen wie oben gelten. Die am meisten bevorzugten Polyoxometallate sind von der Form [Yf+[XM12O40]"", wobei „Y" und „n" wie oben definiert sind, „X" ist Si, P, Ge oder As und jedes „M" wird frei gewählt aus Mo, V oder W. In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden Polyoxometallate nach oben genannten Definitionen verwendet, die auf ein geeignetes Trägermaterial aufgebracht worden sind. Das Aufbringen eines Polyxoxmetallates auf ein Trägermaterial wie z.B. SiO2, Al2θ3 und Zeolithen und dessen Verwendung als heterogener Katalysator für z.B. Oxidationen mit Sauerstoff wurde bereits in der Literatur beschrieben. Bezüglich möglicher Polyoxometallate sei verwiesen auf die Systeme wie beschrieben in Hill (1998) Chemical Reviews 98:1-389; Pope (1983) Heteropoly and Isopoly Oxometalates, Springer, Berlin und Okuhara et al. (2001) Applied Catalysis A: General 222: 63-77, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich ausdrücklich eingeschlossen sei.In the preferred embodiments, each "X" is chosen freely from the group of elements P, Si, As, Ge, B, Al, Co, S 5 Fe. Each "M" part is preferably free Mo, W, V, Ti 3 Co, Cu, Zn, Fe, Ni, Mn, Cr, lanthanides, Ce, Al, Ga, In, Tl. The counter cations "Y" are preferably free from the group H. , Zn, Co, Cu, Bi 5 Na, Li, K, Rb, Cs, Ba, Mg, Sr, ammonium, C 1-12 -alkylammonium, C 1-12 -alkylamine In a particularly preferred embodiment, polyoxometalates of Form [Yf + [XM 12 O 40 ] 11 ' , where "Y", "X", "M" and "n" are the same definitions as above, the most preferred polyoxometalates are of the form [Yf + [ XM 12 O 40 ] "" , wherein "Y" and "n" are as defined above, "X" is Si, P, Ge or As and each "M" is freely selected from Mo, V or W. In another Polyoxometalates of the abovementioned definitions, which have been applied to a suitable support material, are used in a preferred embodiment The application of a polyxoxmetallate to a support material such as SiO 2 , Al 2 O 3 and zeolites and its use as a heterogeneous K Atalysator for eg oxidations with oxygen has already been described in the literature. For possible polyoxometalates, refer to the systems as described in Hill (1998) Chemical Reviews 98: 1-389; Pope (1983) Heteropoly and Isopoly Oxometalates, Springer, Berlin and Okuhara et al. (2001) Applied Catalysis A: General 222: 63-77, the disclosure of which is expressly incorporated herein.
Der Einfachheit halber wird im folgenden die Abkürzung POM für Polyoxometallate gemäss den oben genannten Definitionen verwendet.For the sake of simplicity, the abbreviation POM for polyoxometalates according to the abovementioned definitions is used below.
Radikalfänger:Radical scavengers:
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden eine oder mehrere Komponenten als Radikallanger eingesetzt.In a preferred embodiment of the invention, one or more components are used as Radikallanger.
Radikalfänger dienen im Rahmen dieser Erfindung dazu, die während des Abbaus von Lignin gebildeten Radikale abzufangen und damit Repolymerisationsreaktionen zu vermindern. Insbesondere soll damit die Ausbeute an gewünschten Chemikalien erhöht werden.Radical scavengers serve in the context of this invention to scavenge the radicals formed during the degradation of lignin and thus to reduce repolymerization reactions. In particular, this should increase the yield of desired chemicals.
Als Radikalfänger kommen generell alle Komponenten in Frage, welche unter den gegebenen Bedingungen in einem oder mehreren Schritten Radikale bilden oder bereits als freie Radikale vorliegen.Radical scavengers are generally all components which, under the given conditions, form radicals in one or more steps or already exist as free radicals.
Die Funktionsweise des Radikalfangers wird in folgendem beispielhaften und unvollständigen Reaktionsschema veranschaulicht. Die hier vorgeschlagenen Mechanismen reflektieren den momentanen Wissenstand und sind nicht als Einschränkung der Erfindung auszulegen.The operation of the radical scavenger is illustrated in the following exemplary and incomplete reaction scheme. The mechanisms proposed here reflect the current state of knowledge and are not to be construed as limiting the invention.
Betrachtet werden beispielsweise zwei Radikale R» und R'% welche bei der Spaltung von Lignin entstanden sind und damit Ligninfragmente darstellen. Dann ist es möglich, dass die Kopplung der Ligninfragmente untereinander zur Bildung stabiler Bindungen führt und sich somit kontraproduktiv zur gewünschten Spaltung von Ligninfragmenten auswirkt (Gleichung 1). Bei Zugabe von Radikalfängern, welche Radikale S» bilden oder bereits als freie Radikale vorliegen, ist es möglich, dass die Ligninfragmente R* und R'* zu den Kopplungsprodukten R-S und R'-S umgesetzt werden (Gleichung 2 und 3). Es ist somit möglich die Repolymerisation von Ligninbruchstücken durch gezielte Kopplung mit Radikalen S» zu vermindern: R' + R'- → R-R1 (1)For example, consider two radicals R »and R '% which are formed during the cleavage of lignin and thus represent lignin fragments. It is then possible that the coupling of the lignin fragments with one another leads to the formation of stable bonds and thus counterproductively affects the desired cleavage of lignin fragments (equation 1). When radical scavengers are added which form radicals S or are already present as free radicals, it is possible that the lignin fragments R * and R '* are converted to the coupling products RS and R'-S (Equation 2 and 3). It is thus possible to reduce the repolymerization of lignin fragments by targeted coupling with radicals S »: R '+ R'- → RR 1 (1)
R» + S- → R-S (2)R »+ S- → R-S (2)
R'« + S- → R'-S (3)R ' « + S- → R'-S (3)
Es ist z.B. möglich, Radikalfänger zu verwenden, die bereits als freie Radikale in der Form S* vorliegen. So z.B. TEMPO (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-l-oxyl), welches z.B. in der Living Free Radical Polymerization als Radikalfänger verwendet wird.It is e.g. it is possible to use radical scavengers which are already present as free radicals in the form S *. For example, TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl), which is e.g. used in radical free radical polymerization as radical scavenger.
Es ist auch möglich, Radikalfänger zu verwenden, die durch homolytische Spaltung einer kovalenten Bindung freie Radikale bilden können (Gleichung 4). Aus thermodynamischer Sicht ist dann bei der Auswahl des Radikalfängers eine relativ niedrige Bindungsenergie der S-S' Bindung im Vergleich zu den Bindungsenergien der möglichen Kopplungsprodukte R-S, R'-S, R-S' und R'-S' zu bevorzugen. So z.B. Dimethylether, Diethylether, Peroxide.It is also possible to use radical scavengers which can form free radicals by homolytic cleavage of a covalent bond (Equation 4). From a thermodynamic point of view, a relatively low binding energy of the S-S 'bond in comparison to the binding energies of the possible coupling products R-S, R'-S, R-S' and R'-S 'is then to be preferred when selecting the radical scavenger. For example, Dimethyl ether, diethyl ether, peroxides.
S-S' → S* + S'- (4)S-S '→ S * + S'- (4)
Es ist auch möglich, Radikalfänger zu verwenden, die in mehreren Schritten Radikale bilden. Insbesondere können in Verbindung mit Katalysatoren mehrere Schritte bis zur Bildung eines Radikals S* erfolgen. So kann beispielsweise säurekatalysierte Kondensation von Methanol zu Dimethylether in Anwesenheit von POM als Säurekatalysator mit anschliessender homolytischer Spaltung der Etherbindung zu den Radikalen CH3O* und CH3' fuhren.It is also possible to use free radical scavengers, which are free radicals in several steps form. In particular, several steps can be taken in conjunction with catalysts to form a radical S *. For example, acid-catalyzed condensation of methanol to dimethyl ether in the presence of POM as an acid catalyst with subsequent homolytic cleavage of the ether bond to the radicals CH 3 O * and CH 3 'drove.
Der Radikalfänger kann zum einen als Wasserstoffspender dienen und zum anderen die Repolymerisation der Ligninfragmente verhindern. Es kommen folglich Komponenten der allgemeinen Form S-H in Frage, wobei H ein zur Reaktion verfügbares Wasserstoffatom darstellt und S den Rest des Radikalfängers bezeichnet, d.h. abzüglich des betrachteten Wasserstoffatoms. Der Radikalfänger kann dabei mehrere zugängliche Wasserstoffatome besitzen.On the one hand, the radical scavenger can serve as a hydrogen donor and, on the other hand, prevent the repolymerization of the lignin fragments. Thus, suitable components of the general form S-H are those in which H represents a hydrogen available for reaction and S denotes the radical of the radical scavenger, i. minus the considered hydrogen atom. The radical scavenger can have several accessible hydrogen atoms.
Die Funktionsweise des Radikalfängers wird in folgendem beispielhaften zweitem Reaktionsschema veranschaulicht. Dabei werden nun beispielhaft Radikale betrachtet, welche durch Trennung einer Ether-Bindung des Lignins entstanden sind (Gleichung 5), wobei R wiederum für Ligninfragmente steht.The operation of the radical scavenger is illustrated in the following exemplary second reaction scheme. By way of example, radicals which have been formed by separation of an ether bond of the lignin (equation 5), where R in turn represents lignin fragments, are now considered.
Das folgende Reaktionsschema dient wiederum nur zur Veranschaulichung eines möglichen Radikalfänger-Mechanismus. Die Aktivierung des Radikalfängers muss nicht in einem Schritt und nicht durch reine Wasserstoffabstraktion erfolgen. In der Tat können Radikale, vor allem in Anwesenheit von POMs und/oder Sauerstoff, an einer Fülle von Reaktionen teilnehmen. So bilden sich beispielsweise aus Radikalen der Form R* (bzw. S*) in Anwesenheit von Sauerstoff Radikale der Form ROO* (bzw. SOO*). Auf Grund der zum Teil sehr starken Neigung von POMs Elektronen (und Protonen) aufzunehmen, kann es zudem zur Interaktion von POM mit Radikalfängern kommen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass phenolische Abbauprodukte des Lignins an sich Radikalfänger sind.The following reaction scheme again serves only to illustrate a possible radical scavenging mechanism. Activation of the radical scavenger does not have to be done in one step and not by pure hydrogen abstraction. In fact, radicals, especially in the presence of POMs and / or oxygen, can participate in a wealth of reactions. For example, radicals of the form R * (or S *) in the presence of oxygen form radicals of the form ROO * (or SOO *). Due to the sometimes very strong tendency of POMs to pick up electrons (and protons), POM can also interact with radical scavengers. It should be noted at this point that phenolic degradation products of lignin are per se radical scavengers.
R-O-R → RO* + R* (5)R-O-R → RO * + R * (5)
RO* + S-H → R0H + S* (6)RO * + S-H → R0H + S * (6)
R* + S-H → RH + S* (7)R * + S-H → RH + S * (7)
S* + S* → S-S (8) S- + R« → S-R (9)S * + S * → SS (8) S- + R « → SR (9)
S- + RO« → R-O-S (10)S- + RO « → ROS (10)
Durch Abstraktion eines Wasserstoffatoms vom Radikalfänger können die gewünschten Abbauprodukte des Lignins ROH und RH erhalten werden (Gleichungen 6 und 7). Ausserdem besteht die Möglichkeit, dass der Rest des Radikalfängers (d.h. abzüglich eines Wasserstoffatoms) in das Produkt integriert wird und somit radikalische Repolymerisationsreaktionen vermindert (Gleichungen 9 und 10).By abstraction of a hydrogen atom from the scavenger, the desired degradation products of the lignin ROH and RH can be obtained (equations 6 and 7). In addition, there is a possibility that the remainder of the radical scavenger (i.e., minus one hydrogen atom) will be integrated into the product, thus reducing radical repolymerization reactions (equations 9 and 10).
Prinzipiell kommen z.B. Moleküle, welche unter den gegebenen Bedingungen Wasserstoffatome abgeben können, als Radikalfänger in Frage. Daher ist, wenn man die chemische Struktur betrachtet, H2 der einfachste Radikalfänger. Auch möglich sind Alkohole und Säuren.In principle, for example, molecules which can give off hydrogen atoms under the given conditions are suitable as radical scavengers. Therefore, considering the chemical structure, H 2 is the simplest radical scavenger. Also possible are alcohols and acids.
Es ist auch möglich, wie oben erläutert, als Radikalfänger Substanzen zu verwenden, die unter den gegebenen Bedingungen ohne Wasserstoffabstraktion Radikale bilden, wie beispielsweise Peroxide, so auch Wasserstoffperoxid u.a.. Chemikalien:It is also possible, as explained above, to use as free-radical scavengers substances which under the given conditions form radicals without hydrogen abstraction, for example peroxides, as well as hydrogen peroxide and the like.
Die Struktur des Lignins beinhaltet eine Vielzahl an für die Industrie interessanten, meist phenolischen Verbindungen. Diese Erfindung zielt darauf ab, diese phenolischen Verbindungen in einer wirtschaftlich interessanten Menge direkt aus Lignin zu gewinnen. Diese Erfindung grenzt sich zu anderen Methoden klar dadurch ab, dass die hier hergestellten Chemikalien nicht aus Synthesegas rekombiniert werden. Ferner werden m dieser Erfindung Moleküle mit einem minimalen Molekulargewicht von MWmiIf=78g/mol hergestellt.The structure of lignin includes a variety of interesting for the industry, mostly phenolic compounds. This invention aims to obtain these phenolic compounds in an economically interesting amount directly from lignin. This invention clearly distinguishes itself from other methods in that the chemicals produced here are not recombined from synthesis gas. Further, in this invention, molecules having a minimum molecular weight of MW are produced at f = 78 g / mol.
In einer bevorzugten Ausführung werden Moleküle hergestellt, die in ihrer Struktur mindestens einen Benzolring beinhalten. In einer weiter bevorzugten Ausführung werden Moleküle hergestellt, die in ihrer Struktur mindestens einen und maximal drei Benzolringe aufweisen. Am stärksten zu bevorzugen ist eine Ausführung in der Moleküle hergestellt werden, die nur einen Benzolring in ihrer Struktur enthalten. In den oben genannten, bevorzugten Ausführungen wird der Benzolring als Grundgerüst verwendet. Dabei können die funktionellen Gruppen und eventuelle Bindungen zwischen Benzqlringen beliebig gewählt werden. Insbesondere können die eventuell verwendeten Radikalfänger in die Struktur der hergestellten Chemikalien integriert sein. Es ist möglich, eine Mischung mehrerer Chemikalien mit der in dieser Erfindung erläuterten Methode zu erhalten.In a preferred embodiment, molecules are prepared which contain at least one benzene ring in their structure. In a further preferred embodiment, molecules are produced which have at least one and at most three benzene rings in their structure. Most preferred is an embodiment in which molecules are made containing only one benzene ring in their structure. In the above preferred embodiments, the benzene ring is used as a backbone used. The functional groups and possible bonds between Benzqlringen can be chosen arbitrarily. In particular, the radical scavengers which may be used can be integrated into the structure of the chemicals produced. It is possible to obtain a mixture of several chemicals by the method explained in this invention.
Eine Ausfuhrungsform sieht vor, Lignin mittels POM in einem geeigneten Reaktor umzusetzen. Hierzu wird Lignin und POM in einem geeigneten, flüssigen Medium gelöst oder suspendiert. Die Mischung wird für eine ausreichend lange Zeit auf Bedingungen gebracht, welche den Abbau von Lignin vorantreiben. Hierbei kann die Temperatur zwischen 0°C und 5000C liegen, bevorzugtermassen jedoch zwischen 25°C und 300°C. Der Abbau von Lignin kann hierbei unter Inertgas, sauerstoffhaltigem, ozonhaltigem oder wasserstoffhaltigem Gas bei Drücken bis 300bar erfolgen. Der pH- Wert kann dabei im Bereich 0-10 liegen bzw. eingestellt werden. Beim Abbau des Lignins sollen Produkte aus der oben definierten Gruppe an Chemikalien gebildet werden. Hier werden also die Produkte im Bereich zwischen vollständiger Zersetzung des Lignins und quasi-unverändertem Lignin gewonnen werden. Dieser Ansatz stellt eine neue Optimierungsaufgabe hinsichtlich geeigneter POM Systeme, Temperaturen, Reaktionslaufzeiten usw. dar. Die schwierige Aufgabe Abbauprodukte abzufangen kann u.a. durch die Verwendung von Radikalfängern gelöst werden.One embodiment provides for converting lignin into a suitable reactor by means of POM. For this purpose, lignin and POM are dissolved or suspended in a suitable liquid medium. The mixture is placed on conditions which promote the degradation of lignin for a sufficient time. Here, the temperature may be between 0 ° C and 500 0 C, but preferably between 25 ° C and 300 ° C. The degradation of lignin can take place here under inert gas, oxygen-containing, ozone-containing or hydrogen-containing gas at pressures up to 300bar. The pH value can be in the range 0-10 or be set. In the degradation of lignin, products from the group of chemicals defined above are to be formed. Here, therefore, the products are obtained in the range between complete decomposition of lignin and quasi-unchanged lignin. This approach represents a new optimization task in terms of suitable POM systems, temperatures, reaction times, etc. The difficult task of intercepting degradation products can be solved, inter alia, by the use of radical scavengers.
Eine Ausfuhrungsform sieht also vor, Lignin mittels POM in Anwesenheit von Radikalfängern umzusetzen. Dabei wird analog zur ersten Ausfuhrungsform vorgegangen. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass zu einem geeigneten Zeitpunkt dem Reaktionsgemisch ein Radikalfanger zugefügt wird. Der Radikalfänger kann dabei als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas vorliegen. Als Radikalfänger kommen generell alle Komponenten in Frage, welche unter den gegebenen Bedingungen in einem oder mehreren Schritten Radikale bilden oder bereits als freie Radikale vorliegen. Als Radikalfänger können z.B. Stoffe verwendet werden, die unter den verwendeten Bedingungen ein oder mehr Wasserstoffatome abgeben können. Es ist eine Besonderheit, dass POM die Aktivierung von Radikalfängern (bzw. die Bildung von Radikalen) auf Grund ihrer meist starken Elektronen- (und Protonen-)affinität begünstigen können. Es können auch stabile Radikale, wie beispielsweise Nitroxyl- Radikale, als Radikalfänger eingesetzt werden. Es können auch Radikalbildner, wie beispielsweise Dibenzoylperoxid aus der Gruppe der Peroxide, als Radikalfanger eingesetzt werden.One embodiment therefore envisages converting lignin by means of POM in the presence of radical scavengers. This procedure is analogous to the first embodiment. The main difference is that at a suitable time a radical scavenger is added to the reaction mixture. The radical scavenger can be present as a solid, liquid or gas. Radical scavengers are generally all components which under the given conditions form radicals in one or more steps or are already present as free radicals. As scavengers, for example, substances can be used which can give off one or more hydrogen atoms under the conditions used. It is one Special feature that POM can promote the activation of radical scavengers (or the formation of radicals) due to their mostly strong electron (and proton) affinity. It is also possible to use stable radicals, such as nitroxyl radicals, as radical scavengers. It is also possible to use radical formers, such as, for example, dibenzoyl peroxide from the group of peroxides, as radical scavengers.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, Lignin mittels POM in Anwesenheit zweier flüssiger Phasen umzusetzen. Dabei wird analog zur ersten Ausführungsform vorgegangen. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass zwei nur teilweise bzw. nicht mischbare flüssige Phasen während dem Abbau von Lignin miteinander in Kontakt stehen. Auf Grund unterschiedlicher Löslichkeiten von POM, Lignin und ligninbasierter Abbauprodukte in den ausgewählten flüssigen Phasen kann eine teilweise bzw. vollständige Trennung der Komponenten Lignin, POM und ligninbasierte Abbauprodukte erfolgen. Es ist beispielsweise möglich, ein System mit zwei flüssigen Phasen zu wählen, wobei Lignin und POM hauptsächlich in der ersten flüssigen Phase (z.B. Wasser) gelöst bzw. suspendiert sind und die zweite flüssige Phase eine höhere Löslichkeit für Abbauprodukte des Lignins bietet (z.B. Chloroform). Somit können die gewünschten Abbauprodukte des Lignins vom Reaktionsmedium abgetrennt werden bevor diese in Folgereaktionen weiter reagieren. Es ist folglich möglich, durch geeignete Wahl von zwei flüssigen Phasen die Ausbeute an Produkten im Vergleich zu einem System mit nur einer flüssigen Phase zu erhöhen.Another embodiment provides to convert lignin by means of POM in the presence of two liquid phases. In this case, the procedure is analogous to the first embodiment. The main difference is that two only partially or immiscible liquid phases are in contact during the degradation of lignin. Due to different solubilities of POM, lignin and lignin-based degradation products in the selected liquid phases, a partial or complete separation of the components lignin, POM and lignin-based degradation products can take place. It is possible, for example, to choose a system with two liquid phases, wherein lignin and POM are dissolved or suspended mainly in the first liquid phase (eg water) and the second liquid phase offers a higher solubility for degradation products of lignin (eg chloroform) , Thus, the desired degradation products of lignin can be separated from the reaction medium before they react further in subsequent reactions. It is thus possible, by suitable choice of two liquid phases, to increase the yield of products compared to a system with only one liquid phase.
Eine weitere Ausfuhrungsform sieht vor, Lignin mittels POM in Anwesenheit von Radikalfängern und zwei flüssigen Phasen umzusetzen.A further embodiment provides to convert lignin by means of POM in the presence of radical scavengers and two liquid phases.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, einen metallischen Katalysator in Verbindung mit einer der oben genannten Ausführungsformen zu verwenden. Kombinationen von metallischen Katalysatoren, meist Palladium, mit Polyoxometallaten wurden bereits in einer Reihe von Oxidationen und Reduktionen untersucht. Ein zusätzlicher metallischerA further embodiment provides for using a metallic catalyst in conjunction with one of the abovementioned embodiments. Combinations of metallic catalysts, mostly palladium, with polyoxometalates have been studied in a number of oxidations and reductions. An additional metallic
Katalysator ermöglicht den Abbau von Lignin bei niedrigeren Temperaturen und wirkt sich positiv auf die Selektivität hinsichtlich der Zielprodukte aus. Es ist ebenso so, dass sich die Ausbeute an gewünschten Produkten unter Verwendung eines zusätzlichen metallischen Katalysator steigern lässt. Es ist möglich, einen metallischen Katalysator in Kombination mit Polyoxometallaten zur möglichst vollständigen Oxidation von nicht gewünschten Abbauprodukten des Lignins im Rahmen der Aufarbeitung zu verwenden.Catalyst allows the degradation of lignin at lower temperatures and has a positive effect on the selectivity of the target products. It is also the case that the yield of desired products using an additional increase metallic catalyst. It is possible to use a metallic catalyst in combination with polyoxometalates for the most complete oxidation of non-desired degradation products of lignin during the workup.
Zur Umsetzung der Erfindung in einer verfahrenstechnischen Anlage ist es beispielsweise möglich, die im folgenden beschriebenen Operationen durclizuführen. Folgendes Schema dient nur der Veranschaulichung möglicher Operationen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.To implement the invention in a process plant, it is possible, for example, to carry out the operations described below. The following diagram serves only to illustrate possible operations and does not claim to be exhaustive.
• Die Umsetzung von Lignin gemäss den oben genannten Ausführungsformen (Reaktionsstufe). • Abtrennung der Produkte vom Reaktionsmedium (z.B. durch Extraktion).The reaction of lignin according to the above-mentioned embodiments (reaction stage). Separation of the products from the reaction medium (for example by extraction).
• Aufarbeitung der Produkte (Trennen der Produktmischung).• Processing the products (separating the product mixture).
• Abtrennung des Radikalfängers (z.B. durch Destillation).Separation of radical scavenger (e.g., by distillation).
• Rückführung des Radikalfangers.• Return of the radical catcher.
• Oxidation von Ligninfragmenten, die nicht zu Zielprodukten umgesetzt wurden, mittels Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser.• Oxidation of lignin fragments, which were not converted to target products, by means of oxygen to carbon dioxide and water.
• Verwendung der nicht zu Zielprodukten umgesetzten Ligninfragmente bzw. Lignin zur Energiegewinnung (z.B. thermische Energie aus Oxidation).Use of non-target lignin fragments or lignin for energy production (e.g., thermal energy from oxidation).
• Reoxidation bzw. Regenerierung von POM (i.d.R. zeitgleich mit Oxidation von Ligninfragmenten) . • Rückführung des POM zur Reaktionsstufe.• Reoxidation or regeneration of POM (i.d.R coincident with oxidation of lignin fragments). • Return of the POM to the reaction stage.
• Feststoffaustrag an sinnvoller Stelle (z.B. durch Filtration).• solids discharge at a convenient location (for example by filtration).
• Zugabe von Lösungsmitteln an sinnvoller Stelle.• Addition of solvents in a meaningful place.
• Austrag von Lösungsmitteln an sinnvoller Stelle.• Discharge of solvents in a meaningful place.
Es ist möglich, die Abtrennung der Produkte zeitgleich zur Umsetzung von Lignin beispielsweise durch Extraktion in einer Operation (Reaktivextraktion) durchzufüliren.It is possible to carry out the separation of the products at the same time as the conversion of lignin, for example by extraction in one operation (reactive extraction).
Der Kern der Erfindung besteht somit u.a. zusammenfassend darin, ein Verfahren zur direkten Herstellung von Molekülen mit einem minimalen Molekulargewicht von 78 g/mol durch den Abbau von Lignin, Ligninderivaten, Ligninbruchstücken und/oder ligninhaltigen Stoffen oder Mischungen in Anwesenheit von wenigstens einem Polyoxometallat in einem flüssigen Medium zur Verfügung zu stellen.The essence of the invention is thus inter alia, in summary, a process for the direct production of molecules having a minimum molecular weight of 78 g / mol by the degradation of lignin, lignin derivatives, lignin fragments and / or lignin-containing substances or mixtures in the presence of at least one polyoxometalate in a liquid medium.
Dabei wird vorzugsweise wenigstens Zeit-abschnittsweise während des Abbaus ein Radikalfänger eingesetzt, wobei es sich bei diesem Radikalfänger bevorzugtermassen um ein System oder ein Gemisch von Systemen handelt, welches Radikale wie z.B. atomaren Wasserstoff zur Verfügung stellt und/oder welches die Repolymerisation resp.In this case, a radical scavenger is preferably used at least in sections, during the degradation, wherein this radical scavenger is preferably a system or a mixture of systems which contains radicals, such as e.g. atomic hydrogen provides and / or which the repolymerization resp.
Kombinationsreaktionen von Ligninfragmenten verhindert oder wenigstens erschwert, wobei der Radikalfänger gasförmig, flüssig und/oder als Feststoff eingesetzt werden kann, und wobei der Radikalfänger insbesondere bevorzugt ausgewählt ist aus: molekularem Wasserstoff, einem Peroxid wie z.B. Wasserstoffperoxid oderCombination reactions of lignin fragments prevented or at least hindered, wherein the radical scavenger can be used gaseous, liquid and / or as a solid, and wherein the radical scavenger is particularly preferably selected from: molecular hydrogen, a peroxide such. Hydrogen peroxide or
Dibenzoylperoxid, einem Alkohol wie beispielsweise Methanol und/oder Ethanol, einem stabilisierten freien Radikal wie beispielsweise einem Nitroxylradikal, einer organischen Säure wie beispielsweise Ascorbmsäure, einem Phenol wie beispielsweise Butylhydroxytoluol, einem Ether wie beispielsweise Dimethylether, einem Ester wie beispielsweise Essigsäureethylester, einem Anhydrid wie beispielweiseDibenzoyl peroxide, an alcohol such as methanol and / or ethanol, a stabilized free radical such as a nitroxyl radical, an organic acid such as ascorbic acid, a phenol such as butylhydroxytoluene, an ether such as dimethyl ether, an ester such as ethyl acetate, an anhydride such as
Essigsäureanhydrid oder Mischungen derartiger Systeme.Acetic anhydride or mixtures of such systems.
Dem Gemisch kann eine zweite, flüssige Phase zugesetzt werden, wobei bevorzugtermassen diese zweite flüssige Phase eine vom ersten Medium wesentlich unterschiedliche Polarität aufweist.A second, liquid phase can be added to the mixture, wherein this second liquid phase preferably has a substantially different polarity from the first medium.
Es kann auch zusätzlich ein metallischer Katalysator, insbesondere aus der Gruppe der übergangselementhaltigen Katalysatoren, bevorzugtermassen aus der Gruppe der Gruppe VIIIB metallhaltigen und/oder Gruppe IB metallhaltigen Katalysatoren, verwendet werden, wobei der Katalysator auf und/oder in einem bevorzugt porösen Substrat gebunden sein kann.It is also possible additionally to use a metallic catalyst, in particular from the group of transition-element-containing catalysts, preferably from the group VIIIB group of metal-containing and / or group IB metal-containing catalysts, it being possible for the catalyst to be bound to and / or in a preferably porous substrate ,
Die Reaktion kann unter einem Inertgas, unter einer sauerstoffhaltigen Gasphase, unter einer wasserstoffhaltigen Gasphase oder unter einer ozonhaltigen Gasphase im Druckbereich von 0-300bar, bevorzugt bei mehr als 5 bar durchgeführt werden.The reaction can be carried out under an inert gas, under an oxygen-containing gas phase, under a hydrogen-containing gas phase or under an ozone-containing gas phase in the pressure range from 0 to 300 bar, preferably at more than 5 bar.
Bevorzugtermassen handelt es sich bei dem Polyoxometallat um H3PMo12O40, beim flüssigen Medium um Wasser wobei ein alkoholischer Radikalfänger eingesetzt wird, bevorzugt ausgewählt aus Methanol und/oder Ethanol, wobei insbesondere bevorzugt das Volumenverhältnis von Wasser zu alkoholischem Radikalfanger im Bereich von 1:10 bis 10:1 ist und wobei bevorzugtermassen ein Druck von mehr als 2 bar herrscht. Generell ist es vorteilhaft, wenn es sich beim flüssigen Medium um Wasser, gegebenenfalls in Kombination mit einem Alkohol, handelt. Es können pro 100 ml flüssiges Medium zwischen 2-200 g Polyoxometallate eingesetzt werden, insbesondere bevorzugt zwischen 8-12 g. Es werden also vorzugsweise Konzentrationen im Bereich von 0.01 mol/1 bis 1 mol/1 verwendet. Typischerweise erfolgt anschliessend an den Abbau des Lignin zu den Molekülen eine Abtrennung der Moleküle aus dem Reaktionsmedium, insbesondere bevorzugt durch Extraktion und/oder Destillation.Preferably, the polyoxometalate is H 3 PMo 12 O 40 , in liquid medium to water, wherein an alcoholic radical scavenger is used, preferably selected from methanol and / or ethanol, wherein particularly preferably the volume ratio of water to alcoholic radical scavenger in the range of 1:10 to 10: 1 and wherein preferably a pressure of more than 2 bar prevails. In general, it is advantageous if the liquid medium is water, optionally in combination with an alcohol. It can be used per 100 ml of liquid medium between 2-200 g Polyoxometallate, more preferably between 8-12 g. It is therefore preferable to use concentrations in the range from 0.01 mol / 1 to 1 mol / l. Typically, subsequent to the degradation of the lignin to the molecules, a separation of the molecules from the reaction medium, particularly preferably by extraction and / or distillation.
Weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further preferred embodiments are described in the dependent claims.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Figur näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt Chemikalien aus dem Abbau von Lignin mittels POM und Radikalfängern.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the figure. Fig. 1 shows chemicals from the degradation of lignin by means of POM and radical scavengers.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Methode zur Herstellung von Chemikalien aus Lignin mittels POM und Radikalfangern anhand repräsentativer Experimente erläutert.The method according to the invention for the production of chemicals from lignin by means of POM and radical scavengers will be explained below on the basis of representative experiments.
Insbesondere wird die Wirksamkeit der POM und Radikalfänger nachgewiesen. Im Vergleich zu einer Methode nach Stand der Technik kann mit der erfmdungsgemässen Methode eine höhere Produktausbeute erreicht werden.In particular, the effectiveness of POM and radical scavengers is demonstrated. In comparison with a method according to the prior art, a higher product yield can be achieved with the method according to the invention.
Versuchsdurcliführung: Experimente 01-11 und Blindprobe (siehe Tabelle 1):Versuchsdurcliführung: Experiments 01-11 and blank (see Table 1):
In einem typischen Experiment wurden 9.13g des POM H3PMo12O40 in 100ml Wasser oder einem Wasser/Alkohol-Gemisch gelöst, dies entspricht formal einer 0.05-molaren Lösung. Diese wurde anschliessend in einen 500ml- Autoklaven (Premex Reactor AG, CH-Lengnau) transferiert. Vor dem Schliessen des Reaktors wurde Ig pulverförmiges Lignin hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde dann drei Mal mit 5bar Sauerstoff oder Stickstoff beaufschlagt und abgelassen, um die anfänglich vorhandene Luft zu verdrängen. Schliesslich wurde der Reaktor mit 5bar Sauerstoff oder lObar Stickstoff befüllt. Das Reaktionsgemisch wurde bei einer Rüherdrehzahl von 1200rad/min mit einer Rate von 8K/min auf 170°C aufgeheizt. Die Mischung wurde für 20 Minuten auf 17O0C gehalten. Die flüssige Phase wurde nach 20 Minuten entnommen. Dabei erfolgte die Probenahme durch eine wassergekühlte Kühlschlange. Die Probe wurde einmal gefiltert und dann dreimal mit 10ml Chloroform extrahiert. Der organischen Phase wurden 30μl n-Dekan als interner Standard für die GC/MS Analyse (Fisons instruments GC8000/MD800; Säule von Restek Rtx-5MS 30m x 0.25mm x 0.25μm) zugefügt.In a typical experiment, 9.13g of the POM H 3 PMo 12 O 40 was dissolved in 100ml of water or a water / alcohol mixture, which is formally equivalent to a 0.05 molar solution. This was then transferred to a 500 ml autoclave (Premex Reactor AG, CH-Lengnau). Before closing the reactor, Ig powder of lignin was added. The reaction mixture was then charged and drained with 5 bar of oxygen or nitrogen three times to displace the initial air. Finally, the reactor was charged with 5 bar of oxygen or 10 bar of nitrogen. The reaction mixture was heated to 170 ° C at a bake speed of 1200rpm at a rate of 8K / min. The mixture was held for 20 minutes at 17O 0 C. The liquid phase was removed after 20 minutes. The sampling was carried out by a water-cooled cooling coil. The sample was filtered once and then extracted three times with 10 ml of chloroform. To the organic phase was added 30μl of n-decane as internal standard for GC / MS analysis (Fisons instruments GC8000 / MD800; column of Restek Rtx-5MS 30m x 0.25mm x 0.25μm).
In Experiment 03, 04, 08, 09, 10 und 11 wurden Radikalfänger (Methanol, Ethanol) eingesetzt.In Experiment 03, 04, 08, 09, 10 and 11 radical scavengers (methanol, ethanol) were used.
In Experiment 02 wurde vor dem Verschliessen des Reaktors eine zweite flüssige Phase in Form von 30ml Chloroform hinzugefügt. In Experiment 05 wurden 9.45g des POMs Na3PMo12O40 verwendet. Bei der Blindprobe wurde kein POM verwendet.In Experiment 02, a second liquid phase in the form of 30 ml of chloroform was added before the reactor was closed. In experiment 05, 9.45 g of the POMs Na 3 PMo 12 O 40 were used. For the blank, no POM was used.
Experiment 12 und Wu et al.(G. X. Wu, M. Heitz, E. Chornet, Ind. Eng. Chem. Res. 33, 718 (Mar, 1994)) (siehe Tabelle 1):Experiment 12 and Wu et al. (G.X. Wu, M. Heitz, E. Chornet, Ind. Eng. Chem. Res. 33, 718 (Mar, 1994)) (see Table 1):
Das experimentelle Vorgehen bei Experiment 12 ist analog zu Wu et al. gehalten. Es wurde 10g Lignin in 100ml einer 3-molaren Natronlauge gelöst. Die Lösung wurde in einen 500ml Autoklaven gegeben und das Katalysatorsystem bestehend aus 500mg Kupfersulfat und 50mg Eisenchlorid wurde hinzugefügt. Der Reaktor wurde verschlossen und drei Mal mit Sauerstoff bei lObar befüllt und entleert um die ursprünglich vorhandene Luft zu verdrängen. Anschliessend wurde das Reaktionsgefäss mit 13.2bar Sauerstoff unter Druck gesetzt. Das Reaktionsgemisch wurde bei einer Rüherdrehzahl von 1200rad/min mit einer Rate von 8K/min auf 170°C aufgeheizt. Die Mischung wurde für 20 Minuten auf 170°C gehalten. Die flüssige Phase wurde nach 20 Minuten entnommen. Dabei erfolgte die Probenahme durch eine wassergekühlte Kühlschlange. hi Experiment 01 wurde Lignin in einer 0.05-molaren, wässrigen H3PMol2O40 Lösung unter Inertgas behandelt. Dabei veränderte sich die Farbe der Lösung von gelblich nach dunkelblau. Dies zeigt eindeutig, dass das verwendete Polymolybdat reduziert wurde. Mittels GC/MS Analyse wurden 0.56mg an ligninbasierten Produkten (hauptsächlich Vanillin) quantifiziert.The experimental procedure in Experiment 12 is analogous to Wu et al. held. 10 g of lignin were dissolved in 100 ml of a 3-molar sodium hydroxide solution. The solution was placed in a 500 ml autoclave and the catalyst system consisting of 500 mg of copper sulfate and 50 mg of ferric chloride was added. The reactor was closed and filled three times with oxygen at 10 bar and emptied to displace the originally present air. Subsequently, the reaction vessel pressurized with 13.2bar oxygen. The reaction mixture was heated to 170 ° C at a bake speed of 1200rpm at a rate of 8K / min. The mixture was held at 170 ° C for 20 minutes. The liquid phase was removed after 20 minutes. The sampling was carried out by a water-cooled cooling coil. In Experiment 01, lignin was treated in a 0.05 molar aqueous H3PMol2O40 solution under inert gas. The color of the solution changed from yellowish to dark blue. This clearly shows that the polymolybdate used was reduced. By GC / MS analysis, 0.56 mg of lignin-based products (mainly vanillin) were quantified.
Die Ausbeute an ligninbasierten Produkten lies sich durch in-situ Extraktion um ca. 30% erhöhen (vgl. Experiment 01 mit Experiment 02). Hierzu wurde eine zweite flüssige Phase (Chloroform) dem Reaktionsgemisch beigefügt. Diese weist eine höhere Löslichkeit für die gewünschten Abbauprodukte auf und kann daher eventuell gebildete Produkte dem eigentlichen Reaktionsmedium (wässrige POM Lösung) entziehen bevor mögliche Folgereaktionen die gebildeten Produkte wieder zerstören.The yield of lignin-based products was increased by about 30% by in situ extraction (see Experiment 01 with Experiment 02). For this purpose, a second liquid phase (chloroform) was added to the reaction mixture. This has a higher solubility for the desired degradation products and can therefore any products formed the actual reaction medium (aqueous POM solution) withdraw before possible subsequent reactions destroy the products formed again.
Der Abbau von Lignin mit 0.05-molarer H3PMo12O4Q-LoSiUIg unter Sauerstoff (Experiment 06) erhöhte ebenfalls die Ausbeute im Vergleich zum Abbau unter Inertgas (Experiment 01). Es konnte nach dem Experiment unter Sauerstoff im Gegensatz zum Experiment unter Inertgas nur eine geringe Verfärbung der Lösung zu gelb-grünlich festgestellt werden, d.h. das Polyoxomolybdat wurde nur sehr wenig oder gar nicht reduziert. Dies lässt vermuten, dass das POM unter den verwendeten Bedingungen reoxidierbar ist und in diesem Fall Sauerstoff während des Abbaus von Lignin über das POM verbraucht wird. Das Experiment 07 zeigt, dass verschiedene Lignin-Sorten verwendet werden können und dass die Ausbeute an Chemikalien hierbei in der gleichen Grössenordnung liegt. Das Lignin von Aldrich (Batch NrO9724CE) ist laut Hersteller ein Weichholz-Lignin (hauptsächlich aus Fichtenholz), welches im Kraft- Verfahren gewonnen wurde. Das Lignin aus dem Granit® Verfahren wurde hingegen aus landwirtschaftlich genutzten Pflanzen gewonnen und weist daher eine andere chemische Struktur auf. In Experiment 05 wurde als POM das zu H3PMo12O4O korrespondierende Natriumsalz Na3PMo12O4O verwendet. Die Ausbeute an Chemikalien ist in diesem Experiment merklich höher. Es zeigt sich daher, dass aus chemischer Sicht geringfügige Änderungen des verwendeten POM Systems sich auf die Ausbeute an gewünschten Produkten auswirken kann. Die Verwendung eines möglichst optimalen POM Systems ist daher von entscheidender Bedeutung für das Erreichen hoher Ausbeuten.The degradation of lignin with 0.05 molar H 3 PMo 12 O 4 Q-LoSiUIg under oxygen (Experiment 06) also increased the yield compared to degradation under inert gas (Experiment 01). In contrast to the experiment under inert gas, only slight discoloration of the solution to yellow-greenish was found after the experiment under oxygen, ie the polyoxomolybdate was reduced only slightly or not at all. This suggests that the POM is reoxidizable under the conditions used and in this case oxygen is consumed during the degradation of lignin via the POM. Experiment 07 shows that different types of lignin can be used and that the yield of chemicals is of the same order of magnitude. The lignin from Aldrich (Batch NrO9724CE) is according to the manufacturer a softwood lignin (mainly from spruce wood), which was obtained by Kraft process. The lignin from the Granit® process, however, was obtained from agricultural plants and therefore has a different chemical structure. In experiment 05, the sodium salt Na 3 PMo 12 O 4 O corresponding to H 3 PMo 12 O 4O was used as POM. The yield of chemicals is noticeably higher in this experiment. It therefore appears that, from a chemical point of view, minor changes in the POM system used can affect the yield of desired products. The use of an optimal POM system is therefore crucial for achieving high yields.
Der hinsichtlich der Ausbeute an Chemikalien positive Effekt des Radikalfängers konnte in den Experimenten 03 und 04 im Vergleich zu Experiment Ol und der Blindprobe nachgewiesen werden. In den Experimenten 03 und 04 wurden Ethanol und Methanol als Radikalfänger verwendet. Die Ausbeute konnte unter Verwendung der Radikalfänger von 0.56mg auf 1.17mg im Fall von Ethanol und auf 2.38mg im Fall von Methanol gesteigert werden.The positive effect of the radical scavenger on the chemical yield was demonstrated in experiments 03 and 04 compared to experiment Ol and the blank. In experiments 03 and 04, ethanol and methanol were used as radical scavengers. The yield could be increased from 0.56 mg to 1.17 mg in the case of ethanol and to 2.38 mg in the case of methanol using the free-radical scavengers.
Bei der Blindprobe ohne POM konnten keine ligninbasierten Produkte detektiert werden. Figur 1 zeigt die zugehörigen GC/MS-Chromatogramme und veranschaulicht, dass nicht nur die Mengen an produziertem Vanillin und 4-Hydroxyacetyl-2-Methoxy- Phenol bei Verwendung der Radikalfänger grösser sind, sondern auch neue Komponenten in zu Vanillin vergleichbarer Menge hergestellt werden.In the blank test without POM no lignin-based products could be detected. Figure 1 shows the associated GC / MS chromatograms and illustrates that not only are the amounts of vanillin and 4-hydroxyacetyl-2-methoxy-phenol produced greater when using the radical scavengers, but also new components are prepared in comparable amount to vanillin.
Die Bildung des Vanillinsäuremethylesters in Experiment 04 zeigt, dass Methanol in das Produkt eingebaut wird (siehe Gleichung 11).The formation of vanillic acid methyl ester in Experiment 04 shows that methanol is incorporated into the product (see Equation 11).
Unter Verwendung von Ethanol als Radikalfänger wird hingegen der Vanülinsäureethylester gebildet (siehe Gleichung 12).By contrast, using ethanol as radical scavenger, the ethyl vanülate is formed (see Equation 12).
Es wurden weiterhin Experimente zur Verifizierung des in den Gleichung 11 und 12 angedeuteten Mechanismus durchgeführt. Mit deuteriertem Methanol CD3OD konnte eindeutig gezeigt werden, dass ein Methanolrest in das Produkt Vanillinsäuremethylester eingebaut wird. Das Molekulargewicht von Vanillinsäuremethylester produziert in Reaktionen von Lignin in Anwesenheit von nicht-deuteriertem Methanol wurde mittels GC/MS Analyse zu 182 g/mol bestimmt. Unter Verwendung von deuteriertem Methanol wurde das Molekulargewicht zu 185 g/mol bestimmt. Weiterhin wurde überprüft, ob die Bildung des Vanillinsäuremethylester auch aus Vanillin beispielsweise über den Reaktionsweg Vanillin → Vanillinsäure → Vanillinsäuremethylester möglich ist. Die Behandlung von Vanillin in 0.05-molarer H3PMo12O4O-LoSUTIg unter Stickstoff in Anwesenheit von Methanol brachte keinerlei Produkte hervor. Es ist folglich anzunehmen, dass das in Gleichungen 11 und 12 gezeigte Acylradikal aus der Spaltung der Ca-C ß Bindung im Lignin resultiert.Experiments were further performed to verify the mechanism indicated in Equations 11 and 12. With deuterated methanol CD 3 OD it could be clearly demonstrated that a methanol residue is incorporated into the product vanillic acid methyl ester. The molecular weight of vanillic acid methyl ester produced in reactions of lignin in the presence of non-deuterated methanol was determined by GC / MS analysis to be 182 g / mol. Using deuterated methanol, the molecular weight increased 185 g / mol determined. Furthermore, it was examined whether the formation of the vanillic acid methyl ester is also possible from vanillin, for example via the reaction route vanillin → vanillic acid → vanillic acid methyl ester. The treatment of vanillin in 0.05 molar H 3 PMo 12 O 4 O LOSUTIg under nitrogen in the presence of methanol did not produce any products. It can thus be assumed that the acyl radical shown in Equations 11 and 12 results from the cleavage of the Ca-C β bond in the lignin.
Es wurde ausserdem die Bildung des Radikals CH3O* aus Methanol näher betrachtet. Die homolytische Spaltung der O-H Bindung in Methanol ist thermodynamisch auf Grund der hohen Bindungsenergie von 104 kcal/mol nicht wahrscheinlich. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass Methanol in wässriger H3PMo12O40-Lösung unter Stickstoff teilweise zu Dimethylether umgewandelt wird. Die homolytische Spaltung der C-O Bindung in Dimethylether ist auf Grund der relativ niedrigen Bindungsenergie von 84 kcal/mol möglich. Es ist folglich möglich, dass Methanol über säurekatalysierte Etherbildung Radikale bilden kann und damit im Sinne dieser Erfindung als Radikalfanger betrachtet wird. Die direkte Zugabe von Dimethylether als Radikalfänger zur Umsetzung von Lignin in wässriger H3PMo12O40-LoSUtIg unter Stickstoff und in Abwesenheit von Methanol resultierte in der Produktion einer geringen Menge Vanillinsäuremethylester. Es wurde also gezeigt, dass Dimethylether direkt als Radikalfanger wirksam ist und die homolytische Spaltung von Dimethylether und die damit verbundene Bildung von Vanillmsäuremethylester möglich ist.In addition, the formation of the radical CH 3 O * from methanol was considered in more detail. The homolytic cleavage of the OH bond in methanol is thermodynamically unlikely due to the high binding energy of 104 kcal / mol. However, it has been found that methanol in aqueous H 3 PMo 12 O 40 solution is partially converted to dimethyl ether under nitrogen. The homolytic cleavage of the CO bond in dimethyl ether is possible due to the relatively low binding energy of 84 kcal / mol. It is therefore possible that methanol can form radicals via acid-catalyzed ether formation and is thus considered as radical scavenger in the context of this invention. Direct addition of dimethyl ether as a radical scavenger to react lignin in aqueous H 3 PMo 12 O 40 solution under nitrogen and in the absence of methanol resulted in the production of a small amount of vanillic acid methyl ester. It has thus been shown that dimethyl ether is effective directly as radical scavenger and the homolytic cleavage of dimethyl ether and the associated formation of vanillic acid methyl ester is possible.
(11) (11)
Um die Resultate des Abbaus von Lignin mittels POM und Radikalfängern mit dem Stand der Technik vergleichen zu können, wurden die von Wu et al. (Benchmark) verwendete Methode auf das in unseren Beispielen eingesetzte Lignin der Firma Aldrich angewendet.To compare the results of the degradation of lignin by POM and radical scavengers with the prior art, the Wu et al. (Benchmark) method applied to the lignin used by Aldrich in our examples.
Ein Vergleich der Resultate offenbarte, dass die Ausbeute an ligninbasierten Chemikalien unter Verwendung des Weichholz-Lignins im Vergleich zu Wu et al. sehr viel geringer ausfällt (~eine Zehnerpotenz). Dies kann durch die Verwendung einer sehr unterschiedlichen Ligninsorten begründet sein. Das in unserer Arbeit verwendete Lignin der Firma Sigma-Aldrich ist laut Hersteller ein typisches Weichholz-Lignin, das aus Fichtenholz mittels Kraft- Verfahren isoliert wurde. Wu et al. verwendete hingegen eine aus Hartholz mittels Dampfaufschluss selbst hergestellte Ligninsorte. Es ist bekannt, dass Hartholz-Lignin einen sehr viel höheren Anteil an Syringyleinheiten besitzt (~50%). Der vergleichsweise hohe Anteil an Syringyleinheiten spiegelt sich auch in den Resultaten von Wu et al. in der beträchtlichen Menge an produziertem Syringaldehyd wieder (7.8Gew%). Weichholz-Lignin (von der Fichte) besitzt dagegen einen sehr grossen Anteil an Guaiacyleinheiten (-90%). Dies deckt sich mit unseren Resultaten in denen nur Spuren von Syringaldehyd gebildet wurden. Es ist zudem bekannt, dass der Abbau von Hartholz-Lignin sehr viel einfacher und schneller abläuft als der Abbau von Weichholz-Lignin. Des weiteren wurde das von Wu et al. hergestellte Hartholz-Lignin nicht vollständig charakterisiert. Die Zusammensetzung des säureunlöslichen Lignin wird von Wu et al. mit: Klason-Lignin=84.7%; säurelösliches Lignin=3.0% und Andere(Unbekannt)=12.3% angegeben.A comparison of the results revealed that the yield of lignin-based chemicals using softwood lignin compared to Wu et al. much lower (~ one power of ten). This may be due to the use of a variety of lignins. According to the manufacturer, the lignin from Sigma-Aldrich used in our work is a typical softwood lignin that has been isolated from spruce wood by means of Kraft technology. Wu et al. on the other hand used a lignin variety made of hardwood by steam digestion. It is known that hardwood lignin has a much higher proportion of syringyl units (~ 50%). The comparatively high proportion of syringyl units is also reflected in the results of Wu et al. in considerable amount of syringaldehyde produced (7.8Gew%). In contrast, softwood lignin (from spruce) has a very high proportion of guaiacyl units (-90%). This coincides with our results in which only traces of syringaldehyde were formed. It is also known that the degradation of hardwood lignin is much easier and faster than the degradation of softwood lignin. Furthermore, that of Wu et al. produced hardwood lignin is not fully characterized. The composition of the acid-insoluble lignin is described by Wu et al. with: Klason lignin = 84.7%; acid soluble lignin = 3.0% and Other (unknown) = 12.3%.
Ein wirtschaftlich rentabler Prozess setzt eine verlässliche und kostengünstige Lignin- Quelle voraus. Es scheint daher sinnvoll, das in grossen Mengen erhältliche Weichholz- Lignin als Ausgangsstoff für die Chemikalienherstellung zu verwenden. Wie bereits angedeutet fällt Weichholz-Lignin bei der Papierherstellung als Abfallprodukt an (z.B. im Kraft- oder Sulfitverfahren). Im folgenden wird daher die Methode von Wu et al. angewendet auf das uns zugängliche Lignin, als Benchmark betrachtet.An economically viable process requires a reliable and cost-effective source of lignin. It therefore seems sensible to use the softwood lignin available in large quantities as a raw material for the production of chemicals. As already indicated, softwood lignin is a waste product in papermaking (e.g., kraft or sulfite processes). In the following, therefore, the method of Wu et al. applied to the lignin accessible to us, considered as a benchmark.
Ein Vergleich von Experiment 10, in dem Lignin unter Sauerstoff in Anwesenheit von POM und Radikalfänger umgesetzt wurde, mit der Methode nach dem Stand der Technik (Experiment 12) zeigt, dass mit der erfmdungsgemässen Methode eine höhere Produktausbeute erreicht wird. Die produzierten Chemikalien sind hauptsächlich Vanillin (16.5mg) und Vanillinsäuremethylester (13.5mg).A comparison of Experiment 10, in which lignin was reacted under oxygen in the presence of POM and radical scavenger, with the prior art method (Experiment 12) shows that the inventive method, a higher product yield is achieved. The chemicals produced are mainly vanillin (16.5mg) and vanillic acid methyl ester (13.5mg).
In Experiment 11 wurde Pappellignin verwendet. Die Produktausbeute liegt ebenfalls im Bereich von 3.5 Gew.-%. Die Hauptprodukte sind hier jedoch Vanillin (5.0mg), Vanillinsäuremethylester (6.2mg), Syringaldehyd (8.2mg) und Syringasäuremethylester (12.2mg), entsprechend der chemischen Struktur von Pappellignin mit einem relativ hohen Anteil an Syringyleinheiten.In experiment 11, poplar lignin was used. The product yield is also in the range of 3.5 wt .-%. However, the main products here are vanillin (5.0mg), vanillic acid methyl ester (6.2mg), syringaldehyde (8.2mg) and syringic acid methyl ester (12.2mg), corresponding to the chemical structure of poplar lignin with a relatively high proportion of syringyl units.
Es ist anzumerken, dass die in diesem Dokument angeführten Beispiele die erste Versuchsreihe repräsentiert. Das Erreichen der vergleichsweise höheren Ausbeuten ist daher besonders vielversprechend, da die erfmdungsgemässe Methode noch nicht optimiert wurde. In Anbetracht der zahlreichen möglichen Kombinationen von POM, Radikalfängern und letztlich auch Ligninsorten besteht noch sehr viel Raum zur Verbesserung der Ausbeuten. Zudem stehen immer noch einige reaktionstechnische Lösungen, wie z.B. die in-situ Extraktion, zur Verfügung. Das Potential wird unter anderem bei einem Vergleich der Experimente 06 und 10 deutlich. Hier konnte die Ausbeute an Chemikalien allein durch die Verwendung einer wässrigen Methanollösung um den Faktor 30 erhöht werden. Ein Vorteil der hier dargestellten Erfindung liegt auch in der Möglichkeit in Abhängigkeit des Radikalfängers verschiedene Chemikalien herzustellen. So wird Vanillinsäuremethylester bei Verwendung von Methanol gebildet und Vanillinsäureethylester bei Verwendung von Ethanol. Es erscheint folglich möglich durch geeignete Kombinationen von POM und Radikalfanger nicht nur die Ausbeute sondern auch die Selektivität bezüglich eines Zielprodukts entscheidend beeinflussen zu können. It should be noted that the examples given in this document represent the first series of experiments. Achieving the comparatively higher yields is therefore particularly promising since the method according to the invention has not yet been optimized. Given the many possible combinations of POM, radical scavengers and, ultimately, lignin, there is still much room for improvement in yields. In addition, there are still some reaction-technical solutions available, such as in-situ extraction. Among other things, the potential becomes clear when comparing experiments 06 and 10. Here, the yield of chemicals could be increased by a factor of 30 by the use of an aqueous methanol solution alone. An advantage of the invention presented here is also the possibility of producing various chemicals depending on the radical scavenger. Thus, vanillic acid methyl ester is formed when using methanol and ethyl vanillate when using Ethanol. It therefore appears possible, by means of suitable combinations of POM and free-radical scavengers, to be able to decisively influence not only the yield but also the selectivity with respect to a target product.
Tabelle 1 : Ergebnisse zur Herstellung von Chemikalien aus Lignin mittels POM und Radikalfänger im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. bezogen auf trockenes Lignin Table 1: Results for the preparation of chemicals from lignin using POM and radical scavenger compared to conventional methods. based on dry lignin

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur direkten Herstellung von Molekülen mit einem minimalen1. A method for the direct production of molecules with a minimal
Molekulargewicht von 78 g/mol durch den Abbau von Lignin, Ligninderivaten, Ligninbruchstücken und/oder ligninhaltigen Stoffen oder Mischungen inMolecular weight of 78 g / mol by the degradation of lignin, lignin derivatives, lignin fragments and / or ligninhaltigen substances or mixtures in
Anwesenheit von wenigstens einem Polyoxometallat in einem flüssigenPresence of at least one polyoxometalate in a liquid
Medium.Medium.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Zeit- abschnittsweise während des Abbaus ein Radikalfänger eingesetzt wird, wobei es sich bei diesem Radikalfänger bevorzugtermassen um ein System oder ein Gemisch von Systemen handelt, welches Radikale wie beispielsweise atomaren Wasserstoff zur Verfügung stellt und/oder welches die Repolymerisation resp. Kombinationsreaktionen von Ligninfragmenten verhindert oder wenigstens erschwert, wobei der Radikalfänger gasförmig, flüssig und/oder als Feststoff eingesetzt werden kann, und wobei der Radikalfänger insbesondere bevorzugt ausgewählt ist aus: molekularem Wasserstoff, einem Peroxid wie beispielsweise Wasserstoffperoxid, einem Alkohol wie beispielsweise Methanol und/oder Ethanol, einer organischen Säure wie beispielsweise Ascorbinsäure, einem Phenol wie beispielsweise Butylhydroxytoluol, einem stabilisierten freien2. The method according to claim 1, characterized in that at least in sections, during the degradation a radical scavenger is used, wherein this radical scavenger is preferably a system or a mixture of systems, which provides radicals such as atomic hydrogen and provides / or which the repolymerization resp. Combination reactions of lignin fragments prevented or at least hindered, wherein the radical scavenger can be used gaseous, liquid and / or as a solid, and wherein the radical scavenger is particularly preferably selected from: molecular hydrogen, a peroxide such as hydrogen peroxide, an alcohol such as methanol and / or Ethanol, an organic acid such as ascorbic acid, a phenol such as butylhydroxytoluene, a stabilized free one
Radikal wie beispielsweise einem Nitroxylradikal, oder Mischungen derartiger Systeme.Radical such as a nitroxyl radical, or mixtures of such systems.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, flüssige Phase dem Gemisch zugesetzt wird, wobei bevorzugtermassen diese zweite flüssige Phase eine vom ersten Medium wesentlich unterschiedliche Polarität aufweist.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a second, liquid phase is added to the mixture, wherein preferably this second liquid phase has a substantially different from the first medium polarity.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein metallischer Katalysator, insbesondere aus der Gruppe der übergangselementhaltigen Katalysatoren, bevorzugtermassen aus der Gruppe der Gruppe VIIIB metallhaltigen und/oder Gruppe IB metallhaltigen, verwendet wird, wobei der Katalysator auf und/oder in einem bevorzugt porösen Substrat gebunden sein kann.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that additionally a metallic catalyst, in particular from the group of transition element-containing catalysts, preferably from the group of group VIIIB metal-containing and / or group IB metal-containing, is used, wherein the catalyst may be bound to and / or in a preferably porous substrate.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion unter einem Inertgas, unter einer sauerstoffhaltigen Gasphase, unter einer wasserstoffhaltigen Gasphase oder unter einer ozonhaltigen Gasphase im Druckbereich von 0-3 OObar durchgeführt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reaction is carried out under an inert gas, under an oxygen-containing gas phase, under a hydrogen-containing gas phase or under an ozone-containing gas phase in the pressure range of 0-3 OObar.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion in einem Temperaturbereich von 0°C-500°C, bevorzugtermassen zwischen 25°C und 3000C, durchgeführt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reaction in a temperature range of 0 ° C-500 ° C, preferably between 25 ° C and 300 0 C, is performed.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der verwendeten Polyoxometallate eine Keggin-Struktur besitzt.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the polyoxometalates used has a Keggin structure.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der verwendeten Polyoxometallate von der Form (I) oder (II) ist:8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the polyoxometalates used of the form (I) or (II) is:
(I) [Y3-i8]n+ [X1-4M1-36O10-6Or(I) [Y 3 -i8] n + [X 1-4 M 1-36 O 10-6 Or
(II) [Y3-i8]n+ [M1-36O10-60]11- wobei jedes „X" aus der Gruppe der Atome oder Moleküle mit weniger als 4(II) [Y 3- i 8 ] n + [M 1-36 O 10-60 ] 11 - where each "X" is selected from the group of atoms or molecules less than 4
Atomen, bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus P, Si, As, Ge, B, Co, S und Fe, gewählt ist, jedes „M" aus der Gruppe der Metalle, bevorzugtermassen aus Mo, W, V, Ti, Co, Cu, Zn, Fe, Ni, Mn, Cr, Lanthaniden, Ce, Al, Ga, In, Tl, gewählt ist, „Y" Gegenkationen, bevorzugt ausgewählt aus: H, Zn, Co, Cu, Bi, Na, Li, K, Rb, Cs, Ba, Mg, Sr, Ammonium, Cl-12-Alkylammonium und Cl-12-Alkylamin, repräsentiert und „n" ganzzahlig ist.Atoms, preferably from the group consisting of P, Si, As, Ge, B, Co, S and Fe, is selected, each "M" from the group of metals, preferably from Mo, W, V, Ti, Co, Cu , Zn, Fe, Ni, Mn, Cr, lanthanides, Ce, Al, Ga, In, Tl is "Y" countercations, preferably selected from: H, Zn, Co, Cu, Bi, Na, Li, K, Rb, Cs, Ba, Mg, Sr, ammonium, Cl-12-alkylammonium and Cl-12-alkylamine , represents and "n" is integer.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyoxometallat von der Form (III) ist:9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the polyoxometalate of the form (III) is:
(III) [Yy]n+ [XM12O40]11- worin „X" aus der Gruppe bestehend aus Si, P und Ge gewählt wird, worin „M" aus der Gruppe bestehend aus Mo, V und W gewählt ist, wobei die Gegenkationen „Y" aus der Gruppe bestehend aus H, Zn, Co, Cu, Bi, Na, Li, K, Rb, Cs, Ba5 Mg,(III) [Y y ] n + [XM 12 O 40 ] 11 - wherein "X" is selected from the group consisting of Si, P and Ge wherein "M" is selected from the group consisting of Mo, V and W, where the countercations "Y" are selected from the group consisting of H, Zn, Co, Cu, Bi, Na, Li, K, Rb, Cs, Ba 5 Mg,
Sr, Ammonium, C1-12-Alkylammonium, Ci-π-Alkylamin, sowie deren Kombinationen gewählt sind und „n" und „y" ganzzahlig sind.Sr, ammonium, C 1-12 -alkylammonium, Ci-π-alkylamine, and combinations thereof are selected and "n" and "y" are integers.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyoxometallat auf einem Substrat, insbesondere bevorzugt auf10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the polyoxometalate on a substrate, particularly preferably on
Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aktivkohle, oder Zeolith, gebunden ist, wobei das Substrat bevorzugt porös ist und ein Teil des Polyoxometallat sich in denSilica, alumina, activated carbon, or zeolite, wherein the substrate is preferably porous and a portion of the polyoxometalate is in the
Poren des Substrats befindet.Pores of the substrate is located.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle wenigstens einen und höchstens drei Benzolringe aufweisen.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the molecules have at least one and at most three benzene rings.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei wenigstens einem der Moleküle um Vanillin oder ein Vanillinderivat wie einen Säuremethyl- oder Säureethylester handelt.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is at least one of the molecules to vanillin or a vanillin derivative such as an acid methyl or acid ethyl ester.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polyoxometallat um HsPMo12O40 handelt, beim flüssigen Medium um Wasser und ein alkoholischer Radikalfänger eingesetzt wird, bevorzugt ausgewählt aus Methanol und/oder Ethanol, wobei insbesondere bevorzugt das Volumenverhältnis von Wasser zu alkoholischem Radikalfanger im Bereich von 1:10 bis 10:1 und wobei bevorzugtermassen ein Druck von mehr als 2 bar herrscht.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is the polyoxometalate is HsPMo 12 O 40 , the liquid medium is water and an alcoholic radical scavenger is used, preferably selected from methanol and / or ethanol, wherein particularly preferably the volume ratio of water to alcoholic radical scavenger in the range of 1:10 to 10: 1 and wherein preferably a pressure of more than 2 bar prevails.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim flüssigen Medium um Wasser, gegebenenfalls in Kombination mit einem flüssigen Radikalfänger, handelt.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is the liquid medium is water, optionally in combination with a liquid radical scavenger.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polyoxometallat oder eine Polyoxometallatmischung im flüssigen Medium gelöst wird, wobei bevorzugtermassen die Konzentration im Bereich von 0.01 mol/1 bis 1 mol/1 liegt.15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a polyoxometalate or a Polyoxometallatmischung is dissolved in the liquid medium, wherein preferably the concentration in the range of 0.01 mol / 1 to 1 mol / 1.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während oder anschliessend an den Abbau des Lignin zu den Molekülen eine Abtrennung der Moleküle aus dem Reaktionsmedium erfolgt, insbesondere bevorzugt durch Extraktion und/oder Destillation.16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that during or subsequent to the degradation of the lignin to the molecules, a separation of the molecules from the reaction medium, particularly preferably by extraction and / or distillation.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Zeit-abschnittsweise während des Abbaus ein Radikalfanger eingesetzt wird, wobei es sich bei diesem Radikalfänger um ein System oder ein Gemisch von Systemen handelt, welches mittelbar oder unmittelbar Radikale zur Verfugung stellt und welches die Repolymerisation resp. Kombinationsreaktionen von Ligninfragmenten verhindert oder wenigstens erschwert, wobei der Radikalfanger gasförmig, flüssig und/oder als Feststoff eingesetzt werden kann, und wobei der Radikalfänger insbesondere bevorzugt ausgewählt ist aus: molekularem Wasserstoff, einem Peroxid wie z.B. Dibenzoylperoxid oder Wasserstoffperoxid, einem Alkohol wie beispielsweise Methanol und/oder Ethanol, einem stabilisierten freien Radikal wie beispielsweise einem Nitroxylradikal, einer organischen Säure wie beispielsweise Ascorbinsäure, einem Phenol wie beispielsweise Butylhydroxytoluol, einem Ether wie beispielsweise Dimethylether, einem Ester wie beispielsweise Essigsäureethylester, einem Anhydrid wie beispielsweise Essigsäureanhydrid oder Mischungen derartiger Systeme. 17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least time-sectionwise during the degradation of a radical scavenger is used, wherein this radical scavenger is a system or a mixture of systems which directly or indirectly provides radicals and which the repolymerization resp. Combination reactions of lignin fragments prevented or at least impeded, wherein the radical scavenger gaseous, liquid and / or can be used as a solid, and wherein the radical scavenger is particularly preferably selected from: molecular hydrogen, a peroxide such as dibenzoyl peroxide or hydrogen peroxide, an alcohol such as Methanol and / or ethanol, a stabilized free radical such as a nitroxyl radical, an organic acid such as ascorbic acid, a phenol such as butylhydroxytoluene, an ether such as dimethyl ether, an ester such as ethyl acetate, an anhydride such as acetic anhydride or mixtures of such systems.
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