Inline analytical supported process development towards alternative bio-based plasticizers

Polyvinylchlorid (PVC) ist heute das dritthäufigste verwendete Polymer, von welchem im Jahr 2017 41 Millionen Tonnen weltweit produziert wurden. Für viele Anwendungen von PVC werden Weichmacher zugegeben, um die Flexibilität des PVC-Kunststoffs zu erhöhen. Die häufig verwendeten Weichmacher ortho-Phthalsäureester (Phthalate) zeigen jedoch auch negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus, weshalb deren Einsatz in den letzten Jahren gesetzlich eingeschränkt wurde. Hieraus ergibt sich der Bedarf an gesundheitlich unbedenklichen Alternativen, welche in dieser Arbeit mit dem Ansatz der Herstellung eines bio-basierten Weichmachers verbunden wurde um damit die CO2-Bilanz von Weich-PVC zu verringern. In dieser Arbeit wurde, beginnend bei Molekülen die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden können, ein dreistufiger Herstellungsprozess von bio-basierten Weichmachern im Gramm-Maßstab entwickelt. Im ersten Schritt wird in einer reversiblen und lösungsmittelfreien Diels-Alder Reaktion aus 2-Methylfuran und Maleinsäure Anhydrid ein zyklischer 6-Ring-Grundbaustein synthetisiert. Dieses in Lösung zur retro-Diels-Alder Reaktion neigende Intermediat wurde im zweiten Schritt mittels Hydrierung stabilisiert. Im letzten Reaktionsschritt wurde dieser hydrierte Grundbaustein an den ortho-Säuregruppen mit dem Alkohol 2 Ethylhexanol erfolgreich Säure-katalysiert verestert. Parallel wurden mehr als 80 Enzyme als möglicher Biokatalysator für diese Veresterung untersucht. Die Charakterisierung der einzelnen Reaktionsschritte erfolgte mittels Inlineanalytik. Es wurde Fourier-Transformierte Infrarotspektroskopie (FTIR) mittels Sonden nach dem Prinzip der abgeschwächten Totalreflektion (ATR) im Reaktor für zerstörungsfreie, nicht invasive inline Messungen implementiert. Aus den Schwingungs-Absorptionsspektren wurden mittels Indirect Hard Modeling (IHM), einem physikalisch motiviertem, chemometrischem Modellansatz, die entsprechenden Konzentrationen berechnet. Neben der Prozesscharakterisierung wurden die Inlinedaten auch zur Erstellung von kinetischen Modellen zur Beschreibung der einzelnen Reaktionsschritte verwendet. Zusammenfassend stellt diese Arbeit einen vielversprechenden Ansatz zur inline-analytisch-unterstützten Prozessentwicklung hin zu einem bio-basierten Weichmacher vor. Der untersuchte Ansatz kann auf andere Weichmacherkandidaten übertragen werden und somit dabei helfen die Entwicklungsdauer der Prozesse zu reduzieren.