Wenn bei der Papierherstellung Holzfasern zerkocht werden, fallen enorme Mengen an Terpentinöl als Abfall an, etwa 190.000 Tonnen jährlich. Bislang wurde dieses Nebenprodukt hauptsächlich verbrannt, um daraus Energie zu gewinnen, oder zu Biodiesel weiterverwertet. Jetzt haben Forschende um Dominik Dylong von der Technischen Hochschule (TH) Köln zusammen mit Industriepartnern eine Möglichkeit gefunden, um das anfallende Terpentinöl gewinnbringender und umweltfreundlicher zu recyceln. Dabei konzentrierten sie sich auf die chemische Verbindung 3-Caren, die etwa 30 Prozent des Öls ausmacht. Aus ihr lässt sich Menthol herstellen – sofern die Verbindung in Reinform vorliegt.
Rohstoff-Gewinnung aus Abfall
„Eine große Herausforderung dabei ist, das Öl in seine Bestandteile aufzutrennen“, erklärt Seniorautor Matthias Eisenacher von der TH Köln. Um das 3-Caren aus dem Terpentinöl abzutrennen, bauten die Forschenden daher eine Testanlage mit einer rund acht Meter hohen Rektifikations-Kolonne. „Darin werden die Bestandteile der Flüssigkeit entsprechend ihrer Siedepunkte getrennt. Dies ist bei Terpentinöl besonders schwierig, weil die Siedepunkte der einzelnen Stoffe dicht beieinanderliegen“, erläutert Katharina Göbel von der TH Köln. Zusätzlich zu dieser Destillations-Trennung untersuchte das Team, ob das 3-Caren und andere Inhaltsstoffe über Kunststoffmembranen aus dem Terpentinöl herausgefiltert werden können. „Dieses komplexe Verfahren ist für organische Lösungen bisher wenig erforscht“, sagt Göbel.
Das Ergebnis: Durch die Kombination beider Techniken – Rektifikation und anschließende Membran-Filtration – kann Terpentinöl zuverlässig in seine Bestandteile zerlegt werden. So wurde aus dem Terpentinöl nicht nur 3-Caren isoliert, sondern auch ähnliche organische Kohlenwasserstoffverbindungen wie Alpha- und Beta-Pinen. Aus diesen lassen sich ebenfalls Menthol und viele andere Duft- und Geschmacksstoffe herstellen.
Menthol-Synthese in vier Schritten
Parallel arbeiteten Dylong und seine Kollegen an einem nachhaltigen Synthese-Verfahren, um aus 3-Caren Menthol zu machen. Ihr Ziel war es dabei, mit möglichst wenigen Schritten, mit industrie-üblichen Geräten und umweltfreundlichen Reaktionsbedingungen auszukommen. Das gelang ihnen und sie brauchten nur vier Schritte bis zur Herstellung von Menthol, wie sie berichten. Frühere Verfahren auf 3-Caren-Basis brauchten dagegen sieben oder acht Schritte. Das Team um Dylong nutzte zudem gängige nachhaltige Reagenzien wie Wasserstoff und Wasserstoffperoxid, verschiedene Katalysatoren und keine Lösungsmittel.
Die ersten drei Schritte der neuen Methode sind sehr effizient und mit einer Ausbeute von mindestens 90 Prozent bereits praxistauglich. Allerdings scheitert die Anwendung bislang an der vierten Reaktion: „Der letzte Schritt kommt trotz aller Optimierung nur auf eine Ausbeute von 65 Prozent. Hier sind weitere Forschungen nötig, etwa zum Einsatz von Enzymen“, sagt Eisenacher. Sofern auch diese Hürde noch gemeistert wird, könnte das Verfahren künftig „grünen“ Menthol aus Abfällen liefern und das bisher gängige, erdölbasierte Syntheseverfahren für Menthol ersetzen. „Insgesamt wurde die Machbarkeit der neuen Route nachgewiesen. Weitere Forschung ist erforderlich, um diesen Prozess auf ein kommerziell wettbewerbsfähiges Niveau zu heben“, schreiben die Chemiker.
Quelle: Technische Hochschule Köln; Fachartikel: ChemSusChem, doi: 10.1002/cssc.202500515
