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Verfahrensentwicklung zur Synthese von 5-Hydroxymethylfurfural und Kohlenhydratcarbonsäuren auf Basis Nachwachsender Rohstoffe

Hirth, Joachim :
Verfahrensentwicklung zur Synthese von 5-Hydroxymethylfurfural und Kohlenhydratcarbonsäuren auf Basis Nachwachsender Rohstoffe.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Verfahrensentwicklung zur Synthese von 5-Hydroxymethylfurfural und Kohlenhydratcarbonsäuren auf Basis Nachwachsender Rohstoffe
Language: German
Abstract:

Zur industriellen Nutzung von Kohlenhydraten wurden zwei prinzipielle Möglichkeiten untersucht: Der Abbau an Funktionalisierung durch Dehydratisierung, wie die Synthese von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) oder Glucosyloxymethylfurfural (GMF), dient der Gewinnung universeller technischer Zwischenprodukte. In dieser Arbeit wurde, das Potenzial von nah- und überkritischem Wasser (SCW) als Reaktionsmedium zur Dehydratisierung von Fructose untersucht. Die maximale Selektivität bezüglich HMF von 30 % wurde bei 280 °C, 25 MPa und 30 s Verweilzeit erreicht. Die Aktivierungsenergie beträgt 96 kJ/mol. Durch Zusatz von Essigsäure als Katalysator konnte eine deutliche Steigerung der Selektivität erreicht werden. Weiterhin wurde der Einfluss von Salzzusätzen untersucht. Nach Addition von 400 ppm Zinksulfat wurde Milchsäure mit einer Selektivität von 41 % gebildet. Alternativ können Kohlenhydrate unter weitgehendem Erhalt ihrer Struktur zu wertvollen Spezialprodukten veredelt werden, wie hier zu Kohlenhydratcarbonsäuren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde neben der Synthese durch Oxidation in SCW insbesondere die Isolierung von Kohlenhydratcarbonsäuren aus wässrigen Lösung durch Reaktivextraktion untersucht. Bei Verwendung des synergistischen Extraktionsmittelsystems 1-Butanol / Tri-n-octylamin (TOA) kann Gluconsäure mit einem Verteilungskoeffizient von 3,5 extrahiert werden. Der Einfluss verschiedener Parameter wie Temperatur, Amin/Säure-Verhältnis, Glucose- und Elektrolytzusätze wurde untersucht. Der Stoffübergangskoeffizient konnte durch Experimente an Einzeltropfen bestimmt werden. Aus den gewonnen Erkenntnissen kann ein technisches Verfahren vorgeschlagen werden. Das Extraktionsmittelsystem 1-Butanol / TOA eignet sich außerdem zur Trennung der Glucoseoxigenate Glucar-, Glucon- und Glucuronsäure, wofür ebenfalls ein Verfahrenskonzept vorgestellt wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
For the industrial use of carbohydrates two principle possibilities were examined: The reduction of functionality by dehydration, like the synthesis of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) or 5-glucosyloxymethylfurfural (GMF), leads to universal technical intermediates. In this work the potential of subcritical and supercritical water (SCW) as solvent and reaction media for the dehydration of D-fructose has been explored. The maximum selectivity regarding HMF of 30 % has been reached at 280 °C, 25 MPa and a residence time of 30 s. Under these conditions the activation energy was found to be 96 kJ/mol. A clear increase of selectivity could be obtained by addition of acetic acid as catalyst. Furthermore the influence of added salts has been examined. The addition of 400 ppm zinc sulfate results in the formation of lactic acid with a selectivity of 41 %. Carbohydrates can alternatively be refined under widely receipt of their structure and thus the natural synthesis performance to specialized end products, like carbohydrate carboxylic acids. Besides the synthesis via oxidation in SCW, the separation of the acids from aqueous solutions by reactive extraction has been investigated intensively. By use of the synergistic extractant system consisting of 1-butanol and tri-n-octylamine (TOA) D-gluconic acid can be extracted with a distribution coefficient of 3.5. The influence of different parameters like temperature, amine/acid-ratio and additions of glucose as well as electrolytes was examined. The mass transfer coefficient of the acid extraction has been determined by experiments on individual drops. Based on these insights a concept for a technical process is proposed. Furthermore the extractant system 1-butanol/TOA is suitable for the separation of glucose oxygenates like glucaric, gluconic and glucuronic acid for which a technical process is also suggested.English
Uncontrolled Keywords: Reaktivextraktion, Säureextraktion, Kohlenhydratcarbonsäure, Milchsäure, Kohlenhydrate, Koaleszenz, Verteilungskoeffizient, Stoffübergangskoeffizient, TOA, 1-Butanol, Hydroxymethylfurfural, HMF, Glucosyloxymethylfurfural, GMF, nachwachsende Rohstoffe, überkritisches Wasser, SCW, SCWO, SCF, Oxidation, Zinksulfat
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Reaktivextraktion, Säureextraktion, Kohlenhydratcarbonsäure, Milchsäure, Kohlenhydrate, Koaleszenz, Verteilungskoeffizient, Stoffübergangskoeffizient, TOA, 1-Butanol, Hydroxymethylfurfural, HMF, Glucosyloxymethylfurfural, GMF, nachwachsende Rohstoffe, überkritisches Wasser, SCW, SCWO, SCF, Oxidation, ZinksulfatGerman
reactive extraction, acid extraction, carbohydrate carboxylic acid, lactic acid, carbohydrates, coalescence, distribution coefficient, mass transfer coefficient, TOA, 1-butanol, hydroxymethylfurfural, HMF, glucosyloxymethylfurfural, GMF, renewable, raw materials, supercritical water, SCW, SCWO, SCF, oxidation, zinc sulfateEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000301
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3015
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Lindner, Prof. Dr. Hans Jörg
Advisors: Vogel, Prof. Dr.- Herbert
Refereed: 3 February 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/301
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