Preparation of furan derivatives from carbohydrate sources

Abstract

In dieser Arbeit wurde ein passender Prozess für die Herstellung von Furanderivaten aus Kohlenhydraten für eine industrielle Anwendung ausgearbeitet. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Derivate HMF und Furfural gelegt. Ausgehend von der Literatur wurden Lösungsmittel wie DMSO, NMP, Ethanol oder Acetonitril für die Versuche ausgewählt. Zusätzlich wurden Kohlenhydrate für die Versuche ausgewählt, wobei die Selektion Monosaccharide (Hexosen, Pentosen), Disaccharide und einige Polysaccharide wie Stärke, Cellulose oder Chitin beinhaltete. Eine zusätzliche Herausforderung bestand in der Untersuchung eines Kohlenhydrat-Mixes unter den besten gefundenen Reaktionsbedingungen. Da der Prozess für einen Industriepartner konzipiert war, mussten Charakteristia wie geringe Ausgaben für Materialien, ein produzierbarer stabiler Prozess als auch eine maximale Produktausbeute erreicht warden. Der Prozess wurde sowohl als Batch-Prozess, unter Mikrowelleneinfluss als auch als kontinuierlischer Prozess optimiert. HMF und Furfural konnten mit Ausbeuten bis zu 90 % innerhalb von 2 min Reaktionszeit in NMP als Lösungsmittel erhalten warden. Die Dehydratisierung von Kohlenhydraten konnte unter verschiedenen Reaktionsbedingungen (Batch, Mikrowelle, kontinuierlicher Prozess) ausgeführt werden mit stabilen Produktausbeuten. Die Bildung von Nebenprodukten wurde durch optimale Prozessführung minimiert. Der Kohlenhydrat-Mix, der aus einem Biomassestrom erhalten wurde, konnte als Startmaterial erfolgreich eingesetzt werden unter den optimierten Bedingungen.

Within this work a suitable process for the preparation of furan derivatives from carbohydrate sources for an industrial application was elaborated. The main focus was put on the derivatives HMF and furfural. Based on the literature solvents like DMSO, NMP, ethanol or acetonitrile were chosen for testing. In addition a set of carbohydrates was selected, containing monosaccharides (hexoses, pentoses), disaccharides and some polysaccharides like starch, cellulose or chitin. As an additional challenge a carbohydrate-mix was applied to the best conditions found. As the process was designed for an industrial company some characteristics like low expenses for materials, a reproducible and stable process and a maximum product yield had to be met. In addition the process was optimized under batch conditions, applying microwave irradiation and under flow conditions. HMF and furfural could be obtained with yields up to 90 % within 2 min of reaction time in NMP as selected solvent. The dehydration of carbohydrates could be carried out under batch conditions, microwave irradiation and as a flow process with stable product yields. The formation of by-products was minimized by optimizing the reaction conditions. The application of a mixture of carbohydrates, which are obtained if a biomass stream is used as starting material, was successfully carried out under the optimized conditions.