Dehydratisierung von D-Fructose sowie Oxidation von 5-HMF : Möglichkeiten der Prozessintensivierung durch Mehrphasensystem

Kükrek, Murhat; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Rose, Markus (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Aufgrund knapp werdender Erdölvorräte und daraus resultierend steigenden Preisen sowie der ernsthaft geführten Klimaschutzdiskussionen sucht die chemische Industrie nach kostengünstigen und in großen Mengen verfügbaren nachhaltigen alternativen Rohstoffquellen. Hier bieten sich 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) und 2,5-Diformylfuran (FDA) an, welche auf Basis von Zuckern hergestellt werden können. Dafür werden D-Fructose oder Glucose durch Dehydratisierung zu 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) umgesetzt. 5-HMF selbst ist nach Einschätzung des U.S. Department of Energy eine der zehn wichtigsten Plattformchemikalien auf Basis von Lignocellulose. Durch die Oxidation von 5-HMF werden FDA (Einsatz Biotreibstoff), FDCA (Monomer) und Maleinsäureanhydrid (Monomer) zugänglich. Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die selektive Dehydratisierung von D-Fructose zu 5-HMF und die gleichzeitige Extraktion sowie die Oxidation an einem V2O5/TiO2 zu FDA. Hierzu erfolgte bei der Dehydratisierung von D-Fructose in der ionischen Flüssigkeit die Variation verschiedener Parameter, welche einen Einfluss auf die Produktselektivität sowie den Umsatz haben. Zudem schlossen sich die Durchführung der Oxidation von 5-HMF in unterschiedlichen organischen Lösemitteln mit Temperaturvariationen an einem kommerziellen Katalysator und die Bestimmung des Umsatzes sowie der Selektivität an. Die organischen Lösemittel wurden zusätzlich auf ihre Einsatzfähigkeit als Extraktionsmittel für 5-HMF sowie FDA aus der ionischen Flüssigkeit geprüft. Als Katalysator fiel die Wahl auf Vanadiumoxid geträgert auf Titandioxid, da es hinsichtlich einer industriellen Nutzung kommerziell erhältlich sowie kostengünstig in der Herstellung ist. Die Kombination aus Dehydratisierung von D-Fructose und gleichzeitiger Oxidation von 5-HMF in der Extraktionsphase wurde in einem Zweiphasensystem mit dem Ziel der Prozessintensivierung durchgeführt. Die Fixierung des Katalysators erfolgte mittels einer Fritte räumlich im Bereich der oberen Phase, wodurch sich der direkte Kontakt zwischen Katalysator und ionischer Flüssigkeit ausschließen ließ. Neben der Mehrphasensynthese wurden die Reaktionskinetik der Dehydratisierung sowie der Oxidation untersucht, um ein Eindruck zu gewinnen von welchem Schritt bzw. von welcher Teilreaktion die Reaktionsgeschwindigkeit des gesamten Systems abhängig ist.