HMF aus Zuckern

Hintergrund und Zielsetzung

Rund 50 Millionen Tonnen werden pro Jahr vom erdölbasierten Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET) produziert. Aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit zu PET ist Polyethylenfuranoat (PEF) der vielversprechendste Kandidat als biobasiertes Alternativprodukt. Dessen überwiegender Bestandteil, die Furandicarbonsäure (FDCA), kann in einer einfachen Reaktion aus 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) gewonnen werden. Problematisch ist jedoch, dass seit über 100 Jahren vergeblich versucht wird, aus Zuckern kostengünstig und effektiv HMF herzustellen. Mit unserem innovativen Forschungsansatz wollen wir dieses Problem lösen und damit einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zu einer biobasierten Wirtschaft leisten.

Prinzipiell stehen mehrere Herstellungsverfahren für HMF zu Verfügung, bei dem ein saurer Katalysator unter erhöhter Temperatur auf eine Zuckerlösung einwirkt:

• im wässrigen System
• im nichtwässrigen System
• im Mehrphasensystem

Im wässrigen System kommt es zu vielen Nebenreaktionen. Sie limitieren die HMF-Ausbeute. In nichtwässrigen Systemen, organischen Lösemitteln oder ionischen Flüssigkeiten, gibt es weniger davon, jedoch gestaltet sich die Produktabtrennung schwierig. Ein Mehrphasensystem bietet den Vorteil, im günstigen wässrigen System arbeiten zu können und durch gleichzeitige Extraktion des gebildeten HMFs die Nebenreaktionen zu unterdrücken. Allerdings liefern die bis jetzt untersuchten Extraktionsmittel noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Mit einem neuen Extraktionsmittel, welches in ersten Versuchen schon ein hohes Potenzial zeigt, könnte dieses Problem nunmehr gelöst werden.

Vorgehensweise

Systematische Untersuchungen des Mehrphasen- und Katalysatorsystems zur Herstellung von HMF aus Zuckern sind Voraussetzung für eine anschließende Optimierung. Durch Anpassen der Reaktionsbedingungen wollen wir den Prozess möglichst effizient gestalten, wobei wir besonderen Wert auf das Aufarbeiten und einen möglichen Wiedereinsatz der einzelnen Phasen legen. Zusätzlich betrachten wir intensiv die Weiterreaktion zu FDCA.

Ergebnisse

In dem Projekt wurde die Verwendung des Lösemittels Hexafluorisopropanol (HFIP) einerseits zur in-situ-Extraktion von HMF aus sauren wässrigen Reaktionslösungen und andererseits als Lösemittel zur Herstellung von HMF erstmalig untersucht.

HFIP weist ein besonderes Extraktionsvermögen für HMF auf. Dadurch kann in Zweiphasensystemen (salzsaure wässrige Reaktionslösung/HFIP als Extraktionsmittel) eine HMF-Ausbeute von bis zu rund 90 % erzielt werden, die im Vergleich zu alternativen Verfahrensweisen herausragend ist. HFIP kann ebenfalls in einphasigen Systemen als Reaktionsmedium eingesetzt werden. Mit sauren Ionenaustauschern kann im kontinuierlichen Betrieb im Festbettreaktor rund 80 % HMF-Ausbeute erreicht werden. Die Nutzung von HFIP und anderen Fluoralkoholen zur Herstellung von HMF und anderen Verbindungen wurde zum Patent angemeldet (WO2016055608).

Die Oxidation von HMF zu FDCA kann sehr effizient mit bimetallischen Gold/Platin-Katalysatoren durchgeführt werden. Hierbei können praktisch vollständige Ausbeuten an FDCA erzielt werden.