Herstellung von HMF aus Kartoffelschalen

Abstract

Die stoffliche Nutzung von Biomasse zur Herstellung von Plattformchemikalien gewinnt zunehmend an Bedeutung für eine nachhaltigere Chemie. Eine wichtige Verbindung in diesem Bereich ist 5-Hydroxymethylfurfural (HMF), das aus einfachen Zuckern gebildet werden kann. Ziel dieser Arbeit war es, HMF aus dem stärkehaltigen Nebenprodukt der Kartoffelschale zu synthetisieren. Dazu wurden die Einflüsse zweier Mineralsäuren – Schwefelsäure und Salpetersäure – in unterschiedlichen Konzentrationen (1 M, 1,5 M und 2 M) untersucht.

Die experimentelle Arbeit bestand aus zwei aufeinanderfolgenden Schritten. Zunächst wurde die Stärke der Kartoffelschalen hydrolytisch aufgeschlossen, um eine möglichst hohe Glucoseausbeute zu erzielen. Im anschließenden Versuch wurde diese Glucose über Isomerisierungs- und Dehydratisierungsschritte zu HMF umgesetzt. Hierfür wurden die Reaktionslösungen auf verschiedene pH-Startwerte (pH 2, pH 2,5 und pH 3) eingestellt.

Die Ergebnisse zeigen, dass beide Säuren die Stärkehydrolyse in ähnlicher Weise katalysieren und vergleichbare Ausbeuten an Glucose, Fructose und Zucker-Dimeren bei gleicher Verweilzeit liefern. In der nachfolgenden HMF-Synthese traten jedoch deutliche Unterschiede zwischen den Säuren auf: Schwefelsäure führte zu einer schnelleren Zuckerumwandlung und zu höheren HMF-Ausbeuten bei kürzerer Reaktionszeit. Mit sinkendem pH-Wert stiegen die HMF-Ausbeuten bei beiden Säuren an.

Neben HMF entstanden weitere Neben- und Abbauprodukte wie Levulinsäure, Ameisensäure und Huminstoffe. Dabei bildete sich bei Verwendung von Schwefelsäure eine höhere Menge an Huminstoffen als bei Salpetersäure. Insgesamt zeigt sich, dass Schwefelsäure die beteiligten Reaktionen bei gleichem pH-Startwert stärker katalysiert.