Development of a method for separation of aldoses and ketoses via selective adsorption

选择性吸附分离醛糖和酮糖方法的开发

基本信息

项目摘要

Chemical industry depends nowadays on naphtha-resources, though launching sustainable processes based on renewable feedstocks has been in progress. Dramatic differences in the chemical composition of oil- and biomass-derived compounds reflect in considerably different physical properties, such as polarity, volatility, and hydrophilicity/hydrophobicity. As a result, conventional methods for product recovery, such as distillation, are not suitable for isolation of highly-polar biomass-based compounds. Consequently, a number of newly-developed processes on biomass utilization cannot be scaled up, since efficient product recoveries are still missing.This project focuses on separation of aldoses and ketoses. Aldoses, saccharides with an aldehyde group, are highly available from biomass. Aldoses can be converted into ketoses using biotechnological or chemo-catalytic processes. The ketoses are in demand as sweeteners, precursors for cosmetic and pharmaceutical formulations, as well as substrates for platform chemicals. Isomerization of glucose (aldose) into fructose (ketose) is the most prominent example of such aldose-ketose transformations. The yield of a ketose is thermodynamically limited, which presents a key point of isomerization processes. Therefore recovery of a ketose from aqueous solution containing an equilibrium aldose-ketose mixture poses a major challenge, because ketoses are non-volatile and temperature-sensitive.This project aims at developing an efficient method for recovery of ketoses from aqueous solution of aldoses-ketoses using a selective adsorption of ketoses on polymers, containing phenylboronic acid moieties. The separation takes place owing to selective and reversible binding of ketoses to the polymers, whereas aldoses remain in the solution. Ketoses can be desorbed from the polymers under acidic conditions. In order to optimize the polymer structure, materials with different properties, such as nature of phenylboronic moiety, boron content, and crosslinking degree, will be synthesized. The influence of these properties on sorption capacity and selectivity of the separation will be investigated using a number of model aldose-ketose mixtures: glucose-fructose, lactose-lactulose, galactose-tagatose, etc. The experiments will be conducted under batch as well as continuous conditions. The long-term stability of the boron-containing polymers under sorption/desorption conditions will be studied. Ultimately the investigation enables optimizing the chemical composition of boron-containing polymers and sorption/desorption conditions in order to achieve a highly-selective separation of ketoses. The results of the study should present a basis for a potentially energy-efficient and simple separation technique for biorefineries.
化学工业现在依赖于石脑油资源,尽管基于可再生原料的可持续工艺已经取得进展。石油和生物质衍生化合物的化学组成的巨大差异反映在相当不同的物理性质,如极性,挥发性和亲水性/疏水性。因此,用于产物回收的常规方法(例如蒸馏)不适合于分离高极性生物质基化合物。因此,许多新开发的生物质利用工艺无法扩大规模,因为仍然缺乏有效的产品回收。醛糖是一种具有醛基的化合物,可从生物质中高度获得。醛糖可以使用生物技术或化学催化过程转化为酮糖。需要酮糖作为甜味剂、化妆品和药物制剂的前体以及平台化学品的底物。葡萄糖(醛糖)异构化为果糖(酮糖)是这种醛糖-酮糖转化的最突出的例子。酮糖的产率受到化学限制,这是异构化过程的关键。因此,从含有平衡的醛糖-酮糖混合物的水溶液中回收酮糖构成了一个重大挑战,因为酮糖是非挥发性的和温度敏感的。本项目旨在开发一种有效的方法,用于从醛糖-酮糖的水溶液中回收酮糖,使用选择性吸附的聚合物,含有苯基硼酸部分。由于酮糖与聚合物的选择性和可逆结合而发生分离,而醛糖保留在溶液中。在酸性条件下,酮可以从聚合物中解吸。为了优化聚合物结构,将合成具有不同性质的材料,例如苯基硼部分的性质、硼含量和交联度。这些属性的吸附能力和选择性的分离的影响将使用一些模型的醛糖-酮糖混合物:葡萄糖-果糖,乳糖-乳果糖,半乳糖-塔格糖等实验将进行批量以及连续条件下。将研究含硼聚合物在吸附/解吸条件下的长期稳定性。最终的调查能够优化含硼聚合物的化学组成和吸附/解吸条件,以实现高选择性分离的酮糖。该研究的结果应提供一个潜在的能源效率和简单的生物精炼分离技术的基础。

项目成果

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Structure-performance correlations of cross-linked boronic acid polymers as adsorbents for recovery of fructose from glucose–fructose mixtures
  • DOI:
    10.1039/c9gc03151k
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.8
  • 作者:
    G. Schroer;J. Deischter;T. Zensen;J. Kraus;Ann‐Christin Pöppler;Long Qi;S. Scott;Irina Delidovich
  • 通讯作者:
    G. Schroer;J. Deischter;T. Zensen;J. Kraus;Ann‐Christin Pöppler;Long Qi;S. Scott;Irina Delidovich
Recent progress in base-catalyzed isomerization of D-glucose into D-fructose
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Dr. Irina Delidovich, Ph.D.其他文献

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