Forscher der Universität Kyushu haben ein Gerät entwickelt, das einen Katalysator und eine Mikrowellenflussreaktion kombiniert, um komplexe Polysaccharide effizient in einfache Monosaccharide umzuwandeln. Das Gerät nutzt einen kontinuierlichen Hydrolyseprozess, bei dem Cellobiose – ein Disaccharid aus zwei Glukosemolekülen – durch einen sulfonierten Kohlenstoffkatalysator geleitet wird, der mithilfe von Mikrowellen erhitzt wird. Durch die anschließende chemische Reaktion wird Cellobiose in Glukose zerlegt. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Nachhaltige Chemie und Technik.
Die Umwandlung von Biomasse in nutzbare Ressourcen ist seit Jahrzehnten ein Thema wissenschaftlicher Forschung. Biomasse-Polysaccharide, langkettige komplexe Zucker, die in der Natur allgegenwärtig sind, gelten als eine der vielversprechendsten Substanzen für eine effiziente Umwandlung, da sie in einfache Zucker umgewandelt werden können, die wiederum in Lebensmitteln, Arzneimitteln und Chemikalien verwendet werden können Synthese.
Hydrolyse ist eine der effizienteren chemischen Reaktionen, die langkettige Zucker in einfache Zucker umwandelt, wobei normalerweise Säuren als Katalysatoren verwendet werden. Während viele Säurekatalysatoren in gasförmiger oder flüssiger Form vorliegen, sind feste Säurekatalysatoren – bei denen es sich, wie das Wort beschreibt, um eine Säure in fester Form handelt – bekanntermaßen besser recycelbar und standen daher im Fokus der Forscher.
Feste Säurekatalysatoren erfordern jedoch hohe Temperaturen, damit sie effizient reagieren. Um dieses Problem zu lösen, untersuchten außerordentlicher Professor Shuntaro Tsubaki von der Fakultät für Landwirtschaft der Universität Kyushu und sein Team die Anwendung von Mikrowellenflussreaktionen, um die festen Katalysatoren während des Reaktionsprozesses zu erhitzen.
„Mikrowellen bilden auf dem festen Katalysator ein lokalisiertes Hochtemperatur-Reaktionsfeld, das zu einer höheren katalytischen Aktivität führen kann, während das gesamte Reaktionssystem auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird“, erklärt Tsubaki. „Darüber hinaus können wir das Substrat kontinuierlich durch das Reaktionsgefäß fließen lassen, wo Mikrowellen auf den Katalysator angewendet werden, was zu höheren Ausbeuten des gewünschten Produkts führt.“
Das von den Forschern entwickelte Gerät nutzte einen festen Säurekatalysator aus sulfoniertem Kohlenstoff. Cellobiose, ein Disaccharid, wurde als Modellzuckersubstrat zum Testen des Systems verwendet. In ihrem Gerät würde eine Cellobioselösung durch den sulfonierten Kohlenstoffkatalysator geleitet, der mithilfe von Mikrowellen auf bis zu 100–140 °C erhitzt wurde. Der Katalysator würde dann die Cellobiose durch Hydrolyse aufspalten und das Monosaccharid Glucose produzieren.
Einer der Schlüssel zur Effizienz des Systems liegt in der Fähigkeit, die elektrischen und magnetischen Felder der Mikrowelle zu trennen.
„Mikrowellen erzeugen sowohl elektrische als auch magnetische Felder. Das elektrische Feld bewirkt die Erwärmung dipolarer Materialien wie Wasser. Dadurch wird Ihr Essen erhitzt. Das Magnetfeld hingegen induziert die Erwärmung leitfähiger Materialien wie Metalle und Kohlenstoff“, sagt Tsubaki. „In unserem Gerät konnten wir die katalytische Aktivität erhöhen, indem wir die beiden Felder trennten, dann das elektrische Feld zum Erhitzen der flüssigen Cellobioselösung nutzten und gleichzeitig das magnetische Feld zum Erhitzen des Katalysators nutzten.“
Mikrowellenbeschleunigte katalytische Reaktionen wurden für eine Vielzahl chemischer Reaktionen eingesetzt, darunter organische Synthese, Kunststoffrecycling und Biomasseumwandlung. Das Team hofft, dass eine strombetriebene Chemieproduktion wie die ihre dazu beitragen wird, die Industrie in eine umweltfreundlichere Zukunft zu führen, da die erneuerbaren Energiequellen weiter zunehmen.
„Wir gehen davon aus, dass unser System bei der Entwicklung einer nachhaltigeren chemischen Synthese helfen wird. Wir möchten auch den Nutzen unserer Methodik bei der Hydrolyse anderer Polysaccharide sowie bei Proteinen für die Produktion von Aminosäuren und Peptiden untersuchen“, schließt Tsubaki .
