Description of a synthesis pathway for the production of carbohydrates from CO2 CO [tief] 2 and H2O H [tief] 2 O as a theoretical alternative to photosynthesis

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit einem Mehrschritt-Prozess zur Synthese von Kohlenhydraten aus CO2 und H2O. In einem vorgelagerten Schritt wird die Elektrolyse von Wasser eingesetzt, wobei Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen werden. Anschließend wird CO2 zu Methanol hydriert und weiter zu Formaldehyd umgesetzt, wobei konventionelle Katalysesysteme verwendet werden. Auf der Basis von Formaldehyd wird nunmehr eine kontrollierte Aldolkondensation unter Verwendung von C3-Kohlenhydraten als Zwischenprodukte vorgeschlagen um metabolisierbare Kohlenhydrate zu generieren. Isoliert man letztere und stellt Sauerstoff durch die vorgelagerte Elektrolyse zur Verfügung, so können die metabolisierbaren Kohlenhydrate durch Zellatmung verstoffwechselt werden. Dem Recycling und der Wiederverwendung von den verbleibenden Reaktionskomponenten (z.B. giftiges Formaldehyd) kommt in solch einem geschlossenen Kreislauf eine entscheidende Rolle zu. Dadurch kann das Gesamtsystem beispielsweise als ein künstlicher Photosyntheseprozess betrachtet werden. Im Zusammenhang mit dieser Kaskade können viele umfassende Forschungs- und Problemfelder identifiziert werden. Ein Teil dieses Mehrschritt-Prozesses wurde in der vorliegenden Arbeit erforscht: In Bezug auf die LC-UV-Analyse von komplexen Kohlenhydratmischungen wurden die per-O-Benzoylierung von Alditolen (PBAs) und die Umkehrphasenchromatographie eingeführt, das eine einfache und vielseitige Methode darstellt. Die Validierung wurde anhand von LC-ESI-MS (liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry)-Daten durchgeführt. Zur Untersuchung der Fraktionierung von C3-Kohlenhydraten, nach erfolgter Aldolkondensation von Formaldehyd und Glycolaldehyd, wurden die Membranprozesse Nanofiltration (NF) und Reverse Osmose (RO) eingesetzt. Im Falle eines RO-Prozesses wurden in einer ersten Versuchsreihe ungefähr 80% an Formaldehyd, Methanol und Ameisensäure abgetrennt. Zirka 40% an C3-Kohlenhydraten wurden im Permeat detektiert. Auch die NF scheint für diese Trennaufgabe geeignet zu sein. Die Bewertung unterschiedlicher Problemfelder ergab zumindest theoretisch keine prinzipiellen Ausschlussgründe um einen künstlichen Photosynthese-Prozess darstellen zu können.The present dissertation deals with a multi-step process for the synthesis of carbohydrates from CO2 and H2O. As a preliminary step water electrolysis is applied in order to generate oxygen and hydrogen. Subsequently hydrogenation of CO2 to methanol is carried out. Once having methanol, conversion to formaldehyde, the key component, is conducted using conventional catalysis systems. By carrying out a controlled aldol-condensation using formaldehyde and suggesting e.g. C3-carbohydrates as intermediate products, metabolizable carbohydrates can be generated. Isolating the later one and providing oxygen from the preliminary electrolysis, the metabolizable hexoses can be consumed in cell respiration. Recycling and reusing of the remaining reaction components (e.g. toxic formaldehyde) plays a decisive role in such a closed cycle. Thus, the entire system could be considered e.g. as an artificial photosynthesis process. On the basis of this process chain many extensive research and problem areas can be identified. Some of them were investigated in the present work: With regard to LC-UV analysis of complex carbohydrate mixtures, per-O-benzoylation of alditols and reversed phase chromatography was introduced, which represents a simple and versatile method. Validation was carried out based on LC-ESI-MS-(liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry)-data. The separation of C3-carbohydrates after aldol-condensation of formaldehyde and glycolaldehyde was examined using the membrane processes nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO). In a first test series of experiments, approximately 80% of formaldehyde, methanol and formic acid were removed in case of a RO-process. About 40% of C3-carbohydrates were found in the permeate. Also NF may fulfill this separation task. At least theoretically, the assessment of different problem areas did not uncover principal problems with regard to deducing an artificial photosynthesis process.submitted by Thomas ZweckmairAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheWien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2011OeBB(VLID)193179