Pretreatment of biomass using the OrganoCat process : characterization and valorization of product streams

  • Aufschluss von Biomasse mit dem OrganoCat Prozess : Charakterisierung und Verwertung der Produktströme

Weidener, Dennis; Leitner, Walter (Thesis advisor); Schurr, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die Produktion von biobasierten Kraftstoffen und Chemikalien in Bioraffinieren ist ein Schlüsselschritt in einer zukünftigen Bioökonomie. Nachhaltig gewachsene Rohstoffe müssen vollständig umgesetzt werden, um die Nachhaltigkeit zu maximieren. In dieser Arbeit wurden bestehende Konzepte untersucht, optimiert und neue Konzepte entworfen. Ziel ist es wertvolle Produkte in hoher Reinheit zu produzieren, die in Folgeprozessen mit hoher Effizienz eingesetzt werden können. Der aktuelle Stand des OrganoCat-Aufschlusses, ein zweiphasiger, säurekatalysierter Aufschluss, wurde evaluiert und die zuckerbasierte, starke Säure 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) als Katalysator getestet. FDCA zeigte eine ähnliche Effizienz wie Oxalsäure, thermische Stabilität unter den gegebenen Reaktionsbedingungen und erlaubt eine einfache Aufarbeitung durch pH-shift Kristallisation. Beide Katalysatoren wurden im 7 L Maßstab getestet, wobei die Durchmischung einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz aufwies. Berücksichtigt man dies, können gleiche Effizienzen wie im Labormaßstab erreicht werden. Der OrganoCat-Aufschluss wurde auf mehrere Substrate angewendet, unter anderem mehrjährige Pflanzen, Agrarrückstände und Hölzer. Der Prozess war robust genug, um alle getesteten Substrate mit guter Effizienz aufzuschließen. Ein neues Reaktor-System wurde entworfen, welches das klassische OrganoCat Konzept vom satzweisen Betrieb in ein Durchfluss-System mit Festbett-Reaktor überführt. Mit beiden Systemen wurden vergleichbare Effizienzen erzielt. Kürzere Reaktionszeiten waren nötig und kürzere Kontaktzeiten der Lösungsmittel und des Katalysators führten zu weniger Nebenreaktionen. Dies sind vielversprechende Ergebnisse für die zukünftige Anwendung und das Hochskalieren des Prozesses. Ein neuer Ansatz mit Phosphorsäure wurde entworfen, um das Xylan in die Plattformchemikalie Furfural zu überführen und gleichzeitig hochwertiges Lignin und Cellulose bereitzustellen. Lignocellulose wird in H3PO4 aufgequollen und anschließend mit verdünnter Säure und 2-MTHF behandelt. Hochwertiges Lignin und zugängliche Cellulose werden separiert und zurückgewonnen, um die Ökonomie des Prozesses zu steigern. In einem weiteren zweiphasigen Schritt wird Xylose zu Furfural umgesetzt, welches das Hauptprodukt des Prozesses ist. Die wässrige Phase wird konzentriert, um die Phosphorsäure wieder zu verwenden. Es wurde kein Verlust der Aktivität nach vier aufeinanderfolgenden Zyklen beobachtet. Da Lignin ein potentiell wertvoller Rohstoff ist, wurden Aufreinigungs- und Umsetzungs-Verfahren basierend auf der Fällung von Lignin aus 2-MTHF entwickelt. Durch Zugabe eines Fällungsmittels oder Expansion mit CO2 wurde die Fällung von Lignin aus 2-MTHF erreicht. Die Fällung führte zu Fraktionen mit verschiedenen Strukturen und Größen, sowie der Abtrennung von Furfural. Da die Wertschöpfung von Lignin wichtig für die Ökonomie einer Bioraffinerie ist, wurde eine Strategie zur Depolymerisierung von Lignin durch Spaltung der β-O-4 Bindung entwickelt. In Lignin-Modellkomponenten wurden mit einem Mn(I)-Komplex Vollumsatz und hohe Selektivität erreicht.

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