Membrane separations in ionic liquid assisted processing of lignocellulosic biomass

Abels, Christian; Wessling, Matthias

doi:999910364161

Membrane separations in ionic liquid assisted processing of lignocellulosic biomass = Membran-basierte Trennverfahren in der verfahrenstechnischen Umsetzung von hölzerner Biomasse mittels ionischer Flüssigkeiten

Abels, Christian (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Abels

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangXII, 125 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-12-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51275
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444991/files/5127.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Membran (Genormte SW) ; Ionische Flüssigkeit (Genormte SW) ; Biomasse (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; membrane (frei) ; ionic liquid (frei) ; biomass (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: Maschinenwesen * ZL Maschinenbau

Kurzfassung
Biokraftstoffe der 2. Generation haben heutzutage einen signifikanten Marktanteil erreicht. Aus diesem Erfolg resultiert die Verantwortung, Biokraftstoffe möglichst CO2 neutral, mit geringem Einfluss auf die Nahrungsmittelkette und durch eine vollständige Verwertung der Rohbiomasse herzustellen. Im Exzellenz-Cluster der RWTH Aachen „Tailor-Made-Fuels from Biomass” wird deshalb die verfahrenstechnische Umsetzung von lignocellulose-haltiger Biomasse zu Biokraftstoffen und wirtschaftlich relevanten Nebenprodukten verfolgt. Grundlage zur vollständigen Verwertung der eingesetzten Biomasse ist die schonende Aufschlüsselung ihrer Bestandteile in eine Cellulose-, Hemicellulose- und Lignin-Fraktion. Aus dieser Fraktionierung ergibt sich die Möglichkeit, die gesamte Biomasse mit auf die Einzelkomponenten zugeschnittenen chemischen/biokatalytischen Umwandlungsprozessen zu relevanten Produkten wie etwa der Plattformchemikalie Itakonsäure zu verwerten. Die verfahrenstechnische Umsetzung hölzerner Biomasse wird mit Ionischer Flüssigkeit durchgeführt. Die Ionische Flüssigkeit vermag es, die starken Lignocellulose-Bindungen des Rohstoffes zu zersetzen und die Biomasse zu lösen. In der Auslegung eines solchen Prozesses muss zunächst die selektive Abtrennung der einzelnen Fraktionen aus dem Lösungsmittel realisiert werden, z.B. durch die Ausfällung von Cellulose mit Wasser. Die Cellulose-Fraktion im Speziellen wird über eine Hydrolyse zu Glukose, Fermentation zu Itakonsäure und chemische Katalyse zu 2-MTHF (2-Methyltetrahydrofuran), einem Treibstoff-Kandidaten umgesetzt. In dieser Doktorarbeit wird die Umsetzung von Cellulose zu Glukose nach der Holzauflösung in Ionischer Flüssigkeit betrachtet. Dieser Teilprozess umfasst die Vorbehandlung von Cellulose mit Ionischer Flüssigkeit zur Reduktion ihrer Kristallinität. Die nunmehr amorphe Cellulose wird enzymatisch zu Glukose umgewandelt. Die Abtrennung von Glukose aus dem Reaktionsgemisch erfolgt mit den Membranverfahren Ultrafiltration, Nanofiltration und Elektrodialyse. Die Abtrennung von Glukose von weiteren Sacchariden in Lösungsmittelgemischen aus Ionischer Flüssigkeit und Wasser mittels Nanofiltration wird mit dem Maxwell-Stefan-Ansatz modelliert. Die semi-empirische Modellierung, basierend auf systematischen experimentellen Untersuchungen, erlaubt die Auslegung der Nanofiltration als Trennverfahren bei festgelegter Glukose-Ausbeute. In einer abschließenden ökonomischen Analyse des vorgeschlagenen Teilprozesses wird ein nahezu vollständiges Recycling der Ionischen Flüssigkeit und deren Trocknung berücksichtigt. Im Ausblick werden die Nanofiltration von hochkonzentrierten Ionischen Flüssigkeiten im Anschluss an den Holzauflösungsprozess betrachtet und weitere Prozess-Routen mit alternativen Lösungsmitteln vorgeschlagen.

2nd generation biofuels currently hold a significant market share. With increasing impact of biofuel its production routes have to be optimized in terms of CO2 emissions, competition with the food chain and utilization of the whole plant. The cluster of excellence "Tailor-made Fuels from Biomass" investigates processing of lignocellulosic biomass to next generation biofuels. Complete utilization of the raw material is achieved by initial separation of its constituents cellulose, hemicellulose and lignin under mild conditions. These three fractions can be chemically or biocatalytically converted under independently optimized conditions. This allows for the complete conversion of the plant material to valuable fuel compounds or side-products such as itaconic acid. The fractionation of wooden biomass is performed with ionic liquid. Ionic liquid allows for the disintegration of the strong ligno-cellulose bonds, resulting in the dissolution of the raw material. A feasible fractionation of the constituents is part of the process design. Cellulose, for instance, is separated from the solution via precipitation with water. The cellulose fraction is than hydrolysed to glucose, which is fermented to itaconic acid. Itaconic acid serves as intermediate for the formation of 2-MTHF (2-methyltetrahydrofurane), a prospective fuel candidate. In this thesis the conversion of cellulose to glucose downstream of the wood dissolution process in Ionic Liquid is discussed. This sub-process comprises the pretreatment of cellulose with ionic liquid to reduce its crystallinity. The amorphous cellulose is than enzymatically hydrolysed to glucose. The separation of the intermediate glucose from the reaction mixture is performed via multiple membrane seperation processes, namely ultrafiltration, nanofiltration and electrodialysis. The separation of glucose from residual saccharides in ionic liquid/water mixtures is carried out with nanofiltration. The mass transport of glucose across solvent-resistant nanofiltration membranes is modeled with the Maxwell-Stefan approach. The semi-empirical model, based on systematic experimental results, allows for the prediction of the glucose yield from the nanofiltration as a unit operation. The complete subprocess is economically evaluated with respect to a nearly complete recycle and dehydration of ionic liquid. In the outlook nanofiltration of highly concentrated ionic liquid solutions stemming directly from the wood dissolution process is discussed as well as the dissolution of wooden biomass with alternative solvent systems.

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