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; Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

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.