Modelling electrochemical lignin depolymerization into value-added products

• Modellierung der elektrochemischen Lignin-Depolymerisation in Mehrwertprodukte

Bawareth, Bander Abubaker; Weßling, Matthias (Thesis advisor); Palkovits, Regina (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Lignocellulosematerial ist eine wichtige alternative Quelle, um den steigenden Energiebedarf zu decken. Das mögliche Ziel, neue Bioraffinerien in Betrieb zu nehmen, wurde durch den geringen wirtschaftlichen Wert dieser Anlagen eingeschränkt. Daher müssen mehrere hochwertige Produkte hergestellt werden, um den Umsatz der Bioraffinerie zu steigern. Bei den aromatischen Rohstoffen hat Lignin den höchsten Aromatengehalt in der Natur. Die Lignin-Valorisierung durch elektrochemische Depolymerisation ist aufgrund der moderaten Reaktionsbedingungen ein vielversprechender Ansatz für die kommerzielle Anwendung. Die Elektrooxidation ist jedoch eine nicht-selektive Reaktion und führt zu einer Überoxidation der Produkte. Ein Membranreaktor kann die gewünschten Produkte der Lignin-Depolymerisation entfernen. Dadurch kann ein weiterer Abbau der Produkte vermieden werden. Der Umfang dieser Arbeit ist die Entwicklung einer konzeptionellen Studie über einen elektrochemischen Membranreaktor. Die Studie besteht aus der Modellierung der Reaktionskinetik und der Membranprozessmodellierung. Herkömmliche Reaktionskinetikgleichungen sind für den Ligninabbau wegen der begrenzten Kinetikinformationen bezüglich des Reaktionsmechanismus und des breiten Produktspektrums unzureichend. Wir schlugen vor, population balance zu verwenden, um die Entwicklung der Molekulargewichtsverteilung von Lignin mit der Zeit vorherzusagen, basierend auf den Mechanismen der Kettenspaltung; Zufalls- und Kettenendspaltung. Die Lösung der niedermolekularen Bevölkerungsbilanzgleichungen wurde diskret durchgeführt, während für das hohe MW eine kontinuierliche Lösung implementiert wurde. Zusätzlich führte das Modell zu einer Rekombinationsreaktion der depolymerisierten Spezies. Das Modell ist in der Lage, die Molekulargewichtsverteilung im Verlauf der Depolymerisation von Lignin vorherzusagen. Experimentelle Ergebnisse wurden verwendet, um Kinetikkonstanten für verschiedene Kraft-Lignin-Proben zu extrahieren. Verschiedene Prozessparameter wurden in einem elektrochemischen Membranreaktorprozess mittels Sensitivitätsanalyse untersucht. Ziel der Analyse war es, die Prozessparameter zu manipulieren, um die Ausbeute der Aromatenproduktion zu maximieren. Diese Parameter berücksichtigen im Allgemeinen die Eigenschaften der Membran in Bezug auf den Porendurchmesser und die Membranfläche sowie die Prozessparameter in Bezug auf die Druckdifferenz zwischen den Membranen und die Reaktionsverweilzeit. Die Sensitivitätsstudie ergab, dass eine Membran mit einer Molekulargewichtsgrenze (MWCO) von 750 Da und einem Porendurchmesser von 1 nm eine optimale Nanofiltrationsmembran für einen kontinuierlichen Membranreaktor ist. Die Ausbeute an aromatischen Produkten konnte von 0,01\% im Chargenreaktor auf 11\% im Membranreaktor gesteigert werden. Die verdünnte Ligninkonzentration erwies sich im Hinblick auf die Produktrückgewinnung aus dem Permeat als Nachteil. Das Modell entwirrt die Depolymerisation von Lignin in einer Makroperspektive. Die Kombination der Ergebnisse dieser Studie mit einem integrierbaren Prozess kann dazu beitragen, das Bioraffineriekonzept der kommerziellen Umsetzung näher zu bringen.