Modellbasierte Untersuchung der Prozessführung von pH-shift Kristallisationen von Itaconsäure

• Model-based investigation of the process control in pH-shift crystallizations of itaconic acid

Holtz, Arne Matthias; Jupke, Andreas (Thesis advisor); Leonhard, Kai (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Carbonsäuren können durch Aufschluss von Biomasse und nachfolgende Fermentation nachhaltig hergestellt und vielfältig eingesetzt werden. Die bestehenden biotechnologischen Prozesse laufen zur Steigerung der Produktivität allerdings meist bei pH-Werten ab, bei denen die gebildeten Carbonsäuren am Ende in der Fermentationsbrühe gelöst und in dissoziierter Form vorliegen. Zur Gewinnung des Zielprodukts muss die Säure protoniert werden, bevor sie durch die deutlich niedrigere Löslichkeit in dieser Form kristallisiert werden kann. Die pH-shift Kristallisation ermöglicht die Protonierung und Kristallisation der Carbonsäure in einem Apparat. Die Vielzahl beteiligter Komponenten und ablaufender Phänomene erschwert die Entwicklung von pH-shift Kristallisationsprozessen und es gibt bislang nur wenige Veröffentlichungen dazu. Wichtige Aspekte, wie der Einfluss der sich während des Prozesses in der Lösung akkumulierenden Elektrolyte auf die Löslichkeit und die Dissoziation der Zielkomponente sowie auf die Kristallisationskinetiken, wurden in bisherigen Studien nur beiläufig betrachtet. Die Prozessführung bei pH-shift Kristallisationen allgemein und insbesondere hinsichtlich der kontinuierlichen Betriebsweise ist kaum erforscht. In dieser Arbeit wird die pH-shift Kristallisation von Itaconsäure aus wässrigen Natriumitaconatlösungen mit Salzsäure untersucht. Es werden sowohl die pH-abhängigen Löslichkeiten als auch die Dissoziationsgleichgewichte und die Kristallisationskinetiken von Itaconsäure experimentell gemessen. Diese Daten werden anschließend in ein neues Berechnungsmodell für pHshift Kristallisationen integriert, mit dem unterschiedliche Prozesse bzgl. Raum-Zeit-Ausbeute und Produkt Kristallgrößenverteilung verglichen werden können. Abschließend erfolgt eine modellbasierte Optimierung der Prozessführung im Hinblick auf die Raum-Zeit-Ausbeute. Die Entwicklung einer Apparatur zur automatisierten Messung von Löslichkeiten ermöglicht die Bestimmung der Itaconsäure-Löslichkeiten in Abhängigkeit der relevanten Prozessparameter sowie die Aufstellung einer Funktion zur Beschreibung dieses Löslichkeitsverhaltens. Die Verschiebung der Dissoziationsgleichgewichte durch Natriumchlorid wird durch das ePC-SAFT Modell gut abgebildet. Die Kristallwachstumskinetiken deuten eine Erhöhung der Wachstumsgeschwindigkeit von Itaconsäure mit steigender Natriumchlorid-Konzentration an. Nach erfolgreicher Validierung des Berechnungsmodells werden mit dem Modell einstufige diskontinuierliche sowie mehrstufige kontinuierliche Prozesse gegenübergestellt. Es wird das Potential mehrstufiger kontinuierlicher Prozesse für eine optimierte Raum-Zeit-Ausbeute aufgezeigt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik [416310]