Prozessanalysentechnologie und Reaktionstechnik im Bereich der Biomasseverwertung

• Process analytical technology and reaction engineering in the field of biomass-valorization

Eifert, Tobias; Liauw, Marcel (Thesis advisor); Leitner, Walter (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die Prozessanalysentechnologie (PAT) stellt eine Vielzahl analytischer Methoden bereit, um in situ Daten chemischer Prozesse unter Prozessbedingungen zu erfassen und diese Prozesse anschließend anhand dieser Datengrundlage zu optimieren. Dennoch wird die PAT eher in der Prozessindustrie und weniger im Bereich der Forschung - und in besonderem Maße der Forschung zur Biomasseverwertung - verwendet. In diesem Forschungsumfeld wäre dies jedoch sehr förderlich, da diese Reaktionssysteme mit denen der durchoptimierten petrochemischen Wertschöpfungskette verglichen werden. In dieser Arbeit wird die PAT für kinetische Studien im Bereich der Biomasseforschung gewinnbringend eingesetzt. Die bestimmten kinetischen Parameter werden dann zur Optimierung der untersuchten Reaktionssysteme mit Vorgehensweisen aus der Reaktionstechnik genutzt. Die untersuchten Reaktionssysteme orientieren sich an der Wertschöpfungskette basierend auf Lignocellulose als Rohstoffquelle und stehen repräsentativ für zwei der notwendigen Umwandlungsschritte: von Biomasse zu Plattformchemikalien und von Plattformchemikalien weiter zu höherwertigen Produkten mit gewünschten Eigenschaften. Die Modellsysteme für diese Umwandlungsschritte sind die Dehydratisierung des Zuckers Xylose zur Plattformchemikalie Furfural und die Hydrodeoxygenierung der Plattformchemikalie 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) zum potentiellen Kraftstoffkandidaten (2,5-DMF). Die Dehydratisierung von Xylose zu Furfural wurde simultan in situ mit ATR mid-IR und Raman Spektroskopie verfolgt und anschließend wurden die inline Daten für die kinetische Modellierung kombiniert. Diese Vorgehensweise ermöglichte es, Reaktionsraten bei verschiedenen Temperaturen und damit die Aktivierungsenergie der Dehydratisierung ausgehend von den inline Daten zu generieren, während gleichzeitig die Huminbildung und Foulingprozesse abliefen. So konnten die kinetischen Parameter der Dehydratisierung von Xylose wie auch der Entstehung der Humine bestimmt werden. Dieses Reaktionsverständnis erlaubte den Vorschlag eines optimierten Reaktionskonzepts, welches die Huminbildung durch verbesserte Kontrolle über das Reaktionsnetzwerk minimiert. Das beschriebene Reaktionskonzept wurde umgesetzt und anschließend hinsichtlich der Betriebsparameter optimiert. Entsprechend der Aktivierungsenergien führten hohe Reaktionstemperaturen und kurze Verweilzeiten zu einer Maximierung der Selektivität und Ausbeute von Furfural. Die Hydrodeoxygenierung von 5-HMF zu 2,5-DMF, sowie die Reaktionen ausgehend von den eigentlichen Zwischenprodukten als Substrat, wurden mittels ATR UV/Vis, ATR mid-IR und Raman Spektroskopie in situ verfolgt. Durch die Kombination dieser inline Methoden war es für jedes Substrat möglich, die Änderung der Edukt- und Produkt-Konzentration unter Reaktionsbedingungen zu beobachten. Durch die ermittelten kinetischen Daten ließ sich die Tendenz erkennen, dass die Aktivierungsenergie für den bevorzugten Reaktionspfad über 5-MFF in der Reihe der Substrate 5-MFMOH, 5-MFF und 5-HMF signifikant stieg und gleichzeitig die Reaktionsgeschwindigkeit abnahm. Die Nutzung von PAT Methoden im Bereich der Forschung - und insbesondere im Bereich der Biomasseforschung - führt zum einen dazu, dass die Messungen unter Prozessbedingungen den Erkenntnisgewinn während der Forschung steigern, zum anderen aber auch, dass die Praxis-Tauglichkeit neuer online Analyse-Methoden im Forschungsbereich getestet werden kann. Dies erleichtert anschließend die Implementierung der PAT Methoden in einer Produktionsanlage, wie einer Lignocellulose-Bioraffinerie.