Development of innovative processes and catalysts for the valorisation of bio-oil

Matayeva, Aisha; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Basile, Francesco (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019. - Dissertation, Università di Bologna, 2019

Kurzfassung

Die hydrothermale Verflüssigung (HTV) ist ein Verfahren zur Umwandlung von Biomasse in Bioöl, bei dem die Biomasse mit Wasser bei hohen Temperaturen und ausreichendem Druck in Kontakt gebracht wird, um das Wasser im flüssigen Zustand zu halten. Die Vorteile des HTL-Prozesses sind die Energieeffizienz und die Fähigkeit mit nasser Biomasse wie sortiertem organischen Hausmüll, Klärschlamm, Algen usw. umgehen zu können. Obwohl es sich wirtschaftlich und ökologisch gesehen um eine vielversprechende Technologie handelt, ist der Abfall-zu-Brennstoff-Ansatz mittels HTV bisher nicht vom Pilotmaßstab zu industriellen Anlagen übergegangen. Dies ist vor allem auf Frontend-Probleme im Zusammenhang mit dem Recycling der wässrigen Phase zurückzuführen, da diese wasserlöslichen organische Verbindungen enthält. Des Weiteren enthält aus Abfällen gewonnenes Bioöl aufgrund der ursprünglichen Biomassezusammensetzung einen hohen Anteil an Sauerstoff und Stickstoff. Daher ist eine Aufwertung des Bioöls nötig, um moderne Kraftstoffe herzustellen. Informationen über die Art der im Bioöl vorliegenden Stickstoffverbindungen sind bei jeder Behandlung mit Wasserstoff von großer Bedeutung, da niedrige Hydrodenitrogenierungsgeschwindigkeiten der Bioölkomponenten und die Vergiftung des Katalysators durch Stickstoffverbindungen während der Veredelung diesen Prozess teuer machen. Daher ist das Hauptziel der vorliegenden Arbeit die Untersuchung des HTV-Reaktionsmechanismus, wobei die Aufmerksamkeit auf die Reaktionspfade stickstoffhaltiger Spezies gerichtet ist, mit dem Ziel die Energieausbeute zu erhöhen und den Stickstoffgehalt im produzierten Bioöl zu reduzieren. Aufgrund der Komplexität der Biomassezusammensetzung werden Modellverbindungen entwickelt, die alle biochemischen Komponenten der Biomasse, nämlich Proteine, Lipide und Kohlenhydrate, umfassen, um wichtige Ergebnisse aus der HTV nasser Biomasserohstoffe vorherzusagen. Darüber hinaus wurden mehrere mikrobielle Biomassearten, wie z.B. ölhaltige Hefe und Liamocin, mithilfe von HTV behandelt, um Bioöl und kommerziell attraktive Chemikalien herzustellen. Diese Arbeit besteht aus fünf Hauptteilen. Im ersten Teil wird das Abbauverhalten von Aminosäuren in reiner Form und in binären Mischungen mit Glucose und Tripalmitin, als repräsentative Modellverbindungen von Proteinen, Lipiden bzw. Kohlenhydraten, untersucht. Die größte Aufmerksamkeit wird hierbei auf die Übertragung von Kohlenstoff und Stickstoff in HTV-Produktströme gelegt. Darüber hinaus wird der Effekt homogener und heterogener Katalysatoren sowie verschiedener Lösungsmittel auf die HTV-Produktströme untersucht. Der zweite Teil beinhaltet eine umfassende Modellstudie zu einem Gemisch aus Albumin/Stärke/Tripalmitin, um ein zuverlässigeres Biomassenmodell abzubilden und alle möglichen Wechselwirkungen innerhalb der makromolekularen Biomassekomponenten zu bewerten. Bedeutenderweise wird hierbei der Einfluss der Biomassezusammensetzung auf die Art der Stickstoffverbindungen im resultierenden Bioöl bestimmt. Im dritten Teil wird die Desaminierung von Aminosäuren zu α-Hydroxycarbonsäuren unter hydrothermalen Bedingungen in Gegenwart heterogener Katalysatoren untersucht. Der vierte Teil stellt eine mögliche Anwendung des HTV-Verfahrens zur Herstellung von Bioölen aus ölhaltigen Hefen dar. Schließlich wird im fünften Teil die hydrothermale Zersetzung von Liamocinen, eine weitere mikrobielle Biomasse, zur Herstellung von Grundchemikalien wie z.B. δ-Laktonen mit Alkylketten, erörtert. Die in dieser Arbeit vorgestellte Gesamtstudie ermöglicht die HTV von organischer Abfallbiomasse und mikrobiellen Biomassen/Ölen besser zu verstehen und liefert nützliche Einblicke in die Reaktionsprodukte, Wege und Mechanismen für die Produktion von Bioölen und Chemikalien.