Gewinnung von biomassebasierten Verbindungen durch Adsorption an Aktivkohlen, Zeolithen und porösen Polymeren

• Recovery of biomass-based compounds by adsorption on activated carbons, zeolites and porous polymers

Deischter, Jeff Gaston Jean; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Rose, Marcus Sören (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

In dieser Dissertation wurde die Gewinnung von biobasierten Produkten aus wässriger Phase durch Adsorption an kommerziellen sowie an maßgeschneiderten Adsorbentien untersucht. Durch präzise Studien der Adsorption der Produkte L-Lysin, Itaconsäure und D-Glucose an Aktivkohlen, kovalenten Triazin-basierten Netzwerken (CTFs) und Zeolithen konnte das Verständnis von Struktur-Adsorptions-Beziehungen erweitert werden. Dies erlaubt eine Etablierung von Adsorptions-basierten Trennprozessen für zukünftige Bioraffinerien. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein detaillierter Einblick in die Flüssigphasenadsorption von L-Lysin auf Aktivkohlen und dessen Abtrennung von D-Glucose gegeben. Durch eine ausführliche Charakterisierung konnten Struktur-Adsorptions-Beziehungen implementiert werden. Durch die Prüfung einer Vielzahl verschiedener kommerzieller Aktivkohlen wurde nachgewiesen, dass eine große spezifische Oberfläche in Kombination mit einer großen Menge an Sauerstoff-Oberflächenfunktionalitäten erforderlich ist, um hohe L-Lysin-Adsorptionskapazitäten von bis zu 256 mg g-1 zu erreichen. Ein hoher Anteil an Sauer-stoff-Funktionalitäten führte zu einer verbesserten Trennung von L-Lysin aus Lysin-Glucose-Gemischen. Die Adsorption von L-Lysin in einem kontinuierlichen Festbettadsorber, eine Konfiguration, die essenziell für eine industrielle Anwendung ist, wurde evaluiert. Zusätzlich konnten durch eine geeignete Desorptionsstrategie mittels Wasser, Ethanol oder Schwefelsäure bis zu 95 % der adsorbierten L-Lysinmenge desorbiert werden. Im nächsten Kapitel wurden CTFs, eine Materialklasse, die über eine Vielzahl von nitrilbasierten Monomeren hergestellt werden kann, für die Anwendungen zur Adsorption von Itaconsäure, L-Lysin und D-Glucose untersucht. Eine Reihe verschiedener Monomere wurde zur Synthese von CTFs unter Verwendung von ZnCl2 als Lösungsmittel und Katalysator verwendet. Bei Itaconsäure/Glucose-Gemischen zeigten hydrophobere Materialien mit einem hohen C/N-Verhältnis die beste Adsorptionsleistung, mit Itaconsäurekapazitäten von bis zu 400 mg g-1 und hohen Trennleistungen. Bei den Lysin-Glucose-Gemischen erwies sich eine hohe Hydrophilie als vorteilhaft, um die L-Lysinabtrennung zu erleichtern. Insgesamt scheinen CTFs das Beste aus beiden Welten - Polymer und kohlenstoffhaltiges Material - zu vereinen und können als Modellsysteme für das Verständnis von N-basierten, kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien dienen. Im dritten Kapitel dieser Arbeit wurde die selektive Adsorption von L-Lysin aus Lysin-Glucose-Gemischen an verschiedenen Zeolithen mit unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften und Si/Al-Verhältnissen evaluiert. Zeolithe können als eine Art Molekularsieb wirken und somit selektiv Verbindungen mit bestimmten Molekülgrößen adsorbieren oder ausschließen. In der kompetitiven Adsorption von L-Lysin und D-Glucose wurde der Effekt von Zeolithen als Molekularsieb hervorgehoben. Es konnten hohe Trennfaktoren erreicht werden, begründet dadurch, dass D-Glucose aufgrund seiner Molekülgröße nicht in die Poren der Zeolithe eindringen kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde der Adsorptionsprozess mit einem biotechnologischen Itaconsäure-Produktionsprozess gekoppelt, um dessen Eignung für eine in situ Produktgewinnung zu untersuchen. Die in situ Abtrennung der Itaconsäure verhinderte eine Produktinhibierung, was in einer Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute des Bioprozesses um 11 % resultiert. In Kombination mit einer hochselektiven Produktrückgewinnung führt dies zu einer vielversprechenden Downstream-Technologie für zukünftige Bioraffinerieprozesse.