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Development of innovative processes and catalysts for the valorisation of bio-oil
2019
Dissertation, RWTH Aachen University, 2019. - Dissertation, Università di Bologna, 2019
Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-02-15
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-01943
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/755633/files/755633.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bio-oil (frei) ; biomass (frei) ; hydrothermal liquefaction (frei) ; nitrogen (frei) ; protein (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
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.Hydrothermal liquefaction (HTL) is a process for converting waste biomass to bio-oil by contacting the biomass with water at high temperatures and sufficient pressures in order to keep the water in the liquid state. HTL process has the advantage of being energy efficient and capable of dealing with wet biomass, such as sorted domestic organic waste, sewage sludge, algae, etc. Despite being a very promising technology economically and environmentally, waste to fuels via HTL has not progressed from pilot scale to industry, primarily due to the issues associated with the recycling of the aqueous phase. Moreover, waste-derived bio-oil obtained by HTL contains high contents of oxygen and nitrogen because of the initial biomass composition. Therefore, the bio-oil has to be upgraded in order to produce advanced transport fuels. Information regarding the types of nitrogen compounds present in bio-oil is of major concern of any hydrotreatment, since the low hydrodenitrogenation rate and catalyst poisoning by nitrogen compounds make this process expensive. Therefore, the main goal of the present study is the investigation of the HTL reaction mechanism, focusing the attention on the nitrogen containing species pathways, with the goal to increase the energy yields and reduce the nitrogen content in the produced bio-oil. Due to the complexity of the biomass composition, model compounds that encompass all the biochemical components of biomass, namely proteins, lipid and carbohydrates, are emerged to predict important outcomes from HTL of any wet biomass feedstock. Furthermore, several microbial biomass types, such as oleaginous yeast and liamocins, were treated via HTL to produce bio-oil and commercially attractive chemicals. This work consists of main five parts. In the first part the decomposition behavior of amino acids alone and in binary mixtures with glucose and tripalmitin as representative model compounds of proteins, lipids, carbohydrates, respectively, is investigated. Most attention is paid to the carbon and nitrogen transferring into HTL product streams. Moreover, the effect of homogenous and heterogeneous catalysts, besides the solvents on the HTL product streams is investigated. The second part includes a comprehensive model study on albumin/starch/tripalmitin mixture in order to mimic a more reliable biomass model and evaluate all the the possible interactions within biomass macromolecular components. Importantly, the effect of biomass composition on the type of nitrogen compounds in the resulting bio-oil is determined. In the third part deamination of amino acids to produce α-hydroxycarboxylic acids under hydrothermal conditions is investigated in the presence of heterogeneous catalysts. The fourth part reports a potential application of the HTL process for the production of bio-oils from oleaginous yeasts. Finally, in the fifth part hydrothermal decomposition of liamocins, another microbial biomass, to produce commodity chemicals, e.g. ð-lactones containing alkyl chains, is reported. The whole study presented in this thesis helps to better understand the HTL of organic waste biomass and microbial biomass/oils, providing useful insights into the reaction products, pathways, and mechanisms for the production of bio-oils and chemicals.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019998325
Interne Identnummern
RWTH-2019-01943
Datensatz-ID: 755633
Beteiligte Länder
Germany, Italy
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