Development of a systematic evaluation of process alternatives for separation of bio-based diamines

Bednarz, Andreas; Jupke, Andreas; Spiess, Antje C.; Pfennig, Andreas

doi:10.18154/RWTH-2019-03900

Development of a systematic evaluation of process alternatives for separation of bio-based diamines = Entwicklung einer systematischen Methodik zur Bewertung von Prozessalternativen für die Abtrennung von biobasierten Diaminen

Bednarz, Andreas^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeAndreas Bednarz

Ausgabe1

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2019

Umfang182

ISBN978-3-86359-703-0

ReiheErgebnisse aus der Verfahrenstechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pfennig, Andreas (Thesis advisor) ; Jupke, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Spiess, Antje C. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-03900
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/760047/files/760047.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (416310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
downstream processing (frei) ; extraction column (frei) ; option tree (frei) ; process integration (frei) ; reactive extrcation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In den letzten Jahren haben biotechnologische Prozesse eine gesteigertes Interesse zur Herstellung verschiedener Produkte erfahren. Häufig treten in derartigen Prozessen Produkt-, aber auch Substratinhibierungen auf. Diese Prozesslimitierung kann durch eine Prozessintensivierung, wie eines in-situ Trennverfahrens, beispielsweise einer in-situ Extraktion, realisiert werden. In dieser Arbeit wird die Reaktivextraktion des Polyamidmonomers 1,6-Hexandiamin, aus biotechnologischen Produktionsmedien mit Zellen, betrachtet. Um diesen Prozess zu realisieren, wurde die Methode der kaskadierten Optionsbäume entwickelt und auf diese Trennverfahren angewendet, um die sinnvollsten Lösungsmittel und Reaktivextraktionsmittel zur Abtrennung des Diamins zu bestimmen. Nach einer vorläufigen Identifizierung von passenden Lösungsmittelklassen wurden Gleichgewichtsexperimente durchgeführt, um Verteilungskonstanten und Extraktionsgrade bestimmt. In diesen Experimenten wurden D2EHPA und Isostearinsäure aufgrund der guten Trennbleistung als am besten geeignete Reaktivextraktionsmittel mit Kerosin und Oleylalkohol als Lösungsmittel ermittelt. Im nächsten Schritt wurde das Koaleszenzverhalten in einer standardisierten Absetzzelle untersucht. Dabei wurde D2EHPA in Oleylalkohol als vielversprechende Option zur Realisierung in einer Extraktionskolonne ausgewählt. Zuerst wurde die Simulation der Extraktionskolonne, basierend auf Messungen an Einzeltropfen, mit Experimenten im Technikumsmaßstab validiert. Zudem wurde die Extraktionskolonne als Bioreaktor mit integrierter Begasung und einem vierphasigen System eingesetzt und untersucht. Dabei wurden der Holdup als auch die Tropfenverteilungen der dispersen Phasen untersucht. Eine Begasung führt zu einem Anstieg des Holdups und einer Reduktion der Tropfenverteilung der organischen dispersen Phase. Dies könnte die Trennleistung der Kolonne weiter verbessern. Damit wurde die Machbarkeit einer in-situ Reaktivextraktion von 1,6-Hexandiamin aus einem zellbehafteten biotechnologischen Produktionsmedium in einer Extraktionskolonne mit vier Phasen (gas-flüssig-flüssig-fest) bewiesen.

Biotechnological processes have become more and more popular for a wide range of productsin recent years, but are frequently constrained by substrate and product inhibition. This process limitation can be alleviated by process intensification, in particular by in-situ separation of the inhibiting products via extraction. This study applies reactive extraction of the polyamide monomer hexane-1,6-diamine from a cell-containing aqueous biotechnological production medium. For this purpose, a cascaded option tree method was developed and applied to determine the most promising solvents and reactive extractants for the separation of the selected diamine. After a preliminary identification of suitable solvent classes, equilibrium experiments were conducted to determine partition coefficients and separation efficiencies. In these experiments D2EHPA and isostearic acid were identified as promising reactive extractants and kerosene as well as oleylalcohol were identified as suitable solvents. As a next step, the coalescence behavior was investigated in a standardized settling cell. D2EHPA diluted in oleyl alcohol was selected as promising option for realization in an extraction column. First, the simulation of the extraction column, based on single-drop experiments measurements, was successfully validated in pilot-scale experiments. Second, the extraction column was used as bioreactor with integrated aeration and product extraction, applying a four-phase system, investigating the effect on drop distributions and holdup of the dispersed phases. Interestingly, aeration increased the holdup and decreased the drop size of the organic extractive phase, thereby potentially improving the separation efficiency of reactive extraction. Therefore, the feasibility of the in-situ reactive extraction of hexane-1,6-diamine from a cell containing biotechnological production media in an extraction column operating with four phases was proven.

OpenAccess:
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