Fenton’s chemistry in biorefineries

Keller, Robert Gregor; Goetheer, Earl; Wessling, Matthias

doi:HT021088510

Fenton’s chemistry in biorefineries = Fenton-Prozesse in Bioraffinerien

Keller, Robert Gregor^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeRobert Gregor Keller

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Verfahrenstechnik Series ; 14 (2021)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Goetheer, Earl (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-06495
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/822014/files/822014.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fenton (frei) ; biomass valorization (frei) ; biorefinery (frei) ; electrochemistry (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die derzeitige auf fossilen Rohstoffen basierende Wirtschaft verursacht einen hohen Ausstoß an Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid. Als technologische Alternativen können Bioraffinerien und sogenannte Power-to-X Prozesse eingesetzt werden. Der kommerzielle Durchbruch von Bioraffinerien wird bislang durch Hemmnisse wie hohe Investitionskosten durch den Einsatz korrosiver Medien, oder auch durch den Einsatz toxischer Lösungsmittel und nicht integrierter komplexer Prozesse verhindert. In der vorliegenden Dissertationsschrift wird ein integrierter Bioraffinerieprozess untersucht, welcher auf grünen Lösemitteln basiert, eine chemische Ligninnutzung untersucht und die Cellulosedepolymerisierung mittels einem elektrochemischen Verfahren behandelt. Ausgehend von Buchenholz wurde Lignin mit hydrotropen Lösemitteln und sogenannten “Deep Eutectic Solvents” extrahiert. Anschließend wurde das Lignin unter Einsatz des Fenton-Prozesses in der hydrotropen Lösung depolymerisiert und die entstehenden Produkte in situ extrahiert. Der Fenton-Prozess wurde in seiner elektrifizierten Variante, dem sogenannten electro-Fenton, für die Depolymerisierung von Cellulose eingesetzt. Eine gekoppelte Membranstufe ermöglichte eine in situ Abtrennung des Zielmoleküls Glukose. Der Einsatz von “Deep Eutectic Solvents” und hydrotropen Lösungen ermöglichte Ligninextraktionsausbeuten von bis zu 80%. Die höchsten Ausbeuten konnten bei hohen Temperaturen von 120 und 200 °C und einer kleinen Holzspangröße erzielt werden. Das mittels Hydrotropen extrahierte Lignin wurde im Lösemittel selber zu Aromaten depolymerisiert. Auch mit einer in situ Extraktion der werthaltigen Produkte blieb deren Ausbeute gering. Das Hauptprodukt der Fenton-Depolymerisation waren organische Säuren mit einer Ausbeute von bis zu 30%. Bei der Depolymerisation von Cellobiose mittels electro-Fenton-Prozess entstand Glukose mit einer Selektivität von maximal 30%. Cellobiose wurde als Modellsubstanz für Cellulose eingesetzt. Mit fortschreitender Reaktionsdauer sank die Selektivität, da die reaktiven OH-Radikale des Fenton-Prozesses das Produkt Glukose abbauten. Simulationen und Experimenten zeigten, dass eine in situ Abtrennung der Glukose mittels Nanofiltration eine konstant hohe Selektivitätunter Rückhalt des Eduktes Cellobiose und des Eisenkatalysators ermöglichen kann. Diese Arbeit verdeutlicht die Notwendigkeit integrierter Prozesse in Bioraffinerien. Elektrochemische Prozesse, elektrifiziert durch erneuerbare Energien, können in Bioraffinerien integriert werden und zur Sektorkopplung beitragen. Mittels Fenton-Prozess können Polymere wie Lignin oder Cellulose zu werthaltigen Produkten abgebaut werden, allerdings sollte ein starker Fokus auf die in situ Abtrennung eben dieser gelegt werden.

Today, the energy, industrial, and transport sectors rely heavily on fossil resources as energy and carbon source. An economy based on fossil carbon leads to high emissions of green house gases, such as carbon dioxide, which cause the anthropogenic climate change. In order to prevent a further increase in the average global temperature and combat the adverse impacts it entails, power-to-x technologies and biorefineries are on the rise. Until now, the technological breakthrough of biorefineries is hampered by numerous barriers: For example, harsh chemical pretreatment conditions with the use of harmful solvents for biomass fractionation lead to high investment costs and high complexity due to non-integrated processes. This thesis presents integrated biorefinery processes based on green solvents, lignin-first conceptualization, and the coupling of electrochemical processes to cellulose depolymerization. Lignin was extracted from beech wood chips by employing hydrotropic and deep eutectic solvents. Subsequently, lignin was depolymerized via Fenton’s chemistry in the hydrotropic solvent and coupled with an in situ extraction. Fenton’s chemistry was additionally investigated for the depolymerization of cellulose that was studied using the model compound cellobiose. The process was electrified as electro-Fenton and coupled with an in situ membrane separation. Lignin was extracted with up to 80% yield with deep eutectic and hydrotropic solvents. The highest yields were obtained with high pretreatment temperatures of 120 and 200 °C, respectively, and small wood chip sizes. The lignin that was extracted in a hydrotropic solution was depolymerized to aromatics in the solvent itself. Even though the depolymerization was successful and an in situ extractionwas employed, only low amounts of value-added aromatics were obtained. Organic acids were found to be the main product of the depolymerization with a yield of up to 30% based on the initial lignin concentration. Glucose was successfully formed by the depolymerization of cellobiose using Fenton’s reagent. However, the selectivity was limited to values below 30% for all parameters tested in this work. With increasing reaction time, the selectivity decreased continuously due to the oxidation of glucose by Fenton’s reagent. Thus, a nanofiltration separation stage was coupled to the (electro-)Fenton process. Experimental and simulation results demonstrated that the separation prevents overoxidation of glucose while simultaneously retaining the reactant cellobiose and the catalyst iron in the Fenton reactor. This thesis emphasizes the need for integrated processes in biorefineries. Electrochemical processes provide the opportunity to drive reactions by an electrical potential that is powered by renewable electricity. When using Fenton’s chemistry for the formation of value-added compounds a strong focus must be laid on in situ separation techniques to prevent degradation of the target products.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)