Entwicklung und Charakterisierung eines Prototyps für die elektrochemische pH-Shift Kristallisation von biotechnologisch hergestellter Bernsteinsäure

Kocks, Christian Uwe; Jupke, Andreas; von Langermann, Jan

doi:HT030886816

Entwicklung und Charakterisierung eines Prototyps für die elektrochemische pH-Shift Kristallisation von biotechnologisch hergestellter Bernsteinsäure = Electrochemical pH-shift cyrstallization of succinic acid - process developement, prototyp design and experimental charakterization

Kocks, Christian Uwe^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Uwe Kocks

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jupke, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; von Langermann, Jan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09388
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/994570/files/994570.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (416310)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bernsteinsäure (frei) ; elctrochemical crystallization (frei) ; electrified downstream processing (frei) ; elektrifizierter Downstream (frei) ; elektrochemische Kristallisation (frei) ; pH-Shift Kristallisation (frei) ; pH-shift crystallization (frei) ; succinic acid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Zuge des Rohstoffwandels wird die chemische Industrie ihre Produktionsverfahren auf alternative Kohlenstoffquellen umstellen müssen. Mögliche Quellen sind nachwachsende Rohstoffe, die zum Beispiel in biotechnologischen Verfahren zu Plattformchemikalienumgewandelt werden können. Damit sich biotechnologische Produktionen im industriellen Maßstab durchsetzen können, sind effiziente und ressourcenschonende Gewinnungs- und Aufreinigungsprozesse nötig. Insbesondere elektrochemische Prozesse zeigen großes Potential für die Gewinnung von biotechnologisch hergestellten Carbonsäuren wie zum Beispiel Bernsteinsäure. In dieser Forschungsarbeit wird die Entwicklung eines Prototyps für die elektrochemische pH-Shift Kristallisation vorgestellt, der in einem gesamtheitlichen Prozess für die Gewinnung kristalliner Bernsteinsäure charakterisiert wird. Hierzu werden im ersten Teil der Arbeit die für die Auslegung des Kristallisationsprozesses relevanten thermodynamischen Stoffdaten bestimmt und die Machbarkeit der elektrochemischen pH-Shift Kristallisation der Bernsteinsäure nachgewiesen. Anschließend wird der Kristallisationsprozessmit Fokus auf Keimbildungs- und Kristallwachstumskinetik parametrisiert und in ein Kristallisationsmodell eingebunden, das für die Abschätzung des Kristallisationsprozesses und für die Dimensionierung des Prototyps genutzt wird. Anschließend wird der entwickelte Prototyp experimentell charakterisiert, sodass zusammenmit den bestimmten Stoffdaten ein Betriebsfenster, bestehend aus Betriebs- und Designparametern, für die elektrochemische pH-Shift Kristallisation von Bernsteinsäuredefiniert werden kann. Auf Basis dieses Betriebsfensters wird die elektrochemische pH-Shift Kristallisation mit Hilfe statistischer Versuchsplanung und -auswertung evaluiert und schließlich mit Referenzprozessen verglichen und bewertet. Abschließend werden die Ergebnisse für den diskontinuierlichen und kontinuierlichen Betrieb der Kristallisation mit artifiziellen und realen Produktlösungen vorgestellt und das Potential der elektrochemischen pH-Shift Kristallisation von Bernsteinsäure diskutiert.

The raw material transition requires a change in the value chains in the chemical industryfrom fossil to renewable or recycled carbon sources to meet sustainability pledges. Platformchemicals such as carboxylic acids represent a promising opportunity to establishsynthesis routes based on industrial biotechnology. However, biotechnological productioncan rarely compete with established petrochemical processes. To render the biotechnological production of platform chemicals economically and ecologically competitive, new separation techniques are required for the downstream processing of these molecules. Electrochemical separation techniques show great potential for this purpose since the use of electricity drastically reduces the use of auxiliary chemicals and avoids saline wastewater,which is one major economic and ecological disadvantage of the conventional processing of biotechnologically produced carboxylic acids. Within this work, a prototype for the electrochemical pH-shift crystallization, integrated into a biotechnological production process of succinic acid, is presented, and experimentally characterized regarding techno-economical aspects. Therefore, the necessary thermodynamical property data of succinic acid are measured, and the crystallization kinetics, nucleation, and growth are investigated for the electrochemical pH-shiftcrystallization. Based on these crystallization studies a model for the electrochemical pH-shift crystallization of succinic acid was developed, which allows the estimation of the crystallization process and the design of the prototype. Finally, the developed prototype for the electrochemical pH-shift crystallization of succinicacid is characterized to identify operating conditions for the electrochemical pH-shift crystallization. Within the operating window, the proposed crystallization process is evaluated based on the measured solid-liquid equilibrium, supersaturation, energy consumptionand electrochemical protonation efficiency. Additionally, the results of discontinuous and continuous electrochemical pH-shift crystallization experiments from artificial andreal process solutions are shown, which highlight the potential of the electrochemical pH-shift crystallization as a waste-free and economically attractive downstream processfor succinic acid production.

OpenAccess:
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