Prozessanalysentechnologie und Reaktionstechnik im Bereich der Biomasseverwertung

Eifert, Tobias; Leitner, Walter; Liauw, Marcel

doi:10.18154/RWTH-2018-01268

Prozessanalysentechnologie und Reaktionstechnik im Bereich der Biomasseverwertung = Process analytical technology and reaction engineering in the field of biomass-valorization

Eifert, Tobias^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Tobias Eifert

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (IX, 187 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Liauw, Marcel (Thesis advisor)^RWTH* ; Leitner, Walter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-01-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-01268
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/713647/files/713647.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biomass (frei) ; Biomasse (frei) ; Prozessanalysentechnologie (frei) ; Reaktionstechnik (frei) ; in-situ (frei) ; inline (frei) ; online pat (frei) ; process analytical technology (frei) ; reaction engineering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Prozessanalysentechnologie (PAT) stellt eine Vielzahl analytischer Methoden bereit, um in situ Daten chemischer Prozesse unter Prozessbedingungen zu erfassen und diese Prozesse anschließend anhand dieser Datengrundlage zu optimieren. Dennoch wird die PAT eher in der Prozessindustrie und weniger im Bereich der Forschung - und in besonderem Maße der Forschung zur Biomasseverwertung - verwendet. In diesem Forschungsumfeld wäre dies jedoch sehr förderlich, da diese Reaktionssysteme mit denen der durchoptimierten petrochemischen Wertschöpfungskette verglichen werden. In dieser Arbeit wird die PAT für kinetische Studien im Bereich der Biomasseforschung gewinnbringend eingesetzt. Die bestimmten kinetischen Parameter werden dann zur Optimierung der untersuchten Reaktionssysteme mit Vorgehensweisen aus der Reaktionstechnik genutzt. Die untersuchten Reaktionssysteme orientieren sich an der Wertschöpfungskette basierend auf Lignocellulose als Rohstoffquelle und stehen repräsentativ für zwei der notwendigen Umwandlungsschritte: von Biomasse zu Plattformchemikalien und von Plattformchemikalien weiter zu höherwertigen Produkten mit gewünschten Eigenschaften. Die Modellsysteme für diese Umwandlungsschritte sind die Dehydratisierung des Zuckers Xylose zur Plattformchemikalie Furfural und die Hydrodeoxygenierung der Plattformchemikalie 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) zum potentiellen Kraftstoffkandidaten (2,5-DMF). Die Dehydratisierung von Xylose zu Furfural wurde simultan in situ mit ATR mid-IR und Raman Spektroskopie verfolgt und anschließend wurden die inline Daten für die kinetische Modellierung kombiniert. Diese Vorgehensweise ermöglichte es, Reaktionsraten bei verschiedenen Temperaturen und damit die Aktivierungsenergie der Dehydratisierung ausgehend von den inline Daten zu generieren, während gleichzeitig die Huminbildung und Foulingprozesse abliefen. So konnten die kinetischen Parameter der Dehydratisierung von Xylose wie auch der Entstehung der Humine bestimmt werden. Dieses Reaktionsverständnis erlaubte den Vorschlag eines optimierten Reaktionskonzepts, welches die Huminbildung durch verbesserte Kontrolle über das Reaktionsnetzwerk minimiert. Das beschriebene Reaktionskonzept wurde umgesetzt und anschließend hinsichtlich der Betriebsparameter optimiert. Entsprechend der Aktivierungsenergien führten hohe Reaktionstemperaturen und kurze Verweilzeiten zu einer Maximierung der Selektivität und Ausbeute von Furfural. Die Hydrodeoxygenierung von 5-HMF zu 2,5-DMF, sowie die Reaktionen ausgehend von den eigentlichen Zwischenprodukten als Substrat, wurden mittels ATR UV/Vis, ATR mid-IR und Raman Spektroskopie in situ verfolgt. Durch die Kombination dieser inline Methoden war es für jedes Substrat möglich, die Änderung der Edukt- und Produkt-Konzentration unter Reaktionsbedingungen zu beobachten. Durch die ermittelten kinetischen Daten ließ sich die Tendenz erkennen, dass die Aktivierungsenergie für den bevorzugten Reaktionspfad über 5-MFF in der Reihe der Substrate 5-MFMOH, 5-MFF und 5-HMF signifikant stieg und gleichzeitig die Reaktionsgeschwindigkeit abnahm. Die Nutzung von PAT Methoden im Bereich der Forschung - und insbesondere im Bereich der Biomasseforschung - führt zum einen dazu, dass die Messungen unter Prozessbedingungen den Erkenntnisgewinn während der Forschung steigern, zum anderen aber auch, dass die Praxis-Tauglichkeit neuer online Analyse-Methoden im Forschungsbereich getestet werden kann. Dies erleichtert anschließend die Implementierung der PAT Methoden in einer Produktionsanlage, wie einer Lignocellulose-Bioraffinerie.

Process analytical technology (PAT) provides powerful tools to gather inline data of chemical processes; this data is most commonly used to optimize the processes in the process industry. PAT is not yet frequently used as a resource in R&D despite the significant advantages of early process optimization. Particularly in the field of biomass valorization, early development is required in order to successfully develop reaction systems which have to compete with heavily optimized processes from the petrochemical value chain. A methodology to evaluate kinetic parameters of biomass transformations employing PAT is presented. These kinetic parameters are then used to optimize a reaction by means of reaction engineering. Hereby, the transformation reactions represent the value chain of a biorefinery based on lignocellulose. The first step is the conversion of biomass to platform chemicals and the second step are further conversions to higher value products with desired properties. The dehydration of xylose to furfural was chosen as model systems for the first step and the hydrodeoxygenation of 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) to 2,5-dimethylfuran (2,5-DMF) represents the second step. The salient feature of the presented strategy involves the determination of reaction rates and activation energies for biomass conversions under process conditions without influence from occurring side reactions or fouling of optical probes. PAT was applied to the dehydration of the C5-sugar xylose to the platform chemical furfural. The reaction was comprehensively monitored in situ with ATR mid-IR and Raman spectroscopy at different reaction temperatures. The reaction kinetics for the dehydration of xylose to furfural and the side reaction of humin formation were simultaneously evaluated by chemometric and kinetic modeling of the inline data. This insight allowed for the proposal for an optimized reactor concept: a continuous reactor design to maximize the yields of furfural and minimize the production of humins. This continuous reactor was implemented and resulted in an improved selectivity towards furfural while using high reaction temperatures and short residence times. ATR UV/Vis, ATR mid-IR and Raman spectroscopy were used to monitor the hydrodeoxygenation of 5-HMF to 2,5-DMF under process conditions at different temperatures. The suitable PAT tools provided kinetic data and the data was evaluated by chemometric and kinetic modeling to show the activation energies of this reaction system. The kinetic modeling of the three in-process spectral data revealed the activation energy of 5-HMF consumption. The same methodology was used to investigate the pathways to 2,5-DMF via the intermediates. The gained knowledge allowed to determine the preferred pathway of this reaction system, which is first the hydrogenolysis towards 5-methylfurfural and subsequently the hydration to (5-methyl-2-furyl)methanol and then the hydrogenolysis towards 2,5-DMF.By using PAT tools in the field of research, especially in the field of biomass valorization, a system cannot only be optimized by in-process data, but this methodology also leads to a proven concept regarding the use of PAT for a subsequent production plant.

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