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Gewinnung von biomassebasierten Verbindungen durch Adsorption an Aktivkohlen, Zeolithen und porösen Polymeren = Recovery of biomass-based compounds by adsorption on activated carbons, zeolites and porous polymers
2022
Dissertation, RWTH Aachen University, 2022
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-06-23
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-06740
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/849343/files/849343.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Adsorption (frei) ; Aktivkohlen (frei) ; Trennprozess (frei) ; activated carbon (frei) ; biomass (frei) ; separation process (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
Kurzfassung
In dieser Dissertation wurde die Gewinnung von biobasierten Produkten aus wässriger Phase durch Adsorption an kommerziellen sowie an maßgeschneiderten Adsorbentien untersucht. Durch präzise Studien der Adsorption der Produkte L-Lysin, Itaconsäure und D-Glucose an Aktivkohlen, kovalenten Triazin-basierten Netzwerken (CTFs) und Zeolithen konnte das Verständnis von Struktur-Adsorptions-Beziehungen erweitert werden. Dies erlaubt eine Etablierung von Adsorptions-basierten Trennprozessen für zukünftige Bioraffinerien. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein detaillierter Einblick in die Flüssigphasenadsorption von L-Lysin auf Aktivkohlen und dessen Abtrennung von D-Glucose gegeben. Durch eine ausführliche Charakterisierung konnten Struktur-Adsorptions-Beziehungen implementiert werden. Durch die Prüfung einer Vielzahl verschiedener kommerzieller Aktivkohlen wurde nachgewiesen, dass eine große spezifische Oberfläche in Kombination mit einer großen Menge an Sauerstoff-Oberflächenfunktionalitäten erforderlich ist, um hohe L-Lysin-Adsorptionskapazitäten von bis zu 256 mg g-1 zu erreichen. Ein hoher Anteil an Sauer-stoff-Funktionalitäten führte zu einer verbesserten Trennung von L-Lysin aus Lysin-Glucose-Gemischen. Die Adsorption von L-Lysin in einem kontinuierlichen Festbettadsorber, eine Konfiguration, die essenziell für eine industrielle Anwendung ist, wurde evaluiert. Zusätzlich konnten durch eine geeignete Desorptionsstrategie mittels Wasser, Ethanol oder Schwefelsäure bis zu 95 % der adsorbierten L-Lysinmenge desorbiert werden. Im nächsten Kapitel wurden CTFs, eine Materialklasse, die über eine Vielzahl von nitrilbasierten Monomeren hergestellt werden kann, für die Anwendungen zur Adsorption von Itaconsäure, L-Lysin und D-Glucose untersucht. Eine Reihe verschiedener Monomere wurde zur Synthese von CTFs unter Verwendung von ZnCl2 als Lösungsmittel und Katalysator verwendet. Bei Itaconsäure/Glucose-Gemischen zeigten hydrophobere Materialien mit einem hohen C/N-Verhältnis die beste Adsorptionsleistung, mit Itaconsäurekapazitäten von bis zu 400 mg g-1 und hohen Trennleistungen. Bei den Lysin-Glucose-Gemischen erwies sich eine hohe Hydrophilie als vorteilhaft, um die L-Lysinabtrennung zu erleichtern. Insgesamt scheinen CTFs das Beste aus beiden Welten – Polymer und kohlenstoffhaltiges Material – zu vereinen und können als Modellsysteme für das Verständnis von N-basierten, kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien dienen. Im dritten Kapitel dieser Arbeit wurde die selektive Adsorption von L-Lysin aus Lysin-Glucose-Gemischen an verschiedenen Zeolithen mit unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften und Si/Al-Verhältnissen evaluiert. Zeolithe können als eine Art Molekularsieb wirken und somit selektiv Verbindungen mit bestimmten Molekülgrößen adsorbieren oder ausschließen. In der kompetitiven Adsorption von L-Lysin und D-Glucose wurde der Effekt von Zeolithen als Molekularsieb hervorgehoben. Es konnten hohe Trennfaktoren erreicht werden, begründet dadurch, dass D-Glucose aufgrund seiner Molekülgröße nicht in die Poren der Zeolithe eindringen kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde der Adsorptionsprozess mit einem biotechnologischen Itaconsäure-Produktionsprozess gekoppelt, um dessen Eignung für eine in situ Produktgewinnung zu untersuchen. Die in situ Abtrennung der Itaconsäure verhinderte eine Produktinhibierung, was in einer Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute des Bioprozesses um 11 % resultiert. In Kombination mit einer hochselektiven Produktrückgewinnung führt dies zu einer vielversprechenden Downstream-Technologie für zukünftige Bioraffinerieprozesse.In this dissertation, the recovery of biobased products from aqueous phase by adsorption on commercial as well as tailored adsorbents was investigated. The understanding of structure-adsorption relationships could be extended by detailed studies of the adsorption of the products L-lysine, itaconic acid and D-glucose on activated carbons, covalent triazine-based frameworks (CTFs) and zeolites. This allows an establishment of adsorption-based separation processes for future biorefineries. In the first part of the work, a detailed insight into the liquid phase adsorption of L-lysine on activated carbons and its separation from D-glucose was given. Detailed characterization allowed the implementation of structure-adsorption relationships. By testing a variety of different commercial activated carbons, it was demonstrated that a large specific surface area in combination with a large amount of surface oxygen functionalities is required to achieve high L-lysine adsorption capacities of up to 256 mg g-1. A high amount of oxygen functionalities resulted in improved separation of L-lysine from lysine-glucose mixtures. The adsorption of L-lysine in a continuous fixed bed adsorber, a setup essential for an industrial application, was evaluated. In addition, up to 95 % of the adsorbed L-lysine could be desorbed by a suitable desorption strategy using water, ethanol or sulfuric acid. In the next chapter, CTFs, a material class that can be prepared via a variety of nitrile-based monomers, were investigated for itaconic acid, L-lysine and D-glucose adsorption applications. A number of different monomers were used to synthesize CTFs using ZnCl2 as solvent and catalyst. For itaconic acid/glucose mixtures, hydrophobic materials with a high C/N ratio showed the best adsorption performance, with itaconic acid capacities up to 400 mg g-1 and high separation efficiencies. For the lysine-glucose mixtures, high hydrophilicity proved to be beneficial to facilitate L-lysine separation. Overall, CTFs appear to combine the best of both worlds - polymer and carbonaceous material - and can serve as model systems for understanding N-based carbonaceous feedstocks. In the third chapter of this thesis, the selective adsorption of L-lysine from lysine-glucose mixtures was evaluated on various zeolites with different structural properties and Si/Al ratios. Zeolites can act as a molecular sieve and thus selectively adsorb or exclude compounds with specific molecular sizes. In the competitive adsorption of L-lysine and D-glucose, the effect of zeolites as a molecular sieve was highlighted. High separation factors could be achieved, due to the fact that D-glucose cannot enter the pore system of the zeolites because of its molecular size. In the last part of the work, the adsorption process was coupled with a bio-technological itaconic acid production process to investigate its suitability for in situ product re-covery. The in situ separation of itaconic acid prevented product inhibition, resulting in an in-crease of 11 % in the space-time yield of the bioprocess. In combination with highly selective product recovery, a promising downstream technology for future biorefinery processes can be achieved.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT021463146
Interne Identnummern
RWTH-2022-06740
Datensatz-ID: 849343
Beteiligte Länder
Germany
