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Multi-scale analysis of liquid-based pretreatment in lignocellulosic biorefineries = Multiskalen-Analyse von flüssigkeitsbasierter Vorbehandlung in Lignocellulose-Bioraffinerien
2021 & 2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-10
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-07297
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/850162/files/850162.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
biorefinery (frei) ; enzymatic hydrolysis (frei) ; ionic liquids (frei) ; lignocellulosic biomass (frei) ; pretreatment (frei) ; solvents (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Zur Reduktion von CO2-Emissionen können erdölbasierte Produkte alternativ aus erneuerbaren Kohlenstoffquellen wie lignocellulosehaltiger Biomasse hergestellt werden. Die stoffliche Umwandlung der kompositartig vernetzten Biomasse erfordert eine Vorbehandlung, oft gefolgt von enzymatischer Hydrolyse zur Abspaltung von Zuckern für weitere Prozessschritte. Die Vorbehandlungsmechanismen sind jedoch unvollständig verstanden, vor allem die Rolle der unterschiedlichen zur Vorbehandlung eingesetzten Mischungen aus Lösemitteln und Ionen. In dieser Arbeit wird die Biomassevorbehandlung auf mehreren Skalen untersucht: von der molekularen Ebene in Form von Interaktionen zwischen Komponenten in Vorbehandlungslösungen bis zur Prozessebene mit dem Einfluss der Zuckerausbeute auf die Biokraftstoffproduktion. Kombiniert mit enzymatischer Hydrolyse erzielt die ionische Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium Acetat (EMIMAc) eine effektive Vorbehandlung und Desintegration von Buchenholz. Allerdings sinkt die Zuckerausbeute mit steigendem Wassergehalt in EMIMAc. Molekulare Interaktionen zwischen EMIMAc und Wasser werden in dieser Arbeit mit Niederfeld-NMR-Spektroskopie und deuterierten Lösemitteln charakterisiert. Der beobachtete Wasserstoff-Deuterium-Austausch wird modellgestützt ausgewertet um die zugrundeliegenden Kinetiken zu bestimmen. Änderungen der Austauschkinetiken deuten darauf hin, dass Ionennetzwerke bis zu einem EMIMAc-Stoffmengenanteil von 0,3 stark assoziiert bleiben. Damit leistet diese Untersuchung einen ersten Beitrag, um den Effekt von Wasser in EMIMAc-Gemischen zu verstehen. Wie EMIMAc kann die essigsäurebasierte Acetosolv-Vorbehandlung Buchenholz effektiv desintegrieren, allerdings mit geringeren Zuckerausbeuten. Die Experimente dieser Arbeit zeigen, dass Phänomene wie der neu definierte Desintegrationsgrad und die durch Vorbehandlung aus dem Holz entfernte Fraktion sowohl untereinander abhängig sind, als auch durch Art und Konzentration des Katalysators in der Vorbehandlungslösung bestimmt werden. Weiterhin korrelieren Desintegration und entfernte Fraktion mit der Zusammensetzung der vorbehandelten Biomasse. Anders als in EMIMAc ermöglicht Wasser in Acetosolvlösungen Desintegration und Delignifikation. Um den Einfluss von Vorbehandlung und Hydrolyse auf den Vergleich von Prozesspfaden zur Produktion von zwei Biokraftstoffen zu bewerten, werden Kohlenstoffverlust und Kraftstoffkosten mithilfe der Reaktionsnetzwerkflussanalyse geschätzt. Die Analyse von variierenden Biomassezusammensetzungen gemeinsam mit vorbehandlungsspezifischer Fraktionierung der Biomasse und Zuckerausbeuten zeigt, dass Kraftstoffkosten reziprok mit Kohlenstoffverlust korrelieren und, dass unter einem Massenanteil Zucker aus Holz von 0,4 die Kraftstoffkosten stark ansteigen. Somit bezeichnet dieser Wert die Mindestzuckerausbeute für machbare Biomassevorbehandlung.To reduce CO2 emissions, fossil-carbon-based fuels and chemicals can alternatively be produced from renewable carbon sources such as lignocellulosic biomass. The material conversion of biomass requires a pretreatment to cleave the composite-like structure of biomass, often followed by enzymatic hydrolysis to make sugars available for further processing. However, the mechanisms of liquid-based pretreatment concepts are not yet completely understood. Especially the role of the various mixtures of solvents and ions that are applied as pretreatment liquids remains unclear in many cases. In this thesis, pretreatment of biomass is investigated on multiple scales: from the molecular scale with interactions between components of pretreatment liquids to the process level with the influence of sugar yield on the production pathway performance of biofuels. In combination with enzymatic hydrolysis, the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIMAc) effectively pretreats and disintegrates beech wood, but sugar yields decrease with increasing water content in EMIMAc. In this work, molecular interactions between EMIMAc and water are characterized using low-field NMR spectroscopy and deuterated solvents. Model-based evaluation of the observed hydrogen-deuterium exchange allows for the determination of the underlying kinetics. Composition-dependent changes of exchange kinetics imply that strongly associated ion networks remain active down to 30 mol % EMIMAc. Hence, this investigation presents a first step towards the understanding of the effect of water in mixtures of EMIMAc. Analogously to EMIMAc pretreatment, acetic acid-based acetosolv pretreatment can effectively disintegrate beech wood, albeit with lower sugar yields. The experiments conducted for this thesis reveal that pretreatment phenomena such as the newly defined degree of disintegration and the non-recovered fraction of wood after pretreatment are not only interdependent but also relate to the type and concentration of catalyst acid in the pretreatment liquid. Furthermore, disintegration and non-recovered fraction correlate with the composition of pretreated biomass. Unlike with EMIMAc pretreatment, the presence of water in acetosolv pretreatment liquids facilitates both disintegration and delignification. To evaluate the influence of the effectiveness of both pretreatment and hydrolysis on the production pathway performance of two biofuels, carbon loss and fuel cost are estimated with reaction network flux analysis. The analysis of changing biomass composition in combination with pretreatment-specific fractionation effectiveness and sugar yield after hydrolysis shows that fuel cost and carbon loss correlate reciprocally. Below a threshold of 40 wt % sugars from wood, fuel costs increase strongly. Hence, this value describes the minimal viable sugar yield of biomass pretreatment.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021472944
Interne Identnummern
RWTH-2022-07297
Datensatz-ID: 850162
Beteiligte Länder
Germany
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