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Electrochemical pH-swing extraction for carboxylic acid purification = Elektrochemische pH-swing Extraktion zur Aufarbeitung von Carbonsäuren
2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-19
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00046
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/976173/files/976173.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
biotechnology (frei) ; carboxylic acid (frei) ; electrification (frei) ; electrochemical pH-shift (frei) ; electrolysis (frei) ; reactive extraction (frei) ; separation (frei) ; solvent extraction (frei) ; techno-economic assessment (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In der chemischen Industrie findet eine Transformation der Wertschöpfungsketten statt. Bei dem Wandel zu einer Kreislaufwirtschaft spielen biotechnologische Verfahren und Rohstoffe eine tragende Rolle, um Verluste im Materialkreislauf mit erneuerbaren Kohlenstoffressourcen zu ersetzen. Carbonsäuren wie Bernsteinsäure sind zentrale Zwischenstufen in mikrobiellen Stoffwechselprozessen und sind die vielversprechendste Gruppe zukünftiger Plattformchemikalien. Elektrochemische Trennverfahren sind in der Lage bisher anfallende Abfallströme in der Aufarbeitung von Carbonsäuren zu eliminieren und eine nachhaltige Herstellung im großen Maßstab zu ermöglichen. Die elektrochemische Stabilität von mittelkettigen Carbonsäuren erlaubt die Nutzung einer pH swing Elektrolyse zur Rückgewinnung der im Prozess zur pH Kontrolle eingesetzten Kationen. Der elektrochemisch erzeugte pH Gradient liefert die notwendige Triebkraft für die anschließende Abtrennung der Säure in einer Reaktivextraktion. Durch die Nutzung beider Elektrodenreaktionen können Aufarbeitungsprozesse mit geschlossenen Kreislaufströmen zur Rückführung der eingesetzten Hilfsstoffe entwickelt werden. Die Machbarkeit des Verfahren wurde gezeigt und kristalline Bernsteinsäure mit einer Reinheit von 94 w% aus einer elektrolythaltigen Lösung gewonnen. Die Integration der elektrochemischen pH swing Reaktivextraktion mit einer prokaryotischen Fermentation hat das Potential, die Herstellung von Bernsteinsäure mit minimalem Prozessemissionen zu ermöglichen. Die Elektrifizierung von Aufarbeitungsverfahren liefert den Grundstein für die nachhaltige Produktion von erneuerbaren Plattformchemikalien und bietet durch intelligente Sektorenkopplung Synergieeffekte zwischen der Chemiekalienherstellung und der Nutzung erneuerbarer Energien.The value chains of the chemical industry face a transformation from linear business models built on the utilization of fossil resources towards circular economy approaches. In this pivot, biotechnological processes and bio-based resources play a central role to replace the carbon losses in the material cycle. Carboxylic acids like succinic acid play a central role in microbial metabolism and are regarded as the tier-one group of next-generation platform chemicals. The implementation of such processes requires technological advances that ensure sustainable production of these chemicals at a large scale. Electrochemical separation technologies overcome waste emissions and enable clean and sustainable processing of carboxylic acids. The mitigation of environmental footprints is a crucial requirement to develop the process technologies which make industrial biotechnology successful and sustainable at the industrial scale.The electrochemical stability of mid-chain carboxylic acid enables cation recovery by direct pH swing electrolysis which introduces the driving force for subsequent separation by reactive extraction. The utilization of both electrode reactions makes closed-loop downstream process layouts viable. A proof of concept demonstrated the recovery of crystalline succinic acid with 94 w% from the electrolyte-containing solution.The integration of electrochemical pH swing reactive extraction and high-yield succinic acid fermentation has the potential to enable low carbon and potentially carbon-negative production of an important base chemical that can become a central building block for a circular chemical industry and create synergies by the integration of sustainable chemical production with renewable energy generation.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030688688
Interne Identnummern
RWTH-2024-00046
Datensatz-ID: 976173
Beteiligte Länder
Germany
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