Process integration and intensification of electrochemical reactions for biomass valorization

Harhues, Tobias; Vermaas, David A.; Wessling, Matthias

doi:HT030822019

Process integration and intensification of electrochemical reactions for biomass valorization = Prozessintegration und -intensivierung von elektrochemischen Reaktionen zur Verwendung von Biomasse

Harhues, Tobias^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Harhues

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering ; 44

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Vermaas, David A. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-06-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06302
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/988599/files/988599.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
2-Butanone (frei) ; Acetoin (frei) ; FDCA (frei) ; HMF (frei) ; biomass valorization (frei) ; electrochemistry (frei) ; paired electrolysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Fossile Ressourcen als Kohlenstoffquelle der chemischen Industrie sind eine der Hauptursachen der weltweiten CO2-Emissionen. Der Austausch von fossilen durch nachhaltigen Kohlenstoffquellen wie hemizellulosehaltige Biomasse kann diese drastisch reduzieren. Dafür sind neuartige Verfahren und Produkte notwendig, die sich im Konzept der Bioraffinerie bündeln. Darin finden sich aber keine elektrochemischen Umwandlungsmethoden, da die Forschung zu elektrochemischen Reaktionen bisher auf Katalysator- und Reaktorebene beschränkt ist. Diese Arbeit beschreibt die Integration elektrochemischer Prozesse in zwei Prozessketten zur Herstellung von 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) und 2-Butanon. Sie zeigt, dass durch die Integration mit vorangehenden chemokatalytischen oder mikrobiellen Prozessen Aufreinigungsschritte in den Prozessketten eliminiert werden können. Darüberhinaus wird ein strukturierter Ansatz für die gepaarte Elektrolyse zur Verwertung von Biomasse entwickelt und umgesetzt. Diese demonstriert das Potential zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz der elektrochemischen Prozesse. Für die elektrochemische Reduktion von Acetoin zu 2-Butanon wurde der Fermentationsüberstandaus der mikrobiellen Synthese von Acetoin direkt als Elektrolyt verwendet. Der pH-Wert im Elektrolyseur wurde an den Fermentationsüberstand angepasst, womit eine Ausbeute von 45% erreicht wurde. Anschließend wurde die Fermentation in einem Minimalmedium durchgeführt, um die Ausbeute der elektrochemischen Reduktionweiter zu erhöhen, die daraufhin auf über 50% gesteigert werden konnte. Zur Synthese von FDCA wurde Hydroxymethylfurfural (HMF) über die organische Produktphase aus der HMF Synthese ohne Aufreinigung genutzt. In der Zelle konnte einem zweiphasigen Elektrolysesystem eine Ausbeute von über 70% erreicht werden. Ein Swiss-Roll-Reaktor erhöhte die Raum-Zeit-Ausbeute um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu einem planaren Reaktor bei sehr geringen Ausbeuteverlusten. Schließlich wurde ein strukturierter Ansatz zur Paarung der beiden elektrochemischen Reaktionen entwickelt. Nach der Etablierung eines stabilen Prozesses durch die Wahl einer bipolaren Membran und geeigneter Reaktionsbedingungen konnte die Reaktantenkonzentration auf industriell relevante Werte von bis zu 0.5 mol L-1 FDCA und 2-Butanon bei einer Ausbeute von über 90% für FDCA und 35% für 2-Butanon bei einer Stromdichte von 150 mA cm-2 erhöht werden. Durch die Integration der elektrochemischen Prozesse mit der Synthese der Edukte zeigt diese Arbeit, das Potential von elektrochemischen Reaktionen in Prozessketten zur Verwertung von Biomasse. Darüber hinaus konnte diese Arbeit zeigen, dass elektrochemische Prozesse die Möglichkeit bieten, Zwischenreinigungen zu umgehen und so die Effizienz der Prozesskette zu erhöhen. Die Prozessintensivierung durch gepaarte Elektrolyse kann die Energieeffizienz weiter erhöhen, so dass die auf nachhaltigen Kohlenstoffen basierenden Produkte und Prozesse zur Defossilisierung der chemischen Industrie beitragen können.

The consumption of fossil resources as the carbon feedstock for the chemical industry is a major source of the global CO2 emissions that can be counteracted by replacing fossil carbon with sustainable sources such as hemicellulosic biomass. However, the replacement requires novel processes and, in part, products that have been proposed with the concept of the biorefinery. Yet, these processes do not include electrochemical conversion methods, as research on electrochemical reactions has mostly been limited to the catalyst and reactor levels. Their implementation into process chains still needs to be demonstrated. This work aims to integrate electrochemical processes into two process chains to yield 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) and 2-butanone. It reveals the possibility of eradicating intermediate purification steps when integrating electrochemical conversion with the preceding chemocatalytic or microbial processes. Additionally, a structured approach towards paired electrolysis for biomass valorization is presented and implemented to combine the two reactions and show the potential to increase the energy efficiency of paired electrolysis. For the reduction of acetoin to 2-butanone, the fermentation supernatant from the microbial synthesis of acetoin was directly used as the electrolyte without intermediate purification. The pH in the electrochemical cell was adapted to the fermentation supernatant, which resulted in a yield of 45%. To increase the yield further, the fermentation was carried out in a minimal medium, leading to a yield of above 50% 2-butanone in the electrochemical conversion step. Similarly, for the synthesis of FDCA, hydroxymethylfurfural(HMF) was supplied to the electrochemical cell via the organic product mixture of its synthesis. In the cell, it was oxidized to FDCA in the biphasic electrolytic system with a yield of over 70%. A so-called swiss roll reactor increased the space-time yield by more than one order of magnitude compared to a planar reactor at only very little loss of yield. Lastly, a structured approach to pair the two electrochemical reactions was developed. A stable process could be established through the choice of a bipolar membrane and appropriate reaction conditions. The product concentration could be increased to industrially relevant values of up to 0.5 mol L-1 FDCA and 2-butanone at a yield above 90% for FDCA and 35% for 2-butanone at a current density of 150 mA cm-2. With the integration of the electrochemical processes with chemocatalytic and microbial process steps, this work demonstrates that electrochemical reactions can be integratedin to process chains to valorize biomass. Moreover, electrochemical processes offer the possibility to mitigate intermediate purification and increase the efficiency of the process chain. The intensification of these reactions through paired electrolysis can further increase process efficiency so that the products and processes based on sustainable carbons can contribute to the defossilization of the chemical industry.

OpenAccess:
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