Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften
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Bioraffinerie - Aufkonzentrierung und Reinigung mit Membranen

Ausgangslage

Lignozellusebasierende Bioraffinerien beabsichtigen, analog zu konventionellen Raffinerien, mittels einer Folge von Prozessen, wertgesteigerte Produkte aus einer erneuerbaren, lignozellulosischen Ressource herzustellen. Ihre Produkte sind Rohstoff für die chemische Industrie, Nahrungs- und Futtermittelherstellung oder Biokraftstoffe. Vorteile lignozellulosebasierender Bioraffinerien sind, dass deren Rohstoffe oft günstig und als Nebenprodukte der Forst- und Landwirtschaft leicht erhältlich sind, und dass sie eine breite Produktpalette bieten. Lignozellulosische Biomasse besteht aus drei Hauptkomponenten – Zellulose, Hemizellulose, Lignin – in welche sie aufgespalten werden muss, bevor sie in bestimmte Produkte weiterverarbeitet werden können.

Zielsetzung

In diesem Projekt sollen Membranverfahren, insbesondere Nanofiltration zur Konzentrierung und Reinigung von Prozesströmen in Lignozellulosebioraffinerien untersucht warden, mit dem Ziel, Produkte abzutrennen, aber auch Einsparungen bei Energie- und Betriebsmittelbedarf zu erzielen.

Die Untersuchung des Beitrag von Nanofiltration zur Verbesserung der Ligninabscheidung mittels Fällung aus der Organosolvlösung ist ein weiterer Schwerpunkt.

Umsetzung

Nanofiltration

Modelllösungen und Organosolvlösungen werden in unserem Labor hergestellt und in einer Labormembrananlage gefiltert. Dabei werden die Betriebsbedingungen kontrolliert und die Produktströme analysiert.

 

 

Fließschema der Filtrationsanlage

 

Der transmembrane Fluss sinkt mit ansteigender Ligninkonzentration. Der Ligninrückhalt lag, ausser bei Ausreissern, immer über 98 %. Ligninrückhalt und transmembraner Fluss sind in der folgenden Grafik dargestellt:

 

 

Ligninrückhalt (a) und transmembraner Fluss (b) bei Nanofiltration von Modelllösungen, in Abhängigkeit von der Ligninkonzentration.

 

Die Versuche mit Modelllösungen deuten an, dass ein Rückhalt von 99 % mit der verwendeten NF270 Membran für eine reale Organosolvlösung erzielt werden kann. Aber da in der realen Lösung auch Oligosaccharide, Abbauprodukte, Ligninfragmente und wahrscheinlich auch Lignin-Kohlehydratverbindungen anwesend sind, wird Fouling auftreten, wenn die Organosolvlösung mit Membranen ohne vorhergehende Behandlung aufkonzentriert wird.

 

 

Nanofiltration einer realen Organosolvlösung

 

Prozesssimulation

Die experimentelle Arbeit wird durch Prozesssimulation in ASPEN Plus® unterstützt. Zur Berechnung von Massen- und Energiebilanzen wurde ein Fließschema für einen gesamten Organosolvprozess mittels ASPEN Plus® erstellt. Die Simulationsarbeit untersucht, inwiefern die Vorkonzentrierung der Lösung vor der Fällung den Energie- und Chemikalienbedarf beeinflusst. Dazu wurden verschiedene Schnittverhältnisse der Membraneinheit berücksichtigt (15%, 50 %, 80 %). Abhängig vom Schnittverhältnis, gehen bestimmte Mengen des Lignins im Retentat „verloren“ (Sie erreichen den Fällungsschritt nicht), jedoch wird auch die nötige Menge Schwefelsäure für die Fällung reduziert. Die Betriebskosten, nicht nur für die Chemikalien, sonder auch für Anlagen und Wärme können durch die Verkleinerung des Volumens im Fällungsschritt deutlich reduziert werden.

 

Kontakt:

Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Anton Friedl

Mitarbeiter:

Dipl.-Ing. Dr. Felix Weinwurm