Untersuchung der Rückgewinnung von Produkten aus der ABE-Fermentation mittels Pervaporation

Abstract

In dieser Arbeit sollen zwei verschiedene Membranen in zwei unterschiedlichen Membranmodulen auf ihre Eignung, Aceton, Butanol und Ethanol (ABE) aus einer wässrigen Lösung abzutrennen, getestet werden. Außerdem soll der Einfluss von verschiedenen Komponenten auf die Leistungsfähigkeit geprüft werden. Bei der sogenannten ABE-Fermentation werden biofermentativ Aceton, Butanol und Ethanol erzeugt. Diese Komponenten sind wichtige Grundchemikalien und sollen mit diesem Ansatz aus nachwachsenden Rohstoffen produziert werden. Zur anschließenden Abtrennung der Lösungsmittel aus dem wässrigen Medium ist die Pervaporation eine vielversprechende Technik. Dabei wird die Lösung über eine Membran geleitet, durch die nur die gewünschten Komponenten hindurchgelangen können. Zwei Membranmaterialien, die für die dargelegte Trennaufgabe sehr vielversprechend erscheinen, sind Polyoktylmethylsiloxan (POMS) und Polydimethylsiloxan (PDMS). Hier wurde eine experimentelle POMS-Flachbettmembran von dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht (Deutschland) und ein Hohlfasermodul mit eingebauten PDMS-Membranen der Firma PermSelect - MedArray, Inc (USA) getestet. Die Membranen wurden in eine Pervaporationsanlage im Labormaßstab eingebaut und auf unterschiedliche Parameter untersucht. Nach der Testung der Leistungsfähigkeit mit ausschließlich ABE in Wasser, ist anschließend der Einfluss von Glucose, Ammoniumchlorid, Essigund Propionsäure auf die Membranen getestet worden. Die Essigund Propionsäure Versuchsreihen sind jeweils bei einem pH-Wert von 7, 5 und 3,5 durchgeführt worden, um somit den Einfluss des pH-Werts zu berücksichtigen. Alle betrachteten Komponenten sind auch in realen Fermentationsbrühen enthalten und können daher bei einer Inline-Abtrennung einen Einfluss auf die Membran ausüben. Um die Membran zu charakterisieren, sind der transmembrane Fluss, der Trennund Anreicherungsfaktor sowie die Permeanz und die Permselektivität berechnet worden. Damit können sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Wechselwirkungen der Membran mit den einzelnen Komponenten charakterisiert werden. Im Anschluss an die Experimente sind beide Membranen noch mittels Rasterelektronenmikroskop untersucht worden, um ihre Dicke zu ermitteln, damit die Permeabilitäten berechnet werden können. Beide Membranen sind im gesamten betrachteten pH-Wertebereich und gegenüber allen getesteten Substanzen stabil. Die POMS-Membran zeigt einen negativen Einfluss bei der Zugabe von Glucose. Schon die niedrigste gemessene Glucosekonzentration von 50 g/l führt zu einem Sinken des Flusses sowie der Permselektivität von ABE zu Wasser. Dieser Effekt ist jedoch reversibel und entsteht möglicherweise durch eine von der Glucose ausgelöste Polarisation an der Membran. Die PDMS-Membran hingegen zeigt keinen Effekt durch die Zugabe von Glucose. Dafür sinkt die Leistungsfähigkeit bei Zugabe der Säuren bei einem pH-Wert von 3,5. Die POMS-Membran zeigt die höchste Permeabilität für Wasser und ist somit nicht selektiv für ABE. Damit ist die Trennung schlechter als man durch das Flüssig-Dampf-Gleichgewicht erwarten würde. Aus diesem Grund ist die untersuchte POMS-Membran schlechter für die Trennung von ABE und Wasser geeignet als die betrachtete PDMS-Membran. Die PDMS-Membran hingegen ist selektiv für Butanol, nicht jedoch für Aceton und Ethanol. Da Butanol jedoch das Hauptprodukt ist, ist die Membran für das dargelegte Trennproblem geeignet.

In this work, two membranes in two different modules are examined on their suitability to separate acetone, butanol und ethanol from an aqueous solution. Furthermore, the influence of different components on the performance is tested. In ABE fermentation, acetone, butanol and ethanol are produced via fermentation. These substances are important base chemicals and can be produced from renewable resources through this process. For the separation of the solvents from the aqueous solution, pervaporation is an interesting technique. The solution is pumped over a membrane that should only let specific components through. Membrane materials that seem to show promise for this separation are polyoctylmethlysiloxane (POMS) und polydimethylsiloxan (PDMS). In this thesis an experimental POMS flat sheet membrane by Helmholtz-Zentrum Geesthacht (Germany) and a hollowfiber module with a PDMS membrane by PermSelect - MedArray, Inc (USA), have been tested. The membranes were built into a lab-scale pervaporation plant and multiple experiments were performed. First the membranes have been brought into contact with only pure ABE in water. Than the influence of glucose, ammonium chloride as well as propionicand acetic acid on the membrane have been examined. Experiments with aceticand propionic acid are carried out at the pH values of 7, 5 und 3.5, so as to also include the influence of different pH values on the membranes. These specific components have been chosen since they are also present in real fermentation booths. The parameters chosen for the characterization of the membranes include the transmembrane flux, separation and enrichment factor, as well as the permeance and permselectivity. Thus, it is possible to draw conclusions on the productivity of the membranes as well as the interactions with the different components. In a next step, scattering electron microscopy has been performed on the membranes to measure their thickness and thus be able to calculate the permeability. Both membranes are stable in the whole tested pH range and against all added substances. The POMS membrane is negatively influenced by the addition of glucose. Even at the lowest used glucose concentration of 50 g/l, there is a measurable decline of the flux as well as the permselectivity of ABE to water. This effect is reversible and may be caused by polarization. Contrary to that the PDMS shows no effect at the addition of glucose. But the addition of the acids at the pH value of 3.5 causes a lower performance. The permeability shows that the POMS membrane has the highest affinity to water and thus is not selective for ABE. Therefore, the separation is worse than predicted by the vapor-liquid-equilibrium. Which is the reason why this membrane is less suited for the separation of water and ABE than the PDMS membrane. The PDMS membrane is selective for butanol but not for acetone and ethanol. Since butanol is the main focus of the separation, this membrane is suited for this separation problem.