Analysis of the influence of different membrane materials during product recovery from ABE fermentation with organophilic pervaporation

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit werden zwei kommerzielle Flachmembranen auf ihre Fähigkeit untersucht Aceton, Ethanol und Butanol aus einer wässrigen Lösung abzutrennen. Des Weiteren wird der Einfluss von zusätzlichen Komponenten in der wässrigen Lösung untersucht. Bei der Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) Fermentation wandeln Clostridium Bakterien Zucker oder Stärke aus dem Ausgangsmaterial in die besagten Lösemittel um. Aceton, Butanol und Ethanol sind wichtige Grundchemikalien und um diese aus der Fermentationslösung zu extrahieren ist Pervaporation eine vielversprechende Technologie. Zur Abtrennung organischer Komponenten sind Polyoctylmethylsiloxan (POMS) und Polydimethylsiloxan (PDMS) Membranen vielversprechende Optionen. In dieser Arbeit sind je eine POMS und eine PDMS Membran des Unternehmens Pervatech BV auf ihre Eignung zur Abtrennung von organischen Komponenten aus einer wässrigen Lösung untersucht worden. Die Membranen wurden hierfür in einer Pervaporationsanlage im Labormaßstab getestet. Im Zuge der Versuche wurden die Membranen zunächst nur purem ABE in einer wässrigen Lösung ausgesetzt. In darauffolgenden Experimenten wurden der Einfluss von Glukose, Ammoniumchlorid, Essigsäure, Propionsäure sowie unterschiedlicher pH-Werte untersucht. Zur Beurteilung der Membranen wurde der transmembrane Fluss, die Permeanz, die Permselektivität sowie der Trennfaktor jeder Komponente ausgewertet. Die Experimente zeigen, dass die POMS Membran stark von Glukose beeinflusst wird. Des Weiteren verliert die Membran ihre hydrophoben Eigenschaften und wird stark durchlässig für Wasser. Für die Abtrennung von ABE ist diese Membran daher nicht geeignet. Hingegen weist die PDMS Membran eine gute Abtrennung der organischen Komponenten auf und zeigt keinerlei Veränderung. Zusätzlich wurde in Aspen Custom Modeler ein Pervaporationsmodell erstellt. In diesem Modell wird ein diskretisiertes Membranmodul mit einer beliebigen Anzahl an Zellen simuliert. Erforderlich für die Simulation sind die Permeanzen aller Komponenten sowie die Gesamtmembranfläche. Das Modell berechnet anschließend in jeder Zelle die Massenbilanzen an der Feedund Permeatseite der Membran, sowie den auftretenden transmembranen Fluss. Das Modell zeigt ein stabiles Verhalten und alle Ergebnisse konvergieren.

In this work two commercial flat module membranes are examined for their capability to remove acetone, ethanol and butanol from an aqueous solution. Also, the presence of certain components in the aqueous solution and their effects on the removal of the solvents are evaluated. At the acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation clostridia bacteria feed on the sugar or starch provided in the feedstock to produce these solvents. Acetone, butanol and ethanol are important base chemicals and to separate them from the fermentation broth, pervaporation proves to be an interesting technique. Polyoctylmethylsiloxane (POMS) and polydimethylsiloxane (PDMS) membranes show promise in the separation of organic solvents from water. In this thesis a POMS and a PDMS membrane from Pervatech BV are tested for their ability to separate solvents from aqueous solutions. The membranes have been tested in a lab-scale pervaporation plant, where multiple experiments were performed. During the initial experiments the membranes only come into contact with ABE in water. In the following experiments the influences of glucose, ammonium chloride, acetic acid, propionic acid and varying pH-values are examined. For the evaluation of the membrane performance the transmembrane flux, the permeance, the permselectivity and the separation factor of each component is considered. The POMS membrane is negatively affected by the presence of glucose. Also, the membrane loses its hydrophobic properties over time. Therefore, the POMS membrane is not suitable for the separation of ABE. However, the PDMS membrane shows no change over time and provides good separation for ABE. In addition, a Pervaporation model was programmed in Aspen Custom Modeler. In this model a discretised membrane module with a desired number of cells is simulated. The required input for the model is the permeances of each component and the overall membrane area. In each cell the model calculates the mass balances on the feed and on the permeate side of the membrane module, as well as the occurring transmembrane flux. The results of the model are stable and converge.