Chemocatalytic Conversion of Biomass Derivatives to Organic Acids: Process Optimization and Concept Process Design

Abstract

Katalytisk produksjon av organiske syrer fra biomassederivater kan åpne for alternative veier for kjemikalier som tidligere har blitt produsert av petroleumsprodukter. I denne masteroppgaven vil en litteraturstudie samt en State of the art-studie bli presentert, som trekker frem de beste resultatene fra publiserte artikler innen katalytisk melkesyreproduksjon med biomassederivater som substrater.

De praktiske eksperimentene ble utført med ErCl3 som katalysator, hvor effekten av temperatur og trykk ble studert for omgjøring av glukose og dannelse av melkesyre, samt sekundærproduktene maursyre, eddiksyre, levulinic acid, og acetol og fruktose. Eksperimentene viser at melkesyreselektiviteten er sterkt knyttet til reaksjonstemperaturen samt katalysator-til-substrat ratio. Det høyeste utbyttet av melkesyre er målt til 97 % på karbon-basis, og ble oppnådd med 260 ◦C, 0.1 mmol katalysator, 0.1 g glukose, og 2 timer reaksjonstid, som er det høyeste utbyttet til nå.

De tekno-økonomiske aspektene til en katalytisk melkesyreprosess ble også studert ved hjelp av en konseptualisert prosess design for melkesyreproduksjon basert på 1 % av det årlige melkesyrekravet i året 2025. I denne masteroppgaven ble nødvendige ressursene estimert for katalytisk melkesyreproduksjon. De årlige variable kostnadene ble estimert til $ 29.8 millioner dollar, med en årlig inntekt på $ 60.5 millioner dollar. Prosessen hadde en internrente på 41.83 % med en tilbakebetalingstid på 2.3 år etter en investering på $ 52 millioner dollar. Profitabiliteten var svært sensitiv til endringer i innkjøpspris av substrat samt salgspris av produkt, og mindre sensitiv for endringer i katalysator pris, katalysator gjenbruk, og damppris. Det kan konkluderes at katalytisk produksjon av melkesyre er både lovende og økonomisk attraktivt.

Chemocatalytic production of organic acids from biomass derivatives could prove to be an excellent alternative to petrochemical-based consumer chemicals. In this thesis a literature review, as well as a state of the art study, were conducted, which highlighted the most promising research for chemocatalytic lactic acid production using biomass derivatives as substrates.

Experiments were conducted using a ErCl3 homogeneous catalyst which studied the effects of temperature and catalyst loading on the conversion of glucose and yield of lactic acid and the side products formic-, acetic-, levulinic acid, and acetol and fructose. The experiments show that lactic acid selectivity is highly dependent on temperature as well as catalyst-to-substrate ratio. The highest yield of lactic acid of 97 % on a carbon-atom basis was achieved at 260 ◦C, 0.1 mmol catalyst, 0.1 g glucose, and 2 hours reaction time, which is the highest yield reported so far.

Techno-economic feasibility of chemocatalytic lactic acid production was evaluated by process design and assessment of a conceptual process for chemocatalytic lactic acid production for producing 1 % of the global lactic acid demand projected for the year 2025. This thesis estimated the resource requirements and the costs to produce lactic acid through a chemocatalytic pathway. The yearly variable costs of production were calculated to be $ 29.8 million dollars, with the main product revenue of $ 60.5 million dollars. The process offered a 41.83 % internal rate of return, with a pay-back period of 2.3 years after a $ 52 million dollar investment. The profitability of the process was highly sensitive to the substrate purchase cost, as well as product sell price, while also being sensitive to the overall yield of lactic acid and catalyst cost and recycle times. In conclusion, the chemocatalytic conversion of glucose presents a promising and economically viable process for lactic acid production.