Conversion of tertiary cellulose to bio-based chemicals
Van tertiaire cellulose naar bio-based producten
In haar proefschrift richt Elchin Jafariyeh Yazdi zich op hergebruik van afvalstoffen. Ze werkte met tertiaire cellulose teruggewonnen uit een rioolwaterzuiveringsinstallataie (RWZI), en zette dit enzymatisch om naar glucose. Het materiaal bevat ~57% cellulose, heeft lage kristalliniteit en leverde tot 98 mol% glucose bij 5% vaste-stofbelasting zonder voorbehandeling. Milde alkalische voorbehandeling verwijderde lignine en hemicellulose, maar verbeterde de opbrengst niet en veroorzaakte celluloseverlies. Een fed-batch-strategie verminderde massatransportbeperkingen en hield de productie stabiel bij hogere belasting.
Om hoge enzymkosten te reduceren onderzocht Jafariyeh Yazdi enzymrecycling. Ultrafiltratie maakte hergebruik mogelijk, maar efficiëntie werd beperkt door enzymadsorptie, inactivatie en productremming. Lage substraat-enzymverhoudingen gaven hoge opbrengsten en betere terugwinning, terwijl hoge verhoudingen de prestaties verminderden.
Met een techno-economische analyse met vijf continu geroerde tankreactoren en enzymrecycling vergeleek Jafariyeh Yazdi 2% en 10% vaste-stofbelasting. Het 10%-scenario was economisch het gunstigst: 448 g/L glucose, 88% zuiverheid, verkoopprijs €1/kg, terugverdientijd 5 jaar en 18% rendement in het eerste jaar.
Voor fractionering paste Jafariyeh Yazdi diepe eutectische oplosmiddellen (DES) toe. Thermische analyse toonde dat tertiaire cellulose een complex degradatieprofiel heeft door zijn heterogene aard, terwijl microkristallijne cellulose eenvoudiger thermisch gedrag vertoont, passend bij hoge kristalliniteit.
De optimale DES-formulering voor delignificatie was [1 ChCl:1 BA:1 PEG-400] bij 120 °C, 3 uur. FTIR- en DTG-analyses bevestigden het effect, waarschijnlijk door synergie tussen polyethyleenglycol en boorzuur. Enzymatische en zure hydrolyse na DES-behandeling leverden echter minder glucose op, wat wijst op beperkte cellulose-toegankelijkheid ondanks lignineverwijdering. Verdere optimalisatie is nodig om de hydrolyse-efficiëntie te verbeteren.
Elchin Jafariyeh Yazdi voerde haar onderzoek uit bij het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG), afdeling Chemische Technologie, gefinancierd vanuit topsector Energie. Ze vervolgt haar loopbaan als researcher bij CEW leeuwarden.