Liquid-phase dehydration of lactic acid for the production of bio-acrylic acid Development of a multi-step process

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-01-21
Issue Year
2019
Authors
Kehrer, Matthias
Editor
Abstract

This thesis deals with the development of a novel liquid-phase dehydration process of lactic acid (LA) for the production of bio-acrylic acid (AA). The approach of dehy- drating LA in the liquid phase is expected to offer advantages over so far existing gas-phase dehydration processes and may therefore provide a technical as well eco- nomically feasible and sustainable alternative to the incumbent petro-based route. The first part of this work provides a general introduction of the developed “NADA” technology, enabling the production of AA in a liquid phase process. The one-step and HBr-triggered dehydration of LA was realized in acidic bromide ionic liquids. Subsequently, current limitations of the process using LA as substrate were ad- dressed and a multi-step processing of the technology was conceptualized, based on the postulated reaction mechanism of the liquid-phase dehydration system. In the main part of this work, a multi-step liquid-phase dehydration process for the production of bio-AA from LA, proceeding via brominated LA-species, was devel- oped. The feasibility of splitting the “NADA” process into a spatially separated reac- tion sequence of the postulated mechanism was proven. Three individual reactions, namely bromination of LA, isomerization of 2- to 3-bromopropionic acid and dehy- drobromination of 3-bromopropionic acid to AA were developed and largely opti- mized, respectively. In this context, bromide ionic liquids played a crucial role as re- action medium and/or reactant. After evaluation of the multi-step approach from LA towards bio-AA via brominated LA-species, possibilities for potential process shortcuts were finally addressed. The presented results in this thesis contribute to the understanding of AA production from LA via brominated LA-species using (acidic) bromide ILs. The developed “NADA” technology is a novel, selective and sustainable way for the production of AA from LA, contributing to a future economic production of bio-AA.

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Flüssigphasen-Dehydratisierung von Milchsäure (LA) zur Produktion von biobasierter Acrylsäure (AA). Ein solcher und neuartiger Ansatz der Flüssigphasen-Reaktion bietet Vorteile gegenüber bestehender Gaspha- sen-Dehydratisierungsprozesse und kann damit als eine sowohl technisch wie auch ökonomisch attraktive und nachhaltige Alternative zum bestehenden und auf fossi- len Rohstoffen basierten Produktionsprozess von AA angesehen werden. Der erste Teil dieser Arbeit stellt eine allgemeine Einführung in die entwickelte “NADA”-Technologie dar, welche eine Produktion von AA aus LA in der Flüssig- phase ermöglicht. Die einstufige und durch HBr ausgelöste Dehydratisierung von LA wurde in sauren Bromid-Ionischen Flüssigkeiten (ILs) realisiert. Anschließend wur- den die aktuellen Limitierungen des Prozesses basierend auf dem Substrat LA her- ausgearbeitet und ein mehrstufiges Verfahren entworfen, wofür v.a. der postulierte Reaktionsmechanismus des Dehydratisierungssystems herangezogen wurde. Im Hauptteil dieser Doktorarbeit wurde die mehrstufige Flüssigphasen-Dehydrati- sierung von LA zu bio-AA entwickelt, welche über bromierte LA-Derivate verläuft. Innerhalb dieser Studie konnte die Machbarkeit der Auftrennung des „NADA“-Pro- zesses in eine räumlich getrennte Reaktionssequenz demonstriert werden. Genauer gesagt wurden die Bromierung von LA, die Isomerisierung von 2- zu 3-Brompropi- onsäure, sowie die Dehydrobromierung von 3-Brompropionsäure zu Acrylsäure, ent- wickelt und größtenteils optimiert. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der ein- zelnen Reaktionsschritte spielten Bromid-ILs eine besonders wichtige Rolle. Sie wur- den sowohl als Reaktionsmittel als auch als Reaktionspartner eingesetzt. Nach einer Beurteilung der entwickelten und mehrstufigen Prozessführung der “NADA”-Tech- nologie wurden abschließend mögliche Optimierungen hinsichtlich einer zweistufi- gen Prozessführung untersucht. Kurzzusammenfassung vii Die vorliegende Arbeit trägt entscheidend zum Verständnis der Dehydratisierung von LA zu AA in (sauren) Bromid-ILs mithilfe von bromierten LA-Spezies bei. Die entwickelte „NADA“-Technologie stellt eine neuartige, selektive und nachhaltige Möglichkeit zur Dehydratisierung von LA dar und liefert damit einen wichtigen Bei- trag zu einer künftigen ökonomischen Herstellung von bio-AA.

DOI
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