Carbon dioxide utilization in the food industry. Synthesis of carbohydrates and their precursors via photocatalytic reduction of carbon dioxide

• Main Author: Mosquera Canchingre, Alex
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH) 2020
• Subjects: CO2 utilization; photocatalysis; carbohydrates; artificial photosynthesis; sustainable food industry; CO2-användning; fotokatalys; kolhydrater; artificiell fotosyntes; hållbar livsmedelsindustri; Chemical Engineering; Kemiteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-282818

Today’s society strives to eliminate the carbon dioxide (CO2) emissions, which is the main greenhouse gas emitted through anthropogenic activities and contributes to climate change. In this project utilization of CO2 emissions from waste to energy plants to carbohydrates via photocatalytic reduction with water and further carbon coupling reactions is investigated. Two routes for the synthesis of carbohydrates have been investigated. Both methods use photocatalytic reduction of carbon dioxide to methanol and then proceed via different steps to produce carbohydrates or their precursors. The first route uses aldol condensation as the main method for the formation of carbon-carbon bonds and the second route is based on the formose reaction that uses formaldehyde as a reactant. The waste incineration plant selected for this study was the one located in Kil, Sweden. This plant processes 15590 tons of waste per year and emits 16366.5 tons of carbon dioxide per year. In order to separate carbon dioxide from the flue gas stream, MEA absorption was chosen as the best option due to its high efficiency. The presented processes have negative carbon dioxide emissions due to the fact that they convert of 16.4% of the waste incineration CO2 emissions into useful products and do not generate any emissions of their own. The aldol condensation pathway exhibits an efficiency of 1.3% when considering only food industry products and 2.5% when including other products that are useful to manufacture solvents, lubricants, or pharmaceuticals. The total amount of food industry products obtained is 3.9 kg/h with the energy requirements being was 159550 kJ/kgproduct. The formose reaction route yields 15.4 kg/h of only food industry products, mainly glucose, and exhibits an efficiency of 5%. The power requirements equal to 90099 kJ/kgproduct. The formose route was found to have higher yield and efficiency, and to be more energy consuming but also more energy efficient. Economic data was difficult to find due to the fact that photocatalytic processes are not commercial yet. === Dagens samhälle strävar efter att eliminera koldioxidutsläppen (CO2), som är den viktigaste växthusgasen som släpps ut genom antropogena aktiviteter och påverkar klimat. Den här projekten undersöker användning av koldioxidutsläpp från avfall till energianläggningar till produktion av kolhydrater via fotokatalytisk reduktion med vatten och ytterligare kolkopplingsreaktioner. Projekten utforskar två vägar för syntes av kolhydrater. Båda metoderna använda fotokatalytisk reduktion av koldioxid till metanol. Kolhydrater eller deras ursprungsmaterial syntetiseras via olika steg nedströms den fotokatalitiska processen. Den första vägen använder aldolkondensation som huvudmetod av kol-kolbindningar och den andra vägen baseras på formosreaktionen som använder formaldehyd som reaktant. Den avfallsförbränningsanläggning som valts ut för denna studie var den i Kil, Värmland, Sverige. Denna anläggning behandlar 15590 ton avfall per år och släpper ut 16366,5 ton koldioxid per år. För att separera koldioxid från rökgasströmmen valdes MEA-absorption som det bästa alternativet på grund av dess höga effektivitet. De presenterade processerna har negativa koldioxidutsläpp på grund av att de omvandlar 16,4% av koldioxid från avfallsförbränning till användbara produkter och inte genererar  egna utsläpp. Aldolkondensationsvägen uppvisar en effektivitet på 1,3% om man endast beaktar livsmedelsindustrins produkter och 2,5% om man gör andra produkter som är användbara för att tillverka lösningsmedel, smörjmedel eller läkemedel. Den totala mängden av livsmedelsprodukter är 3,9 kg / h och energibehovet är lika med 159550 kJ / kg produkt. Formosreaktionsvägen ger 15,4 kg / h av livsmedelsindustrin produkt, huvudsakligen glukos, och uppvisar en effektivitet på 5%. Effektkraven är lika med 90099 kJ / kg produkt. Formosvägen visade sig ha högre utbyte och effektivitet och vara mer energikrävande men också mer energieffektiv. Ekonomiska data var svåra att hitta på grund av att fotokatalytiska processorn ännu inte är kommersiell.