Lie algebras generated by extremal elements

We study Lie algebras generated by extremal elements (i.e., elements spanning inner ideals of L) over a field of characteristic distinct from 2. We prove that any Lie algebra generated by a finite number of extremal elements is finite dimensional. The minimal number of extremal generators for the Lie algebras of type An, Bn (n>2), Cn (n>1), Dn (n>3), En (n=6,7,8), F4 and G2 are shown to be n+1, n+1, 2n, n, 5, 5, and 4 in the respective cases. These results are related to group theoretic ones for the corresponding Chevalley groups.Comment: 28 page

The influences of surface temperature on upwellings in planetary convection with phase transitions

The importance of surface temperature for mantle convection appears with the presence of adiabatic heating and cooling and the release and consumption of latent heat in the presence of phase transitions. For some planetary bodies these effects cannot be neglected. The dimensionless surface temperature T0, which is the ratio between the temperature at the top of the convective region and the temperature drop across the mantle, is close to one for Mars and Venus. For the Earth, T0 lies between 0.2 and 0.5. The dynamical influence of T0 is especially poignant for internally heated convection with temperature-dependent viscosity. There is a tight coupling between the magnitude of the temperature field and the viscosity itself. We have studied temperature-dependent viscosity convection for both low-T0 (0.2) and high-T0 (1.2) situations and with internal heating in mantle convection with two upper-mantle phase transitions. Our results show that within this range of T0 there exist two regimes for the evolution of upwellings in the mantle. In transient situations plumeplume collisions lead to the formation of megaplumes for high-T0 regimes but are less likely to do so for low T0. In the long-term regime, plumes with low T0 are prone to develop from the transition zone with a supply of hot material coming from the shallow lower mantle. In systems with high T0, however, long-lived plumes tend to have deeper mantle origins. In quasi-layered situations high T0 may act as a positive feed-back mechanism in inducing powerful hot upwellings into the upper mantle. Ó 1998 Elsevier Science B.V. All rights reserved

Umsetzung von Lignocellulosen zu Hydroxymethylfurfural in einer hydrothermalen Bioraffinerie

Hydroxymethylfurfural (HMF) wird als eine der wichtigsten bio-basierten Plattformchemikalien angesehen. Ziel der Arbeit ist ein Verfahren zur Gewinnung von HMF auf Basis von Lignocellulosen in Wasser zu entwickeln. Lignocellulosen, das heißt Holz oder Halmgüter, bestehen aus einem komplexen Verbund von Lignin, Hemicellulosen und Cellulose. Dieser komplexe Verbund muss zunächst aufgeschlossen werden, denn nur Hexosen, die in Cellulose und Hemicellulosen vorhanden sind, können als Ausgangsmaterial für HMF dienen (vgl. Abbildung 0.1). Die zweite Herausforderung besteht darin, dass Cellulose ein Polymer der Glucose, und nicht der Fructose, ist. Ein Blick in die Literatur zeigt, dass Glucose nur sehr langsam, möglicherweise nur über die Isomerisierung zu Fructose, zu HMF reagiert. Glucose sollte folglich zunächst in Fructose umgewandelt werden. Zunächst wurde der säurekatalysierte Aufschluss von Hölzern in einer halbkontinuierlichen Laboranlage untersucht. Die Cellulose wird bei 180 °C mit 0,05 mol/l H2SO4 nur langsam zu Glucose hydrolysiert. Bei 200 °C ist die Cellulose nach knapp 2 h vollständig abreagiert und bei 220 °C verkürzt sich dies auf 40 min. Die Hemicellulosen sind ohne Zugabe eines Katalysators unter hydrothermalen Bedingungen bei 180 °C noch größtenteils stabil, werden bei 220 °C aber hydrolysiert. Die Ausbeute von Glucose beim Aufschluss mit 0,05 mol/l H2SO4 erreicht nach 40 min Reaktionszeit bei einer mittleren Hydrolysetemperatur von 200 °C den höchsten Wert. Die Ausbeute ist bei 180 °C niedriger, während bei 220 °C Glucose in Folgereaktionen abgebaut wird. So steigen beispielsweise die Ausbeuten an Lävulinsäure und Ameisensäure an. Durch die Vorbehandlung von Holz mittels Steam-Explosion sollte die Zugänglichkeit der Cellulose-Fasern erhöht werden, damit die Hydrolyse der Cellulose zu Glucose in kürzerer Reaktionszeit abläuft. Trotz einer „Aufsprengung“ der Macrofibrillen in der Lignocellulosen-Struktur durch die Steam-Explosion kam es nicht zu einer Erhöhung der Hydrolysegeschwindigkeit der Cellulose. Bei der Isomerisierung von Glucose wurden die besten Fructoseausbeuten mit dem heterogenen Katalysator Hydrotalkit erzielt. In Parameterstudien mit reinen Glucose-Lösungen unter pH-neutralen Bedingungen wurden 25 Ma.-% Fructoseausbeute bei 38 Ma.-% Glucoseumsatz erreicht (Massenverhältnis von Hydrotalkit zu Glucose von 0,2 bei 90 °C für 60 min). Durch vorherige Neutralisation der sauren Produktflüssigkeit aus dem Aufschluss ist es gelungen, säurekatalysierte Nebenreaktionen der Glucose, welche während der Isomerisierung ablaufen, drastisch zu reduzieren. Bei der Neutralisation fallen nur geringe Mengen an organischen Verbindungen aus. Allerdings ist als Neutralisationsmittel NaOH gegenüber Ba(OH)2 zu favorisieren, denn es werden nach NaOH-Neutralisation höhere Fructoseausbeuten bei der Isomerisierung erhalten (16 Ma.-% Fructoseausbeute, 32 Ma.-% Glucoseumsatz). Für eine technische Realisierung der HMF-Synthese aus Hexose-Zuckern sind moderate Reaktions-bedingungen zu wählen, bei denen die Summe der Nebenprodukte möglichst gering ist. Dies können beispielsweise 200 °C und 14 min bei Katalyse mit 0,005 mol/l Schwefelsäure sein. Durch eine numerische Optimierung werden die Geschwindigkeitskonstanten eines Reaktionsmodells von Zuckern zu HMF bestimmt. Dieses Modell liefert einen Einblick in die Bildung der nicht charakterisierten Nebenprodukte. Diese Nebenprodukte entstehen laut der Kinetik vor allem ausgehend von HMF und weniger direkt von den Monosacchariden. Es wurden zwei Machbarkeitsstudien für die Teilschritte (1) Lignocellulosen zu Zuckern sowie (2) Zucker zu HMF einer hydrothermalen Bioraffinerie durchgeführt. Für die erste Machbarkeitsstudie zum Aufschluss von Lignocellulosen zu Zuckern bilden die Rohstoffkosten für Holz den größten Kostenposten. Hexosen sind nicht wirtschaftlich aus Lignocellulosen herstellbar, wenn sie das einzige Wertprodukt des Prozesses sind, insbesondere wenn der Vergleich mit dem Import von Zuckern wie Saccharose gezogen wird. Eine Vermarktung der Ligninfraktion ist dabei für eine wirtschaftliche Bioraffinerie unerlässlich. In einer zweiten Machbarkeitsstudie wurde die Herstellung von HMF aus Saccharose untersucht, wobei ein Kreisprozess inklusive Abtrennung von HMF projektiert wurde. Bei den hier bestimmten HMF-Herstellungskosten von 4,30 €/kgHMF sind die beiden größten Posten die Eduktkosten sowie die Energiekosten. Erst danach folgen die Abschreibungskosten für die Anlage

Is Steam Explosion a Promising Pretreatment for Acid Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass?

For the production of sugars and biobased platform chemicals from lignocellulosic biomass, the hydrolysis of cellulose and hemicelluloses to water-soluble sugars is a crucial step. As the complex structure of lignocellulosic biomass hinders an efficient hydrolysis via acid hydrolysis, a suitable pretreatment strategy is of special importance. The pretreatment steam explosion was intended to increase the accessibility of the cellulose fibers so that the subsequent acid hydrolysis of the cellulose to glucose would take place in a shorter time. Steam explosion pretreatment was performed with beech wood chips at varying severities with different reaction times (25–34 min) and maximum temperatures (186–223 °C). However, the subsequent acid hydrolysis step of steam-exploded residue was performed at constant settings at 180 °C with diluted sulfuric acid. The concentration profiles of the main water-soluble hydrolysis products were recorded. We showed in this study that the defibration of the macrofibrils in the lignocellulose structure during steam explosion does not lead to an increased rate of cellulose hydrolysis. So, steam explosion is not a suitable pretreatment for acid hydrolysis of hardwood lignocellulosic biomass

Acid hydrolysis of lignocellulosic biomass: Sugars and furfurals formation

Hydrolysis of lignocellulosic biomass is a crucial step for the production of sugars and biobased platform chemicals. Pretreatment experiments in a semi-continuous plant with diluted sulphuric acid as catalyst were carried out to measure the time-dependent formation of sugars (glucose, xylose, mannose), furfurals, and organic acids (acetic, formic, and levulinic acid) at different hydrolysis temperatures (180, 200, 220° C) of one representative of each basic type of lignocellulose: hardwood, softwood, and grass. The addition of the acid catalyst is followed by a sharp increase in the sugar concentration. Xylose and mannose were mainly formed in the initial stages of the process, while glucose was released slowly. Increasing the reaction temperature had a positive effect on the formation of furfurals and organic acids, especially on hydroxymehtylfurfural (HMF) and levulinic acid, regardless of biomass type. In addition, large amounts of formic acid were released during the hydrolysis of miscanthus grass. Structural changes in the solid residue show a complete hydrolysis of hemicellulose at 180° C and of cellulose at 200° C after around 120 min reaction time. The results obtained in this study can be used for the optimisation of the hydrolysis conditions and reactor design to maximise the yields of desired products, which might be sugars or furfurals

Isomerization of Glucose to Fructose in Hydrolysates from Lignocellulosic Biomass Using Hydrotalcite

The isomerization of glucose-containing hydrolysates to fructose is a key step in the process from lignocellulosic biomass to the platform chemical hydroxymethylfurfural. We investigated the isomerization reaction of glucose to fructose in water catalyzed by hydrotalcite. Catalyst characterization wasperformedvia IR, XRD, and SEM. Firstly, glucose solutions at pH-neutral conditions were converted under variation of the temperature, residence time, and catalyst loading, whereby a maximum of 25 wt.% fructose yield was obtained at a 38 wt.% glucose conversion. Secondly, isomerization was performed at pH = 2 using glucose solutions as well as glucose-containing hydrolysates from lignocellulosic biomass. Under acidic conditions, the hydrotalcite loses its activity for isomerization. Consequently, it is unavoidable to neutralize the acidic hydrolysate before the isomerization step with an inexpensive base. As a neutralizing agent NaOH is preferred over Ba(OH)2, since higher fructose yields are achieved with NaOH. Lastly, a pH-neutral hydrolysate from lignocellulose was subjected to isomerization, yielding 16 wt.% fructose at a 32 wt.% glucose conversion. This work targets the application of catalytic systems on real biomass-derived samples

Steam Explosion Conditions Highly Influence the Biogas Yield of Rice Straw

Straws are agricultural residues that can be used to produce biomethane by anaerobic digestion. The methane yield of rice straw is lower than other straws. Steam explosion was investigated as a pretreatment to increase methane production. Pretreatment conditions with varying reaction times (12–30 min) and maximum temperatures (162–240 °C) were applied. The pretreated material was characterized for its composition and thermal and morphological properties. When the steam explosion was performed with a moderate severity parameter of S0 = 4.1 min, the methane yield was increased by 32% compared to untreated rice straw. This study shows that a harsher pretreatment at S0 > 4.3 min causes a drastic reduction of methane yield because inert condensation products are formed from hemicellulose

Solubility and selectivity effects of the anion on the adsorption of different heavy metal ions onto chitosan

The biopolymer chitosan is a very efficient adsorber material for the removal of heavy metal ions from aqueous solutions. Due to the solubility properties of chitosan it can be used as both a liquid adsorber and a solid flocculant for water treatment reaching outstanding adsorption capacities for a number of heavy metal ions. However, the type of anion corresponding to the investigated heavy metal ions has a strong influence on the adsorption capacity and sorption mechanism on chitosan. In this work, the adsorption capacity of the heavy metal ions manganese, iron, cobalt, nickel, copper, and zinc were investigated in dependence on their corresponding anions sulfate, chloride, and nitrate by batch experiments. The selectivity of the different heavy metal ions was analyzed by column experiments. © 2020 by the authors