Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahrensentwicklung zur Produktion von Ethylacetat aus Molkenrückständen – Mikrobielle Ester-Synthese und innovative prozessintegrierte Produktabtrennung

Bei der Milchverarbeitung fallen in Deutschland p. a. rd. 12,6 Mio. t Molke an. Molke enthält je nach Typ 3-9 g/L Molkenproteine, etwa 50 g/L Lactose sowie Mineralstoffe und stellt somit einen wertvollen Rohstoff dar. Bei der Gewinnung von Molkeninhaltsstoffen ist die Abtrennung der Proteine durch Ultrafiltration häufig der erste Schritt. Aus dem Permeat kann nach Aufkonzentrierung ein großer Teil der Lactose kristallisiert werden. In diesem Fall verbleibt nach Abtrennung der Lactosekristalle die Mutterlauge, deren Weiterverwertung wegen ihres hohen Salzgehaltes als problematisch gilt. Konzentriertes Molkenpermeat sowie die Mutterlauge sind jedoch interessante Rohstoffquellen für biotechnologische Stoffumwandlungen.

Ziel des Vorhabens ist es, ein wirtschaftlich arbeitendes Verfahren zu entwickeln, das die in konzentriertem Molkenpermeat und Mutterlauge enthaltene Lactose mikrobiell zu Ethylacetat konvertiert und mit einer prozessintegrierten Produktgewinnung über ein innovatives Membranverfahren koppelt. Damit sollen diese Molkenreststoffe in ein marktfähiges Produkt überführt werden.

Das bei der Molkenverarbeitung anfallende Permeat und vor allem die bei der Lactosekristallisation aus konzentriertem Molkenpermeat anfallende Mutterlauge weisen bisher nur ein eingeschränktes Wertschöpfungspotenzial auf. Der hohe Mineralstoffgehalt schränkt Verwendungsmöglichkeiten stark ein und die Entsorgung verursacht hohe Kosten.

Mit der Entwicklung eines Gesamtverfahrens zur mikrobiellen Produktion von Ethylacetat soll insbesondere KMU ein innovativer Weg zur Verwertung dieser Molkenrückstände aufgezeigt, der Mehrwert generiert und gleichzeitig die Organikfracht der Mutterlauge und entsprechende Entsorgungskosten reduziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Bei der Produktion von Quark und Käse fallen große Mengen Molke an, aus der Molkenpulver, Molkenprotein und Lactose gewonnen werden und außerdem fallen große Mengen Mutterlauge (Melasse) an. Melasse ist aufgrund ihrer hohen Salzfracht nur eingeschränkt weiter nutzbar. Als Alternative zur bestehenden Ethanolfermentation wurde in diesem Forschungsprojekt ein Verfahren zur mikrobiellen Produktion von Ethylacetat und dessen prozessintegrierte Abtrennung entwickelt.

Im optimierten Prozess wurde die in der Melasse enthaltene Lactose vollständig verbraucht. Damit wird der COD und der BOD der Melasse erheblich gesenkt, wodurch Entsorgungskosten des Rückstandes vermindert werden. Dadurch sind auch neue Anwendungen denkbar.

Die Lactose wurde sehr schnell verbraucht (11 h bei 1 g/L Inokulum). Kurze Prozesszeiten senken die Betriebskosten erheblich.

Die Lactose wurde hauptsächlich zu Ethylacetat umgeformt (61 % der maximal möglichen Ausbeute).

Ausreichend große Inokula (0,3 g/L) ermöglichten einen unsterilen Prozess, womit Kosten und Zeit für die Pasteurisierung des Mediums eingespart werden können.

Die entstandene Biomasse wies eine hohe Aktivität auf und ist daher wiederverwendbar. Somit muss keine neue Biomasse über einen aufwendigen Seedtrain angezüchtet werden.

Das entstandene Ethylacetat wurde prozessintegriert mit einer Membran (Silicalith-1 in Siliconkautschuk) aus der Reaktorabluft abgetrennt (94 % Ausbeute).

Das aus dem Permeatgas gewonnene Kondensat wies eine hohe Produktreinheit auf (97,5 % Ethylacetat, Rest Wasser, kaum Ethanol).

Es wurde ein mathematisches Modell zur Darstellung der Membrantrennleistung erstellt und mit realen Trennprozessen validiert. Dieses Modell kann zur Maßstabsübertragung genutzt werden.