Grüne Bioraffinerie - Entwicklung von Schlüssel-Trenntechnologien zur Gewinnung von Milchsäure und anderen Wertsubstanzen aus Silagesäften

Status

abgeschlossen

Einleitung

Das vorliegende Projekt befasst sich in erster Linie mit den Anwendungsmöglichkeiten und der Leistungsfähigkeit der Nanofiltration zur Gewinnung von Wertstoffen (Aminosäuren, Milchsäure) aus Silagesaft. Konkret wurde die Nanofiltration entsprechend ihrer Einsatzmöglichkeiten als Vorfiltrationsschritt, zur (selektiven) Isolierung und Konzentrierung von Substanzen, sowie zur Teilentsalzung im Labor- und Pilotmaßstab untersucht. Darüberhinaus wurden in Kombination mit anderen Trenntechnologien komplette Downstreamszenarien aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht beleuchtet.

Silagesaft ist Presssaft aus siliertem blattreichen Gras bzw. aus Gemischen von Gras und Klee. Der pH-Wert liegt zwischen 3,9 und 4,2. Neben rund 25 bis 35 % Milchsäure und etwa 20 % freien Aminosäuren besteht die Trockenmasse im Saft noch aus 15 bis 25 % anorganischen Bestandteilen (Kalium, Sulfat, Phosphat, Kalzium, Magnesium usw.) und 5 bis 25 % monomeren Zuckern. Zusätzlich ist der Saft reich an nicht identifizierten "Biomolekülen" wie beispielsweise Peptiden.

Allgemein betrachtet kann zunächst gesagt werden, dass viele Inhaltsstoffe naturgemäß zu einer höheren Komplexität eines "Rohstoffes" und damit zu aufwendigeren Trenn-technologien führen. Im vorliegenden Fall (Silagesaft) ist dies besonders ausgeprägt. Bei genauer Betrachtung, handelt es sich um die Gewinnung mehrerer Produkte (Milchsäure, Aminosäuregemische oder im Idealfall bis zu mehr als 15 Einzelaminosäuren). Zudem muss ein solches Vorhaben mit dem Konzept einer nachhaltigen Entwicklung ("Fabrik der Zukunft") im Einklang stehen. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung müssen die derzeit modernsten Trenntechnologien Membranverfahren und Chromatographie eingesetzt werden. Vor dem Hintergrund technologischer Gesamtszenarien wurden die theoretischen und praktischen Untersuchungen in "abgekoppelten Forschungsmodulen" durchgeführt. D. h., dass relevante Teilprozesse auch periphere Verfahren (z. B. Saft-Vorbehandlung) im Wesentlichen eigenständig betrachtet und auf ihre Leistungsfähigkeit untersucht wurden. Aufgrund vorgegebener Rahmenbedingungen des Projektes, konnten allerdings wichtige Verfahren, vor allem die Chromatographie, nicht im ausreichenden Maße untersucht werden.

Projektziele

Die Idee einer Fabrik der Zukunft mit dem Schwerpunkt Gewinnung von Milchsäure und Aminosäuren aus Grassilagesaft beinhaltet im Wesentlichen drei bekannte Kernfragen:

Ist das Gesamtkonzept aus technologischer Sicht in naher Zukunft realisierbar und welche Verfahrensprozesse sind dafür geeignet?

Ist das Gesamtkonzept aus wirtschaftlicher Sicht nach den zu erwartenden marktwirtschaftlichen Strukturen realisierbar?

Erfüllt ein in Frage kommendes technologisches und wirtschaftliches Gesamtkonzept die Kriterien einer nachhaltigen Entwicklung?

Vor diesem Hintergrund besteht somit das wesentliche Ziel darin, möglichst viele Ergebnisse und Einzeldaten zu gewinnen und zu bewerten, um letzten Endes die oben angeführten Kernfragen zu beantworten. Dabei kann aufgrund der Projektformulierung und -festlegung im Wesentlichen nur das Arbeitsfeld ("Arbeitsmodul") Nanofiltration behandelt werden.

Ergebnisse

Die Abb. K1 stellt ein mögliches technologisches Szenario zur Gewinnung von Milchsäure und Aminosäuren aus Silagesaft dar. Es weist die Besonderheit auf, dass die zwei Hauptprodukte Aminosäuren und Milchsäure nahezu vollständig voneinander getrennt und in weiterer Folge einzeln verarbeitet werden können. Neben der zur Diskussion stehenden Nanofiltration spielen in dieser Variante die Elektrodialyse und Chromatographie ebenfalls eine wesentliche Rolle. Daten zur Elektrodialyse sind im Anhang (2 Veröffentlichungen) detailliert dargestellt.

Zusammenfassung

Umfangreiche Entwicklungsarbeiten in entsprechenden Vorprojekten (z. B. FDZ I, Saft-pressung, Elektrodialyse usw.), das vorliegende Projekt (Saftvorbehandlung, Nanofiltration, Szenarienuntersuchungen, usw.) sowie zusätzliche, nicht im Rahmen der FDZ- Finanierung durchgeführte Forschungsarbeiten (z. B. Elektrodialyse versus Chromatographie, siehe An-hang) haben einen beachtlichen Umfang an wichtigen und notwendigen Informationen geliefert. Dies wird durch einige Berichte und mehrere Publikationen dokumentiert. Die wissenschaftlich methodische Vorgangsweise, die Forschungsarbeiten in "Module" aufzu-teilen, hat sich als sinnvoll und notwendig erwiesen, so dass nun viele Einzel- und Detailfragen beantwortet werden können. Wie die Arbeiten zeigen, bietet die Nanofiltration verschiedene interessante Einsatzmöglichkeiten (beispielsweise definierte Fraktionierung einzelner Stoffgruppen) und die Leistungsfähigkeit dieser Technologie ist klar umrissen.

Analysen zu Gesamtszenarien waren äußerst nützlich, da praktisch relevante Vor- und Nach-teile einzelner Prozesskombinationen deutlich erkannt werden konnten. Obwohl kein aus-reichendes Datenmaterial zur Chromatographie vorliegt, erscheint eine baldige teilweise Umsetzung der Idee (Grüne Bio-raffinerie) real vorstellbar. Im Konkreten handelt es sich um 2 - 3 Aminosäureprodukte, die Marktchancen aufweisen. In jedem Fall wäre es sehr sinnvoll und aus verschiedenen, nicht nur im Zusammenhang mit diesem Projekt stehenden Gründen notwendig das ausständige Forschungsfeld Chromatographie im Rahmen eines zusätzlichen Projektes zu bearbeiten. So ist zu erwarten, dass viele nachwachsenden Rohstoffen, eine höhere Anforderung an "Down-stream-Prozesse stellen, als dies in konventionellen Produktionsprozessen der Fall ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die Separationsprozesse Kriterien einer nachhaltigen Entwicklung erfüllen. Die Erforschung und Entwicklung entsprechender, neuer Trenntechno-logien- und Strategien ist somit nicht nur für das vorliegende Vorhaben sondern für viele zukünftige Anwendungen von zentraler Bedeutung.

Prof. Dr. Novalin Senad, Mag. Koschuh Werner
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