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Grüne Bioraffinerie - Phase 3: Entwicklung von Technologien zur Prozessintensivierung hinsichtlich Gewinnung und Verwertung von Milchsäure, Aminosäuren und Fasern

Optimierung der Prozesstechnologie der Grünen Bioraffinerie für die Wertstoffe Milchsäure und Aminosäuren aus Grassilagepresssaft, insbesondere mittels chromatographischer Trennprozesse. Grundsatzversuche zur Anwendung der Grasfasern in den Einsatzbereichen Begrünung sowie als Pflanzsubstrat.

Kurzbeschreibung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Das vorliegende Projekt baut auf eine Reihe von bereits durchgeführten Projekten zur Grünen Bioraffinerie auf, welche auf die Entwicklung von Produkten aus dem Rohstoff Grassilage abzielten. Im Wesentlichen sind dies die Abtrennung der Wertstoffe Milchsäure (MS) und Aminosäuren (AS) aus dem Presssaft, sowie die Verwertung der anfallenden Grasfaser für diverse Faserprodukte oder Biogas. Aufbauend auf die vorlaufenden Arbeiten wurden im vorliegenden Projekt folgende Schwerpunkte bearbeitet:

  1. Chromatographischer Trennverfahren für Milchsäure und Aminosäuren;
  2. Anwendung der Grasfaserfraktion für die Begrünung (Landschaftsbau) sowie als Pflanzmedium (gewerblicher Gartenbau)
  3. Grundlegende Untersuchungen zu einer möglichen Prozessintensivierung
  4. Entwicklung einer Prozessverschaltung für eine Pilotanlage.

Die gewählte Methodik ist dem jeweiligen Themenbereich angepasst.

Abtrennung von Aminosäuren mittels Chromatographie

Nach dem vorliegenden Ergebnisstand geht hervor, dass mit dem Harz XAD 1600 die komplette Lösung in Gruppen aufgetrennt werden kann, wobei eine signifikante Abtrennung der hydrophoben Aminosäuren Leucin/Isoleucin erzielbar ist. Bei Verwendung von XAD 1600 Harz ist das Trennverhalten von Leucin/Isoleucin nur begrenzt vom pH-Wert abhängig. Gleichzeitig ist klar ersichtlich, dass eine Trennung einzelner Aminosäuren, unter den gewählten Bedingungen, nicht realisierbar ist. Bei Verwendung von UBK 530 Harz in K+-konditionierter Form scheint es möglicherweise zu einer Überlagerung von Ionenaustausch-, Ionenausschluss- und Komplexbildungseffekten zu kommen. Zur Untersuchung des vorliegenden Sachverhaltes im Detail sind hier weiterführende Untersuchungen notwendig. Allerdings zeigt sich wiederum, dass die Trennung einzelner Aminosäuren mit dem vorliegenden UBK 530 Harz in K+-konditionierter Form letzten Endes nicht realisierbar ist.

Die Aminosäuren Glutamat und Aspartat liegen bei pH = 4,0 als Anion vor und treten bei Verwendung von MDS 4368 in SO42- -konditionierter Form mit den koordinativ an die stationäre Phase gebundenen Sulfat-Ionen in eine Konkurrenzreaktion ein, was ein „Festkleben“ an der stationären Phase verursacht. Möglicherweise ist es hier zu einem teilweisen Ionenaustausch gekommen, weshalb das beobachtete Trennverhalten wiederum als unzureichend zu klassifizieren ist. Zur Klärung des vorliegenden Sachverhaltes sind hier weiter Untersuchungen notwendig.

Das Trennergebnis von ODS-A reversed Phase-Material zeigt, dass es zu keiner signifikanten Rückhaltung der überwiegenden Anzahl der Aminosäuren und der Monosaccharide kommt. Die Aminosäuren Leucin, Phenylalanin und Tryptophan wechselwirken über ihre hydrophoben Seitenketten mit der stationären Phase, was eine signifikante Rückhaltung dieser Aminosäuren bewirkt. Die Wiederfindungsrate der separierten Aminosäure Phenylalanin liegt allerdings bei 16 %. Aufgrund dieses Umstandes ist das beobachtete Trennverhalten der Aminosäure Phenylalanin unter Verwendung von ODS-A Harzmaterial als unzureichend zu klassifizieren.

Bei Verwendung von MDS 1368 Ca2+ -konditioniert scheint es möglicherweise zu einer Überlagerung von Ionenaustausch-, Ionenausschluss- und Komplexbildungseffekten zu kommen. Eine prozesstechnisch relevante Separation der Aminosäuren Aspartat und Glutamat ist ab höheren Retentionszeiten zu erzielen. Die Aminosäuren Threonin, Serin, Valin, Glycin, Asparagin, Leucin, Isoleucin können mit diesem Harztyp bestenfalls nur in Gruppen abgetrennt werden.

Abtrennung von Milchsäure aus Grassilagesäften mittels Chromatographie

Das Ziel der Untersuchungen bestand darin, die Milchsäure in undissoziierter Form mittels Chromatographie zu isolieren bzw. zu gewinnen. Auf der Basis von Literaturrecherchen wurde beschlossen, ein neutrales Polymerharz mit der Bezeichnung XAD 1600 zu verwenden. Der Einfluss wichtiger Prozessparameter wurde mit Modelllösungen untersucht. Dabei konnten Reinheitsgrade zwischen 93,2 und 99,9 % erreicht werden, wobei die Ausbeuten bei 99,4 % lagen. In weiterer Folge wurden Trennversuche mit Grassilagesaft durchgeführt. Die komplexere Zusammensetzung führte zu einer Reduktion des Reinheitsgrades (ca. 97 %). Obwohl etwa 99 % der mineralischen Inhaltsstoffe abgetrennt wurden, konnten organische Säuren, insbesondere Essigsäure, nicht reduziert werden. Darüber hinaus war eine Trennung von diversen Aminosäuren ebenfalls nicht möglich. Nach dem derzeitigen Stand der Untersuchungen, sollte vor einem chromatographischen Prozess eine Vortrennung zwischen Milchsäure und Aminosäuren vorgenommen werden.

Verwertung der Grasfaserfraktion

Die Untersuchungen zur Eignung der Grasfaser für Begrünungszwecke im Landschaftsbau sowie im Einsatzbereich Pflanzsubstrat wurden anhand konkreter Tests durchgeführt. Die durchgeführten Feldversuche zur Hangbegrünung haben gezeigt, dass der Grasfaserpresskuchen zur Anspritzbegrünung gut geeignet ist. Eine bessere Vegetationsentwicklung als bei Konkurrenzprodukten ist nicht argumentierbar. Aus der Sicht der Wirtschaftlichkeit ergeben sich beim Einsatz von Grasfasern im Vergleich zu einem handelsüblichen Produkt wesentliche Kostenvorteile. Die durchgeführten Versuche im Bereich Pflanzsubstrat lieferten sowohl im Labor als auch unter Praxisbedingungen eines Partnerbetriebes durchwegs negative Ergebnisse. Eine weitergehende Aufbereitung des Faserpresskuchens der Grünen Bioraffinerie scheint zwingend nötig.

Prozessintensivierung

Im Rahmen des Projektes wurde auch die Möglichkeit einer Prozessintensivierung durch eine erneute Silierung des gewonnenen Presskuchens untersucht. Ziel der Arbeiten war es, die Gesamtausbeute an Milchsäure zu erhöhen. Die vorliegenden Ergebnisse zeigten auf, dass eine Wiederholung der Milchsäuregärung mit dem Substrat Silagepresskuchen nicht homo-fermentativ in Richtung Milchsäure abläuft.

Prozessverschaltung

Auf Basis der vorliegenden Ergebnisse dieses und bereits abgeschlossener Projekte wurde eine Prozessverschaltung zur Separation von Milchsäure und Aminosäuregemischen vorgeschlagen, welche erstmals in einer Pilotanlage umgesetzt werden soll.

Publikationen

Grüne Bioraffinerie Phase III

Entwicklung von Technologien zur Prozessintensivierung hinsichtlich Gewinnung und Verwertung von Milchsäure, Aminosäuren und Fasern
Schriftenreihe 02/2011 M. Mandl, S. Novalin, et. al, Herausgeber: bmvit
Deutsch, 210 Seiten

Downloads zur Publikation

Projektbeteiligte

Projektleiter

Ao. Univ.-Prof. DI Dr. Hans Schnitzer
Institut für Nachhaltige Techniken und Systeme
JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH.

ProjektmitarbeiterInnen

  • DI Michael Mandl
  • Dr. Michael Lukas
  • Mag. Dr. Marion Reinhofer
  • Dr. Michael Tauber
  • Dr. Herbert Böchzelt

Projekt- und Kooperationspartner

  • Ao. Univ.-Prof. DI Dr. Senad Novalin, Dr. Vu H. Thang
    Universität für Bodenkultur Wien, Department für Lebensmittelwissenschaften und -technologie
  • DI Doris Astleitner, Univ. Prof. Dr. Florin Florineth
    Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Ingenieurbiologie und Landschaftsbau
  • Dr. Stefan Kromus
    Biorefinery Systems
  • Dr. Markus Neureiter
    IFA-Tulln, Abteilung Umweltbiotechnologie
  • DI Wolfgang Glasl
    VTU Engineering GmbH
  • Helmut Gössler
    PDC Verfahrenstechnische Entwicklungsges. mbH
  • Mag. Patricia Novalin-Canoy
    Gradient process technology GesmbH
  • Sabine Herneth
    Herneth Gartenbau
  • Ing. Walter Retschek
    Aquasol Handelsges. mbH
  • Hr. J. Derhaschnig, DI M. Fürnsinn
    Hydrogreen Landschaftsbau GmbH
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