EtAcMem – Produktion von Ethylacetat aus Molkerückständen mit Kluyveromyces marxianus und Produktgewinnung mittels Membranverfahren

Im Jahr 2020 wurden in Deutschland 32,6 Millionen Tonnen Milch verarbeitet. Aus einem hohen Anteil der Milch wird Quark und Käse hergestellt, wobei große Mengen Molke anfallen. Mit der Molke werden Molkenpulver, Molkenprotein und Lactose produziert. Dabei werden die Molkenproteine durch Ultrafiltration abgetrennt, das Molkenpermeat mittels Umkehrosmose und Eindampfen konzentriert und die Lactose kristallisiert. Im letzten Schritt entsteht eine Mutterlauge (Melasse), deren Weiterverwertung wegen der hohen Salzfracht problematisch ist.

Die Melasse enthält noch 150 bis 200 g/L Lactose und etwa 90 % der Mineralien der Milch und wird wegen des hohen Mineralgehaltes aber oft als Abfall angesehen. Die in der Melasse enthaltene Lactose bildet eine interessante Rohstoffquelle für biotechnologische Stoffwandlungen, beispielsweise für die Produktion von Ethanol, Acetoin, Bernsteinsäure und Milchsäure. Bis jetzt hat nur die Produktion von Ethanol den technischen Maßstab erreicht; in Sachsen existiert seit 2008 eine Anlage mit einer Jahreskapazität von 12 Mio. L Bioethanol. Dieses Verfahren besitzt jedoch einige Nachteile.

Alternativ lässt sich Lactose mit Hefen zu Ethylacetat umsetzen. Ethylacetat, auch als Essigsäureethylester bekannt, ist ein organisches Lösungsmittel mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. 2015 wurden weltweit 3,5 Mio. Tonnen des Esters ausschließlich petrolchemisch aus Erdgas produziert. Ethylacetat ist mikrobiell leicht abbaubar und verdrängt zunehmend umweltschädliche Lösemittel, weshalb der Markt für Ethylacetat jährlich um 4.5 % wächst. Der Marktpreis des Esters wird stark von den Kosten für Erdgas bestimmt und beträgt gegenwärtig ca. 2000 €/t. Mikrobiell erzeugtes Ethylacetat wäre hingegen ein nachhaltiges Produkt, aus dem bei entsprechender Vermarktungsstrategie Waren mit gutem Image und hoher Wertschöpfung hergestellt werden können.

Mit dem Vorläuferprojekt (AiF 20311 BR) wurde nachgewiesen, dass ein großer Teil der in der Melasse enthaltenen Organik in Ethylacetat umgewandelt unad der gebildete Ester prozessintegriert durch Stripping aus dem Bioreaktor ausgetragen und mittels Membranverfahren weitgehend aus der Abluft des Bioreaktors abgetrennt werden kann. Im Vergleich zum Verfahren der Produktion von Ethanol aus Melasse gibt es eine Reihe von Vorteilen: (a) die Hefe muss nicht einer gesonderten Prozessstufe angezüchtet werden; (b) die Prozessdauer ist um den Faktor 10 verringert; (c) die Hefe behält ihre Aktivität und ist recycelbar; (d) das Stripping des hochflüchtigen Ethylacetats verhindert Produkthemmung; (e) der Energieaufwand für die Produktgewinnung ist geringer; (f) der Marktpreis von Ethylacetat ist um den Faktor 1,3 höher.

Wesentliches Forschungsziel von EtAcMem ist es, durch Optimierungen im Labor und Arbeiten im Pilotmaßstab Voraussetzungen für eine kurzfristige Umsetzung der Ergebnisse in die produzierende Praxis zu schaffen. Die Optimierung der molkenbasierten Produktion von Ethylacetat auf der Basis von Molkenreststoffen wird am Institut für Naturstofftechnik (TU Dresden) zusammen mit der Fortentwicklung der membranbasierten Gewinnung des Esters am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS, Hermsdorf) soll zu einem technisch ausgereiften und wirtschaftlich arbeitenden Verfahren führen, mit dem Molkereien Molkenreststoffe sinnvoll nutzen können.

Projektfinanzierung:

IGF - industrielle Geimschaftsförderung

Förderkennzeichen: 01IF23055N

Projektleitung:

Privat-Dozent

PD Dr.-Ing. habil. Christian Löser

Leiter Bioprozesstechnik

E-Mail senden

work Tel.

Projektmitarbeiter:

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Frau Paula Klein Dipl.-Ing.

Bioprozesstechnik

E-Mail senden

work Tel.

Sprechzeiten:

ZIN R. 26

Projektlaufzeit:

01.03.2024-31.08.2026

Kontakt:

Löser