Membrantrennverfahren zur Gewinnung von Wertstofflösungen fermentativen Ursprungs im Pilotmaßstab

Abstract

Um aus nachwachsenden Rohstoffquellen, also Biomasse, verwertbare Produkte, stofflich und energetisch, erzeugen zu können, ist die Entwicklung neuer Gesamtprozesse zu forcieren. Nach dem Prinzip einer Raffinerie ist das Ziel bei der Veredelung dieser Rohstoffstoffquellen möglichst breite Produktpaletten zu erzeugen. An der Grünen Bioraffinerie Oberösterreich F&E GmbH liegt der Schwerpunkt auf der Veredelung einer flüssigen Fraktion, gewonnen aus dem Rohstoff Silage, hin zu einer Milchsäure-reichen Lösung und mehreren mit Aminosäuren angereicherten Lösungen. Erste Produktlösung dient etwa als Ausgangsmaterial für die Plattform-Chemikalienproduktion, und zweite finden unter anderem im Kosmetiksektor Verwendung. Für die Veredelung wurde ein komplexer Gesamtprozess, der Basisprozess, realisiert. Nach der Gewinnung der Wertstoffe konnten im Folgenden alle bei der Produktion anfallende Reststoffe letztendlich zumindest einer energetischen Verwertung zugeführt werden. Im ersten Teil der Arbeit war die Charakterisierung und Validierung des Gesamtprozesses aufgebaut im Pilotmaßstab, vorrangig. Im Prozess selbst steht die Isolierung der beiden Wertstofflösungen im Fokus, die Erzeugung des Rohstoffes Silage ist nicht in diesem Prozess inbegriffen.<br />Zur Verarbeitung wurden Membrantrennverfahren und Verdrängungschromatographie eingesetzt. Anwendung fanden vorwiegend druckgetriebenen Membrantrennprozesse, für die grobe Vorfiltration der Ausgangslösung wurde Ultrafiltration verwendet, die Separation der Produktströme im Basisprozess erfolgte mit Hilfe von Nanofiltration.<br />Umkehrosmose wurde zum Einen für die Bereitstellung von Reinwasser und an anderer Stelle zur Prozesswasserrückgewinnung eingesetzt. Für die spezifische Produktveredelung wurden im Weiteren ein zweistufiger Elektrodialyseprozesse für die Gewinnung von Milchsäure- und ein Ionenaustauscherprozess für die Aminosäurenproduktion herangezogen.<br />Im Zuge der Arbeit wurden die Trenntechnik-spezifischen Vor- und Nachteile des Basisprozesses identifiziert. Dazu waren die entsprechenden Parameter (Permeatleistung, Rückhalte) zu ermitteln, um in der Folge ein reibungsloses Zusammenspiel des Gesamtprozesses gewährleisten zu können. Weiters wurden mit allen Trennstufen verschiedene Prozessvariationen durchgeführt und diese in Bezug auf Separationscharakteristik und Permeatflussentwicklung verglichen. Als relevanteste Schwachstelle hat sich die nur partiell durchführbare Separation der beiden Wertstoffe in der NF ergeben, wodurch die Produktschiene Milchsäurelösung nur bedingt verwertbar war. Da sich für die Verarbeitung des Rohlösug die Membrantechnik als gute Wahl herausstellte, war die Weiterentwicklung des Gesamtverfahrens mit der gegebenen Trenntechnik favorisiert.<br />In der Weiterentwicklung des Prozesses hin zu einem neuen Verfahren, Innovativprozess, konnten vor allem durch ein Neudesign des Gesamtverfahrens die spezifischen Separationscharakteristika und die spezifischen Permeatleistungen der Membranverfahren verbessert werden.<br />Neben dem apparative Aufwand konnte auch der erforderliche Chemikalien- und Frischwasserbedarf signifikant gesenkt werden. Zusätzlich gelang es eine weitere Produktschiene, eine zuckerreiche Lösung, aus dem Rohstoff zu generieren.<br />Die Weiterentwicklung des Prozesses hin zu höheren Produktreinheiten und verbesserten Ausbeuten ermöglichte die Schaffung neuer Produktpaletten, die konkurrenzfähig zu bisherig erhältlichen Erzeugnissen der chemischen Industrie sind.<br />

Multiple valuable products for energetic or material use can be produced from renewable resources, namely biomass. To provide efficient production routes the development of new, comprehensive production concepts is necessary. According to the overall concept of refineries, the generation of manifold products by upgrading these renewable resources is the target. For instance, the Green Biorefinery Upper Austria F&E GmbH has focused on upgrading the liquid fraction extracted from grass silage to produce a lactic acid enriched solution and amino acids enriched solutions. The former can be used as platform-chemical, the second can be applied as raw materials for the health care sector.<br />For upgrading grass silage a complex process chain, called basis process was installed in pilot scale located in Utzenaich. Due to the comprehensive concept and the processes at the Green Biorefinery Upper Austria F&E GmbH all residues can be applied to produce energy.<br />First, the presented work concentrated on the characterisation and validation of an overall process at pilot scale (basic process).<br />Considering this process, the extraction of the valuable compounds was most important, the production of silage itself was not part of this process. For separation different membrane processes and a displacement chromatography were installed in the basis process concept for the refinering of silage juice. Ultrafiltration was installed for the prefiltration of the silage juice. Subsequently, the specific separation of the valuables was done with a two stage nanofiltration process. For the process water recycling a reverse osmosis unit was installed. After the separation, further product purification for the lactic acid was carried out by a two stage electrodialysis set up. The second product stream, the amino acids enriched solution, was purified by a displacement chromatography process.<br />During the runtime of the project the advantages and disadvantages of each operation unit and also for the total system (interactions between the unit operations) were determined. Measurements of the most important parameters for separation (e.g. rejections), for the operation (e.g.<br />permeate flux) and pressure development influenced the further process design. The partition between lactic acid and amino acid in the basic process design was determined to be the biggest flaw. Due to the fact, that the separation of the lactic acid was quite poor, a two stage nanofiltration process was installed to increase the purification.<br />Additionally, high diafiltration rates were applied to reduce the by-product concentrations in the amino acid solution, which were concentrated in the nanofiltration retentate. Due to several disadvantages of the basic process design, the focus in the second project part was on further process development.<br />In general, the treatment of silage juice with membrane separation units is possible. Therefore, this downstream technology was applied in the new process design called innovative process as well. Hereby, new combinations of the installed techniques were applied to improve the process chain. The new process design resulted, for example, in reducing the effort of the total process equipment significantly. Both process electrodialyses were removed in the new design. Predominantly, the separation performances for all valuable resources were influenced positively. In the new design, each operation unit was used on the one hand to separate one valuable resource and on the other hand to purify the other valuables. Due to the redesign significantly better separation characteristics and process parameters were applicable. Additionally, the needed amounts of chemicals and fresh water were reduced. The most important benefit of the new system is the ability to gain one further valuable resource from grass silage juice, a sugar enriched solution, which can be used as fermentation substrate. By the further development of the process several abilities were found to increase the purification and therefore the usages of grass silage in a wide range in the chemical industry.