Revolution der Fermentation?
Müll wird zum Schatz: Aus Bioabfall werden wertvolles Aceton und Isopropanol gewonnen
Ein Forscherteam der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden hat bahnbrechende Fortschritte bei der Reinigung von Isopropanol und Aceton aus der Fermentation von Abgasen gemacht und damit einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigen industriellen Fermentation getan. Die Studie, die im SCI Journal of Chemical Technology and Biotechnology veröffentlicht wurde, stellt neuartige Verfahren vor, die die Effizienz und Rentabilität der Produktion in großem Maßstab zu steigern versprechen.
Isopropanol und Aceton haben zusammen einen Weltmarkt von 10 Milliarden Dollar. Beide Chemikalien sind wichtige Lösungsmittel für die Industrie, und Isopropanol wird aufgrund seiner geringen Toxizität auch als pharmazeutischer Wirkstoff eingesetzt. Die konventionelle Produktion beruht auf fossilen, kohlenstoffabhängigen Methoden, die mit der Einführung strengerer Umweltvorschriften immer ungünstiger werden.
Umkehrung der konventionellen Produktion
Ein vielversprechender und nachhaltigerer Herstellungsprozess besteht in der Wiederverwertung von Industrieabgasen und Synthesegas (ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das aus Bioabfällen hergestellt werden kann) unter Verwendung von technischen Bakterien. LanzaTech, ein US-amerikanisches Biotechnologieunternehmen, das nicht mit der Forschung der TU Delft in Verbindung steht, erprobt derzeit diese Synthesegas-Fermentationsmethode zur Herstellung von Isopropanol und Aceton.
Ein potenzielles Hindernis für das Scale-up dieser Technologie liegt in der Produktreinigungsphase; die Beschränkungen der Fermentationsmethode bedeuten, dass die Produktkonzentrationen niedrig sind, was zu einer sehr verdünnten Fermentationsbrühe führt.
Anton A. Kiss, Professor für Chemische Technik und Biotechnologie an der TU Delft und korrespondierender Autor der Studie, erklärt: "Die Herausforderung besteht darin, eine große Menge Wasser pro Kilogramm Produkt zu entfernen, ohne hohe Energiekosten. Dies wurde in unserer Forschung durch die Bestimmung der optimalen Betriebsbedingungen angegangen, die eine signifikante Rückgewinnung von Prozesswärme ermöglichen.
Hocheffiziente nachgeschaltete Prozesse
Das Team konzentrierte sich auf zwei Optionen für die anfängliche Rückgewinnung von Isopropanol und Aceton: Vakuumdestillation und Durchlaufdestillation. Die Vakuumdestillation wurde als klassische Methode für die Rückgewinnung flüchtiger Fermentationsprodukte untersucht, während die Durchlaufdestillation eine neuartige Trennmethode ist, die noch nie für komplexe Gemische angewandt wurde", erklärte Kiss. Er wies darauf hin, dass die Pass-Through-Destillationsmethode keine teure Kühlung erfordert, wie sie für die Vakuumdestillation notwendig ist.
Durch die erfolgreiche Entwicklung von Prozessen im industriellen Maßstab konnten hochreines Isopropanol und Aceton mit Gewinnungsraten von über 99,2 % gewonnen werden. Die Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass alle vorgeschlagenen Verfahren sowohl in Bezug auf die Kosten als auch auf die Umweltauswirkungen äußerst wettbewerbsfähig sind. Mit Blick auf die Integration dieser Prozesse in Industrieanlagen sagte Kiss: "Aufgrund möglicher Unterschiede in der Verfügbarkeit von Strom- und Heizungsanlagen sollte das optimale Prozessdesign in Abhängigkeit vom genauen Standort der Anlage gewählt werden.
Den Weg für eine nachhaltige industrielle Fermentation ebnen
Die in dieser Forschungsarbeit vorgestellten neuartigen Verfahren zur Rückgewinnung von Isopropanol und Aceton stellen einen bedeutenden Fortschritt in der nachhaltigen industriellen Fermentation dar. Das Team wendet sich nun der Reinigung anderer hochwertiger Chemikalien zu. Kiss erklärt: "Wir entwerfen Rückgewinnungsverfahren für verschiedene flüchtige Chemikalien aus Fermentationsbrühen, um allgemeine Gestaltungsregeln zu finden. Wir arbeiten an Kooperationen, in denen wir unser Wissen an Unternehmen weitergeben können, die diese Verfahren in der Industrie einsetzen können.
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