Fermentationsrevolution? Müll wird zu einem Schatz, da aus Bioabfall wertvolles Aceton und Isopropanol entstehen

In einem großen Schritt hin zu einer nachhaltigen industriellen Fermentation hat ein Forscherteam der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden bahnbrechende Fortschritte bei der Reinigung von Isopropanol und Aceton aus der Fermentation von Abgasen vorgestellt. Die Studieveröffentlicht in der Zeitschrift für Chemische Technologie und Biotechnologieführt neuartige Prozesse ein, die eine Steigerung der Effizienz und Rentabilität der Großserienproduktion versprechen.

Isopropanol und Aceton haben zusammen einen globalen Markt von 10 Milliarden US-Dollar. Beide Chemikalien sind wichtige Lösungsmittel in der Industrie, und Isopropanol findet aufgrund seiner geringen Toxizität auch wichtige Anwendungsmöglichkeiten als pharmazeutischer Inhaltsstoff. Die konventionelle Produktion basiert auf fossilen, kohlenstoffabhängigen Methoden, die mit der Einführung strengerer Umweltvorschriften immer ungünstiger werden.

Umstellung der konventionellen Produktion

Ein vielversprechender und nachhaltigerer Herstellungsprozess beinhaltet das Recycling von Industrieabgasen und Synthesegas (eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die aus Bioabfällen hergestellt werden kann) mithilfe künstlicher Bakterien. Insbesondere LanzaTech, ein in den USA ansässiges Biotechnologieunternehmen, das nicht mit der Forschung der TU Delft verbunden ist, testet derzeit diese Synthesegas-Fermentationsmethode zur Herstellung von Isopropanol und Aceton.

Ein potenzielles Hindernis für die Skalierung dieser Technologie liegt in der Produktreinigungsphase. Aufgrund der Einschränkungen der Fermentationsmethode sind die Produktkonzentrationen niedrig, was zu einer sehr verdünnten Fermentationsbrühe führt.

Anton A. Kiss, Professor für Chemieingenieurwesen und Biotechnologie an der TU Delft und korrespondierender Autor der Studie, erklärte: „Die Herausforderung besteht darin, eine große Menge Wasser pro Kilogramm Produkt zu entfernen, ohne hohe Energiekosten. Dies wurde in unserer Forschung angegangen.“ durch die Bestimmung der optimalen Betriebsbedingungen, die eine erhebliche Prozesswärmerückgewinnung ermöglichten.“

Hocheffiziente Folgeprozesse

Das Team konzentrierte sich auf zwei Optionen für die anfängliche Rückgewinnung von Isopropanol und Aceton: Vakuumdestillation und Durchgangsdestillation.

„Die Vakuumdestillation wurde als klassische Methode zur Rückgewinnung flüchtiger Fermentationsprodukte untersucht, während die Durchgangsdestillation eine neuartige Trennmethode ist, die noch nie bei komplexen Gemischen eingesetzt wurde“, erklärte Kiss. Er stellte fest, dass die Durchgangsdestillation keine teure Kühlung erfordert, die für die Vakuumdestillation erforderlich ist.

Durch die erfolgreiche Gestaltung industrieller Prozesse konnten hochreines Isopropanol und Aceton mit einer Ausbeute von über 99,2 % gewonnen werden. Die Untersuchung ergab, dass alle vorgeschlagenen Verfahren sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Umweltauswirkungen äußerst wettbewerbsfähig sind. Bei der Überlegung, diese Prozesse in Industrieanlagen zu integrieren, sagte Kiss: „Aufgrund möglicher Unterschiede in der Verfügbarkeit von Strom und Wärmeversorgung sollte das optimale Prozessdesign in Abhängigkeit vom genauen Anlagenstandort gewählt werden.“

Den Weg für eine nachhaltige industrielle Fermentation ebnen

Die in dieser Forschung vorgestellten neuartigen Isopropanol- und Aceton-Rückgewinnungsverfahren stellen einen bedeutenden Fortschritt in der nachhaltigen industriellen Fermentation dar. Das Team richtet seine Aufmerksamkeit nun auf die Reinigung anderer hochwertiger Chemikalien.

Kiss erklärte: „Wir entwerfen Rückgewinnungsverfahren für verschiedene flüchtige Chemikalien aus Fermentationsbrühen, um allgemeine Designregeln zu finden. Wir arbeiten an Kooperationen, in denen wir unser Wissen an Unternehmen übertragen können, die diese Designs in der Industrie umsetzen können.“