BuProMo

BuProMo - Butanol-Produktion aus Molke

Ziel des BuProMo-Projekts ist die Entwicklung und Validierung eines wirtschaftlichen, dezentralen Aceton-Butanol-Ethanol-(ABE)-Fermentationsprozesses, sowie einer integrierten Aufarbeitungseinheit auf Basis der Adsorptionstechnik für die Herstellung der Plattformchemikalien Butanol und Aceton sowie weiterer wertiger Produkte. Die zu entwickelnde Technologie richtet sich an Erzeuger organischer Abfallströme in der Agrar- und Nahrungsmitteltechnologie, wie z. B. Käsereien. Für das Funktionsmuster der modular konzipierten Containeranlage, welches im Rahmen des BuProMo-Projektes etabliert werden soll, ist ein kontinuierlicher Durchsatz von 1 m3 Molke pro Woche geplant.

Abbildung 1: Konzept zur Produktion von Plattformchemikalien (Aceton, Butanol, Ethanol) und Wasserstoff aus Abfallströmen der Milchindustrie

Mittelgeber

Europäische Union - Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) Land Berlin

Förderprogramme

Programm zur Förderung von Forschung, Innovationen und Technologien (Pro FIT)

Projektlaufzeit

01.08.2017 bis 31.07.2020

Projektleitung

Prof. Dr. Peter Götz

Beteiligte Professoren/-innen

Prof. Dr. Johannes Bader

Projektmitarbeiter/-innen

Dipl. Ing. Sergej Trippel
Dr. Katja Karstens

Projektbeschreibung

In der Aceton-Butanol-Ethanol-(ABE)-Fermentation entstehen neben, dem als nachhaltig gewonnene Plattformchemikalie sowie als Biokraftstoff interessanten Hauptprodukt, Butanol weitere flüssige (Aceton, Ethanol, organische Säuren), feste (Clostridien-Biomasse) und gasförmige (H2 und CO2) Produkte (Abbildung 1), deren Verwertung für ein ökonomisches Konzept notwendig ist. Neben hoher Ausbeute und Produktivität im Fermentationsprozess ist somit auch die integrierte und energieeffiziente Aufarbeitung der verschiedenen Produktströme essentiell für den wirtschaftlichen Erfolg des ABE-Prozesses. Zusätzliche Wertschöpfung kann generiert werden, wenn als Substrat für den Fermentationsprozess organische Abfallströme aus der Agrar- und Nahrungsmittelindustrie zum Einsatz kommen, die anderenfalls kostenpflichtig entsorgt werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist Molke, deren geringe Energiedichte (~42 g/L Laktose = 0.71 MJ/L) eine Verwertung in räumlicher Nähe zu der Käserei, in der die Molke anfällt, sinnvoll macht.

Das Ziel des BuProMo-Projekts ist die Entwicklung und Validierung eines wirtschaftlichen, dezentralen ABE-Fermentationsprozesses, sowie einer integrierten Aufarbeitungseinheit auf Basis der Adsorptionstechnik für die Herstellung der Plattformchemikalien Butanol und Aceton sowie weiterer wertiger Produkte. Die zu entwickelnde Technologie richtet sich an Erzeuger von organischen Abfallströmen in der Agrar- und Nahrungsmitteltechnologie, wie z. B. Käsereien. Das Funktionsmuster einer modular konzipierten Containeranlage wird mit Molke betrieben werden. Geplant ist ein kontinuierlicher Durchsatz von 1 m3 Molke pro Woche.

Im Rahmen des BuProMo-Projekts wird eine mobile Containeranlage bestehend aus Einheiten für Substratvorbereitung, ABE-Fermentation, Produktaufarbeitung, Abwasserbehandlung und Prozessgas-Aufarbeitung aufgebaut werden (Abbildung 2). Alle Einheiten werden so flexibel konzipiert, dass sie nach der ersten Inbetriebnahme der Anlage (voraussichtlich März 2018) in sich, sowie im Zusammenspiel mit den anderen Einheiten optimiert werden können.

Abbildung 2: Modell zum Aufbau der modular gestaltenden Containeranlage; (v.l.n.r.) Molke-Vorratsgefäß (weiß); Fermentationseinheit (rot) mit 12 L-Rührkesselbioreaktor und vier 7,5 L-Festbettbioreaktoren; kontinuierliche Zentrifuge (blau) zur Substratvorbereitung und Produktaufarbeitung sowie Adsorptions-Desorptions-Kolonen (violett) zur Abtrennung des Butanols

Die auf dem Gebiet der ABE-Fermentation erfahrenden Projektpartner – die ARGUS Umweltbiotechnologie GmbH und die Bioprozesstechnik der Beuth Hochschule für Technik Berlin - werden in der Containeranlage schrittweise folgende Prozessschritte etablieren und optimieren:

  1. Gewinnung von sterilem Substrat aus der zur Verfügung gestellten Molke
  2. Biotechnologische Umsetzung des Substrates in Lösungsmittel (Butanol, Aceton, Ethanol) und Säuren (Essigsäure und Buttersäure) in einem kontinuierlichen Fermentationsprozess
  3. Aufarbeitung der Haupt- und Nebenprodukte aus der wässrigen Fermentationsbrühe mit einem kontinuierlich arbeitenden Adsorptions-Desorptions-Verfahren
  4. Behandlung/Verwertung der auftretenden Abfallströme, inkl. finaler Abwasser-behandlung
  5. Aufarbeitung des durch die Mikroorganismen produzierten Wasserstoffs aus dem Prozessgas

Für den kontinuierlichen Fermentationsprozess ist eine Kombination aus Rührkessel- und Festbettbioreaktorstufen vorgesehen, um die jeweiligen Vorteile, d. h. die Gewährleistung der metabolischen Stabilität und Prozessintensivierung, in den verschiedenen Phasen der ABE-Fermentation nutzbar zu machen. Die Aufarbeitung der flüssigen Fermentationsprodukte aus der wässrigen Fermentationsbrühe wird mit einem zyklischen Adsorptions-Desorptions-Verfahren erfolgen. Das von den Fermentationsprodukten befreite Abwasser wird gegebenenfalls so nachbearbeitet, dass es die Richtlinien für die Einleitung in die Kanalisation erfüllt.

Bevor die Molke im Prozessschritt 1 durch Mikrofiltration sterilisiert werden kann, müssen Feststoffe wie unlösliche Proteine und Fette aus der Molke entfernt werden. Die Abtrennung dieser Stoffe soll durch eine Zentrifugation der Molke realisiert werden. Die Entwicklung einer kontinuierlich arbeitenden Zentrifuge, welche gleichzeitig auch für die Abtrennung der Clostridien-Biomasse aus der Fermentationsbrühe verwendet werden soll, ist Projektinhalt des Projektpartners Fraunhofer IPK. Der Vorteil der Verwendung eines Geräts für zwei Anwendungen besteht dabei in den geringeren Anschaffungs-, Platz- und Energiekosten.

Begleitet wird das Projekt durch einen Monitoringprozess, der schwerpunktmäßig an der Beuth Hochschule für Technik angesiedelt ist. Dazu werden in allen Einheiten der Anlagen Daten zu Stoff- und Energieeinsatz und –ertrag sowie zu Material- und Personalkosten erfasst. Anhand dieser Daten wird zum Ende des Projekts eine Stoff- und Energiebilanzierung über den Gesamtprozess erfolgen. Diese Bilanzen liefern gemeinsam mit Daten aus der Marktforschung die Grundlage für eine Wirtschaftlichkeitsanalyse der „Molke-zu-Butanol“-Anlage. Durch die Gegenüberstellung von Kosten für die Anlage und ihren Betrieb (Material, Personal, Energie), den zu erwartenden Erträgen durch den Verkauf der Wertstoffe und Nebenprodukte sowie durch die Ersparnis der Abwasserreinigung in Abhängigkeit der Dimension der Anlage soll der notwendige Maßstab für wirtschaftlich operierende Anlagen ermittelt werden. Die im Rahmen der Prozessoptimierung gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um abschließend eine Konzeption zur Maßstabsanpassung zu erstellen.

Projektpartner:

Argus Umweltbiotechnologie GmbH
Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Assoziierter Partner:

Roest AGRO GmbH & Co. KG

Schlagwort(e):

  • Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation, ABE-Fermentation
  • Biobased Economy, Bioökönomie
  • Modularer Anlagenbau