In Zusammenarbeit mit der TU Dresden haben Fraunhofer-Forscher ein Verfahren zur Gewinnung von wertvollem, hochreinem Ethylacetat aus Molke entwickelt. Damit lassen sich beispielsweise umweltfreundliche Klebstoffe herstellen und so herkömmliches Ethylacetat aus fossilen Rohstoffen ersetzen. Es entfällt auch die Notwendigkeit einer kostspieligen Entsorgung der bei der Molkenverarbeitung erzeugten Melasse.
Jeden Tag werden große Mengen an Molke als Nebenprodukt von der Milchindustrie produziert. Allein in Deutschland sind es 12,6 Millionen Tonnen pro Jahr. Für jedes Kilogramm Käse werden beispielsweise 9 Kilogramm Molke produziert. Ein Teil davon wird weiterverarbeitet, beispielsweise zu Molkengetränken mit Fruchtzusätzen oder anderen Mischgetränken. Die in der Molke enthaltene Laktose und Proteine können auch getrennt und auf andere Weise verwendet werden, beispielsweise als Rohstoff in Arzneimitteln oder in Babynahrung. Sobald jedoch die Proteine und Laktose getrennt wurden, bleibt Melasse. Die Entsorgung dieses Stoffes ist aufgrund seines relativ hohen Salzgehaltes sehr aufwendig und teuer.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Hermsdorf haben nun gemeinsam mit der TU Dresden ein Verfahren zur Extraktion von wertvollem Ethylacetat, einem farblosen Lösungsmittel, aus der Melasse entwickelt. Ethylacetat wird häufig bei der Herstellung von Klebstoffen, Druckfarben oder Lacken verwendet. Es kann auch verwendet werden, um Oberflächen zu reinigen.
Bisher wurde Ethylacetat aus Erdgas und Erdölderivaten hergestellt. Die Herstellung von Ethylacetat aus Molke führt dagegen zu einem Produkt, das im Vergleich zu umweltschädlichen Lösungsmitteln aufgrund seiner leichten mikrobiellen Abbaubarkeit deutlich überlegen ist und zudem unabhängig von den Preisschwankungen von Erdgas und Rohöl ist. Ein weiterer Vorteil: Das von der TU Dresden und dem Fraunhofer IKTS entwickelte Verfahren erübrigt die aufwendige Entsorgung von Melasse. Das abgetrennte Ethylacetat bietet eine hohe Reinheit von 97,5 Prozent und kann somit ohne weitere Verarbeitungsschritte sofort als Rohstoff eingesetzt werden.
Fermentation der Melasse und Trennung in der Membran
Prinzipiell ist der Trennvorgang einfach. Zunächst wird die Melasse in einem Bioreaktor fermentiert, der belüftet wird, um aerobe Bedingungen zu ermöglichen. Die Reaktion bildet ein Gas-Dampf-Gemisch, das Ethylacetat enthält. Diese wird dann mit speziellen Kompositmembranen getrennt. "Eine Mischung aus Gas und Wasserdampf verbleibt als Abfallprodukt, das problemlos in die Umwelt freigesetzt werden kann", sagt Dr. Marcus Weyd, Leiter der Gruppe Membrane Process Technology and Modeling.
Bei der Entwicklung der Membran brachten Forscher des Fraunhofer IKTS ihre jahrzehntelange Expertise auf dem Gebiet der Werkstoffe, insbesondere der Membrantechnologien, ein. Die speziell für das Verfahren entwickelte Kompositmembran besteht aus einer Kombination von Polymeren und anorganischen Partikeln auf Zeolithbasis. „Wir verwenden flüssigen Silikonkautschuk als Polymer. Dieses wird mit Zeolith (Silicalit-1) gemischt, auf ein Trägerpolyestervlies aufgetragen und ausgehärtet. Die Membran ist insgesamt nur 10 μm dick und die Porengröße 0,5 nm, erklärt Dr. Thomas Hoyer, Spezialist auf dem Gebiet der Zeolithmembranen und Nanokomposite.
Selbst wenn die Membran mit Poren ausgestattet ist, funktioniert der eigentliche Trennprozess, bei dem das Ethylacetat abgetrennt wird, nicht wie ein Sieb. Stattdessen wird der Gastrennungseffekt durch Wechselwirkungen zwischen Zeolith und Ethylacetat erzeugt. "Die Moleküle werden vom Zeolith adsorbiert, gleiten entlang der Porenoberflächen, wodurch sie durch die Kompositmembran diffundieren", erklärt Dr. Hoyer. Es ist auch nicht notwendig, hohen Druck anzulegen, um das Ethylacetat durch die Membran zu "zwingen". "Das Erstellen einer bestimmten Partialdruckdifferenz reicht aus, um die chemische Reaktion und die anschließende Diffusion einzuleiten."
Gesucht: mögliche Verwendungen für Melasse
Die Idee entstand aus einer Initiative der TU Dresden, die nach Wegen zur Nutzung der Melasse suchte und sich an das Fraunhofer IKTS wandte. Das TU-Team befasste sich mit dem Fermentationsprozess, während das Fraunhofer-Team für die Entwicklung und Optimierung der Membrantechnologie zuständig war.
"Es ist uns gelungen, eine hochmoderne Membran mit extrem kleinen Poren durch ein relativ einfaches und kostengünstiges Verfahren herzustellen", fasst Dr. Weyd zusammen. Für Industrieunternehmen ist die Tatsache, dass der Gasabscheideprozess nur aus einer Stufe besteht und somit nur eine geringe Anzahl von Membran- und Steuermodulen benötigt, ein praktischer Vorteil. Sobald die Prozessparameter für die Fermentation und Gastrennung korrekt konfiguriert sind, läuft der Trennprozess selbstständig und stabil ab.
Als nächstes geht es auf der Agenda der Forscher darum, die Größe der Membranmodule zu skalieren, um die Technologie für den industriellen Einsatz verfügbar zu machen. Die Technologie hat mehr Anwendungen als nur die Extraktion von Ethylacetat aus Melasse: Es kann in jedem Prozess eingesetzt werden, bei dem Gasgemische abgetrennt oder flüchtige Bestandteile wie Kohlenwasserstoffe herausgefiltert werden müssen.
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