ISBN 978-3-8439-1747-6

978-3-8439-1747-6, Reihe Verfahrenstechnik

Thomas Kaeding
Mikrobielle Herstellung von 1,3-Propandiol aus Rohglycerin: Prozessentwicklung im Miniplant-Maßstab

147 Seiten, Dissertation Technische Universität Hamburg-Harburg (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Aktuelle Entwicklungen wie die fortschreitende Verknappung von fossilen Rohstoffen und der Klimawandel lenken den Fokus der Forschung auf das Gebiet der industriellen Biotechnologie und insbesondere auf alternative Herstellverfahren. Eines dieser Verfahren ist die mikrobielle Herstellung von 1,3-Propandiol aus Glycerin, welche in den letzten Jahren eine vermehrte Aufmerksamkeit genießt.

Aufbauend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten mit dem Ziel einer integrierten Nutzung von Rohglycerin in einem Bioraffinerie-Konzept wurde ein optimierter Prozess zur Produktion von 1,3-Propandiol aus Rohglycerin entwickelt. Als Grundlage für den Prozess dient eine anaerobe Fed-Batch-Fermentation mit einem neu isolierten Stamm des Typs C. pasteurianum, in der bis zu 60 g/L 1,3-Propandiol erreicht werden. Diese Fermentation kann unter nicht sterilen Bedingungen durchgeführt werden und wurde bis zum 1000 L Pilotmaßstab gezeigt. Als optimales, preisgünstiges Substrat in der Biokonversion hat sich entsalztes Rohglycerin in einem chemisch definierten Minimalmedium herausgestellt, da es den Salzeintrag in den Prozess minimiert und so die Produktaufarbeitung erleichtert. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass durch Titration der Fermentation mit Ammoniaklösung im Gegensatz zu Natron- oder Kalilauge die Abtrennung von Nebenprodukten in der Aufarbeitung deutlich verbessert wird. In dieser experimentell optimierten Aufarbeitung werden zuerst nach vollständigem Substratumsatz die Biomasse und Proteinrückstände durch Ultrafiltration entfernt. Anschließend wird die geklärte Brühe in einer Kaskade von Verdampfern auf Konzentrationen von 40-50% 1,3-Propandiol eingeengt. Zur Feinreinigung des 1,3-Propandiols wird die konzentrierte Fermentationsbrühe in 2 Schritten im Vakuum rektifiziert. Dabei sind jeweils 8 theoretische Trennstufen und ein Rücklaufverhältnis von 0,5 nötig, um 99% reines 1,3-Propandiol am Kopf der zweiten Kolonne zu erhalten.

Als Hauptwerkzeug für die Weiterentwicklung des Herstellungsverfahrens für 1,3-Propandiol wurde eine Miniplant genutzt. Mit dieser Anlage konnte die technische Machbarkeit des ausgearbeiteten Herstellungsprozesses nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde anhand der untersuchten Einflüsse von Fermentationsparametern auf die Produktaufarbeitung, wie die Nutzung von Rohglycerin oder unterschiedlichen Titrationslaugen, gezeigt, dass die integrierte Betrachtung von Fermentation und Aufarbeitung in einer Miniplant von hoher Bedeutung ist.