Elektrodialyse mit bipolaren Membranen zur Gewinnung organischer Säuren

Die Elektrodialyse gehört zu den elektrochemischen Membranverfahren, bei denen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes nur geladene Teilchen – Ionen – aus einer wässrigen Lösung über ionenselektive Membranen (Ionenaustauschermembran) entfernt werden.

Bei der bipolaren Elektrodialyse wird die Produktabtrennung mit der elektrodialytisch forcierten Wasserdissoziation an einer bipolaren Membranen kombiniert, so dass ionogene Lösungen in die jeweilige (an)organische Säure und Lauge überführt werden können.

Der inhärente Vorteil dieser Technik ist die Vermeidung von Neutralsalzfrachten, so dass sich der bipolaren Membrantechnik ein weites Anwendungsfeld eröffnet.

Anwendungen der bipolaren Elektrodialyse für die Aufarbeitung von Substanzen, z. B. in Biotechnik und Lebensmitteltechnik:

• Abtrennung und Reinigung organischer Säuren und Aminosäuren aus Fermentationslösungen durch kombinierte bipolare Elektrodialyse und z. B. Kristallisation oder Destillation
  (bereits untersucht wurden: Milchsäure, Essigsäure, Ameisensäure, Citronensäure, Äpfelsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Bernsteinsäure, Gluconsäure, Galacturonsäure bzw. Glycin, Alanin, Glutaminsäure, Methionin)
• Trennung von Aminosäuren bei der enzymatischen Racematspaltung
• Pasteurisierung wässriger Lösungen bei Raumtemperatur
• Kombinierte Entsäuerung von Fruchtsäften und Gewinnung der organischen Säure
• Schonende Einstellung des pH-Wertes ohne Erhöhung des Ionenpotentials (z. B. Geschmacksverstärkung)
• Partielle Inversion von Sucrose oder Inversion von Kartoffelstärke

Darüber hinaus lässt sich das Verfahren auch für Prozesse in der Chemie und der Umwelttechnik zur Einsparung von Chemikalien und Rückgewinnung von Prozesshilfsstoffen einsetzen, wie z. B. zur Rückgewinnung von EDTA aus stromlosen Kupferbeschichtungsbädern, zur Rückgewinnung und Aufarbeitung von Batteriesäure oder zur Rückgewinnung verbrauchter Lauge aus Prozesslösungen zur Herstellung von Nickel-Cadmium-Batterien.

Beispiel: Herstellung von Milchsäure mit bipolarer Elektrodialyse
Ein am IGB entwickeltes Verfahren, mit dem Molkerei-Reststoff wie Sauermolke verwertet und Milchsäure als Wertstoff produziert wird, setzt die Bipolarelektrodialyse zur Gewinnung der Milchsäure ein. Zunächst setzen besonders leistungsfähige Milchsäurebakterien den in der Molke enthaltenen Milchzucker (Lactose) zu Milchsäure (Lactat) um. Anschließend wird durch Filtrationsverfahren und bipolare Elektrodialyse die Milchsäure abgetrennt und in die freie Säure überführt. Die so gewonnene Milchsäure kann als Grundstoff in der chemischen Industrie – zum Beispiel zur Produktion biologisch abbaubarer Kunststoffe – eingesetzt werden.