Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Herstellung von Milchsäure aus Molke

Molke fällt bei der Herstellung von Milchprodukten an, weltweit in einer Menge von ca. 82 Mio Tonnen pro Jahr, wobei insbesondere die Sauermolke eher als Abfallstoff gesehen wird. Nach Abtrennung der hochwertigen Molkeproteine durch Ultrafiltration verbleibt ein Reststoff, der durch seinen hohen CSB-Gehalt (CSB: chemischer Sauerstoffbedarf) nur unter hohem Kosteneinsatz zu entsorgen ist. Die Hauptkomponente ist neben anorganischen Salzen der Milchzucker (Lactose), der aufgrund seiner schwachen Süßkraft in der Lebensmittel-
industrie nur geringe Bedeutung hat. Lactose kann aber mit Hilfe von Milchsäurebakterien zu Milchsäure (Lactat) umgesetzt werden, die als Konservierungs- und Säuerungsmittel in der Lebensmittelherstellung Verwendung findet und als Grundstoff in der chemischen Industrie – zum Beispiel in der Produktion von Polylactiden, biologisch abbaubaren Kunststoffen – eingesetzt werden kann.

Milchsäure wird bisher hauptsächlich aus Melassen bei der Zuckerherstellung gewonnen. Die fermentative Umwandlung wird im großtechnischen Maßstab in Rührkesselreaktoren mit geringen Produktivitäten durchgeführt. Die Freisetzung der produzierten Milchsäure aus dem Salz erfolgt durch Zugabe von Schwefelsäure und Abtrennung des entstandenen Gipses. Der Gips kann nicht weiter verwertet werden und stellt ein Entsorgungsproblem dar.

Ziel des Projektes war es, ein wirtschaftliches umweltfreundliches Verfahren zur Milchsäureproduktion aus Sauermolke zu entwickeln, um Wertstoffproduktion mit Reststoffentsorgung zu kombinieren.

Integrierter Prozess: Fermentative Milchsäureproduktion und Membranverfahren zur Aufarbeitung

Integrierter Prozess.

Integrierter Prozess.

Flussdiagramm des Gesamtprozesses. CSTR CR: Kontinuierlich betriebener Rührkessereaktor mit Zellrückführung; CFBR: Kontinuierlich betriebener Wirbelschichtreaktor

Die Kopplung und Integration von Aufarbeitungsverfahren wie Mikrofiltration und Elektrodialyse mit einem optimierten biologischen System (Organismus, Medium und Bioreaktor) führen zu einem leistungsfähigen Prozess, mit dem Milchsäure wirtschaftlich produziert werden kann und die organische Belastung des verbleibenden Abwassers weitgehend reduziert wird.

In einem ersten Schritt wird hochwertiges Molkeprotein durch Ultrafiltration aus der Sauermolke abgetrennt. Der im Molkepermeat enthaltene Milchzucker wird durch spezielle Milchsäurebakterien, die keine weiteren Zusatzstoffe benötigen, in einem unbelüftet betriebenen Bioreaktor in Lactat (Salz der Milchsäure) umgewandelt. Durch Zellrückführung über eine integrierte Filtrationseinheit können hohe Biokatalysator-
konzentrationen im Fermenter und damit wirtschaftlich interessante Produktivitäten erreicht werden. Die Produktgewinnung erfolgt durch Elektrodialyse mit bipolaren Membranen, bei der das Lactat direkt in die freie Säure überführt wird.

Vorteile des Verfahrens

  • CSB-Reduktion im Prozess um über 90 % bei gleichzeitiger Wertstoffgewinung (L-Milchsäure, Proteine, Biomasse)
  • Minimale Mengen an Zusatz- und Hilfsstoffen
  • Hohe Produktivitäten durch Zellrückhaltung
  • Produktion der freien Milchsäure und Rückgewinnung des Neutralisationsmittels durch bipolare Elektrodialyse
  • Wirtschaftliche Milchsäuregewinnung unter Einsatz umweltgerechter Verfahrensschritte