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Downstream processing of lactic acid fermentation broth from renewable feed stocks
Laube, Hendrik
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Aufreinigung von Milchsäure aus Fermentationslösungen als Ausgangsstoff für die Polymerchemie. Dabei kommt der chemischen Prozessanalyse als Ausgangspunkt für die Evaluierung der jeweiligen Effektivität des Prozessschrittes eine wichtige Rolle zu. Es wurde eine Kapillarelektrophorese-Methode mittels UV/VIS-Detektor entwickelt, welche neben Milchsäure weitere organische Säuren und Aminosäuren erfasst. Dabei konnte der intrazellulare Metabolit, Pyroglutamin, identifiziert und anhand von Laborversuchen sein negativer Einfluss auf den Polymerisationsprozess der Milchsäure nachgewiesen werden.
Des Weiteren wurden an Chitosan, Alginat, Weide und Papel, und ihren pyrolisierten Aktivkohleprodukten Ionenaustauchversuche durchgeführt und diese mit den Werten kommerzieller Adsorber verglichen. Die Versuche habe ge-zeigt, dass sowohl die Ionenart als auch die adsorbierte Menge von dem verwende-ten Rohstoff als auch im Bereich des Holzes von der Pyrolyse abhängig ist. Die Fähigkeit zur Regenerierung dieser natürlichen Adsorbern, für den erneuten Einsatz, wurde ebenfalls belegt. Diese biologisch abbaubaren Adsorbern können nach ihrer Erschöpfung weiter als Bodenverbesserer in der Landwirtschaft ver-wendet werden. Demnach entfällt eine kostenpflichtige Entsorgung, was deren Wirtschaftlichkeit erhöht.
Im Bereich der Nanofiltration wurde eine Methode zur Bestimmung des Membranwiederstandes innerhalb einer Filtrationsanlage entwickelt. Dabei wur-den sieben Nanofiltrationsmodule auf ihre Verwendbarkeit für die Filtration von Milchsäure-Fermentationslösungen hin untersucht. Die Methode erlaubt es dabei den wirtschaftlich optimalen Betriebsdruck des Membranmoduls zu ermitteln. Der Druck auf der Feed-Seite hatte zwar Einfluss auf den Volumenstrom auf der Permeat-Seite, jedoch wurde die Milchsäure-Rückhaltung stark durch das Memb-ranmaterial beeinflusst. Eine Untersuchung der Metaboliten im Permeat hat ge-zeigt, dass alle Membranen die gleichen Fraktionen an Verunreinigungen durch-lassen. Diese Untersuchungen sind insofern wichtig, da anhand der Herstelleran-gaben sich keine eindeutige Kaufempfehlung von Modulen für die Nanofiltration von Milchsäure geben lässt.
The primary focus of this thesis is the chemical analysis of a downstream process (DSP) to produce lactic acid as a feedstock for the polymer industry. The feedstock for the lactic acid fermentation process consists of renewable resources. Lactate is produced in its sodium lactate form by bacteria and must be cleaned and converted into its acid form by the DSP. Chemical analysis is of great importance because it permits an evaluation of the efficiency of both the single unit operation and the entire DSP. In this thesis, a capillary electrophoresis method based on UV/VIS detection was developed. This method can detect lactic acid, various or-ganic acids and amino acids in a single run. Peak identification was conducted ei-ther by spiking the samples with reference substances or by using a mass spec-trometry detector to find the metabolite, pyroglutamic acid. Laboratory experi-ments proved that pyroglutamic acid negatively affects the polymerization of lac-tic acid into poly-lactic acid.
The use of renewables for lactic acid production was expanded from the fer-mentation process to the DSP. The renewables alginate, chitosan, papule, willow and their activated char forms were used for ion adsorption. The results were com-pared to those obtained for commercial adsorber resins. The experiments showed that the type of ion and the number of adsorbed ions depended on the type of re-source and, in the case of wood, could be altered through pyrolysis. The capacity for biologic adsorbent regeneration was also demonstrated. The biologic adsor-bents can be further used as fertilizers after they are exhausted. In contrast to petrochemical adsorber resins, no waste disposal costs are charged, which enhanc-es the economic potential of bio-adsorber resins.
Furthermore, a method for estimating the nanofiltration membrane re-sistance of the filtration modules was introduced. Seven different nanofiltration modules were investigated for their lactic acid fermentation broth filtration per-formance. The method permits the estimation of the economically optimal feed pressure operating conditions. The feed pressure strongly influenced the permeate stream velocity. However, lactic acid rejection was dependent on the membrane material. The generated membrane performance data are very important because none are provided by the manufacturer.
