Die nachhaltige Gestaltung von Produktionsverfahren ist unter dem Aspekt der Ressourcenschonung und Etablierung einer bio-basierten Kreislaufwirtschaft eine der Herausforderungen unserer Zeit. Moderne biotechnologische und Abwasserbehandlungsverfahren können dabei entscheidende Beiträge liefern.
Zielstellung des Stipendienaufenthaltes sind die Durchführung von Nachhaltigkeitsbewertungen (Life-Cycle Sustainability Assessment) für ausgewählte biobasierte Verfahren zur alternativen Herstellung von Carbonsäuren (z.B. Citronen-/Isocitronensäure) mit der die ökologischen und sozio-ökonomischen Auswirkungen sowohl einzelner Prozessstufen als auch der Gesamtverfahren. Die besondere Herausforderung besteht darin, dass bereits während Prozessentwicklung und optimierung im Labor-/Technikumsmaßstab die Nachhaltigkeitsprobleme ex-ante erfasst werden und Fehlentwicklungen vor der eigentlichen Maßstabsübertragung und Produktionsphase identifiziert und korrigiert werden können. Als Softwaretools für die Öko-Bilanzierungen stehen GaBi8, openLCA7 sowie für die Modellierung und Bilanzierung der Prozessstufen mit SuperProDesigner zur Verfügung. Abgerundet werden sollen die Arbeiten mit der Durchführung eigener experimenteller Arbeiten zur Optimierung von Bioprozessen (z.B. Substratauswahl), welche die Basis für die Nachhaltigkeitsanalysen darstellen.
Bei der vorgesehenen Erweiterung der Nachhaltigkeitsbewertungen auf Fragestellungen der Abwasserbehandlung und des Abwassermanagements treten zusätzliche Aspekte wie z.B. Frage nach zentralen oder dezentralen Konzepten in Vordergrund. Dabei sollen Abwasseraufkommen erfasst und potenzielle Standorte für die Abwasserbehandlung unter Aspekten der Ökologie und Ökonomie mit speziellen Software (z.B. ALLOWS-tool) geplant und deren Nachhaltigkeit prognostiziert werden.
Im Rahmen meines Stipendiums habe ich in einem Projekt mit der Hefe Yarrowia lipolytica zur biotechnologischen Produktion der chiralen Verbindung Isocitronensäure geforscht. Während dieses Jahres habe ich die Gewinnung dieser Feinchemikalie in Schüttelkolbenexperimenten und auch in Bioreaktorkultivierungen untersucht. Ich bekam einen guten Überblick darüber, wie man einen Bioprozess plant, organisiert und durchführt, Versuchsergebnisse darstellt und auswertet. Während des praktischen Teils der Arbeit lernte ich viele neue mikrobielle und analytische Methoden kennen, wie z.B. das Arbeiten unter sterilen Bedingungen, die Vorbereitung der Vor- und Hauptkulturen, die pH-Einstellung in den Schüttelkolben, die Entnahme von Proben sowie die Vorbereitung der Proben für weitere Analysen (z.B. Ionenchromatografie). Weiterhin führte ich Bestimmungen der Zellzahl und der Optischen Dichte zur Beurteilung des Hefewachstums durch.
Den anderen Teil meiner Arbeit habe ich mit der Software SuperPro Designer durchgeführt. Mit dieser Software können wir u.a. Fließbilder von Prozessen erstellen, die Größe einer Gesamtanlage planen, alle Stufen (z.B. Bioreaktor, Filtration) eines Prozesses modellieren und die wirtschaftlichen Ergebnisse des gesamten Prozesses berechnen. Das bedeutet, dass wir vorläufige Informationen über die Kosten und die Rentabilität des Verfahrens und der Produktkosten erhalten können. Für den hefebasierten Isocitronensäure-Bioprozess habe ich mitarbeitet, um Massenbilanzen zu erstellen, die Mengen und Preise der Verbrauchsmaterialien zu definieren, die Größe der Ausrüstung zu planen und eine Kostenanalyse durchzuführen.
Um Informationen über die Umweltauswirkungen des Prozesses zu erhalten, haben wir zusätzlich die Software GaBi9.2 verwendet. Diese Software ermöglicht es, die Umweltauswirkungen eines Prozesses von der Wiege bis zur Bahre zu berechnen.