Projekt 11390/01

Veredelung regionaler Rohstoffe durch innovative Aufreinigungsverfahren

Projektdurchführung

Leibniz Universität HannoverZentrum Angewandte ChemieInstitut für Technische Chemie
Callinstr. 5
30167 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Melasse kann mit chromatographischen Methoden entzuckert werden, wobei neben der Extraktion des Zuckers auch die gezielte Anreicherung anderer anspruchsvoller Melasseinhaltsstoffe möglich ist. Hierbei handelt es sich um Pharma-Wirkstoffe und Biochemikalien, die ansonsten hauptsächlich auf klassisch-chemischem Wege (Erdölchemie) gewonnen werden können. Allerdings liegen diese Wertstoffe in geringen Konzentrationen (< 1%) im Rohstoff vor, so daß der Hauptaufwand zur Darstellung in der Aufarbeitung liegt. Deshalb muß die Aufarbeitungsstrategie konsequent optimiert werden, um das Potential eines umweltfreundlichen Darstellungsverfahrens aus nachwachsenden Rohstoffen voll auszuschöpfen. Die durch das Verfahren bedingten hohen Verdünnungseffekte führen dazu, daß bei der nachfolgenden Konzentrierung der Produktfraktionen ein hoher Energieaufwand betrieben werden muß. Durch Fraktionierungsfehler kommt es zwangsläufig zu suboptimalen Produktreinheiten und Ausbeuten. Dadurch erhöhen sich bei den nachfolgenden Ionenaustauschprozessen die auftretenden Salzfrachten sowie Abwasservolumen und -belastung. Durch moderne Analysesysteme soll das Verfahren effizienter gesteuert werden, um diese Umweltbelastungen abzubauen


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMit Hilfe innovativer Biosensor-Analysesysteme soll eine kontinuierliche Chromatographieprozeßanalyse erfolgen, die direkt zur Bestimmung der Schnittgrenzen der Produktfraktion herangezogen werden kann. Dadurch wird eine Reduzierung der Chromatographiezyklen ermöglicht und eine höhere Ausbeute und Produktreinheit erreicht. Die detaillierte Prozeßanalytik wird damit zu einer erheblichen Einsparung an Energie und Speisewasser, einer Reduktion von Abwasservolumen und einer Verminderung von CSB-, Stickstoff- und Salzfrachten führen. Gleichzeitig erniedrigen sich die Menge an Aktivkohleabfall sowie nicht mehr in den Prozeß rückführbarer Mutterlaugen. In enger Zusammenarbeit mit der AMINO GmbH wird am Institut für Technische Chemie ein Bioanalysesystem aufgebaut und mit einer Kontroll- und Auswertesoftware versehen. Das Analysesystem kann als Stand-alone-Version an den Prozeß angekoppelt werden und die Meßdaten direkt an das Prozeßleitsystem weiterreichen. Das System wird vor Ort eingesetzt, getestet und anschließend optimiert. Modellhaft soll in dem Pilotprojekt an einem bestehenden Produktionsverfahren (Serindarstellung) das Potential einer Verfahrensoptimierung (beispielhaft durch intelligente Prozeßanalytik) für eine Umweltschutzverbesserung gezeigt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Durch die Arbeiten konnte ein leistungsfähiger Biosensor zur Analytik von Serin in Zuckerrübenmelasse entwickelt werden. Verschiedene Enzymsysteme wurden auf ihre Serin-Spezifität untersucht und mit Proben aus dem Chromatographieprozeß getestet. Der Biosensor mit der D-Aminosäure-Oxidase reagiert nicht selektiv genug auf das vorhandene D-Serin, sondern das Enzym setzt bevorzugt D-Tyrosin um, welches ebenfalls in den Proben enthalten ist. Durch den Einsatz des Enzymsystems D-Serin-Dehydratase/Lactat-Dehydrogenase wird dieses Selektivitätsproblem umgangen, da im zweiten Schritt der Reaktion nur Pyruvat umgesetzt wird. Das immobilisierte Enzym wurde in ein FIA-System integriert, das die Analyse einer Probe in 2,5 Minuten ermöglicht. Der Verlauf der Serin-Konzentration in der Trennkolonne wird sicher erfaßt, ein für Steuerung und Optimierung wichtiger Parameter.
In Zusammenarbeit mit der AMINO GmbH wurde die Kombination des FIA-Systems mit dem Probenahmesystem durchgeführt. Es erfolgte die Untersuchung, wie schnell, wie häufig und wie drastisch die Verschiebungen der Schnittgrenzen erfolgen. So konnten genauere Daten über die Größe der Umweltbelastung vor und nach dem Biosensoreinsatz erhalten (betriebliches Umweltkostenmanagement) werden. Durch den Einsatz des Biosensorsystems können erhebliche Verbesserungen in Bezug auf die Produktausbeute und somit auf den produktionsspezifischen Energieanteil erreicht werden. Weiterhin kann der Einsatz von Chemikalien und der Wasserverbrauch gesenkt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Artikel
· P. Sosnitza, F. Irtel, R. Ulber, M. Busse, R. Faurie, L. Fischer, T. Scheper, Biosensors for supervision of industrial chromatographic down stream processing in biotechnology, Biosensors & Bioelectronics 13 (1998) 1251-1255
· R. Ulber, T. Weiß, D. Steuber, D. Kosemund, R. Faurie, P. Sosnitza, K. Plate, H. Buchholz, W. Demmer, L. Fischer, T. Scheper, Sinnvolle Verwandlung, BioTec 4 (1999) 44-46
· R. Ulber, R. Faurie, P. Sosnitza, L. Fischer, E. Stärk, C. Harbeck, T. Scheper, Monitoring and control of industrial down stream processing of sugar beet molasses, J. of. Chromatogr., submittedPoster
· P. Sosnitza, F. Irtel, R. Ulber, M. Busse, H.-J. Danneel, R. Faurie, L. Fischer, T. Scheper, Biosensoren für Down-Stream Processing in der Biotechnologie, DECHEMA 1998, Wiesbaden, GermanyVortrag
· P. Sosnitza, F. Irtel, R. Ulber, M. Busse, R. Faurie, L. Fischer, T. Scheper, Biosensors for supervision of industrial chromatographic down stream processing in biotechnology, Biosensors 1998, Berlin, Germany


Fazit

Durch den Einsatz eines innovativen Biosensorsystems konnte exemplarisch an der industriellen Melasseentzuckerung gezeigt werden, daß durch diese Analysemethode eine deutliche Verbesserung der Umweltfaktoren erzielt werden kann. Die bisher produktunspezifischen Analyseverfahren konnten durch eine spezifische Analytik für die Aminosäure Serin erweitert werden. Die AMINO GmbH ist somit in der Lage, die Schnittgrenzen der Serinfraktion während des chromatographischen Prozesses genau zu verfolgen. Durch die gezielten Schnittgrenzen kann eine höhere Produktreinheit und -ausbeute erreicht werden. Dadurch können Rechromatographieprozesse eingespart werden, was sich in einer deutlichen Reduktion des Chemikalien- und Abwasserverbrauchs widerspiegelt.