Key words
(English)
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Biorefinery, renewable energy, bio-based Chemicals, membrane contactor
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Short description
(German)
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Ziel des Projektes «Up-Whey» ist es, neue Technologien für die Verwertung von Milchprodukt-Abfällen und saurer Lactose- Molke zu entwickeln. Daraus sollen die Plattform-Chemikalien Milchsäure und Butanol sowie erneuerbare Energie gewonnen werden. Die vorgesehenen Technologien sollen den industriellen Bedürfnissen als clip-on Technologie gerecht zu werden.
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Short description
(English)
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The project UP-Whey targets to develop new technologies for valorising dairy waste and sour lactose whey for the production of industrial bulk Chemicals such as lactic acid and butanol and renewable energy. The envisaged technology should fit industrial needs as a clip-on technology for current dairy and whey processors.
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Short description
(French)
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L'objectif du projet « Up-Whey » est de développer de nouvelles technologies pour la valorisation des déchets de produits laitiers et du lactosérum acide. Les produits chimiques de la plate-forme, à savoir l'acide lactique et le butanol, ainsi que l'énergie renouvelable, seront obtenus à partir de ces produits. Les technologies prévues doivent répondre aux besoins de l'industrie en tant que technologie clip-on.
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Final report
(German)
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Um Produkte, die bisher aus fossilen Rohstoffen gewonnen worden sind, zu subtituieren, rückt auch die Valorisierung von Abfall- und Seitenströmen in den Fokus. Insbesondere den mit organischen Inhaltsstoffen und interessaten Vorprodukten versehenen Seitenströmen aus Molkereien kommt hier besondere Bedeutung zu und wurde im Rahmen eines Gemeinschaftprojektes mit österreichischen Partner näher untersucht. Im von der Hochschule für Life Sciences (HLS) der Fachhochschule Nordwestschweiz in Muttenz (BL) untersuchten Projektteil wurde eine Methodik zur Identifizierung, Bewertung und Optimierung eines geeigneten Membranextraktionssystems (ME) für die Extraktion von Milchsäure (LA) aus LA-haltigen Strömen aufgezeigt, die von einer Modelllösung bis hin zu Fermentationsbrühen reicht. Es wurde festgestellt, dass ein Lösungsmittel bestehend aus 20 Gew.-% Trioctylamin (TOA) in Decanol für die ME-Extraktion von LA geeignet war und eine ausreichende LA-Extraktionsrate und eine geringe toxische Wirkung auf die spezifischen Milchsäurebakterien Lactobacillus Plantarum DSMZ 264 zeigte (die entsprechenden Experimente wurden am Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie - ATB in D-Potsdam durchgeführt, während alle anderen Experimente und Simulationen an der HLS, durchgeführt wurden. Durch die Kenntnis eines geeigneten ME-Systems und die Optimierung seiner Betriebsbedingungen wie Lösungsmittelzusammensetzung, Durchflussrate und Extraktionstemperatur wurde die Leistung der In-situ-LA-Membranextraktion experimentell erfasst. Durch in-situ Entfernung der während der Fermentation gebildeten Milchsäure ist neben dem Wegfall der für die pH-Stabilisierung und Milchsäuregewinnung notwendigen Chemikalien sowie dank der emulsionsfreien Extraktion nicht mehr notwendigen, energieintensiven Zentrifugation auch ein kontinuierlicher Fermentationsbetrieb denkbar. So ist es beispielsweise für einen 20 m3 Fermenter mit einer LA-Produktion von 0.3 g/L*h-1 mit rund 320 m2 Membranfläche möglich, die LA-Konzentration über einen längeren Zeitraum bei konstant 30 g/L zu halten – was bei einem Betrieb von 18 Tagen zu rund 2.9 Tonnen LA führt. Selbst in Batch-Fahrweise konnte durch die in-situ Extraktion von Milchsäure aus Fermentationsbrühen die LA-Produktion während der Fermentation um das etwa 3,75-fache im Vergleich zur konventionellen LA-Batch-Fermentation erhöht werden. Die hier vorgeschlagene und entwickelte Technologie wurde für die Implementierung in zwei spezifischen Seitenströmen der beteiligten österreichischen Industrien evaluiert. Die Ergebnisse dieser Bewertung zeigten, dass die LA Membranextraktion sehr wohl in der Lage ist, Milchsäure, die fermentativ mit Seitenströme von Molkereien betrieben wird, erfolgreich zu extrahieren und damit die organische Belastung dieser Abwässer zu reduzieren. Dieser Ansatz ist somit im gleichen Masse auch interessant für die in diesem Sektor tätigen Schweizer Unternehmen. Neben Milchsäure wurde auch die Membranextraktion anderer Carbonsäuren wie der Mandel-, Itaconund Bernsteinsäure aus Testlösungen untersucht. Auch hier zeigte sich die prinzipielle Machbarkeit des Verfahrens auf – mit teilweise auch höheren Gesamtstoffdurchgangskoeffizienten als bei der Milchsäure, womit sich weitere Anwendungsgebiete für dieses Verfahren aufzeigten.
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Final report
(English)
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In order to substitute products that have previously been obtained from fossil raw materials, the focus is also on the valorization of waste and side streams. In particular, the side streams from dairies containing organic ingredients and interesting preliminary products are of particular importance and were examined in more detail as part of a joint project with Austrian partners. As part of the current general drive to substitute products previously obtained from fossil raw materials, there is a growing focus on the valorization of waste and side streams. Side streams from dairies, containing organic ingredients and interesting preliminary products, are of particular importance, and were examined in detail as part of a joint project with Austrian partners and the University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland (FHNW). The project investigation by the FHNW School of Life Sciences (HLS) in Muttenz (BL) demonstrated a methodology to identify, evaluate and optimize a membrane extraction (ME) system suitable for extracting lactic acid (LA) from streams ranging from a model solution to fermentation broths. It was found that a solvent consisting of 20 wt% trioctylamine (TOA) in decanol was suitable for the ME of LA and showed a sufficient LA extraction rate, as well as a low toxic effect on the specific lactic acid bacterium Lactobacillus Plantarum DSMZ 264. The latter experiments were performed at the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy - ATB in D-Potsdam, while all other experiments and simulations were performed at the HLS. By knowing a suitable ME system and optimizing its operating conditions such as solvent composition, flow rate and extraction temperature (20 wt% of TOA in decanol, 20 kg/h flow rate for each phase, and at an extraction temperature of 25°C), the performance of in situ LA membrane extraction was experimentally recorded. By in-situ removal of the lactic acid formed during fermentation, continuous fermentation operation is also conceivable, in addition to eliminating the chemicals necessary for pH stabilization and lactic acid production and, thanks to the emulsion-free extraction, the energy-intensive centrifugation that is no longer necessary. For example, for a 20 m3 fermenter with an LA production of 0.3 g/L*h-1 with around 320 m2 of membrane surface, it is possible to keep the LA concentration at a constant 30 g/L over a longer period of time - which is the case with an operation of 18 days around 2.9 tons of LA. Even in batch mode, the in-situ extraction of lactic acid from fermentation broths increased LA production during fermentation by approximately 3.75 times compared to conventional LA batch fermentation. The technology proposed and developed here was evaluated for implementation in two specific side streams of the Austrian industries involved. The results of this evaluation showed that LA membrane extraction is very capable of successfully extracting lactic acid, which is fermented with side streams from dairies, and thus reducing the organic contamination of these wastewaters. This approach is therefore equally interesting for Swiss companies operating in this sector. The final step was to evaluate the performance of ME on fermentable carboxylic acids such as mandelic, itaconic and succinic acids, where the in - situ ME approach could potentially be applied. This leaves the window open for further applications of the technology.
Related documents
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Final report
(French)
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Afin de substituer les produits obtenus jusqu'à présent à partir de matières premières fossiles, la valorisation des déchets et des flux secondaires est également au centre de l'attention. Les flux secondaires des laiteries qui contiennent des substances organiques et des produits intermédiaires intéressants revêtent une importance particulière et ont été étudiés de plus près dans le cadre d'un projet commun avec des partenaires autrichiens. Dans la partie du projet étudiée par la Hochschule für Life Sciences (HLS) de la Fachhochschule Nordwestschweiz à Muttenz (BL), une méthode d'identification, d'évaluation et d'optimisation d'un système d'extraction à membrane (ME) approprié pour l'extraction d'acide lactique (LA) à partir de flux contenant du LA a été mise en évidence, allant d'une solution modèle à des bouillons de fermentation. Il a été constaté qu'un solvant composé de 20 % en poids de trioctylamine (TOA) dans du décanol convenait pour l'extraction ME de LA et présentait un taux d'extraction de LA suffisant et un faible effet toxique sur les bactéries spécifiques de l'acide lactique Lactobacillus Plantarum DSMZ 264 (les expériences correspondantes ont été réalisées à l'Institut Leibniz pour la technique agricole et la bioéconomie - ATB à D-Potsdam, tandis que toutes les autres expériences et simulations ont été réalisées à l'HLS,. La connaissance d'un système ME approprié et l'optimisation de ses conditions de fonctionnement, telles que la composition du solvant, le débit et la température d'extraction, ont permis de mesurer expérimentalement les performances de l'extraction par membrane LA in situ. L'élimination in situ de l'acide lactique formé pendant la fermentation permet non seulement de supprimer les produits chimiques nécessaires à la stabilisation du pH et à l'extraction de l'acide lactique, mais aussi d'envisager un fonctionnement continu de la fermentation grâce à l'extraction sans émulsion, qui ne nécessite plus de centrifugation à forte consommation d'énergie. Par exemple, pour un fermenteur de 20 m3 avec une production de LA de 0,3 g/L*h-1 et une surface de membrane d'environ 320 m2, il est possible de maintenir la concentration de LA à un niveau constant de 30 g/L pendant une période prolongée - ce qui permet d'obtenir environ 2,9 tonnes de LA pour un fonctionnement de 18 jours. Même en mode batch, l'extraction in situ de l'acide lactique des bouillons de fermentation a permis d'augmenter la production de LA pendant la fermentation d'environ 3,75 fois par rapport à la fermentation batch conventionnelle de LA. La technologie proposée et développée ici a été évaluée pour être mise en oeuvre dans deux flux secondaires spécifiques des industries autrichiennes impliquées. Les résultats de cette évaluation ont montré que l'extraction par membrane LA est tout à fait capable d'extraire avec succès l'acide lactique qui est fermenté avec des flux secondaires de laiteries et de réduire ainsi la charge organique de ces effluents. Cette approche est donc tout aussi intéressante pour les entreprises suisses actives dans ce secteur. Outre l'acide lactique, l'extraction par membrane d'autres acides carboxyliques tels que les acides amylique, itaconique et succinique a également été étudiée à partir de solutions tests. Là aussi, la faisabilité de principe du procédé a été démontrée, avec parfois des coefficients de transfert de masse totale plus élevés que pour l'acide lactique, ce qui a permis d'identifier d'autres domaines d'application pour ce procédé.
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