Elektroimpulsbehandlung von Hefen zum Upcycling agroindustrieller Reststoffe zu Bioschmierstoffen und Einzellerproteinen (ELEGANT); Teilvorhaben 1: Prozessentwicklung und Produktcharakterisierung; Akkronym: ELEGANT

Abstract

Das Forschungsvorhaben ELEGANT - Teilvorhaben 1 verfolgte das Ziel, ölbildende Hefen auf Restströmen zu kultivieren, um eine hohe Biomassendichte und einen hohen Lipidgehalt zu erreichen. Zudem sollte ein energie- und kosteneffizienter Downstream-Prozess zur Gewinnung der Hefeöle entwickelt, deren Eignung als Basisöl für biologisch abbaubare Verlustöle (Bioschmierstoffe) untersucht und die Wirtschaftlichkeit einer Vermarktung evaluiert werden. Ein weiteres Anliegen war die Wertsteigerung durch die Gewinnung der Proteinfraktion als Koppelprodukt für die Tierernährung. In einem ersten Schritt wurde die Fermentation von vier Hefespezies auf Glukose optimiert. Detailierte Ergebnisse hierzu sind im Abschlussbericht ELEGANT - Teilvorhaben 2 zu finden. Dabei erzielte C. oleaginosum unter Stickstofflimitierung nach sieben Tagen eine Biomassendichte von 50 gCDW/L bei einem Lipidgehalt von über 50 %CDW. S. podzolica und A. porosum erreichten leicht niedrigere Werte, erforderten jedoch aufwändigere Extraktionsverfahren. S. segobiensis erwies sich mit weniger als 20 %CDW als ungeeignet. Die effizienteste Lipidgewinnung gelang bei S. podzolica und A. porosum durch eine Kombination aus Elektroimpulsbehandlung, Inkubation und Lösemittelextraktion mit Ethanol-Hexan-Gemischen. Allerdings erwiesen sich die benötigten Massenflüsse für die Lösemittelrückgewinnung als energetisch und wirtschaftlich problematisch. Für C. oleaginosum reichte eine einfache Vorbehandlung aus, um mit einer biphasischen Extraktion (MTBE oder MeTHF) hohe Effizienz zu erreichen. Zudem konnte die Biomassendichte auf über 150 gCDW/L Lösemittel gesteigert werden, was den industriellen Maßstab erleichtert. Der Energiebedarf für die Lipidgewinnung reduzierte sich von ursprünglich über 100 MJ/kg Lipid (bei S. podzolica) auf unter 5 MJ/kg Lipid (bei C. oleaginosum), was als technischer Meilenstein gilt. C. oleaginosum erwies sich auch auf Rohglyzerin als Reststrom mit 30 gCDW/L und 40 %CDW Lipidgehalt nach sieben Tagen als vielversprechend. Die Extraktionseffizienz lag bei 70–75 %TL mit MTBE oder MeTHF, wobei der Energiebedarf leicht über 5 MJ/kg Lipid lag. Die rheologischen Eigenschaften der Öle waren exzellent und deuteten auf einen Einsatz als Mehrbereichsöle hin. Tribologische Tests zeigten jedoch zunächst widersprüchliche Ergebnisse: Einige Proben wiesen deutlich geringere Reibverschleißwerte auf als die Referenz HOSO, andere deutlich höhere – vermutlich bedingt durch Verunreinigungen aus dem Extraktionsprozess oder Kultivierreste. Insgesamt bewertete der Industriepartner ROWE die Schmierstoffeigenschaften jedoch positiv. Trotz dieser technischen Erfolge ergab eine Wirtschaftlichkeitsanalyse des Fraunhofer ISI, dass unter aktuellen Marktbedingungen keine Rentabilität für eine Vermarktung der Hefeöle als Basisöl für Bioschmierstoffe besteht. Die Gewinnschwelle liegt bei mindestens 11,12 €/kg Lipid, während pflanzliche Basisöle für lediglich ca. 2 €/kg erhältlich sind. Zudem scheiterte der Einsatz der Restbiomasse als Futtermittel an einem ungünstigen Aminosäurenprofil und zu hohen Restfettgehalten. Damit bleibt die großindustrielle Umsetzung trotz vielversprechender technischer Ergebnisse vorerst unwirtschaftlich.