In der Verfahrenstechnik, insbesondere in der Pharma- und Lebensmittelindustrie, werden Membranprozesse zunehmend eingesetzt, da sie energieeffizient und selektiv arbeiten und somit eine schonende und wirtschaftliche Alternative zu klassischen Trennverfahren bieten. In Kombination mit der biotechnologischen Herstellung durch Enzyme ermöglichen sie maßgeschneiderte Produktionsprozesse, die Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung in den Vordergrund stellen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll die Integration enzymatischer Reaktionsprozesse in die Vorwärtsosmose am Beispiel präbiotischer Galactooligosaccharide aus Molke untersucht werden. Molke fällt bei der Herstellung von Käse und Joghurt in großen Mengen als Nebenprodukt an und verursacht aufgrund des hohen Sauerstoffbedarfs enorme Probleme bei der Entsorgung. Weltweit werden nur bis zu 70 % der anfallenden Molkeströme umwelteffizient weiterverwertet.
Aus diesem Grund wird Molke im Rahmen des Forschungsproduktes als Substrat verwendet. Es soll mithilfe einer Vorwärtsosmosemembran möglichst effizient und nachhaltig bis zur Übersättigung aufkonzentriert werden. Weiterhin ist die enzymatische Umsetzung zu präbiotischen Galactooligosacchariden zu untersuchen, welche das menschliche Immunsystem positiv beeinflussen und beispielsweise in Form von Babynahrung verwendet werden.
Die Vorwärtsosmose ist eine besonders schonende Technologie, da weder hohe Temperaturen noch großer Druck aufgebracht werden müssen, sondern ein Gradient im osmotischen Druck zur Entwässerung führt. Um diese treibende Kraft zu erzeugen, werden meist binäre oder ternäre Salzlösungen als sogenannte Draw Soloution verwendet. Die verwendeten Membranmodule sind aufgrund der Diffusion in beide Richtungen weniger anfällig für Fouling und das Verfahren ist wesentlich energie- und ressourcenschonender als vergleichbare druckgetriebene oder Evaporationsverfahren.
Durch die Integration der enzymatischen Umsetzung in die Vorwärtsosmose könnten die Substratkonzentration, die Konversion sowie die Entfernung des bei der Reaktion entstehenden Wassers in einem Schritt erfolgen, sodass Verfahrensaufwand und -kosten sowie die Umweltbelastung durch großtechnische Verfahren reduziert werden könnten. Die Kombination dieser Schritte könnte auf verschiedenste industriell relevante Prozesse angewandt werden und auch Produktausbeute und -reinheit steigern.
Weiterhin ist die Rückgewinnung der in der Vorwärtsosmose verwendeten Draw Solution ein zentraler Punkt zur Etablierung eines ressourcenschonenden Kreislaufsystems. Da die Regeneration zeitunabhängig stattfinden kann, ist eine Entkopplung vom Osmoseprozess möglich. Daher bietet die Nutzung von regenerativem Überschussstrom zur Vermeidung von Netzschwankungen großes Potenzial und die Draw Solution kann als innovatives Demand Side Management fungieren. Aus diesem Grund soll auch die Nutzung zur Laststeuerung sowie die möglichst nachhaltige Regenerierung der Draw Solution im Rahmen des Forschungsvorhabens untersucht werden.