Optimierung der Milchsäureerzeugung aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie zur Herstellung hochwertiger flüssiger Tierfuttermittel sowie von biobasierten industriellen Kunststoffen
Projektdurchführung
Huntmann GmbH & Co. KG
Industriestr. 11
49492 Westerkappeln
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Das Projekt OptiMi zielt darauf ab, hochwertige Reststoffe der Lebensmittelindustrie zu nutzen, um daraus über einen Fermentationsprozess Milchsäure zu erzeugen. Milchsäure kann als Ausgangsprodukt in verschiedensten Prozessen eingesetzt werden. Dazu zählen unter anderem die Verwendung als Monomer für die Herstellung des biologisch abbaubaren Kunststoffes PLA oder die Verwendung in der Pharmazie. Im Gegensatz zur energetischen Nutzung der Reststoffe in einer Biogasanlage, stellt die Fermentation zur Milchsäuregewinnung einen Prozess mit deutlich höherem Wertschöpfungsniveau dar. Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Reststoffen ist, dass diese nicht extra für die Fermentation angebaut werden, wie es beispielsweise bei der Verwendung von Zuckerrohr für die Milchsäureproduktion in Asien der Fall ist. Damit kann das Ökosystem in den Anbauregionen entlastet werden und die ressourcenschonende und nachhaltige wirtschaftsweise der deutschen Bioökonomie gestärkt werden.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Durch eine umfassende Literaturrecherche wurden die aktuellen Entwicklungen im Bereich der biologischen Milchsäureproduktion analysiert und Herausforderungen identifiziert. Der Fokus des Projekts liegt auf folgenden Kernaspekten:
• Auswahl eines geeigneten Bakterienstammes
• Identifikation und Untersuchung geeigneter Reststoffströme
• Optimierung der Milchsäureausbeute
• Neutralisierung und Pufferung des Prozessmediums
Erste Versuche zielten darauf ab die Prozessbedingungen, die für eine erfolgreiche Fermentation erforderlich sind einzustellen und einzuhalten. Dabei haben sich beheizte Rührkesselreaktoren im Technikums-Maßstab als praktikable Lösung erwiesen. Diese sorgen für eine optimale Durchmischung und verfügen über eine kontinuierliche Temperatur- sowie pH-Überwachung, um Veränderungen im Prozess besser erkennen zu können. Zusätzlich wurde eine pH-Regelung mit Dosiereinheit implementiert, um dem Absinken des pH-Wertes durch die Milchsäureproduktion entgegenzuwirken. So kann sichergestellt werden, dass die Bedingungen für die Fermentation dauerhaft im optimalen Bereich liegen, was die Produktion und Ausbeute an Milchsäure erhöht.
Im Anschluss an die Erprobung wurde eine statistische Versuchsreihe (DoE – Design of Experiments) geplant und gestartet. Das Ziel dieser Versuchsreihe ist es herauszufinden, welche Reststoffe sich optimal für die Verwertung eignen und welche Bedingungen jeweils geschaffen werden müssen. Für diese Versuche wurden vorrangig drei unterschiedliche Reststoffe eines Beispielunternehmens verwendet, die den Hauptanteil im Gesamtteststoffstrom ausmachen. Dabei handelt es sich, um Brötchen, Kuchenabschnitte und Teig. Alle drei Reststoffe enthalten unter anderem große Mengen an Kohlenhydraten, die für die spätere Milchsäuregewinnung relevant sind.
Ergebnisse und Diskussion
Im Rahmen des Projekts OptiMi wurde die technische Machbarkeit der fermentativen Herstellung von Milchsäure aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie erfolgreich untersucht und bewertet. Durch die Durchführung mehrerer Versuchsreihen konnten geeignete Substrate, Prozessparameter sowie geeignete Bakterienstämme identifiziert und hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Milchsäureausbeute analysiert werden. Ergänzend wurden verschiedene Verfahren zur Abtrennung und Aufbereitung der Milchsäure betrachtet und anhand technischer sowie wirtschaftlicher Kriterien bewertet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die stoffliche Nutzung organischer Reststoffe zur Milchsäuregewinnung grundsätzlich ein hohes Potenzial besitzt und zusätzliche Wertschöpfungsmöglichkeiten eröffnet. Insgesamt wurde eine belastbare Datengrundlage geschaffen, die als Grundlage für die weitere Verfahrensentwicklung sowie die Übertragung in einen größeren technischen Maßstab dienen kann.
Es hat sich gezeigt, dass mit der Mischung der Firma Huntmann GmbH & Co. KG und den Mikroorganismen der Gattung Bacillus coagulans eine erfolgreiche Milchsäurefermentation durchgeführt werden kann. Hierbei ist zu beachten, dass die Prozessbedingungen konstant gehalten werden, so dass die Mikroorganismen kontinuierlich Milchsäure erzeugen können. Eine Betriebstemperatur von 50 °C ist hierbei entscheidend. Neben der Temperatur ist auch der pH-Wert von fundamentaler Bedeutung und muss mit Lauge permanent im optimalen Bereich gehalten werden. Die Fermentationszeit sollte hierbei mindestens 48 h betragen. Um eine möglichst hohe Prozess- aber auch Produktqualität zu erreichen, ist eine moderne Analytik mittels Ionenchromatographie dringend zu empfehlen. Nur so können die genauen Ausbeuten bestimmt und fermentative Nebenprodukte erfolgreich identifiziert werden.
Für die weitere Entwicklung wird empfohlen, die gewonnenen Erkenntnisse in einem Pilot- oder Demonstrationsmaßstab zu validieren. Insbesondere die Prozessstabilität, die Aufbereitungsschritte sowie die Wirtschaftlichkeit sollten in einem zukünftigen Projekt unter praxisnahen Bedingungen weiter untersucht werden. Es muss ein technisch und wirtschaftlich sinnvolles Downstream Verfahren zur Abtrennung und Aufarbeitung der Milchsäure entworfen werden.
Darüber hinaus müssen geeignete Bakterienstämme identifiziert werden, die sich auch für den großtechnischen Maßstab eignen. Zudem ist die Evaluierung leistungsstärkerer Bakterienstämme, die optimal auf das eingesetzte Substrat abgestimmt sind oder eine gesteigerte Effizienz bei der Milchsäuresynthese aufweisen, zu empfehlen. Hierbei sollte geprüft werden, inwieweit bestehende Stoffströme und vorhandene Infrastruktur in industrielle Gesamtkonzepte integriert, werden können, um das Wertschöpfungspotenzial der Reststoffe langfristig auszuschöpfen.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Artikel und Pressemitteilungen
• Nachhaltige Herstellung von Milchsäure aus Lebensmittelreststoffen- FOODHUB NRW (04.09.2024)
• Pressemitteilung der FH Münster vom 19.08.2024, verfügbar unter: Nachhaltige Herstellung von Milchsäure aus Lebensmittelreststoffen | FH Münster
• Forschungsprojekt „OptiMi“, Milchsäuregewinnung: Teigwaren, die Kosmetik werden, Westfälische Nachrichten vom 19.08.2024
• Pressemitteilung: FH Münster und die Huntmann GmbH & Co. KG starten Forschungsprojekt „OptiMi“- ganzheitliche Kreislaufführung im Blick, Münster/ Steinfurt (07/24)
Vorträge
• Sören Kamphus, Alexander Beike (04.12.2025), Fokusgruppe „Biogene Reststoffe“, Bioenergiepark Saerbeck
Posterpräsentationen
• Marion Schokmaker, Jannik Grave, Michael Ellermann, Sören Kamphus, Prof. Dr. Elmar Brügging (2024): Optimierte Milchsäureerzeugung aus Reststoffen, interne Präsentation der Zwischenergebnisse, Saerbeck
• Johanna Strotbaum, Alexander Beike, Sören Kamphus, Prof. Dr. Elmar Brügging: Milchsäure aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie, Posterpräsentation im Rahmen der 17. Bioenergiefachtagung, Schwerpunkt: Bioenergie
19. Februar 2026
• Johanna Strotbaum, Alexander Beike: Milchsäure aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie, Posterpräsentation im Rahmen des Sommerkolloquiums, 11. Juni 2026
Sonstige
• Beitrag in Forschungsbroschüre (2026) FORSCHUNGS- UND ENTWICKLUNGSPROJEKTE. Verfügbar unter:
https://www-backend.fh-muenster.de/egu/team-bruegging-wetter/downloads-team-b-w/digital_broschuere.pdf
• Beitrag auf Webseite der FH Münster, OptiMi. verfügbar unter:
https://www.fh-muenster.de/de/egu/team-bruegging-wetter/forschung/projekte/optimi
Fazit
Das Projekt „OptiMi“ hat erfolgreich die technische Machbarkeit der fermentativen Milchsäureproduktion aus organischen Reststoffen der Lebensmittelindustrie (wie Brötchen, Kuchenabschnitten und Teig) nachgewiesen. Durch den Einsatz von Mikroorganismen der Gattung Bacillus coagulans in Kombination mit den Reststoffen der Huntmann GmbH & Co. KG konnte unter Einhaltung definierter Prozessparameter (insbesondere einer konstanten Betriebstemperatur von 50 °C, einer permanenten pH-Wert-Regelung mittels Lauge und einer Fermentationszeit von mindestens 48 Stunden) eine erfolgreiche Milchsäurefermentation durchgeführt werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die stoffliche Verwertung dieser Reststoffe ein hohes Potenzial für zusätzliche Wertschöpfung und eine nachhaltige, ressourcenschonende Bioökonomie bietet. Um die gewonnenen Erkenntnisse künftig in den großtechnischen Maßstab zu überführen, sind jedoch weitere Schritte erforderlich. Dazu gehören insbesondere die Validierung im Pilot- oder Demonstrationsmaßstab, die Entwicklung eines wirtschaftlichen Downstream-Verfahrens zur Aufarbeitung der Milchsäure sowie die Identifizierung und Evaluierung leistungsstärkerer Bakterienstämme.