Können Lebensmittelabfälle wie Speiseeis durch Elektrofermentation in wertvolle Chemikalien umgewandelt werden?
"Wir schaffen eine Industrie aus dem Abfall einer anderen Industrie"
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Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass die Fermentierung von industriellen Lebensmittelabfällen durch einen elektrischen Impuls beschleunigt wird und die Ausbeute an Plattformchemikalien, die wertvolle Bestandteile einer breiten Palette von Produkten sind, steigt.
Bei der Entwicklung des neuen Systems entdeckten die Forscher der Ohio State University auch, dass die Kombination von zwei Bakterienarten in der Elektrofermentationsmischung nicht nur zur Beschleunigung des Prozesses beiträgt, sondern auch eine gezieltere chemische Produktion ermöglicht.
In dieser Studie bestanden die Lebensmittelabfälle aus Speiseeis und saurer Sahne - das Team hat die Arbeit jedoch durch Experimente mit Kaffeesatz und Seealgen erweitert.
Eine eventuelle Einführung der Technologie könnte viele Vorteile mit sich bringen: eine effiziente, nachhaltige und kostengünstige Produktion von Mehrzweckchemikalien unter Verwendung von Ausgangsmaterialien, die andernfalls verbrannt oder auf einer Deponie gelagert würden, was zu den Treibhausgasemissionen beiträgt.
"Wir schaffen eine Industrie aus den Abfällen einer anderen Industrie", sagte der Erstautor Beenish Saba, ein Forscher im Bereich Lebensmittel-, Agrar- und Biotechnologie an der Ohio State University.
"Wir nutzen Abfälle, die von Unternehmen auf eine Deponie gebracht werden müssen, wo sie Methangas produzieren. Wir schlagen vor, dass die Industrie einen einfachen Bioreaktor aufstellen kann, in dem sie andere wichtige Nebenprodukte erzeugen kann.
Die Studie wurde kürzlich im Journal of Environmental Chemical Engineering veröffentlicht.
Die Arbeit stützt sich auf frühere Forschungsarbeiten von Saba und Katrina Cornish, emeritierte Professorin für Gartenbau und Pflanzenbau sowie Lebensmittel-, Agrar- und Bioingenieurwesen an der Ohio State University und Mitautorin der aktuellen Studie, zur Abfallverwertung.
Im Rahmen der Aufwertung wurden die physikalischen und chemischen Eigenschaften von 46 Lebensmittelabfallproben analysiert, um gute Kandidaten für die Umwandlung in Chemikalien und Biogase durch eine Reihe von Prozessen - einschließlich Fermentation - zu ermitteln.
In der neuen Studie verglichen Saba und Kollegen den Ertrag und die Dauer der konventionellen Fermentation mit der Elektrofermentation. Bei den herkömmlichen Verfahren werden Lebensmittelabfälle und Bakterien in eine Flasche gegeben, der Nährstoffgehalt angepasst und die Materialien bei 98,6 Grad Celsius bebrütet. Die Elektrofermentation wird bei Raumtemperatur in einem Bioreaktor durchgeführt, der mit einer Elektrode ausgestattet ist, die mit einer minimalen externen Spannung betrieben wird.
"Bei der herkömmlichen Fermentation wachsen die Bakterien fröhlich vor sich hin und produzieren einige Lösungsmittel und Gase", so Saba. "Im zweiten Schritt gaben wir ihnen ein wenig prickelnden Strom, so dass die Bakterien eine kleine Irritation verspürten, und der Stoffwechsel war schnell. Sie wuchsen und fraßen fröhlich, und sie produzierten mehr Nebenprodukte - was bedeutet, dass wir den Ertrag steigern können."
Die Entwicklung dieses neuen mikrobiellen elektrochemischen Systems hatte noch einen weiteren Vorteil: die Produktion von Wasserstoffgas.
Die Experimente zeigten, dass die Kombination zweier Bakterienarten aus der Clostridium-Familie zur Wasserstoffgasproduktion beitrug und gleichzeitig die Gärungsabfälle reduzierte - es ist bekannt, dass die üblicherweise verwendete Art C. bijerinckii Kohlendioxid erzeugt, während sie Lebensmittelabfälle in Alkohole umwandelt, aber es stellte sich heraus, dass eine andere Art, C. carboxidivorans, dieses CO2 verbraucht.
"Das bedeutet, dass das Abfallprodukt des einen Bakteriums von dem anderen verwertet wird", so Saba. "Es war möglich, dass es eine antagonistische Beziehung gab, aber wir haben getestet, ob sie zusammen wachsen und haben festgestellt, dass es eine synergistische Beziehung zwischen diesen beiden Bakterien gibt, die gut funktioniert."
Neben dem CO2-Verbrauch produziert C. carboxidivorans auch Wasserstoffgas und Lösungsmittel.
"Das Kohlendioxid ist immer noch da, aber der größte Teil davon wird verbraucht, und wir erhalten Wasserstoffgas - ein zusätzliches Produkt. Wir haben jetzt zwei wertvolle Produkte und ein Abfallprodukt", sagte sie.
Die Arbeit geht einher mit einer verstärkten Konzentration auf die Verwendung von Lebensmittelabfällen und landwirtschaftlichen Rückständen zur Herstellung biobasierter Produkte, so Saba.
"Wir arbeiten daran, den Ertrag, die Kosteneffizienz und die Skalierbarkeit zu verbessern", sagte sie. "Die Regierung bittet um Arbeit in diesem Bereich, und die Industrie ist daran interessiert, aus Abfällen einen Nutzen zu ziehen und nicht für deren Entsorgung zu bezahlen.
"So viele landwirtschaftliche oder biologische Materialien werden einfach weggeworfen. Es ist viel besser, sie zu verwerten und wertvolle Produkte herzustellen."
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