BW2Pro – Biowaste to Products

Vorhaben

In der Bioabfallraffinerie BW2Pro soll täglich eine Tonne Bioabfall in hochwertige Produkte und Rohstoffe verarbeitet werden. Mittels hohen Drucks und hoher Temperaturen wird hierzu der Bioabfall aufgespalten und in eine faserhaltige feste und in eine flüssige Fraktion getrennt. Es werden nahezu alle Anteile des Bioabfalls weiterverarbeitet oder genutzt.

Mittlere Fasern werden zu Produkten wie Blumentöpfen gepresst. Kurze Fasern dienen als Kohlenstoffquelle für die Produktion des Enzyms Cellulase, das zum Beispiel in vielen Waschmitteln enthalten ist.

Die flüssige Fraktion wird zur Biogasgewinnung vergoren und deren Gärreste als Dünger eingesetzt. Ein Teil der flüssigen Anteile wird zur Erzeugung von biologisch abbaubarem Biokunststoffen verwendet.

Das Projekt BW2Pro wird auf einer bereits bestehenden Biogasanlage der Abfallwirtschaft Rems-Murr in Backnang integriert. Die Abfallwirtschaft Rems-Murr wurde bereits frühzeitig in die Planung des Projektkonsortiums eingebunden. Ebenso unterstützen Verbände das Projekt vor Ort.

Das Projekt zeigt, wie Bioabfall in kommunalen Biogasanlagen verwertet werden kann. Hier ist der modulare Aufbau des Projekts von großer Bedeutung, da einzelne Module auf bestehenden Anlagen integriert werden könnten und somit die bestehende Technik ergänzen.

Nährstoffrückgewinnung

Die Biomüllvergärungsanlage in Backnang produziert Flüssigdünger und Kompost, die lokal genutzt werden. Derzeit haben die Produkte allerdings noch einen geringen Marktwert. Um in Deutschland zukünftig relevante Mengen Stickstoff und Phosphor für die wirtschaftliche Herstellung eines nachhaltigen und transportfähigen Mehrnährstoffdüngers aus Gärrest zurückgewinnen zu können, müssen die Teilprozesse weiter erforscht und die Prozesskette insgesamt verbessert werden.

Fokus der Arbeitsgruppe um Christiane Chaumette in der Abteilung »Wassertechnologien, Wertstoffgewinnung und Scale-up« des Fraunhofer IGB war die Rückgewinnung von Nährstoffen aus den flüssigen Gärresten des Biogasreaktors. Den Wissenschaftlern der Abteilung »Wassertechnologien, Wertstoffgewinnung und Scale-up« des Fraunhofer IGB  gelang es, aus dem Flüssigdünger verschiedene P-Salze zu gewinnen. Annähernd 45 Prozent des im Flüssiggärrest enthaltenen (partikulär und gelöst vorliegenden) Phosphors wurde so zurückgewonnen. Bezogen auf den gelösten Phosphor lag die Rückgewinnungsrate bei 90 Prozent. Anschließend wurde Ammonium bei erhöhtem pH-Wert mit Luft ausgetrieben. Dies erlaubte die Abschätzung der Umweltbilanz einer möglichen Rückgewinnung als Ammoniumsulfatdünger durch Projektpartner. Es zeigte sich, dass so gegenüber der Nutzung von konventionellem Dünger CO₂-Äquivalente eingespart werden können.

So wurden mithilfe verschiedener Aufarbeitungsschritte aus dem Gärrest Phosphorsalze und Ammoniumsulfat zurückgewonnen, um hieraus einen transportfähigen Mehrnährstoffdünger herzustellen. Das zurückbleibende nährstoffarme Prozesswasser kann wiederverwendet oder zur Bewässerung genutzt werden. 

Herstellung mikrobieller Biopolymere aus Reststoffströmen

Ziel der Arbeitsgruppe um Dr.-Ing. Susanne Zibek war es, einen Prozess zu etablieren, mit dem man aus dem Prozesswasser der Thermodruckhydrolyse, das gelöste organische Verbindungen wie Carbonsäuren enthält, biotechnologisch Biopolymere wie Polyhydroxyalkanoate (PHA) herstellen kann. Hierzu wurden die Fermentationen optimiert, sodass die Mikroorganismen die gewünschten Polyhydroxyalkanoate (PHA) mit einem hohen Valeratanteil in Reaktormaßstäben bis zu 1 m³ produzierten.

PHA sind mikrobiell hergestellte Polyester. Die Biopolymere erfüllen für die Mikroorganismen die Funktion eines Kohlenstoffspeichers: Registriert ein Mikroorganismus Kohlenstoff, während der Mangel an einem anderen Element ihn am Wachstum hindert, lagert er den vorhandenen Kohlenstoff im Zellinneren als Polymer ein. Die Arbeitsgruppe macht sich dies zu Nutze, um mit geeigneten Bakterien verschiedene Ausgangsstoffe zu den vielseitigen PHA umzusetzen. Das spezifische PHA − und damit sein Eigenschaftsprofil − ist dabei stark vom eingesetzten Substrat und dem Produzenten abhängig. Dies ermöglicht es, Polymere zielgerichtet für verschiedene Anwendungsbereiche zu entwickeln.

Im Projekt lag der Fokus auf der biotechnologischen Produktion von kurzkettigen Monomeren (scl-PHA) mit einem hohen Valeratanteil, speziell auf der Entwicklung des scl-Copolymers Polyhydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat (PHBV). Dies ist durch seine heterogene Komposition weniger kristallin als das spröde Grundpolymer Polyhydroxybutyrat (PHB) und damit elastischer. Hierzu galt es, die Fermentations- und Aufreinigungsprozesse zu optimieren, diese Prozesse bis zum 1000-Liter-Fermentationsmaßstab aufzuskalieren und den Projektpartnern an der Universität Stuttgart Mustermengen für die Kunststoffherstellung zu Verfügung zu stellen.

Für die Fermentation kam Lävulinsäure, ein nachhaltig produzierbares Derivat einer Carbonsäure zum Einsatz, aus dem der gewählte Organismus Cupriavidus necator das gewünschte Polymer herstellen kann. Durch das Zufütterungskonzept konnte die Fermentation genauso mit dem konzentriertem Prozesswasser der Thermodruckhydrolyse durchgeführt werden, das verschiedene Carbonsäuren und Zucker als Substrat für die Mikroorganismen enthält. Dies wurde im Labormaßstab gezeigt. Hierbei wurde neben Wachstums- und Toxizitätsversuchsreihen im Mikrobioreaktorsystem vor allem der Anteil an Carbonsäuren untersucht.

Ein Produktionsprozess für PHBV wurde hochskaliert, um ausreichend Mustermengen für Verarbeitung durch den Projektpartner zu erhalten. Der erhöhte Hydroxyvalerat-Anteil macht das Polymer flexibel und dehnbar.

Die derzeitige Aufreinigung von PHA nach dem Stand der Technik greift auf halogenierte Lösemittel zurück. Dies sollte im Projekt durch den Einsatz grüner Lösemittel geändert werden, um die PHA-Produktion tatsächlich als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Plastikarten etablieren zu können.

Im Pilotmaßstab konnten mittels des entwickelten Prozesses und der verbesserten Aufreinigungstechnik in zwei Fermentationsläufen über 7 kg Rohpolymer mit außergewöhnlich hohen Hydroxyvalerat-Anteilen (> 60 Prozent) gewonnen werden.

PHA sind bioabbaubar und eignen sich zur Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Pharmazeutika (Biofilm, Arzneimittelträger, Implantate), in der Verpackungsindustrie als Folien und Papierbeschichtungen sowie in landwirtschaftlichen Abdeckfolien.