Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Evolutionäre bioökonomische Prozesse EVOBIO – »Integrative Nutzung von Stoffströmen zur Herstellung optimierter Materialien für innovative Produkte in bioökonomischen Prozesskreisläufen«

Weltweit führen Wertschöpfungs- und Produktionsprozesse zu schädlichen Emissionen und nicht verwertbaren Abfällen und Abwässern. Im Projekt EVOBIO wurden daher Verfahrenskonzepte entwickelt und exemplarisch demonstriert, um Stoffströme, Materialien und Produkte vollständig nutzen zu können – in nachhaltigen, ressourcenschonenden bioökonomischen Prozesskreisläufen und durch rückstandsfreie Wiederverwendung der eingesetzten Ressourcen.

Herausforderung und Ziele

Hydroponik
© Fraunhofer EMB
Das gereinigte nährstoffreiche Abwasser der Kläranlage wird in EVOBIO für den hydroponischen Anbau von Salat genutzt.

Weltweit führen Wertschöpfungs- und Produktionsprozesse zu schädlichen Emissionen und nicht verwertbaren Abfällen und Abwässern. Häufig sind, im bioökonomischen Sinn, nicht optimierte Prozesse und Wertschöpfungsketten, aber auch fehlende Technologien die Ursache, neben einer generellen Verknappung oder Verteuerung der benötigten Ressourcen.

Im Projekt EVOBIO wurden daher Konzepte entwickelt und diese an ausgewählten Beispielen demonstriert, die den Übergang von einer unidirektionalen Wirkkette, hin zu einer vollständig integrativen Nutzung von Stoffströmen, Materialien und Produkten in nachhaltigen, ressourcenschonenden bioökonomischen Prozesskreisläufen ermöglichen. Dies wurde durch die gezielte, iterative Weiterentwicklung von Material- und Produkteigenschaften erreicht, bei rückstandsfreier Wiederverwendung der eingesetzten Ressourcen. Die Zusammenführung von Bio- und Technosphäre in einem evolutionär weiter zu entwickelnden, sich stetig optimierenden Kreislauf bildet dabei einen zentralen Ansatz.

Lösungsansatz

Säule 1

Geschlossene Stoffströme: Abwasser, Reststoffe und Abgas als nachhaltige Ressource

Kläranlage der Zukunft, Nutzung biogener Reststoffe

  • Abwasser dient als Rohstoffquelle
  • Konzept einer kompletten Umgestaltung von Kläranlagen: Mit geeigneten Technologien wird Abwasser so aufbereitet, dass die entstehenden Stoffströme (Feststoff aus der Schlammfaulung, nährstoffreiches Filtratwasser, Biogas) genutzt werden können (Abwasser-Bioraffinerie: Konversion von Inhaltsstoffen bzw. Produkten wie CO2, Nährstoff- und Wertstoffrückgewinnung)
  • So hergestellte Produkte sollen iterativ in den wertschöpfenden Prozessen als Ausgangsmaterialien eingesetzt werden, um eine wirklich nachhaltige Kreislaufwirtschaft realisieren zu können.
  • Demonstrator: Kläranlage der Zukunft mit Hochlastfaulung auf Kläranlage Ulm

Technologien/Teilprojekte

  • Kläranlage der Zukunft: Hochlastfaulung für Ulm-Steinhäule
  • Bioelektrische Systeme auf Kläranlagen
  • KI-gestützte Algenbiotechnologie
  • Extraktion von funktionellen Verbindungen und Proteinen aus Lebensmittelreststoffströmen
  • Nutzung von Kohlenstoffoxiden als Rohstoff
Hochlastfaulung-Pilotanlage
© Fraunhofer IGB
Die Hochlastfaulung-Pilotanlage auf der Kläranlage Ulm liefert drei nutzbare Stoffströme: Biogas, nährstoffreiches Schlammwasser und organische Gärreste.

Säule 2

Verbesserte Materialien: Neue Materialien/Materialien mit neuen Fuktionalitäten aus Basis von Reststoffströmen

Integration von biologischen, aktiven und adaptiven Komponenten

  • Identifizierung und Verwendung neuer Materialien auf Basis der im Bereich Stoffströme genannten sowie anderer biogener Rohstoffe
  • Materialien sollen zu leistungsfähigen Alternativen für petrochemische Standards mit ggf. neuen und zusätzlichen Funktionen in innovativen Syntheseverfahren, Verarbeitungsprozessen und Anwendungen entwickelt werden
  • Anforderungen an die neuen Materialien: sie müssen mit bereits etablierten Techniken verarbeitbar sein oder neue Verarbeitungstechniken müssen zügig realisierbar sein (neue Verfahrenstechnik- und Formulierungslösungen)
  • Erschließung und Nutzung biologischer Funktionalitäten in Materialien, welche diese intelligenter einsetzbar und nachhaltiger machen.
  • Demonstrator: Naturinspirierte adaptive Elastomerdichtung

Technologien/Teilprojekte

  • Polymerblends, -formulierungen und Additive
  • Lichtstabilisatoren
  • Ligninblends
  • Natürliche Beschichtungen
  • Adaptive Elastomerdichtungen
  • Beschichtung mit Mikroorganismen
  • Mikroverkapselung
  • Biokatalytische Umsetzungen in 2-Phasensystemen
Mikroverkapselung
© Fraunhofer IAP
Am Fraunhofer IAP werden natürliche Substanzen wie ätherische Öle oder Enzyme mikroverkapselt, damit ihre Wirkung erhalten bleibt, wenn sie in Beschichtungen oder Polymerkomposite eingearbeitet werden.

Säule 3

Neue Produkte: Hochleistungswerkstoffe auf Basis natürlicher Ressourcen und Hybridstrukturen

  • Bioinspirierte Ansätze für neue Werkstoffeigenschaften/Oberflächen und Hybridstrukturen
  • Natürliche Schaumstrukturen, die, analog zu Knochen, bei hoher Stabilität ein deutlich geringeres Gewicht als ein massives Material aufweisen.
  • Die direkte Integration von biologischen Bausteinen auf Oberflächen soll zur Realisierung neuartiger Produkte, z. B. Biosensoren für Schadstoffe, Oberflächen zur Stoffkonversion oder biobasierte Hochleistungstextilien, weiterentwickelt werden.
  • Durch Kombinationen bioinspirierter Strukturen und biobasierter Beschichtungen können innovative Produkte mit völlig neuen Eigenschaften entstehen.
  • Demonstrator: Bioinspirierte Schaumstrukturen und biobasierte Funktionsfasern

Technologien/Teilprojekte

  • (Biobasierte) Hochleistungsfasern
  • Bioinspirierte schaumbasierte Hybridstrukturen
  • Bioaktive Oberflächen
Funktionalität der Wasserabweisung
© Fraunhofer IGB
Am Fraunhofer IGB konnte die Funktionalität der Wasserabweisung bei gleichzeitiger Durchlässigkeit von Wasserdampf mittels biobasierter Materialien erzeugt werden. Oben: zwei unbeschichtete Papiere nach der Benetzung mit Wasser. Unten: die funktionsbeschichteten Papiere 5 Minuten nach Wasserauftrag.

Säule 4

Verwertung und Nachhaltigkeit

Verwertungsplanung

LCA

  • Ressourcen effizienter nutzen
  • Verbrauch an Ressourcen generell zu senken und Material- und Stoffnutzung nachhaltiger zu gestalten.
  • Vollständige Kreislaufführung der Produkte aufgrund des Designs und der verwendeten Materialien

Projektinformationen

Projekttitel

Evolutionäre bioökonomische Prozesse EVOBIO – »Integrative Nutzung von Stoffströmen zur Herstellung optimierter Materialien für innovative Produkte in bioökonomischen Prozesskreisläufen«

 

Projektlaufzeit

August 2020 – Dezember 2020

 

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV

Fraunhofer-Entwicklungszentrum für Marine und Zelluläre Biotechnologie EMB

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT

Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI

Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS

Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM

Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Institutsteil Angewandte Systemtechnik

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP

Fraunhofer-Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie IMW

Förderung

Das Projekt »Evolutionäre bioökonomische Prozesse EVOBIO – Integrative Nutzung von Stoffströmen zur Herstellung optimierter Materialien für innovative Produkte in bioökonomischen Prozesskreisläufen« startete im August 2020 unter der Federführung der Fraunhofer-Institute IGB, IAP und IVV. Es wurde bis Dezember 2020 im Fraunhofer Innovationsprogramm gefördert und durch das Fraunhofer IGB koordiniert.