KoalAplan – Kommunales Abwasser als Quelle für Ammoniumstickstoff, Wasserstoff und Bioplastik – die Bioraffinerie Büsnau

Projektziel

Ein entscheidendes Ziel des Projekts ist, dass die Nutzung des partikulären organischen Kohlenstoffs des kommunalen Abwassers nicht wie bisher nur in der Produktion des vergleichsweise billigen und klimarelevanten Gases Methan besteht, sondern nachhaltigere Produkte entstehen. Parallel dazu erfolgt die Reinigung des weitgehend partikelfreien Abwassers im Hauptstrom. Hier wird Ammonium zurückgewonnen, das als Stickstoffdünger für den Landbau verwendet werden kann.

Lösungsansatz

Der Großteil des partikulären organischen Kohlenstoffs wird durch sogenannte Sedimentation in der Vorklärung gewonnen. Mehr als 50 Prozent des gesamten organischen Kohlenstoffs im kommunalen Abwasser ist in Feststoffen gebunden und liegt nicht gelöst vor. Die im Ablauf der Vorklärung noch vorhandenen Partikel werden mithilfe eines Mikrosiebs aus dem kommunalen Abwasser abgetrennt.

Aus dem partikulären organischen Kohlenstoff kann über eine biochemische Aufspaltung mit Wasser Hydrolysat gewonnen werden. Das Hydrolysat ist reich an organischen Säuren und wird in einem neuartigen Reaktorsystem bioelektrochemisch zu Wasserstoff und CO₂ umgesetzt.

In einem weiteren Schritt werden die in den vorangegangenen Prozessen erzeugten Stoffströme (Hydrolysat) zu Polyhydroxyalkanoaten (PHA) umgewandelt. Mit Polyhydroxyalkanoat lassen sich biobasierte Kunststoffe herstellen.

Kommunales Abwasser als Quelle für Bioplastik

Abwasser als Ressource für neue wert- und nachhaltige Produkte zu erschließen, war auch Ziel des Projekts KoalAplan. Auf dem Lehr- und Forschungsklärwerk der Universität Stuttgart in Stuttgart-Büsnau sollte hierzu der partikuläre organische Kohlenstoff des kommunalen Abwassers, der mittels Sedimentation in der Vorklärung anfällt, abgetrennt und in ein hochwertiges Produkt umgewandelt werden. Parallel dazu sollte aus dem partikelfreien Abwasser Ammonium zurückgewonnen werden, das als Stickstoffdünger für den Landbau verwendet werden kann.

Aus dem partikulären organischen Kohlenstoff, dem Primärschlamm, wurde durch die Projektpartner über eine biochemische Aufspaltung mit Wasser ein Hydrolysat gewonnen, das reich an organischen Säuren ist. Das Hauptziel des Fraunhofer IGB war die fermentative Umwandlung dieses sauren Hydrolysats zu Polyhydroxyalkanoat (PHA), einem bioabbaubaren bakteriellen Polymer. 

Mikrobielle Herstellung von PHA aus saurem Hydrolysat

PHA sind thermoplastische Biopolymere, die von verschiedenen Mikroorganismen aus einem vielfältigen Substratspektrum hergestellt werden können. Ziel unserer der Arbeiten im Projekt KoalAplan war es, geeignete PHA-Produzentenstämme zu identifizieren, welche die organischen Säuren des Hydrolysats für ihr Wachstum und die Produktion von PHA nutzen können, und die PHA-Produktion im Pilotmaßstab zu etablieren.

Identifizierung geeigneter Produzentenstämme

Basierend auf einer Literaturrecherche und Nutzwertanalyse wurde je ein Stamm der Species Cupriavidus necator, Azohydromonas australica und Pseudomonas putida, Haloferax mediterranei zur genaueren Untersuchung ausgewählt. Eine systematische Charakterisierung des Wachstumsverhaltens der ausgewählten Mikroorganismen auf verschiedenen organischen Säuren erfolgte mithilfe eines Mikrobioreaktors. Es wurde Wachstumskinetiken der einzelnen Mikroorganismen auf organischen Säuren erstellt, um den vielversprechendsten Stamm zu identifizieren.

In der sauren Hydrolyse von Klärschlamm entsteht eine Mischung aus verschiedenen organischen Säuren, darunter Essig-, Propion- und Buttersäure. Aus einem Vergleich von verschiedenen PHA-produzierenden Mikroorganismen zeigte sich das Bodenbakterium Cupriavidus necator als am besten geeignet. Es war möglich, mit C. necator alle von uns nachgewiesenen Säuren sowohl zur Vermehrung der Bakterien als auch zur Herstellung von PHA zu verwenden.

Neue Prozessführungsstrategie: Perfusion mit Zellrückhaltung

Unsere Untersuchungen ergaben, dass sich die organischen Säuren im Hydrolysat ab spezifischen Grenzkonzentrationen toxisch auf die Mikroorganismen auswirkten. So zeigte sich, dass sich Essigsäure ab 11 g/L, Propionsäure ab 7 g/L und Buttersäure sogar ab 5 g/L negativ auf das Wachstumsverhalten von C. necator auswirkte.

Daher konnte keine einfache satzweise Prozessführung durchgeführt werden. Stattdessen mussten die organischen Säuren  kontinuierlich zugeführt und parallel das Volumen im Reaktor wieder abgeführt werden. Wir haben hierzu eine Perfusionsmethode mit Querstromfiltration entwickelt, welche eine Zellrückhaltung mit paralleler Zufütterung auch variabler Säurenkonzentrationen ermöglicht. Das Filtrat wurde aus dem Bioreaktor abgeführt, sodass ein kontinuierlicher Zustrom an Nährstoffen in das System gewährleistet war.

Der Prozess wurde in zwei Phasen unterteilt: In eine Zellwachstumsphase mit Nährstoffen im Überschuss und in eine PHA-Produktionsphase mit Stickstoffmangel. Der Wechsel von Zellwachstum zu PHA-Bildung findet in den Zellen durch Limitierung von verfügbarem Stickstoff statt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem Zeolite in das Substrat gegeben werden, an welchem der Stickstoff adsorbiert wird.

Durch unser Perfusionsverfahren konnten wir die Wachstumshemmung der Bakterien verhindern und erfolgreich zeigen, dass 97 Prozent des Kohlenstoffs aus den organischen Säuren durch die Mikroorganismen aufgenommen wurden. Dabei wurden ca. 20 Prozent des Kohlenstoffs in PHA fixiert. Durch das entwickelte Verfahren konnten aus ca. 5 g/L organischen Säuren 14 g/L Biomasse mit 5 g/L PHA hergestellt werden. Erfreulicherweise handelt es sich bei dem so erzeugten Produkt um ein Co-Polymer mit einem 3-Hydroxyvaleratanteil von ca. 10 Prozent, was verbesserte mechanische Eigenschaften zeigt als Homo-Polymer PHB, welches aus Zucker hergestellt wird.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Zufütterungsrate während der Produktbildung und Produktivität sogar verdoppelt werden können. Dies würde sich positiv auf den Anteil an fixiertem Kohlenstoff in der Gesamtbilanz auswirken.

Fazit

Cupriavidus necator erwies sich im Vergleich zu den anderen getesteten Bakterien als das tolerantere Bakterium für organische Säuren und ist ein geeignetes Bakterium zur Herstellung von PHA aus organischen Säuren der sauren Hydrolyse. Um die Wachstumshemmung der organischen Säuren auf die Mikroorganismen zu verhindern, wurde eine neue Prozessführungsstrategie entwickelt: Ein Perfusionsverfahren mit Zellrückhaltung. Mit dem von uns entwickelten Verfahren konnten 97 Prozent des Kohlenstoffs umgewandelt werden. Dieses neue Verfahren dient als Basis für Nutzbarmachung von verschiedenen Substraten mit niedrigen Konzentrationen zur Produktion von PHA.