{"id":123566,"date":"2023-03-08T07:32:00","date_gmt":"2023-03-08T06:32:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=123566"},"modified":"2023-03-08T12:48:56","modified_gmt":"2023-03-08T11:48:56","slug":"bioplastik-aus-abwasser-gewinnen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/bioplastik-aus-abwasser-gewinnen\/","title":{"rendered":"Bioplastik aus Abwasser gewinnen"},"content":{"rendered":"\n

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\"Aus
Aus Abwasser gewonnenes Bioplastik (Foto: Antoine Brison, Eawag)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die Reinigung von Abwasser zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Gew\u00e4sser ist nach wie vor die prim\u00e4re Aufgabe von Kl\u00e4ranlagen. Daneben wird auf dem Weg zu einer Kreislaufwirtschaft aber auch die R\u00fcckgewinnung von Ressourcen immer wichtiger. Abwasser enth\u00e4lt beispielsweise viel organischen Kohlenstoff, der h\u00e4ufig in Methan zur Energieerzeugung umgewandelt wird. Antoine Brison und Nicolas Derlon von der Abteilung Verfahrenstechnik der Eawag haben nun untersucht, ob und wie sich aus dem organischen Kohlenstoff stattdessen Biokunststoff als h\u00f6herwertiges Produkt gewinnen liesse. Sie arbeiten daf\u00fcr mit Bakterien, die organischen Kohlenstoff in Form von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) speichern k\u00f6nnen. Diese Biopolymere dienen den Bakterien als Energie- und Kohlenstoffquelle. Sie k\u00f6nnen aus den Bakterienzellen extrahiert und zu biologisch abbaubarem Kunststoff weiterverarbeitet werden.<\/p>\n\n\n\n

Liesse sich Bioplastik aus Abwasser gewinnen, b\u00f6te das einige Vorteile gegen\u00fcber der heutigen Herstellung. PHAs werden derzeit aus Prim\u00e4rrohstoffen wie Zucker oder Pflanzen\u00f6len unter sterilen Bedingungen produziert. Das f\u00fchrt zu hohen Produktionskosten, weshalb PHA-Bioplastik trotz seiner attraktiven Eigenschaften bisher nicht mit Kunststoffen auf Erd\u00f6lbasis konkurrieren kann und daher ein Nischenprodukt bleibt. Die Verwendung von organischem Kohlenstoff aus Abwasser, das kostenlos zur Verf\u00fcgung steht, sowie die Verwendung von mikrobiellen Mischkulturen, die keine energieintensiven, sterilen Bedingungen erfordern, sind daher ein vielversprechender Ansatz.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die Produktion dieser Biokunststoffe aus Abwasser braucht es drei Schritte: Zuerst muss m\u00f6glichst viel des organischen Kohlenstoffs aus dem Abwasser gewonnen werden. Anschliessend muss dieser Kohlenstoff zu fl\u00fcchtigen Fetts\u00e4uren vergoren werden, den Vorstufen der PHA. In dem Fetts\u00e4ure-reichen Substrat k\u00f6nnen die Forschenden schliesslich gezielt PHA-Speicher-Bakterien z\u00fcchten.
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\"Vom<\/a>
Vom Abwasser zum Biokunststoff PHA (Grafik: Eawag)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Platzsparende Mikrosiebe zum Abscheiden des Kohlenstoffs<\/h3>\n\n\n\n

F\u00fcr die Abscheidung des organischen Kohlenstoffs aus dem Abwasser verglichen die Forschenden zwei verschiedene Methoden: Zum einen die in den meisten Kl\u00e4ranlagen vorhandenen Vorkl\u00e4rbecken, zum anderen Mikrosiebe als alternative Abscheidetechnologie. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden organischen Kohlenstoff gleichermassen effizient aus dem Abwasser abscheiden k\u00f6nnen. Besonders hoch war die Ausbeute, wenn dem Abwasser zuvor Flockungsmittel zugesetzt wurde, so dass sich kleinere Partikel zu gr\u00f6sseren zusammenklumpten und damit besser abgeschieden werden konnten. Auf diese Weise konnten rund 60% des im Abwasser enthaltenen organischen Kohlenstoffs gewonnen werden.<\/p>\n\n\n\n

Bei der Fermentation des mit den beiden Abscheidetechnologien gewonnenen Kohlenstoffs, entstanden Substrate, die eine \u00e4hnliche Zusammensetzung und Menge an Fetts\u00e4uren aufwiesen und sich daher gleichermassen f\u00fcr die Produktion von PHA-Kunststoff eignen. Ein grosser Vorteil von Mikrosieben ist jedoch, dass sie deutlich kleiner sind \u2013 ihr Platzbedarf betr\u00e4gt nur etwa 10 bis 15 % desjenigen von Vorkl\u00e4rbecken. Das hat auch einige Schweizer Kl\u00e4ranlagen \u00fcberzeugt, wie etwa die Kl\u00e4ranlage Sihltal (Z\u00fcrich), die ab 2023 Mikrosiebe einsetzen werden.<\/p>\n\n\n\n

\"Mit<\/a>
Mit diesen Mikrosieben l\u00e4sst sich der organische Kohlenstoff genauso effizient aus dem Abwasser abscheiden wie in den bisher \u00fcblichen Vorkl\u00e4rbecken, nur brauchen die Siebe deutlich weniger Platz. (Foto: Huber)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

PHA-Speicher-Bakterien in n\u00e4hrstoffarmen Milieus im Vorteil<\/h3>\n\n\n\n

F\u00fcr die Produktion von PHA-Kunstoffen muss auf dem Fetts\u00e4ure-reichen Ausgangssubstrat eine Biomasse gez\u00fcchtet werden, die viele PHA-Speicher-Bakterien enth\u00e4lt. Die Forscher untersuchten daher, unter welchen Bedingungen diese Bakterien am besten wachsen und sich gegen\u00fcber anderen, nicht PHA-speichernden Bakterien durchsetzen k\u00f6nnen. Da PHA Speicherstoffe sind, die Bakterien nur bei erschwerten Wachstumsbedingungen bilden, etwa wenn ein wichtiger N\u00e4hrstoff wie Phosphor fehlt, lag die Vermutung nahe, dass N\u00e4hrstoffmangel ein Selektionsvorteil f\u00fcr PHA-Speicher-Bakterien sein k\u00f6nnte. Die Forscher experimentierten daher in der Eawag-Versuchshalle mit synthetischem Abwasser mit unterschiedlichen Verh\u00e4ltnissen von Kohlenstoff zu Phosphor. Sie stellten fest, dass der Anteil der PHA-Speicher-Bakterien in der mikrobiellen Gemeinschaft tats\u00e4chlich zunahm, wenn die Phosphor-Verf\u00fcgbarkeit abnahm. Im optimalen Fall dominierten die PHA-Speicher-Bakterien mit \u00fcber 90%, bildeten gleichzeitig auch am meisten PHA-Kunststoff und reinigten das Abwasser komplett von Kohlenstoff und Phosphor.<\/p>\n\n\n\n

Anschliessend wurden die Versuche mit realem Abwasser durchgef\u00fchrt, dessen Zusammensetzung im Laufe des 150 Tage dauernden Versuchs schwankte. Obwohl die N\u00e4hrstoffe Phosphor und Stickstoff dadurch nicht durchgehend limitierend waren, lagen am Schluss des Versuches bis zu 70% der Biomasse in Form von PHA vor.<\/p>\n\n\n\n

Einsatzm\u00f6glichkeiten von Bioplastik aus Abwasser<\/h3>\n\n\n\n

Noch braucht es weitere Untersuchungen, um die Prozesse zur Gewinnung von Biokunststoff aus Abwasser besser zu verstehen und zu optimieren, bevor Pilotversuche in \u00f6ffentlichen Kl\u00e4ranlagen stattfinden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Aber wo sehen die Forschenden die Einsatzm\u00f6glichkeiten, wenn sich eines Tages tats\u00e4chlich Bioplastik aus Abwasser gewinnen l\u00e4sst? \u00abSelbst, wenn diese Kunststoffe eines Tages wirtschaftlich rentabel sind, w\u00e4re es unm\u00f6glich, sie in solchen Mengen zu produzieren, um die Nachfrage der Gesellschaft nach ihren erd\u00f6lbasierten Pendants zu decken\u00bb, meint Antoine Brison. Ein gewichtiges Hindernis f\u00fcr die Nutzung von Biokunststoff aus Abwasser ist ausserdem, dass momentan die rechtlichen Rahmenbedingungen und die gesellschaftliche Akzeptanz daf\u00fcr noch fehlen. Brison sieht f\u00fcr das Bioplastik aus Abwasser daher eher Potenzial bei spezifischen Nischenanwendungen\u2013 etwa als Umh\u00fcllung f\u00fcr D\u00fcngemittel, um eine langsame Freisetzung zu erreichen. Eine weitere M\u00f6glichkeit sei der selbstreparierende Beton, an dem eine niederl\u00e4ndische Firma arbeite. Dort k\u00f6nnten PHAs als Kohlenstoffquelle f\u00fcr Bakterien dienen, die Risse im Beton beim Eindringen von Wasser reparieren, indem sie die Bildung von Kalk anregen.<\/p>\n\n\n\n

Ein Reaktortyp, der zu Kl\u00e4ranlagen passt<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Wird PHA-Bioplastik umwelttechnologisch hergestellt, kommen daf\u00fcr bisher sogenannte Sequencing-batch-Reaktoren (SBR) zum Einsatz, die stossweise mit dem Ausgangssubstrat beschickt werden. Kl\u00e4ranlagen arbeiten jedoch mit einem kontinuierlichen Durchfluss. Die Forschenden untersuchten daher, ob sich auch ein kontinuierlich beschickter Reaktor (continuous stirred tank reactor = CSTR) eignen w\u00fcrde, der die Integration der PHA-Produktion in bestehende Kl\u00e4ranlagen deutlich erleichtern w\u00fcrde. Es zeigte sich, dass in diesem Reaktor aus der gleichen Abwassermenge sogar deutlich mehr PHA-speichernde Biomasse erzeugt werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Originalpublikationen<\/h3>\n\n\n\n

<\/a>Brison, A.; Rossi, P.; Gelb, A.; Derlon, N. (2022) The capture technology matters: composition of municipal wastewater solids drives complexity of microbial community structure and volatile fatty acid profile during anaerobic fermentation, <\/strong>Science of the Total Environment<\/em>, 815, 152762 (13 pp.), doi:10.1016\/j.scitotenv.2021.152762<\/a>, Institutional Repository<\/a><\/p>\n\n\n\n

<\/a>Brison, A.; Rossi, P.; Derlon, N. (2022) Influent carbon to phosphorus ratio drives the selection of PHA-storing organisms in a single CSTR, <\/strong>Water Research X<\/em>, 16, 100150 (11 pp.), doi:10.1016\/j.wroa.2022.100150<\/a>, Institutional Repository<\/a><\/p>\n\n\n\n

Brison, A., Rossi, P. and Derlon, N. (2023): Single CSTR can be as effective as an SBR in selecting PHA-storing biomass from municipal wastewater-derived feedstock.<\/strong> Water Research X<\/em>, Vol. 18. DOI: https:\/\/www.sciencedirect.com\/science\/article\/pii\/S2589914723000014<\/a><\/p>\n\n\n\n

Kontakte<\/h3>\n\n\n\n

Nicolas Derlon <\/a>
Tel. +41 58 765 5378 
E-Mail senden<\/a><\/p>\n\n\n\n

Antoine Brison <\/a>Tel. 
E-Mail senden<\/a><\/p>\n\n\n\n

Claudia Carle <\/a>
Wissenschaftsredaktorin 
Tel. +41 58 765 5946 
E-Mail senden<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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