{"id":167605,"date":"2025-09-15T07:26:00","date_gmt":"2025-09-15T05:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=167605"},"modified":"2025-09-09T13:02:58","modified_gmt":"2025-09-09T11:02:58","slug":"kommunales-abwasser-als-ressourcenquelle-nutzen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/kommunales-abwasser-als-ressourcenquelle-nutzen\/","title":{"rendered":"Kommunales Abwasser als Ressourcenquelle nutzen"},"content":{"rendered":"\n\n
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\"Der<\/a>
Der Kunststoff Polyhydroxyalkanoat (PHA), produziert aus organischen S\u00e4uren
\u00a9 Fraunhofer IGB<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Kl\u00e4ranlagen reinigen nicht nur Abwasser, sie sind auch Rohstofflieferanten. Im Projekt KoalAplan gewinnen Forschende des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB gemeinsam mit Partnern hochwertige Produkte aus kommunalem Abwasser. Dazu geh\u00f6ren Ammonium und Wasserstoff sowie Polyhydroxyalkanoate (PHA), aus denen sich biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe herstellen lassen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

In unserem Abwasser stecken nicht nur Schmutz und Ausscheidungen, sondern auch wertvolle Rohstoffe wie Stickstoff und organische Kohlenstoffverbindungen. Mithilfe chemischer, biologischer und physikalischer Verfahren k\u00f6nnen daraus Wasserstoff, Ammonium und Polyhydroxyalkanoate (PHA) zur\u00fcckgewonnen werden. Das zur\u00fcckgewonnene Ammonium l\u00e4sst sich als Stickstoffd\u00fcnger f\u00fcr den Landbau verwenden, PHA sind der Rohstoff f\u00fcr Biokunststoffe. Diese Prozesse untersuchen die Forschenden im Projekt KoalAplan (siehe unten). Schauplatz f\u00fcr die interdisziplin\u00e4re Forschungsarbeit der Projektpartner ist das Lehr- und Forschungskl\u00e4rwerk der Universit\u00e4t Stuttgart<\/a> in B\u00fcsnau. Unter realen Bedingungen wird getestet, wie sich die R\u00fcckgewinnung von Rohstoffen in Kl\u00e4rwerken realisieren l\u00e4sst. Hierf\u00fcr wurde eine Bioraffinerie als Pilotanlage eingerichtet, die 2024 \u00fcber ein halbes Jahr betrieben wurde.<\/p>\n\n\n\n

Biologische Stickstoffentfernung umgehen<\/h3>\n\n\n\n

Eines der im Projekt etablierten Verfahren, das Hauptstromverfahren, umfasst die Abwasserreinigung nach der vorherigen Feststoffabtrennung in der Vorkl\u00e4rung. In einer klassischen Kl\u00e4ranlage wird der im Abwasser enthaltene Stickstoff biologisch abgebaut. Mikroorganismen wandeln die Stickstoffverbindungen zu gasf\u00f6rmigem Stickstoff um, der ungenutzt in die Atmosph\u00e4re entweicht. Im Projekt KoalAplan hingegen geht der Stickstoff nicht verloren, vielmehr wird er als Rohstoff zur\u00fcckgewonnen: Der Ammoniumstickstoff wird \u00fcber einen Zeolithfilter bzw. einen Ionentauscher physikalisch entfernt. Anschlie\u00dfend wird der Stickstoff bei der Regeneration des Zeoliths zur\u00fcckgewonnen \u2013 es entsteht eine konzentrierte Ammoniuml\u00f6sung, die in der Landwirtschaft als Stickstoffd\u00fcnger dienen kann.<\/p>\n\n\n

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\"Das<\/a>
Das speziell angepasste, vielseitig einsetzbare PHA-Produkt PHBV zeichnet sich durch sehr gute mechanische Eigenschaften aus. \u00a9 Fraunhofer IGB<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

R\u00fcckgewinnung von organischem Kohlenstoff aus dem Feststoffanteil des Abwasserstroms<\/h3>\n\n\n\n

In der Vorkl\u00e4rung einer klassischen kommunalen Kl\u00e4ranlage werden die Feststoffe des Abwassers zu einem gro\u00dfen Teil durch Sedimentation abgetrennt. Dieser sogenannte Prim\u00e4rschlamm wird im Faulturm zu Methan vergoren. Im Konzept der Bioraffinerie wird er stattdessen einer Dunkelfermentation unterzogen, in der der Abbau auf der Stufe der Produktion kurzkettiger organischen S\u00e4uren gestoppt wird. Nach einer zwei-stufigen Feststofftrennung wird ein partikelfreies Hydrolysat erzeugt, das reich an kurzkettigen organischen S\u00e4uren ist, und vielseitig weiterverwertet werden kann. Die in KoalAplan untersuchten Beispielprozesse f\u00fcr diese Verwertung waren die mikrobielle Elektrolyse zur Produktion von Wasserstoff sowie die mikrobielle Produktion von PHA. <\/p>\n\n\n\n

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\u00bbUnsere Aufgabe am Fraunhofer IGB war die fermentative Umwandlung des sauren Hydrolysats zu PHA, einem bioabbaubaren, thermoplastischen, bakteriellen Biopolymer\u00ab, erl\u00e4utert Dr. Pravesh Tamang, Themenfeldleiter-PHA und Wissenschaftler am Fraunhofer IGB.<\/strong><\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Saures Hydrolysat wird zu PHA umgewandelt<\/h3>\n\n\n\n

Die Herstellung der PHA gelingt nur mithilfe von Mikroorganismen, die wiederum auf unterschiedlichsten Substraten wachsen k\u00f6nnen. Die Mikroorganismen nutzen das Hydrolysat, das reich an organischen S\u00e4uren wie etwa Essig-, Propion- und Butters\u00e4ure ist, als Kohlenstoff- und Energiequelle. <\/p>\n\n\n\n

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\u00bbDie Bakterien ben\u00f6tigen die organischen S\u00e4uren f\u00fcr ihr Wachstum und f\u00fcr die Herstellung der PHA\u00ab, erkl\u00e4rt der Forscher<\/strong>. <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Das Problem: Die organischen S\u00e4uren wirken in hoher Konzentration toxisch auf die Mikroorganismen. Daher mussten Tamang und sein Team zun\u00e4chst geeignete Bakterienst\u00e4mme identifizieren, die die S\u00e4uren sowohl zum eigenen Wachstum als auch zur Herstellung von PHA verwenden k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n\n

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\u00bbIm Vergleich zu den anderen getesteten Bakterien erwies sich\u00a0Cupriavidus necator<\/em>\u00a0als das tolerantere Bakterium gegen\u00fcber den organischen S\u00e4uren\u00ab, so Tamang.<\/strong><\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Um die Wachstumshemmung der organischen S\u00e4uren auf die Mikroorganismen zu verhindern, haben die Forscherinnen und Forscher dar\u00fcber hinaus ein sogenanntes Perfusionsverfahren mit Zellr\u00fcckhaltung im Bioreaktor entwickelt. Die Zellr\u00fcckhaltung erfolgt mithilfe eines speziellen Filters, der sicherstellt, dass die Zellen bzw. die Mikroorganismen im Reaktor verbleiben, was eine hohe Zelldichte und eine l\u00e4ngere Kultivierungszeit erm\u00f6glicht. <\/p>\n\n\n\n

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Tamang<\/strong> erl\u00e4utert den Vorgang: \u00bbWir leiten die Fermentationsbr\u00fche aus dem Bioreaktor durch einen sogenannten Tangentialflussfilter und f\u00fchren die Zellen mit dem enthaltenen PHA-Granulat, die im Filter h\u00e4ngen bleiben, wieder in den Reaktor zur\u00fcck. Durch diese Zellr\u00fcckhaltung erm\u00f6glichten wir die Zuf\u00fctterung mit variablen S\u00e4urekonzentrationen. Die Extraktion des Biopolymers aus den Bakterienzellen findet im Anschluss statt.\u00ab<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Gefragtes PHA-Copolymer f\u00fcr vielf\u00e4ltige Anwendungen<\/h3>\n\n\n\n

Mithilfe ihres Perfusionsverfahren vermieden die Forschenden am Fraunhofer IGB die Wachstumshemmung der Bakterien und zeigten, dass 97 Prozent des Kohlenstoffs aus den organischen S\u00e4uren durch die Mikroorganismen aufgenommen und in Biomasse und PHA umgewandelt werden. <\/p>\n\n\n\n

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\u00bbUnser PHA-Produkt ist ein speziell angepasstes PHBV-Copolymer, kurz f\u00fcr Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat). Im Vergleich zu einem Homopolymer zeichnet es sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften aus. Denn es enth\u00e4lt etwa 10 Prozent 3-Hydroxyvalerat, was die Kristallinit\u00e4t senkt und das Material flexibler, besser formbar und vielseitiger einsetzbar macht\u00ab, so der Fraunhofer-IGB-Experte.<\/strong><\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Im n\u00e4chsten Schritt m\u00f6chten Tamang und sein Team den Fermentationsprozess optimieren, um PHBV mit einem noch h\u00f6heren Anteil an 3\u2011Hydroxyvalerat (40 bis 70\u202fProzent) herzustellen. Diese speziell angepassten PHBV\u2011Copolymere dienen dann Polymerchemikern und Anwendungsexperten aus der Industrie als Muster, um die Materialeigenschaften des Biopolymers zu testen und neue potenzielle Anwendungsbereiche zu entdecken. Das erzeugte umweltfreundliche Rohmaterial ist vielseitig einsetzbar \u2013 als Einweg-Verpackung, Mulchfolie in der Landwirtschaft oder Hilfsmittel in der Pharmazie ebenso wie f\u00fcr medizinische Implantate oder biobasierte Textilbeschichtungen.<\/p>\n\n\n\n

R\u00fcckgewinnung von Rohstoffen tr\u00e4gt zur Klimaneutralit\u00e4t bei<\/h3>\n\n\n\n

\u00dcblicherweise entsteht aus dem organischen Kohlenstoff beim Durchlaufen eines Kl\u00e4rwerks Kohlendioxid. Das im Projekt etablierte Verfahren reduziert die Entstehung des klimasch\u00e4dlichen Gases. <\/p>\n\n\n\n

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\u00bbGleichzeitig gewinnen wir Rohstoffe, die helfen, erd\u00f6lbasierte Stoffe zu ersetzen. Somit k\u00f6nnen die Kl\u00e4rwerke der Zukunft einen wichtigen Beitrag zur Klimaneutralit\u00e4t leisten\u00ab, sagt Tamang.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

<\/h3>\n<\/blockquote>\n\n\n\n
<\/div>\n\n\n\n

Projekt KoalAplan<\/h3>\n\n\n\n

Kommunales Abwasser als Quelle f\u00fcr Ammoniumstickstoff, Wasserstoff und Bioplastik \u2013 die Bioraffinerie B\u00fcsnau<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Projektpartner<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
    \n
  • DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts f\u00fcr Technologie KIT (Koordination, Produktion des s\u00e4urereichen, partikelfreien Hydrolysats, Produktion von Wasserstoff mittels mikrobieller Elektrolyse)<\/li>\n\n\n\n
  • Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB (PHA-Produktion)<\/li>\n\n\n\n
  • CUTEC Forschungszentrum der Technischen Universit\u00e4t Clausthal, Abwasserverfahrenstechnik (Wissenschaftliche Begleitung und CO2<\/sub>-Bilanz)<\/li>\n\n\n\n
  • Technische Universit\u00e4t Hamburg, Institut f\u00fcr technische Mikrobiologie (Produktion von Wasserstoff mittels mikrobieller Elektrolyse)<\/li>\n\n\n\n
  • Umwelttechnik BW GmbH, Landesagentur f\u00fcr Umwelttechnik und Ressourceneffizienz Baden-W\u00fcrttemberg (\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Verwertung der Ergebnisse)<\/li>\n\n\n\n
  • Universit\u00e4t Stuttgart, Institut f\u00fcr Siedlungswasserbau, Wasserg\u00fcte- und Abfallwirtschaft, Lehr- und Forschungskl\u00e4rwerk (Zur\u00fcckgewinnung des Ammoniums)<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

    F\u00f6rdergeldgeber<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
      \n
    • Ministerium f\u00fcr Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-W\u00fcrttemberg<\/li>\n\n\n\n
    • Kofinanziert von der Europ\u00e4ischen Union<\/li>\n<\/ul>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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