Abwasser als Rohstoffquelle

In unserem Abwasser stecken nicht nur Schmutz und Ausscheidungen, sondern auch wertvolle Rohstoffe wie Stickstoff und organische Kohlenstoffverbindungen. Mithilfe chemischer, biologischer und physikalischer Verfahren können daraus Wasserstoff, Ammonium und PHA zurückgewonnen werden. Das Ammonium dient als Stickstoffdünger, PHA wiederum sind der Rohstoff für Biokunststoffe.

Schauplatz der interdisziplinären Forschungsarbeit ist das Lehr- und Forschungsklärwerk der Universität Stuttgart in Büsnau. Dort wurde eigens eine Bioraffinerie als Pilotanlage eingerichtet, die 2024 über ein halbes Jahr betrieben wurde.

Stickstoff als Dünger zurückgewinnen

In klassischen Kläranlagen wird Stickstoff biologisch abgebaut und entweicht ungenutzt in die Atmosphäre. Im Projekt KoalAplan hingegen wird er über einen Zeolithfilter bzw. Ionentauscher physikalisch entfernt und bei der Regeneration des Zeoliths zurückgewonnen. Das Ergebnis ist eine konzentrierte Ammoniumlösung, die sich als Stickstoffdünger nutzen lässt.

Organischer Kohlenstoff als Basis für Biopolymere

Auch der Feststoffanteil des Abwassers wird im Projekt anders genutzt: Statt ihn wie üblich zu Methan zu vergären, setzen die Forschenden auf Dunkelfermentation. Dabei entsteht ein Hydrolysat, das reich an kurzkettigen organischen Säuren ist. Dieses kann vielfältig verwertet werden, etwa zur mikrobiellen Elektrolyse für Wasserstoff oder zur mikrobiellen Produktion von PHA.

„Unsere Aufgabe am Fraunhofer IGB war die fermentative Umwandlung des sauren Hydrolysats zu PHA, einem bioabbaubaren, thermoplastischen, bakteriellen Biopolymer", erläutert Dr. Pravesh Tamang, Themenfeldleiter-PHA und Wissenschaftler am Fraunhofer IGB.

Vom sauren Hydrolysat zum Biopolymer

Die Mikroorganismen nutzen die im Hydrolysat enthaltenen organischen Säuren – Essig-, Propion- und Buttersäure – als Kohlenstoff- und Energiequelle. „Die Bakterien benötigen die organischen Säuren für ihr Wachstum und für die Herstellung der PHA", erklärt Tamang.

Allerdings wirken die Säuren in hoher Konzentration toxisch. Geeignete Stämme mussten daher sorgfältig ausgewählt werden. „Im Vergleich zu den anderen getesteten Bakterien erwies sich Cupriavidus necator als das tolerantere Bakterium gegenüber den organischen Säuren", so Tamang.

Um die Mikroorganismen zu schützen, entwickelten die Forschenden ein Perfusionsverfahren mit Zellrückhaltung. „Wir leiten die Fermentationsbrühe aus dem Bioreaktor durch einen sogenannten Tangentialflussfilter und führen die Zellen mit dem enthaltenen PHA-Granulat, die im Filter hängen bleiben, wieder in den Reaktor zurück. Durch diese Zellrückhaltung ermöglichten wir die Zufütterung mit variablen Säurekonzentrationen. Die Extraktion des Biopolymers aus den Bakterienzellen findet im Anschluss statt", erläutert der Forscher.

PHBV-Copolymer mit vielseitigen Eigenschaften

Das Verfahren zeigte Erfolg: 97 Prozent des Kohlenstoffs aus den organischen Säuren wurden von den Mikroorganismen in Biomasse und PHA umgewandelt. „Unser PHA-Produkt ist ein speziell angepasstes PHBV-Copolymer, kurz für Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat). Im Vergleich zu einem Homopolymer zeichnet es sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften aus. Denn es enthält etwa 10 Prozent 3-Hydroxyvalerat, was die Kristallinität senkt und das Material flexibler, besser formbar und vielseitiger einsetzbar macht", erklärt Tamang.