19 Fraunhofer-Institute demonstrieren Machbarkeit einer biobasierten Kreislaufwirtschaft

Wie wollen wir wirtschaften und produzieren?

16. Dezember 2020

Die Kläranlage wird zur Gemüsefarm, aus Abfällen zurückgewonnene biobasierte Stoffe verhindern in Lebensmittelverpackungen oxidativen Verderb oder liefern auf Funktionstextilien wasserabweisende Schichten, die weder Mensch noch Umwelt belasten. Im Projekt EVOBIO arbeiten 19 Fraunhofer-Institute an Lösungen für eine nachhaltige Wirtschaft. Hierzu haben sie neue Verfahrenskonzepte entwickelt, mit denen Stoffströme in bioökonomischen Prozesskreisläufen zur Herstellung optimierter Materialien für innovative Produkte genutzt werden können. Am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS arbeitet ein Team an der Erschließung nachwachsender Rohstoffe wie Raps für die Herstellung von innovativen Nanofasermaterialien mittels Elektrospinnen.

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

Im nun zu Ende gehenden Projekt EVOBIO haben sich 19 Fraunhofer-Institute unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB zusammengeschlossen, um innerhalb von fünf Monaten Konzepte und Module für eine neue Art des Wirtschaftens zu entwickeln und an ausgewählten Beispielen zu demonstrieren. Gefragt waren Produktionsweisen, die Umwelt, Klima und wertvolle Ökosysteme schützen. »Wir wollen die industrielle Wertschöpfungskette, bei der Rohstoffe zu Materialien verarbeitet werden, um aus diesen Produkte herzustellen, neu denken«, sagt Dr. Markus Wolperdinger, Leiter des Fraunhofer IGB. »Nebenprodukte oder Reststoffe sollen nicht entstehen oder – nach dem Vorbild der Natur – rückstandsfrei wieder in den Stoff- und Materialkreislauf zurückgeführt werden.«

Abwasser, Abfall und CO2 als Ressource nutzen

Dass das funktioniert, hat EVOBIO bereits gezeigt: Eine Kläranlage etwa wurde zu einem zentralen Bestandteil eines regionalen Kreislaufwirtschaftssystems ausgebaut. Die technische Basis hierfür legt die sogenannte Hochlastfaulung. Eine auf der Kläranlage Ulm installierte Pilotanlage setzt Klärschlamm dabei nicht nur zu Biogas als regenerativer Kohlenstoff- und Energiequelle um, sondern liefert Schlammwasser und Gärreste als weitere Stoffströme. Das nährstoffreiche Schlammwasser nutzen die EVOBIO-Partner zum Beispiel als Wachstumsmedium für einzellige Mikroalgen. Diese produzieren Polysaccharide, die Pflanzen bei der Abwehr von Pilzinfektionen wie Mehltau unterstützen und Pestizide ersetzen. Genauso gut eignet sich das Schlammwasser für den wassergestützten Gemüseanbau: Mit dessen Nährstoffen als Dünger wächst Kopfsalat in Hydroponiksystemen binnen weniger Wochen aus Sämlingen heran. Die Feststoffe des Schlamms, die Gärreste, werden zu Wertstoffen für die Materialherstellung des nächsten Wertschöpfungsschritts aufbereitet. Mittels thermo-katalytischem Reforming gewinnen Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daraus Biokohle, Synthesegas und ein Bioöl, das in seiner Zusammensetzung Rohöl ähnelt. Neue Inline-Sensoren können das gereinigte Abwasser kontinuierlich überwachen. Sie erfassen Bakterien und messen zugleich die Konzentrationen der Nährstoffionen.

Neue Materialien aus alternativen Stoffströmen

Auf Basis der aus Abwasser oder Abfall hergestellten Rohstoffe sowie anderer biogener Rohstoffe entwickelt das Fraunhofer-Team leistungsfähige Materialien. Diese haben teilweise neue und zusätzliche Funktionen und sollen künftig petrochemische Materialien ersetzen. Ein Schwerpunkt der Entwicklungen sind biobasierte Polymerblends unter Einsatz von neuartigen Additiven sowie Beschichtungsformulierungen. In diesem Feld bringt das Fraunhofer IMWS seine Kompetenzen bei EVOBIO ein: Hier werden proteinbasierte Nanofasermaterialien entwickelt, die nicht aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden, sondern aus nachwachsenden pflanzlichen Quellen wie Kidneybohnen und Raps. »Wir nutzen diese beispielsweise für die Entwicklung von Filtermaterialien, Überzugsmitteln oder Wundauflagenmaterialien«, erläutert Magdalena Jablonska, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IMWS. Die vor allem in den vergangenen Jahren weiterentwickelte Technik des Elektrospinnens ermöglicht die Verarbeitung isolierter Proteine aus pflanzlichen Nebenerzeugnissen zu Nanofasern. »Die versponnenen Nanofaservliese aus Rapsprotein charakterisieren wir mikrostrukturell mittels hochauflösender Technologien und untersuchen sie im Hinblick auf biologische Wechselwirkungen wie etwa der Interaktion mit Zellen. Zudem evaluieren wir die Materialien hinsichtlich ihrer Zytotoxizität und Biokompatibilität«, so Magdalena Jablonska weiter.

Weitere Anwendungen der EVOBIO-Entwicklungen sind beispielsweise die Weiterentwicklung von biobasiertem Polyethylenfuranoat (PEF) für Verpackungslösungen, wasserabweisende und zugleich wasserdampfdurchlässige Funktionsschichten mit biobasierten und bioabbaubaren Materialien oder Schaumstoffe aus Formgedächtnispolymer mit biobasierten Fasern und Partikeln. Zudem werden Verfahren entwickelt, mit denen sich natürliche Substanzen wie ätherische Öle oder Enzyme, die für ihre antibakterielle, oxidative und antioxidative oder UV-absorbierende Wirkung bekannt sind, in Polymerwerkstoffe und -Prozesse integrieren lassen.

Ist der Markt dazu bereit?

Für den im EVOBIO-Projekt verfolgten umfassenden Ansatz müssen etablierte Wertschöpfungsketten zu miteinander kommunizierenden Wertschöpfungsnetzwerken weiterentwickelt werden. Sind die Unternehmen dazu bereit? Welche neuen Geschäftsmodelle sind notwendig, um Kläranlagen und Betriebe, in denen biogene Reststoffe anfallen, zu Produzenten sekundärer Rohstoffe und Materialien zu machen? Mit Blick auf die Verwertung der neuen bioökonomischen Verfahren bewerten die Partner Nützlichkeit, Machbarkeit und Transferpotenzial. Mittels Akzeptanzanalysen untersuchen sie, ob Unternehmen die Projektergebnisse als wertvoll betrachten. Zudem werden verschiedene Geschäftsmodellszenarien entwickelt und bezüglich Umsetzbarkeit und wirtschaftlicher Tragfähigkeit priorisiert.

Weitere Informationen können im Artikel des Fraunhofer EMB nachgelesen werden.