Materialforschung Funktioniert die biobasierte Kreislaufwirtschaft?

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Wie wollen wir wirtschaften und produzieren, ohne damit der Umwelt, dem Klima, wertvollen Ökosystemen und letztlich dem Menschen zu schaden? Das Projekt EVOBIO hat die Lösungen dafür: da wird die Kläranlage zur Gemüsefarm oder leistungsfähige Materialien entstehen aus Abfällen.

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Das gereinigte nährstoffreiche Abwasser der Kläranlage wird in EVOBIO für den hydroponischen Anbau von Salat genutzt.
Das gereinigte nährstoffreiche Abwasser der Kläranlage wird in EVOBIO für den hydroponischen Anbau von Salat genutzt.
(Bild: Fraunhofer EMB)

Von der Umweltverschmutzung bis zum Klimawandel - die Krisen sind menschengemacht. Doch wie wollen wir in Zukunft wirtschaften und produzieren, ohne der Umwelt zu schaden? An ersten Lösungen für eine nachhaltige Wirtschaft arbeiten insgesamt 19 Fraunhofer-Institute im Projekt EVOBIO.

Wir wollen die industrielle Wertschöpfungskette, bei der Rohstoffe zu Materialien verarbeitet werden, um aus diesen Produkte herzustellen, neu denken.

Dr. Markus Wolperdinger, Leiter des Fraunhofer IGB

Hierzu haben die Institute neue Verfahrenskonzepte entwickelt, mit denen Stoffströme in bioökonomischen Prozesskreisläufen zur Herstellung optimierter Materialien für innovative Produkte genutzt werden können.

Mit Hochlastfaulung zu nährstoffreichem Schlammwasser

Eine Kläranlage etwa wurde zu einem zentralen Bestandteil eines regionalen Kreislaufwirtschaftssystems ausgebaut. Die technische Basis hierfür legt die sogenannte Hochlastfaulung. Dabei wird Klärschlamm nicht nur zu Biogas als regenerativer Kohlenstoff- und Energiequelle umgewandelt, sondern liefert in einer Pilotanlage der Kläranlage Ulm, Schlammwasser und Gärreste als weitere Stoffströme.

Das nährstoffreiche Schlammwasser wiederrum nutzen die EVOBIO-Partner z. B. als Wachstumsmedium für einzellige Mikroalgen. Diese Mikroalgen produzieren Polysaccharide, die Pflanzen bei der Abwehr von Pilzinfektionen wie Mehltau unterstützen und Pestizide ersetzen könnten.

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Kopfsalat wächst binnen weniger Wochen im Schlammwasser

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 im nächsten Schritt zu Wertstoffen für die Materialherstellung aufbereitet.

Mit dem Verfahren des thermo-katalytischem Reformings gewinnen Fraunhofer-Wissenschaftler daraus Biokohle, Synthesegas und ein Bioöl, das in seiner Zusammensetzung Rohöl ähnelt. Das gereinigte Abwasser überwachen dabei neue so genannte impedanzbasierte Inline-Sensoren. Sie erkennen Bakterien und messen zugleich die Konzentrationen der Nährstoffionen.

Biogene Rohstoffe sollen petrochemische Materialien ersetzen

Die biogenen Rohstoffe, die damit aus Abwasser oder Abfall entstehen, entwickelt das Fraunhofer-Team leistungsfähige Materialien. Diese haben teilweise neue und zusätzliche Funktionen und sollen künftig petrochemische Materialien ersetzen.

Dabei legen die Forscher ihren Schwerpunkt auf biobasierte Polymerblends. Diese sollen mit neuartigen Additiven sowie Beschichtungsformulierungen entwickelt werden. So dienen etwa aus Rapsextraktionsschrot hergestellte Proteine als Sauerstoff-Barriereschichten auf Lebensmittelverpackungen. Aus Kidneybohnen und Raps entstehen proteinbasierte Nanofasermaterialien. Damit entwickeln die Wissenschaftler Filtermaterialien, Überzugsmitteln oder Wundauflagenmaterialien. Nanofaservliese werden aus Rapsprotein versponnen.

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Auch biobasierte und biogene Additive sind für die grüne Ökonomie wichtig. So sind beispielsweise ätherische Öle oder Enzyme für ihre antibakterielle, oxidative und antioxidative oder UV-absorbierende Wirkung bekannt. Allerdings lassen sich diese Substanzen nur schwer in Polymerwerkstoffe und -Prozesse direkt integrieren. Der Grund: die Substanzen sind meist flüssig, sehr flüchtig, reaktiv oder instabil.

Aber auch hierfür haben die Forscher im EVOBIO-Projekt eine Lösung: sie mikroverkapseln diese biogene Substanzen. Damit können sie in Beschichtungen oder extrudierten Polymerkompositen integriert werden.

Optimierte Produkte aus biobasierten Materialien

Biobasiertes Polyethylenfuranoat (PEF) könnte speziell im Verpackungsbereich erdölbasiertes Polyethylenterephthalat (PET) ersetzen. Im Rahmen des EVOBIO-Projekts synthetisiert das Team PEF für Faseranwendungen im Technikumsmaßstab.

Dabei ist Furandicarbonsäure der Ausgangsstoff. Das so gewonnene PEF lässt sich sogar mittels konventioneller Schmelzspinntechnologie verspinnen und nachbehandeln. Zudem entwickeln die Forschenden Schaumstoffe aus Formgedächtnispolymer mit biobasierten Fasern und Partikeln.

Wasserabweisende Eigenschaften durch biobasierte Materialien

Materialien auf Basis von Proteinen mit wasserabweisenden Eigenschaften sollen zukünftig halogenierte Kohlenwasserstoffe bei der Ausrüstung von Funktionstextilien ersetzen. Dabei nutzen die Fraunhofer-Forscher Polyglucosamin aus Chitin, das aus den Schalen und Panzern von Krebsen, Krabben oder Garnelen stammt. Das Material wurde auf saugfähige Papiere aufgebracht und demonstrierte damit, dass sich wasserabweisende und zugleich wasserdampfdurchlässige Funktionsschichten mit biobasierten und bioabbaubaren Materialien erzeugen lassen.

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