Industrie & Technik

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Erdöl als Rohstoff für Kunststoffe führt zu ökonomischen Problemen wie Ressourcenverbrauch und -verteilung sowie zu ökologischen Problemen. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber natürlichen Zersetzungsprozessen reichern sich Kunststoffe in der Umwelt an. Um Ressourcenverbrauch und Umweltverschmutzung zu vermeiden,<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>ist die Abhängigkeit von der Ressource Erdöl zu reduzieren,<list-item>ist Recycling zum weltweiten Standard zu machen und</list-item><list-item>sind umwelt- und ressourcenschonende Herstellungsverfahren für Kunststoffe zu entwickeln.</list-item><h2>Biokunststoffe</h2>Der Begriff „Biokunststoff“ ist nicht einheitlich definiert. Gängige Definitionen umfassen biologisch abbaubare Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen und biologisch nicht abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. Um die Probleme des fossilen Ressourcenverbrauchs und des Müllanfalls weitgehend auszuschließen, definierten Pittmann und Steinmetz:1) „Biokunststoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen und/oder biologisch abbaubaren Reststoffen wie Abwasser, Klärschlamm oder Bioabfall hergestellt und sind durch in der Natur vorkommende Mikroorganismen vollständig abbaubar.“Biopolymere lassen sich chemisch erzeugen wie Stärkepolymere, mit biologischer Fermentation und chemischer Synthese wie Polymilchsäure oder durch rein biologische Synthese wie Polyhydroxyalkanoate (PHAs):PHAs gehören zur Gruppe der Polyester, können von mehr als 300 Mikroorganismen hergestellt werden2,3) und wurden in vielen Bakterien im Belebtschlamm kommunaler Kläranlagen nachgewiesen – sind also abbaubar.4) Die Bakterien nutzen PAHs dabei überwiegend als Energie- und Kohlenstoffspeicher.5) Je nach Länge der Seitenkette (R) werden die PHAs in kurz- (short chain length, SCL) oder mittelkettige (medium chain length, MCL) Polymere unterteilt.6) Die meisten Materialeigenschaften der kurzkettigen PHAs ähneln denen von Polypropylen (PP), sodass das größte Substitutionspotenzial der PHAs im Ersatz von PP liegt.7,8)<figure><img src="https://media.graphcms.com/OZTqLiH4SJyt7KI3Hchq"><figcaption><label>Abb. 1: </label>PHA-Herstellung inklusive Potenzialberechnung.9)</figcaption></figure>
<h2>Bakterien produzieren</h2>Die PHA-Produktion in kommunalen Kläranlagen ist bei unterschiedlichen Prozessbedingungen möglich.10,11) Ein zweistufiges Herstellungsverfahren erzeugt dafür zunächst kurzkettige Fettsäuren (volatile fatty acids, VFA). Diese polymerisieren dann nach Anreicherung bestimmter Bakterien in einer Klärschlammbiomischgemeinschaft zu intrazellularem PHA (Abbildung unten).Vorversuche zur Rohstoffauswahl ergaben Primärschlamm als am besten geeigneten Stoffstrom einer kommunalen Kläranlage, um VFA zu produzieren.10) Die optimierten Prozessparameter Temperatur, pH-Wert, Aufenthaltszeit, Entnahmemenge und Reaktorbetriebsweise lieferten eine VFA-Raumproduktion von 1913 mg·L–1∙d–1 bei einer VFA-Konzentration von 7653 mg·L–1. Diese VFAs dienten dazu, PHA-produzierende Mikroorganismen aus dem Belebtschlamm einer kommunalen Kläranlage zu selektieren. Dazu wurden alle im Schlamm enthaltenen Bakterien durch die zyklische Zugabe von Substrat Phasen der Substratverfügbarkeit und des -mangels ausgesetzt.PHA-produzierende Bakterien nutzen die intrazellulär gespeicherten Polymere während des Substratmangels als Kohlenstoff- und Energiequelle und erlangen so einen Selektionsvorteil.12) Die derart angereicherte Biomasse lässt sich nutzen, um PHAs zu produzieren.11) Mit den optimierten Prozessparametern Substratkonzentration, Temperatur, pH-Wert und Zyklusdauer ergaben sich dabei PHA-Gehalte bis zu 28,4 Gewichtsprozent bezogen auf die Zelltrockenmasse.Die Produktion läuft im Bypass zur Abwasserreinigung, ohne die Reinigungsleistung der Kläranlage zu beeinflussen. Allerdings steht diese Biopolymerproduktion teilweise in Konkurrenz zur Biogasproduktion, die ebenfalls von Primärschlamm ausgeht. Bis zu 39 Prozent des im Primärschlamm enthaltenen organisch gebundenen Kohlenstoffs wandeln sich in Fettsäuren für die PHA-Produktion um und fehlen damit bei der Biogaserzeugung durch anaerobe Fäulnis.<h2>Potenzialanalyse</h2>Welches Potenzial zur Biopolymerproduktion kommunale Kläranlagen in Deutschland haben, zeigt die Analyse einiger Parameter (Tabelle). Die in Deutschland anfallende Menge an Primärschlamm ergibt sich daraus, dass zirka 92 Prozent der Einwohner, die im Einzugsgebiet einer Kläranlage leben (Einwohnerwert, EW) an Kläranlagen der Größenklasse IV und V angeschlossen sind. Diese Kläranlagengrößen gewinnen Primärschlamm. Aus dieser Primärschlammmenge ergibt sich die erforderliche Reaktorgröße.Mit den während der praktischen Versuche ermittelten Daten folgt eine mögliche Menge an PHA aus kommunalen Kläranlagen in Deutschland von 157 000 Tonnen pro Jahr. Nach der Definition für Biokunststoffe1) entspricht dies etwa 20 Prozent der im Jahr 2015 weltweit produzierten Biopolymere.Eine Schätzung mit Daten der Mitgliedstaaten der Europäischen Union führt zu einer theoretisch möglichen PHA-Produktion in kommunalen Kläranlagen der EU von zirka 880 000 Tonnen pro Jahr.15) Dies sind 116 Prozent der im Jahr 2015 weltweit produzierten Biopolymere.<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Eingangsdaten der Potenzialanalyse.</h2><img src="https://media.graphcms.com/HH7659POQeCpTODcVMk4">

</table-wrap><h2>Fazit</h2>Die Biopolymerproduktion aus biologisch abbaubaren Reststoffen in kommunalen Kläranlagen könnte einen Teil der aus pflanzlichen Rohstoffen hergestellten Biopolymere ersetzen. Ob und wie die Methode im Dauerbetrieb funktioniert, ist noch nicht geklärt.<h2>Quergelesen</h2>Biokunststoffe entstehen aus nachwachsenden Rohstoffen und/oder Reststoffen und sind durch in der Natur vorkommende Mikroorganismen vollständig abbaubar.Polyhydroxyalkanoate lassen sich durch biologische Synthese erzeugen.In kommunalen Kläranlagen in Deutschland ließen sich mit passenden Reaktoren zurzeit etwa 20 Prozent der im Jahr 2015 weltweit produzierten Biopolymere herstellen.Timo Pittmann ist promovierter Umweltschutztechnik-Ingenieur. Er leitet den Bereich Abwasser Deutschland beim Schweizer Unternehmen TBF + Partner in Böblingen. Es plant und realisiert Ingenieurbauwerke in der Wasserwirtschaft sowie der Müll- und Klärschlammverbrennung. <a href="mailto:pit@tbf.ch">pit@tbf.ch</a><div><img src="https://media.graphcms.com/8YkFRhi8QaSxxSJvBer4">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 T. Pittmann, H. Steinmetz, Wasser und Abfall 05/13, 37–41.</li><li>
2 S. Y. Lee, Trends Biotechnol. 1996, 14, 431–438.</li><li>
3 J. M. Dias, P. C. Lemos, L. S. Serafim et al., Macromol. Biosci. 2006, 6, 885–906.</li><li>
4 G. G. Q. Chen, Plastic from Bacteria, Natural Functions and Applications, Springer 2010.</li><li>
5 S. Chanpratreep, J. Biosci. Bioeng. 2010, 110, 621–632.</li><li>
6 H. J. Endres, A. Siebert-Raths, Technische Biopolymere, Hanser 2009.</li><li>
7 G.-Q. Chen, Q. Wu, Biomaterials 2005, 26, 6565–6578.</li><li>
8 O. Wolf, M. Crank, M. Panel et al.,Techno-economic Feasibility of Large-scale Production of Bio-based Polymers in Europe, European Commission – Joint Research Centre EUR 22103 EN, 2005.</li><li>
9 D. L. Kaplan, Biopolymers from Renewable Resources, Springer 1998.</li><li>
10 T. Pittmann, H. Steinmetz, Bioresour. Technol. 2013a, 148C, 270–276.</li><li>
11 T. Pittmann, H. Steinmetz, Bioresour. Technol. 2014, 167, 297–302.</li><li>
12 T. Pittmann, Herstellung von Biokunststoffen aus Stoffströmen einer kommunalen Kläranlage, Dissertation, Stuttgarter Bericht zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 224, DIV Deutscher Industrieverlag, München.</li><li>
13 Leistungsvergleich kommunaler Kläranlagen, DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Wasser und Abfall, 2011.</li><li>
14 Arbeitsblatt ATV-DVWK-A131, ATV-DVWK Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, Hennef 2000.</li><li>
15 T. Pittmann, H. Steinmetz, Bioresour. Technol. 2016, 214, 9–15.</li></ul>

Artikel

Biopolymere aus der Kläranlage

undefined Erdöl als Rohstoff für Kunststoffe führt zu ökonomischen Problemen wie Ressourcenverbrauch und -verteilung sowie zu ökologischen Problemen. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber natürlichen Zersetzungsprozessen reichern sich Kunststoffe in der Umwelt an. Um Ressourcenverbrauch und Umwe...

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Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert Projekte, die eine Abhängigkeit der chemischen Industrie von fossilen Rohstoffen verringern sollen. Das Ziel ist, Kohlenstoffdioxid zu rezyklieren und als Rohölersatz zu nutzen. Für die Fördermaßnahme CO2Plus und ihren Begleiter CO2Net+ stellt die Bundesregierung 15 Millionen Euro zur Verfügung. Damit fördert sie 13 Verbundprojekte – vor allem chemische und biotechnische Verfahren, die Basischemikalien aus CO2 herstellen [<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.chemieundco2.de" target="_blank">www.chemieundco2.de</a></ext-link>]. Außerdem unterstützt sie Forschung zur Elektro- und Photokatalyse sowie zur CO2-Abtrennung. Im Dezember endet die im Jahr 2009 gestartete Fördermaßnahme des BMBF „Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz – Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO2“. Sie unterstützt 33 Verbundprojekte [Nachr. Chem. 2010, 58, 1229].<h2>Vom Abfall zur Matratze</h2>Eines der geförderten Projekte ist das Vorhaben Dream Productions der RWTH Aachen und von Covestro, ehemals Bayer Materialscience. Die Wissenschaftler haben einen Katalysator entwickelt, der aus CO2 Schaumstoffe macht. Damit reagieren CO2 und petrochemische Rohstoffe ohne zusätzliche Energie zu Polyolen und weiter zu Polyurethanen. Für die CO2-Nutzung erhielt Covestro den Responsible Care Award des europäischen Verbands der chemischen Industrie Cefic.In Dormagen bei Köln hat Covestro die erste industrielle Anlage eröffnet, die ein Polyol mit 20 Prozent Kohlenstoff aus CO2 herstellt (Abbildung). Sie hat eine jährliche Produktionskapazität von 5000 Tonnen. Die neue Schaumstoffkomponente gelangt vorwiegend in Weichschaumprodukte wie Matratzen und Polstermöbel. Das CO2 ist dabei ein Abfallprodukt des Chemieunternehmens Ineos, das ebenfalls im Chemiepark Dormagen sitzt [Nachr. Chem. 2016, 64, 859].<figure><img src="https://media.graphcms.com/k4sm3GFLSmKZhRD4QXol"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Anlage von Covestro in Dormagen baut 20 Prozent CO2 in eine Schaumstoffkomponente ein und hat eine Produktionskapazität von 5000 Tonnen pro Jahr. <named-content>Foto: Covestro</named-content></figcaption></figure>
<h2>Begleitforschung</h2>Mit CO2Net+ fördert das BMBF seit Juli erstmals wissenschaftliche Begleitforschung. Dreieinhalb Jahre koordiniert die Dechema diese Förderlinie, unterstützt von der Universität Kassel und dem Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) Potsdam.Die Dechema vernetzt Akteure, schätzt Potenziale ein, bewertet Forschungsergebnisse und bereitet diese für die Öffentlichkeit auf. Das Center for Environmental System Research der Universität Kassel entwirft Wege, wie sich die chemische Industrie in Deutschland über das Recycling von CO2 mit einem Rohstoff versorgen kann. Außerdem analysiert es Stoffströme für die Ökobilanz der technischen Verwertungspfade und die CO2-Nutzung. Das IASS erstellt Informationsmaterialien und beantwortet Fragen zu Potenzialen und Risiken sowie zur Reaktion der Gesellschaft auf die Verwertung von CO2.<h2>Hüttengase als Rohstoff</h2>Ein weiteres Projekt, bei dem Covestro und die RWTH Aachen mitwirken, nutzt Hüttengase aus Hochöfen. Ungefähr sechs Prozent der deutschen CO2-Emissionen stammen aus der Stahlproduktion. Beim Hochofenprozess entstehen Abgase, die etwa 23 % CO, 21 % CO2 und 10 % H2 enthalten. Das Projekt Carbon2Chem will diese Gase nutzen, um Vorprodukte für Kraftstoffe, Kunststoffe oder Düngemittel herzustellen.Aus CO, CO2 und H2 entsteht Methanol, das als Treibstoff dienen kann. Die Spaltung von Wasser durch Elektrolyse liefert den nötigen Wasserstoff. Der Strom dafür stammt aus Ökostromanlagen.Die wissenschaftliche Leitung von Carbon2Chem liegt beim Max-Planck-Institut für chemische Konversion, Mülheim an der Ruhr, und dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik, Oberhausen. Es ist in sieben Teilprojekte gegliedert, die je ein Industrieunternehmen koordiniert. Das BMBF fördert das Vorhaben in den ersten vier Jahren mit 62 Millionen Euro. Im November beginnt der Bau eines Technikums auf dem Gelände von Thyssenkrupp in Duisburg. Bis die Technik industriell anwendbar ist, wird es jedoch mindestens 15 Jahre dauern.Helene Märzhäuser ist freie Mitarbeiterin der Nachrichten aus der Chemie.

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