Projekt »Evolutionäre bioökonomische Prozesse EVOBIO«

Integrative Nutzung von Stoffströmen zur Herstellung optimierter Materialien für innovative Produkte in bioökonomischen Prozesskreisläufen

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Herausforderung und Ziele

Weltweit führen Wertschöpfungs- und Produktionsprozesse zu schädlichen Emissionen und nicht verwertbaren Abfällen und Abwässern. Häufig sind, im bioökonomischen Sinn, nicht optimierte Prozesse und Wertschöpfungsketten, aber auch fehlende Technologien die Ursache, neben einer generellen Verknappung oder Verteuerung der benötigten Ressourcen.

Im Projekt EVOBIO wurden daher Konzepte entwickelt und diese an ausgewählten Beispielen demonstriert, die den Übergang von einer unidirektionalen Wirkkette, hin zu einer vollständig integrativen Nutzung von Stoffströmen, Materialien und Produkten in nachhaltigen, ressourcenschonenden bioökonomischen Prozesskreisläufen ermöglichen. Dies wurde durch die gezielte, iterative Weiterentwicklung von Material- und Produkteigenschaften erreicht, bei rückstandsfreier Wiederverwendung der eingesetzten Ressourcen. Die Zusammenführung von Bio- und Technosphäre in einem evolutionär weiter zu entwickelnden, sich stetig optimierenden Kreislauf bildet dabei einen zentralen Ansatz.

Hochlastfaulung-Pilotanlage
© Fraunhofer IGB
Die Hochlastfaulung-Pilotanlage auf der Kläranlage Ulm liefert drei nutzbare Stoffströme: Biogas, nährstoffreiches Schlammwasser und organische Gärreste.
Am Fraunhofer IGB wachsen einzellige Mikroalgen mit dem nährstoffreichen Schlammwasser und produzieren dabei Pflanzenstimulanzien als Ersatz für Pestizide.
© Fraunhofer IGB
Am Fraunhofer IGB wachsen einzellige Mikroalgen mit dem nährstoffreichen Schlammwasser und produzieren dabei Pflanzenstimulanzien als Ersatz für Pestizide.

Lösungsansatz

 

Säule 1
Geschlossene Stoffströme: Abwasser, Reststoffe und Abgas als nachhaltige Ressource
 

Kläranlage der Zukunft, Nutzung biogener Reststoffe

  • Abwasser dient als Rohstoffquelle
  • Konzept einer kompletten Umgestaltung von Kläranlagen: Mit geeigneten Technologien wird Abwasser so aufbereitet, dass die entstehenden Stoffströme (Feststoff aus der Schlammfaulung, nährstoffreiches Filtratwasser, Biogas) genutzt werden können (Abwasser-Bioraffinerie: Konversion von Inhaltsstoffen bzw. Produkten wie CO2, Nährstoff- und Wertstoffrückgewinnung)
  • So hergestellte Produkte sollen iterativ in den wertschöpfenden Prozessen als Ausgangsmaterialien eingesetzt werden, um eine wirklich nachhaltige Kreislaufwirtschaft realisieren zu können.
  • Demonstrator: Kläranlage der Zukunft mit Hochlastfaulung auf Kläranlage Ulm
Technologien/Teilprojekte
  • Kläranlage der Zukunft
  • Bioelektrische Systeme auf Kläranlagen
  • KI-gestützte Algenbiotechnologie
  • Extraktion von funktionellen Verbindungen und Proteinen aus Lebensmittelreststoffströmen
  • Nutzung von Kohlenstoffoxiden als Rohstoff
Mikroverkapselung
© Fraunhofer IAP
Am Fraunhofer IAP werden natürliche Substanzen wie ätherische Öle oder Enzyme mikroverkapselt, damit ihre Wirkung erhalten bleibt, wenn sie in Beschichtungen oder Polymerkomposite eingearbeitet werden.
Funktionalität der Wasserabweisung
© Fraunhofer IGB
Am Fraunhofer IGB konnte die Funktionalität der Wasserabweisung bei gleichzeitiger Durchlässigkeit von Wasserdampf mittels biobasierter Materialien erzeugt werden. Oben: zwei unbeschichtete Papiere nach der Benetzung mit Wasser. Unten: die funktionsbeschichteten Papiere 5 Minuten nach Wasserauftrag.

Säule 2

Verbesserte Materialien: Neue Materialien/Materialien mit neuen Funktionalitäten auf Basis von Reststoffströmen
 

Integration von biologischen, aktiven und adaptiven Komponenten

  • Identifizierung und Verwendung neuer Materialien auf Basis der im Bereich Stoffströme genannten sowie anderer biogener Rohstoffe
  • Materialien sollen zu leistungsfähigen Alternativen für petrochemische Standards mit ggf. neuen und zusätzlichen Funktionen in innovativen Syntheseverfahren, Verarbeitungsprozessen und Anwendungen entwickelt werden
  • Anforderungen an die neuen Materialien: sie müssen mit bereits etablierten Techniken verarbeitbar oder neue Verarbeitungstechniken zügig realisierbar sein (neue Verfahrenstechnik- und Formulierungslösungen)
  • Erschließung und Nutzung biologischer Funktionalitäten in Materialien, welche diese intelligenter einsetzbar und nachhaltiger machen.
  • Demonstrator: Naturinspirierte adaptive Elastomerdichtung

Technologien/Teilprojekte

  • Polymerblends, -formulierungen und Additive
  • Lichtstabilisatoren
  • Ligninblends
  • Natürliche Beschichtungen
  • Adaptive Elastomerdichtungen
  • Beschichtung mit Mikroorganismen
  •  Mikroverkapselung
  •  Biokatalytische Umsetzungen in 2-Phasensystemen

 

Säule 3
Neue Produkte – Hochleistungswerkstoffe auf Basis natürlicher Ressourcen und Hybridstrukturen

 

  • Bioinspirierte Ansätze für neue Werkstoffeigenschaften/Oberflächen und Hybridstrukturen
  • Natürliche Schaumstrukturen, die, analog zu Knochen, bei hoher Stabilität ein deutlich geringeres Gewicht als ein massives Material aufweisen.
  • Die direkte Integration von biologischen Bausteinen auf Oberflächen soll zur Realisierung neuartiger Produkte, z. B. Biosensoren für Schadstoffe, Oberflächen zur Stoffkonversion oder biobasierte Hochleistungstextilien, weiterentwickelt werden.
  • Durch Kombinationen bioinspirierter Strukturen und biobasierter Beschichtungen können innovative Produkte mit völlig neuen Eigenschaften entstehen.
  • Demonstrator: Bioinspirierte Schaumstrukturen und biobasierte Funktionsfasern

Technologien/Teilprojekte

  • (Biobasierte) Hochleistungsfasern
  • Bioinspirierte schaumbasierte Hybridstrukturen
  • Bioaktive Oberflächen

 

Säule 4

Verwertung und Nachhaltigkeit
 

Verwertungsplanung

LCA

  • Ressourcen effizienter nutzen
  • Verbrauch an Ressourcen generell zu senken und Material- und Stoffnutzung nachhaltiger zu gestalten.
  • Vollständige Kreislaufführung der Produkte aufgrund des Designs und der verwendeten Materialien

 

Kontakt

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Ursula Schließmann

Koordinatorin Geschäftsfeld Umwelt

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart

Telefon +49 711 970-4222

Fax +49 711 970-4200

Contact Press / Media

Dr. rer. nat. Claudia Vorbeck

Kommunikation

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart

Telefon +49 711 970-4031

Fax +49 711 970-4200