Forschung

Europa importiert 74 % seines Bedarfs an Proteinfuttermitteln und stellt Stickstoffdünger im energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren her. Gleichzeitig werden große Mengen an gebundenem Stickstoff durch Verbrennung oder in Kläranlagen entsorgt. Heute werden Insekten und Mikroorganismen zur Verwertung von Abfallströmen eingesetzt. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Verwertung organischer Abfallfraktionen durch Schaben, unterstützt durch ein KI-gestütztes System. Das BonsAI-Projekt verfolgt folgende Ziele: 1. Entwicklung einer KI-gesteuerten Biokonversionstechnologie zur vollautomatischen Trennung organischer und anorganischer Abfallfraktionen mit einer Trennleistung von ≥ 95 % und einer Biokonversionsrate/Biomasseverwertungsrate von ≥ 90 % des organischen Inputs 2. Skalierung vom Labormaßstab (1 m³) auf Pilotanlagenebene (10 m³) mit Nachweis der industriellen Eignung durch kontinuierlichen Betrieb über ≥ 6 Monate 3. Erreichen eines Durchsatzes von 50 kg organischer Substanz/Tag (in der 10-m³-Anlage) 4. Entwicklung neuer Recyclingprodukte mit definierten Qualitätsstandards: Schabenproteinhydrolysate (≥ 90 % Proteingehalt), hygienisiertes Futtermittel (NPK-Gehalt gemäß EU-Düngemittelverordnung) und Biogas-Co-Substrate (≥ 70 % der theoretischen Methanausbeute)

Das Projekt ELF4GREEN befasst sich mit einem fortschrittlichen Biokonversionskonzept zur Herstellung grüner Kraftstoffe und Chemikalien, bei dem Elektrofermentation als Schlüsseltechnologie eingesetzt wird. In der zukünftigen Kreislaufwirtschaft werden Bioraffinerien für die Bereitstellung von Chemikalien und Kraftstoffen auf Basis erneuerbarer Rohstoffe verantwortlich sein. Eine zentrale Voraussetzung dafür ist die Versorgung mit kostengünstigen Rohstoffen, die für eine großtechnische Produktion zuverlässig verfügbar sind. Ein naheliegender Ansatz ist die Nutzung von Abfallmaterialien. Bioabfälle und Reststoffe sind in der EU derzeit kostengünstig und weit verbreitet, ihre Nutzung erfordert jedoch erhebliche technologische Innovationen – insbesondere, um Schwankungen in der Rohstoffqualität zu bewältigen. Im Rahmen von ELF4GREEN werden fortgeschrittene Fermentationskonzepte untersucht, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf der Verwendung solcher Abfallmaterialien liegt – sowohl in Form flüssiger Abfälle als auch schwer abbaubarer organischer Reststofffraktionen (z. B. gemischter Kunststoffabfall). Die zentrale Technologie hierfür ist eine aufstrebende High-End-Fermentationstechnologie: die Elektrofermentation. Diese Technik basiert auf elektroaktiven Mikroorganismen, die über die einzigartige Fähigkeit verfügen, Elektronen durch ihre Zellmembran zu transportieren und extrazellulär an eine in das Medium eingetauchte Elektrode abzugeben oder von ihr aufzunehmen. Der angelegte elektrische Strom ermöglicht es, metabolische Reaktionen gezielt zu beeinflussen und umzulenken und dadurch das entstehende Produktmuster zu verändern. Für die Behandlung trockener und schwer biologisch abbaubarer Materialien – z. B. kommunaler Abfall, gemischter Kunststoffabfall oder Holzreste – wird diese Schlüsseltechnologie mit Vergasung und Synthesegas-Fermentation kombiniert. Leichter biologisch umsetzbare Substrate werden hingegen mittels saurer Fermentation behandelt. In beiden Ansätzen werden die entstehenden Zwischenmetabolite durch maßgeschneiderte, elektrogestützte Fermentationstechnologien weiter aufgewertet, um die Endprodukte zu gewinnen.

Die Herstellung von Biomethan birgt die Möglichkeit, organische Abfallstoffe zu einem gasförmigen und gut speicherbaren Energieträger mit hoher Energiedichte umzuwandeln. Um die geforderten Gütekriterien für die Einspeisung von Biomethan in das etablierte Gasspeichernetz zu erfüllen, ist eine Abtrennung von Störstoffen, in erster Linie CO2, erforderlich. Das aus dem Rohbio- oder Faulgas abgetrennte CO2 kann sekundär als Ausgangsstoff für eine weitere Methanisierung mit erneuerbaren Wasserstoff verwendet werden, um die zu erzielende Einspeisemenge zu maximieren. Eine weitflächige Implementierung eines solchen kreislaufwirtschaftlichen CCU Ansatzes konnte bis dato aufgrund zu hoher Investitions- und Betriebskosten, sowie der persistenten Dominanz fossiler Energie nicht realisiert werden. Durch den fortschreitenden Ausbau kosteneffizienter, volatiler erneuerbarer Energie ergibt sich künftig ein saisonaler Verschiebungsbedarf im zweistelligen TWh-Bereich. Durch die Biomethanisierung könnte folglich in Zeiten elektrischer Überkapazitäten eine Methanisierung von hard-to-abate CO2 (z.B. aus Kläranlagen) erfolgen, was einerseits zu negativen Emissionen, andererseits zur Erzeugung eines kapazitären Energieträgers führen würde. Im Projekt "BioCH4eramics" soll die Grundlage für einen radikalen neuen Bioreaktortyp ("Plug-Flow") und ein neues biotechnisches Verfahren für die Herstellung von Biomethan etabliert werden. Durch die gezielte Immobilisierung von methanogenen Mikroorganismen im Porenraum von technischen Keramiken soll die Nutzung des "Plug-Flow" mit großer spezifischer Oberfläche als potentiell hocheffizientes Produktionssystem für Biomethan experimentell untersucht werden.