Forschung

Kunststoffe leisten einen unverzichtbaren Beitrag zur Entwicklung der Menschheit in praktisch allen Bereichen des Lebens, z.B. in der modernen Medizin mit einem nie dagewesenen Anstieg an Lebensqualität und -erwartung. Dieser Fortschritt hat jedoch einen hohen Preis hinsichtlich Ausbeutung fossiler Ressourcen sowie der Verschmutzung der Umwelt. Der Einsatz erneuerbarer Rohstoffe als Ersatz für synthetische Polymere spielt bei der Transformation in Richtung nachhaltiger Materialien und umweltfreundlicher Lösungen eine große Rolle. In einigen aufstrebenden Bereichen, bspw. 3D Druck durch Stereolithographie, sind dem Einsatz sowohl nachhaltiger Materialien als auch von Verbund-Werkstoffen enge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus sind das Wiederaufbereiten und Recycling dieser Materialien mit großen Schwierigkeiten und großem Aufwand verbunden. In diesem Projekt sollen Möglichkeiten zur Gestaltung 3D-druckbarer Verbund-Materialien auf Basis nachhaltiger Ressourcen erforscht werden, welche nach Einsatz chemischer und/oder enzymatisch Mittel durch „Degradation on Demand“ getriggert abgebaut und einer weiteren materiellen Verwendung zugeführt werden können. Basierend auf Vinylester Monomeren, einer Substanzklasse ähnlich (Meth-)Acrylaten jedoch mit bedeutend geringerer Toxizität sowie inhärent spaltbaren Gruppen, sollen Cellulose- und Chitin-Nanofibrillen chemische und/oder enzymatisch modifiziert werden welche die Formgebung durch hochauflösenden 3D-Druck (Stereolithographie) erlaubt. Durch Kombination geeigneter Monomere und Modifikationen wird die Kompatibilität der Formulierungen sichergestellt und durch Auswahl geeigneter Verstärkungsmaterialien mechanische Performance erreicht, die mit konventionellen synthetischen 3D-Druck-Materialien konkurrieren kann. Nach Erreichen ihrer Lebensdauer können durch Spaltung funktioneller Gruppen die Basis-Bausteine zurückgewonnen und einem neuerlichen Einsatz zugeführt werden, was die Menge an anfallenden Abfall dramatisch reduziert.

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.