Ein innovatives Forschungsprojekt zeigt, wie Kläranlagen nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch zu wertvollen Rohstoffquellen werden können. Im Projekt KoalAplan, durchgeführt am Lehr- und Forschungsklärwerk der Universität Stuttgart in Büsnau, gewinnen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB gemeinsam mit Partnern Ammonium, Wasserstoff und Polyhydroxyalkanoate (PHA) aus kommunalem Abwasser. Diese Stoffe dienen als Stickstoffdünger, nachhaltige Energiequelle und Rohstoff für biobasierte, bioabbaubare Kunststoffe. Die Ergebnisse könnten die Abwasserbehandlung revolutionieren und einen wichtigen Beitrag zur Klimaneutralität leisten.
Das Projekt, gefördert durch das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg sowie die Europäische Union im Rahmen des EFRE-Programms „Bioökonomie Bio-Ab-Cycling“, nutzt eine Pilot-Bioraffinerie, die 2024 über sechs Monate erfolgreich betrieben wurde. Ziel ist es, die im Abwasser enthaltenen Ressourcen wie Stickstoff und organischen Kohlenstoff effizient zu recyceln, anstatt sie wie in herkömmlichen Kläranlagen ungenutzt zu verlieren.
Ein zentraler Aspekt des Projekts ist die Rückgewinnung von Ammoniumstickstoff. Anstatt den Stickstoff biologisch abzubauen, wie es in klassischen Kläranlagen üblich ist, wird er über einen Zeolithfilter oder Ionentauscher physikalisch aus dem Abwasser entfernt. Bei der Regeneration des Filters entsteht eine konzentrierte Ammoniumlösung, die als Stickstoffdünger in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann. Dies reduziert nicht nur den Verlust wertvoller Ressourcen, sondern auch die Umweltbelastung durch Stickstoffemissionen.
Parallel dazu wird der organische Kohlenstoff, der in der Vorklärung als Primärschlamm abgetrennt wird, in einer Dunkelfermentation zu einem Hydrolysat verarbeitet, das reich an kurzkettigen organischen Säuren ist. Dieses Hydrolysat dient als Ausgangsmaterial für zwei innovative Prozesse: die mikrobielle Elektrolyse zur Produktion von Wasserstoff und die fermentative Herstellung von PHA, einem bioabbaubaren Biopolymer. Die Wasserstoffproduktion bietet eine nachhaltige Energiequelle, während PHA als Rohstoff für biologisch abbaubare Verpackungen, Mulchfolien oder medizinische Anwendungen genutzt werden kann.
Die PHA-Produktion stellt eine besondere Herausforderung dar, da hohe Konzentrationen organischer Säuren toxisch für die verwendeten Mikroorganismen sein können. Das Fraunhofer-IGB-Team entwickelte ein Perfusionsverfahren mit Zellrückhaltung, das die Bakterien – insbesondere den Stamm Cupriavidus necator – vor Wachstumshemmung schützt. Durch einen Tangentialflussfilter bleiben die Zellen im Bioreaktor, was eine hohe Zelldichte und längere Kultivierungszeiten ermöglicht. So konnten 97 % des Kohlenstoffs aus den organischen Säuren in Biomasse und PHA umgewandelt werden. Das resultierende PHBV-Copolymer, das etwa 10 % 3-Hydroxyvalerat enthält, ist flexibler und vielseitiger als herkömmliche Homopolymere und eignet sich für zahlreiche Anwendungen.
Die KoalAplan-Bioraffinerie reduziert nicht nur klimaschädliche Emissionen wie Kohlendioxid, das in herkömmlichen Kläranlagen aus organischem Kohlenstoff entsteht, sondern ersetzt auch fossile Rohstoffe durch nachhaltige Alternativen. Die Projektpartner, darunter das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Technische Universität Hamburg, die Technische Universität Clausthal, die Universität Stuttgart und Umwelttechnik BW, arbeiten interdisziplinär zusammen, um die Verfahren zu optimieren und deren großtechnische Umsetzung zu erproben.
Die Ergebnisse des Projekts, das bis April 2024 lief, zeigen das Potenzial, Kläranlagen in Bioraffinerien umzuwandeln, die nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch wertvolle Rohstoffe liefern. Zukünftige Optimierungen, wie die Erhöhung des 3-Hydroxyvalerat-Anteils im PHA, könnten die Materialeigenschaften weiter verbessern und neue Anwendungsfelder erschließen. Das Projekt trägt zur Vision einer kreislauforientierten Bioökonomie bei, die Ressourcenverbrauch und Emissionen reduziert und den Wirtschaftsstandort Baden-Württemberg stärkt.
