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10.10.2019

PHA aus dem Berliner Bioreaktor

Biologisch abbaubarer Biokunststoff aus Abfallfetten

  • Der braune Stoff ist das tierische Abfallfett. Das Weiße sind verschiedene, vom Fachgebiet Bioverfahrenstechnik der TU Berlin produzierte PHA-Biopolymere, im Hintergrund ist ein 150-l-Bioreaktor (Pilotmaßstab) zu sehen (© Björn Gutschmann)

    Der braune Stoff ist das tierische Abfallfett. Das Weiße sind verschiedene, vom Fachgebiet Bioverfahrenstechnik der TU Berlin und ANiMOX GmbH produzierte PHA-Biopolymere, im Hintergrund ist ein 150-l-Bioreaktor (Pilotmaßstab) zu sehen (© Björn Gutschmann)

  • Über den gesamten Prozess beträgt die Ausbeute 0,6 kg PHA pro kg Abfallfett, bei Palmöl ist es etwas mehr (© Björn Gutschmann)

    Über den gesamten Prozess beträgt die Ausbeute 0,6 kg PHA pro kg Abfallfett, was vergleichbar mit der Ausbeute von Palmöl ist (© Björn Gutschmann)

  • PHABio-up: „Polyhydroxyalkanoate Biopolymere aus tierischen Abfallfetten: Scale-up zur Realisierung einer industriellen Produktion“ wird im Zeitraum vom 01. Juli 2019 bis 30.Juni 2022 vom BMBF und vom Projektträger Jülich (PTJ) gefördert (© Alina Goldberg/Sebastian Riedel)

    PHABio-up: „Polyhydroxyalkanoate Biopolymere aus tierischen Abfallfetten: Scale-up zur Realisierung einer industriellen Produktion“ wird im Zeitraum vom 01. Juli 2019 bis 30.Juni 2022 vom BMBF und vom Projektträger Jülich (PTJ) gefördert (© Alina Goldberg/Sebastian Riedel)

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Die Hälfte der 2 Mio. t Biokunststoff, die derzeit pro Jahr weltweit produziert werden, ist biologisch nicht abbaubar, die andere Hälfte teilweise nur schwer, schätzt Dr.-Ing. Sebastian L. Riedel, der mit Dr.-Ing. Stefan Junne und Björn Gutschmann an der TU Berlin an der Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) forscht. PHA dagegen wird im Wasser und Boden vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut und sei gesundheitlich unbedenklich.

„PHA ist in der Natur, also im Boden oder im Meer, vollständig und auch unter niedrigen Temperaturen biologisch abbaubar zu CO2 und Wasser“, bekräftigte Riedel auf Nachfrage. „Die Dauer ist natürlich auch von der Größe abhängig. Aber Folien können durchaus schon in wenigen Wochen vollständig abgebaut sein.“

Die Substanz kann aus vielen Rohstoffen wie Mais, Zucker, Glycerin oder Palmöl gewonnen werden. Riedel und Junne entschieden sich auf der Suche nach ökologisch unbedenklichen Varianten unter anderem für Abfallfette, die zum Beispiel in der Landwirtschaft (Tierkadaver), in der Gastronomie oder bei der Weiterverarbeitung von Lebensmittelabfällen anfallen.

Die Herstellung bewerkstelligen sogenannte Knallgasbakterien namens Cupriavidus necator (ehemals Ralstonia eutropha) in zwei bis drei Tagen. „Wir setzen sie in eine Mineralsalzlösung, füttern sie mit Stickstoff, Phosphor und Kohlenstoff“, erläutert Riedel. Die Kultivierung erfolge aerob bei 30 °C und pH 6,8.

Die Bakterien reagieren auf Stickstoffmangel

„Den Kohlenstoff geben wir in Form von Abfallfetten hinzu. Dann lassen wir sie wachsen. Nach einer bestimmten Zeit entziehen wir den Bakterien den Stickstoff. Auf diesen Mangel reagieren sie, indem sie den nun überschüssigen Kohlenstoff im Abfallfett innerhalb der Zelle in PHA umwandeln und so als Kohlenstoff- und Energiereserve nutzen können.“

„Über den gesamten Prozess bekommen wir eine Ausbeute von 0,6 kg PHA pro kg Abfallfett, was vergleichbar mit der Ausbeute von Palmöl ist“, erläuterte Riedel gegenüber Kunststoffe. Dabei arbeiten die Berliner Forscher standardmäßig mit Bioreaktoren bis 100 l Arbeitsvolumen mit einer maximalen PHA-Ausbeute von 100 g/l. „In unserem jetzigen Forschungsprojekt übertragen wir den Prozess in den Kubikmetermaßstab, so Riedel. „Generell spricht nichts dagegen, dass der Prozess auch in Bioreaktoren von 100 m3 und mehr läuft.“

PHA-Kilopreis von unter 2 EUR als Ziel

Das in den Zellen produzierte PHA wird mit Lösungsmitteln extrahiert, die sich teilweise nach dem Prozess zurückgewinnen lassen. Derzeit arbeiten die Forscher an Aufarbeitungsmethoden, die den Prozess kostengünstiger und noch nachhaltiger machen sollen. Angestrebt wird ein Prozess, der es erlaubt, PHA zu einem Kilopreis von unter 2 EUR anbieten zu können.

Ausgangspunkt der Forschungen an PHA war für Riedel vor zehn Jahren am Massachusetts Institute of Technology (MIT) Palmöl, ein laut Riedel „super unkomplizierter Ausgangsstoff“. Seit 2017 baut er seine PHA-Forschung mit biogenen Reststoffen am Fachgebiet Bioverfahrenstechnik von Prof. Peter Neubauer an der TU Berlin aus, das sich der Entwicklung nachhaltiger Bioprozesse verschrieben hat. (kk)

PHABio-up: „Polyhydroxyalkanoate Biopolymere aus tierischen Abfallfetten: Scale-up zur Realisierung einer industriellen Produktion“

Im Rahmen der Förderinitiative „Bioökonomie International 2017“ vom PTJ, fördert das BMBF seit dem 01.07.2019 das dreijährige Verbundvorhaben „PHABio-up – Polyhydroxyalkanoate Biopolymere aus tierischen Abfallfetten: Scale-up zur Realisierung einer industriellen Produktion“ mit 1,7 Millionen Euro. Unter der Koordination des Fachgebiets Bioverfahrenstechnik der TU Berlin arbeiten die deutschen Partner ANiMOX GmbH, Fraunhofer IPK und CUBA Kunststofftechnik GmbH zusammen mit den internationalen Partnern Universiti Sains Malaysia (Malaysia) und Universidad de Antoquia (Kolumbien).

PHABio-up zielt darauf ab, die industrielle Produktion von biologisch abbaubaren Polyhydroxyalkanoaten (PHA)-Biopolymeren aus biogenen Reststoffen auf Basis des Vorgängerprojektes PHABIO APP zu beschleunigen, wo ein geschlossener Kreislauf für die PHA-Produktion aus biogenen Reststoffen im Labormaßstab entwickelt wurde.

PHA-Polymere, die ähnliche Eigenschaften wie erdölbasiertes Plastik aufweisen, aber komplett zu CO2 und Wasser unter gewöhnlichen Umweltbedingungen (z.B. Meer oder Boden) abgebaut werden, kommen in der Natur als Energie- und Speicherstoffe von vielen Bakterien vor.

Weiterführende Information
  • 24.05.2018

    Biobasierte Polymere halten ihre Marge

    Marktreport zu biobasierten Polymeren und Bausteinen

    Die Produktionskapazität für biobasierte Polymere wächst weiterhin um 3-4 % jährlich, dies entspricht in etwa auch dem Wachstum petrochemischer Polymere.   mehr

  • Biokunststoffe - Definition

    Biobasierte Kunststoffe

    „Biobasiert“ ist eine Werkstoff- und zugleich eine Produkteigenschaft. Sie beschreibt, dass die Kohlenstoffatome aus der Natur entnommen, also „bio“ sind. Biobasierte Kunststoffe können vollständig oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen.   mehr

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