Advanced Materials & (Bio) Processes

Milchpulver auf Pflanzenbasis findet zunehmend Eingang in die Lebensmittelproduktion. Problem bislang: Das Pulver neigt zur Klumpenbildung, wenn es wieder verflüssigt wird. 

Soja-, Hafer- oder Reismilch: Die Relevanz von pflanzlichen Milchalternativen ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Aufgrund von gesundheitlichen, ökologischen oder tierschutzrechtlichen Aspekten tendiert eine zunehmende Anzahl an Verbrauchern zu pflanzlichen Alternativen zur herkömmlichen Kuhmilch. Sojamilch beispielsweise verursacht 3,2-mal weniger CO2-Emissionen und weist einen über 20-mal geringeren Wasserverbrauch auf als die Herstellung von Kuhmilch. Zusätzlich kann man die pflanzlichen Alternativen mit Nährstoffen und sekundären Pflanzenstoffen, Ballaststoffe genannt, anreichern. Sie wirken sich positiv auf die Gesundheit aus.
In der Lebensmittelindustrie lässt sich zudem die Entwicklung beobachten, dass pflanzliche Milch in Pulverform im Vergleich zum natürlichen flüssigen Produkt zunehmend an Bedeutung gewinnt. „Das Pulver bietet einige Vorteile: Es weist nicht nur eine bessere physikalische und chemische Stabilität auf, es lässt sich einfacher abwiegen, effizienter transportieren und kommt mit einem geringeren Lagervolumen als flüssige Milch aus“, erklärt Kathrin Kramm, Doktorandin am Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie. In den pflanzlichen Milchalternativen werden tierische Fette durch pflanzliches Öl ersetzt: Somit wird unter anderem bei der Zubereitung von Milchkaffee die Schaumbildung gewährleistet. Weiterer Vorteil der pflanzlichen Pulveralternative ist, dass das Öl deutlich länger haltbar ist und nicht ranzig wird und sich keine Bakterien anlagern, weil es in den Partikeln verkapselt und so geschützt ist. Zudem können die pflanzlichen Pulver in zahlreiche Produktsysteme, wie Süßigkeiten, Instantprodukte wie Kakaopulver oder sogar Säuglingsanfangsnahrung, integriert werden. Kramm führt aus: „Auf diese Weise könnten viele Fertigprodukte als vegane Alternative produziert werden und das günstiger und ökologischer“.

Neigung zur Klumpenbildung

Bisher gab es jedoch eine Schwierigkeit in der Produktion: Im Vergleich zu konventionellen Milchpulvern stellen die pflanzlichen Alternativen Herausforderungen dar, die in der Regel auf die pflanzlichen Inhaltsstoffe zurückzuführen sind. „Sollen die Pulver wieder aufgelöst werden, neigen sie zur Klumpenbildung und damit zu einer unvollständigen Rehydrierung der Pulver, was für die Produktanwendung nicht akzeptabel ist“, sagt Wissenschaftlerin Kramm. Grundsätzliches Problem ist, dass pflanzliche Proteine grundsätzlich hydrophober, also wasserabweisender im Vergleich zu tierischen Proteinen sind. Die Verfahrenstechnikerin erklärt, wie sie technisch dagegen vorgeht: „Ziel ist es, das Pulver wieder in eine homogene Flüssigkeit zu verwandeln. Um die Auflösung zu optimieren, müssen deshalb die pflanzlichen Feststoffpartikel gezielt strukturiert werden. Dies erfolgt durch die Bildung von Agglomeraten. Bei der Agglomeration werden Primärpartikel zu größeren, porösen Sekundärpartikeln verbunden, die eine brombeerartige Partikelstruktur aufweisen. Heißt: Man schafft mehr Poren, indem man nicht einzelne Kügelchen, sondern viele Kugeln zu einer Struktur „zusammenklebt“. In dieses brombeerartige Konstrukt kann viel mehr Wasser eindringen, das Pulver löst sich leichter auf. „Diese Struktur ermöglicht neben der Optimierung des Auflöseverhaltens eine verbesserte Fließfähigkeit des Produktes und eine definierte Stabilität“, sagt Kramm.
 
Das Forschungsprojekt wurde mit dem industriellen Schweizer Kooperationspartner Nestlé S.A. durchgeführt. Im Labor wurde gezielt daran gearbeitet, Partikel mit optimierten Auflösungseigenschaften herzustellen. „Das hierfür verwendete Verfahren wird beispielsweise bei Tabletten angewendet, damit diese sich erst im Magen und nicht schon im Mund auflösen“, erklärt Kathrin Kramm. Dafür hat die Wissenschaftlerin den Materialeinfluss auf die Bildung, Struktur und Charakteristiken der agglomerierten Pulver hin untersucht. Der Schwerpunkt wurde dabei auf die pflanzliche Protein- und Ballaststoffkomponente in der komplexen Formulierung der pflanzlichen Milchalternativen gelegt, da bis dato keine Literaturdaten zur Verfügung stehen. Bislang gibt es keine zufriedenstellenden Untersuchungen und Ergebnisse für die Verbesserung der unterschiedlichen Produktionsprozesse wie etwa von pulverförmigen Milchalternativprodukten, von Emulsionen, von sprühgetrockneten Alternativen, bei der die Einzelpartikel hergestellt werden sowie von Wirbelschichtagglomeration (Brombeerstruktur). 

Die perfekte Auflösung

Da die einzelnen Prozessschritte neben den Materialeigenschaften das Produkt beeinflussen, hat Kramm diese im Detail analysiert und Erkenntnisse für ein gezieltes 
Partikeldesign generiert. Um die Strukturierung in Abhängigkeit der Oberflächenzusammensetzung der Partikel auf Mikroebene zu verstehen, wurden zudem numerische Methoden zur Modellierung und Analyse einer Partikelbindung genutzt. Die gewonnenen Resultate wurden auf den Makromechanismus in der Wirbelschicht übertragen, und durch Einstellung definierter Prozessparameter verschiedene Produktstrukturen erzeugt. Durch weiterführende Untersuchungen konnte eine Korrelation zwischen der Partikelstruktur, -größe und des Auflöseverhaltens der Pulver generiert werden. Mithilfe dieser „Formel“ lässt sich die Produktion im Labor auf einen industriellen Maßstab übertragen – unabhängig von der verwendeten Produktionsanlage. Verfahrenstechnikerin Kramm fasst das Ergebnis so zusammen: „Das Projekt ermöglicht eine Implementierung der Ergebnisse auf komplexere Produktsysteme von pflanzlichen Milchpulveralternativen in der Lebensmittelindustrie, die durch ein effizientes Partikeldesign bei Anpassungen im Herstellungsprozess gekennzeichnet sind.“ 

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www.tuhh.de/spe/research
 

Bei der Herstellung von Bioethanol lassen sich aus Reststoffen wertvolle Proteine für die Ernährung gewinnen.

Mit Schwung wuchtet Monica Cornejo zwei weiße Plastikeimer auf einen Tisch in ihrem Labor. Dann öffnet sie die Deckel und zeigt auf den Inhalt: Beide Eimer enthalten ein schlichtes, grobes Pulver. Das eine ähnelt sandigem Lehm, das andere ist körniger und dunkler – beide sind Rückstände aus einer Bioethanol-Fabrik. TU-Forscherin Cornejo will herausfinden, wie sich aus den braunbeigen Krümeln wertvolle Inhaltsstoffe abtrennen lassen: Proteine für die menschliche Ernährung.

Die Weltbevölkerung wächst nach wie vor und die Nachfrage nach proteinreicher Ernährung nimmt überproportional dazu zu. Diesen stark steigenden Bedarf durch tierische Proteine wie Milch und Fleisch zu decken, ist herausfordernd. Denn Jahr für Jahr gehen, nicht zuletzt durch den Klimawandel, große Flächen an fruchtbarem Ackerland verloren. Deshalb sucht die Fachwelt verstärkt nach bislang ungenutzten Proteinquellen pflanzlichen Ursprungs. Mit dem Projekt „BioProHuman“ nimmt das Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der TU Hamburg nun die Rückstände aus der Bioethanol-Produktion ins Visier.

Allein in Deutschland werden pro Jahr knapp 700.000 Tonnen Bioethanol hergestellt. Als regenerativer Treibstoff wird er Benzin beigemischt, um die CO₂-Emissionen von Autos zu senken. Als Rohstoff für die Herstellung dient bisher in Europa vor allem Getreide wie beispielsweise Weizen. Nachdem es gemahlen wurde, wird es mit Wasser vermengt und unter Zugabe von Enzymen leicht erwärmt. Dadurch wird die Stärke aus dem Getreidekorn in Zucker umgewandelt. Die so erzeugte Zuckerlösung kann mithilfe von Hefekulturen zu Ethanol vergoren werden. Dieser wird anschließend aus dieser Fermentationsbrühe per Destillation abgetrennt. Zurück bleibt die sogenannte Schlempe. Das ist eine wässrige Stoffmischung, die unter anderem Nährstoffe, organische Komponenten, nicht fermentierte Zucker und eben auch Proteine enthält, die sowohl aus dem verarbeiteten Getreide als auch aus der Hefe stammen.

Proteinreiche Rückstände

Erstaunlich ist die Menge an anfallender Schlempe: Bei der deutschen Jahresproduktion von knapp 700.000 Tonnen Bioethanol entstehen rund sieben Millionen Tonnen davon. Zum Teil wird sie heute schon genutzt – für Biogasanlagen zur Biomethanerzeugung oder als Tierfutter. Ließen sich bestimmte wertvolle Proteine aus dieser Masse in einer konzentrierten Form abtrennen, könnten sie gezielt zur menschlichen Ernährung eingesetzt werden und dadurch zur verbesserten Versorgung der Bevölkerung mit veganen Proteinen und auch zu einer höheren Wertschöpfung der vorhandenen Bioethanol-Bioraffinerien beitragen.

In einem Vorgängerprojekt ist es den Forscherinnen und Forschern des IUE der TU Hamburg bereits gelungen, Proteine aus sogenannter Dünnschlempe zu isolieren. So heißt der relativ dünnflüssige Teil der insgesamt anfallenden Schlempe, der sich mithilfe von sogenannten Dekanterzentrifugen abtrennen lässt. Ein hoher Anteil der dort vorhandenen Proteine befindet sich aber in den dort enthaltenen Feststoffen. „Die Proteine aus diesen Rückständen abzutrennen und in einer angereicherten Form zu gewinnen, ist das primäre Ziel unseres Projekts“, betont Monica Cornejo.

Die Herausforderung: Die Feststoffrückstände der Schlempe enthalten eine Vielzahl weiterer, an dieser Stelle unerwünschter Komponenten – unter anderem Lignin, das die Struktur und Stabilität der Pflanzen gewährleistet. Es fungiert für die abzutrennenden Proteine als eine Art Käfig. „Um an diese Proteine heranzukommen, müssen wir diese Käfige erst mal aufschließen“, erläutert die Forscherin. „Das ist zwar mit Hilfe bestimmter Chemikalien möglich, aber wir setzen lieber auf schonendere, umweltfreundlichere Methoden.“

Proteine mittels Hydrolyse verflüssigen

Das eine von ihr untersuchte Verfahren heißt hydrothermische Hydrolyse. Dabei werden die Feststoffrückstände unter hohem Druck mit heißem Wasser behandelt – mit dem Ziel, die darin enthaltenen Proteine in die Flüssigphase zu überführen, um sie anschließend daraus gezielt isolieren zu können. Der andere Ansatz ist die enzymatische Hydrolyse: Hier kommen Enzyme, also Biokatalysatoren, zum Einsatz, mit denen die Proteine aus den Lignin-Käfigen herausgelöst werden. Im Laufe ihres Projekts möchte Monica Cornejo systematisch beleuchten, bei welchen Parametern beide Methoden am besten funktionieren und wie sie sich am günstigsten unter technischen, ökonomischen und ökologischen Kriterien kombinieren lassen.

In der ersten Projektphase hat sie bereits festgestellt, wie es um den Proteingehalt verschiedener Feststofffraktionen bestellt ist. Dazu nutzt sie aufwendige Analysemethoden wie die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC). Im Labor klappt Cornejo den Deckel des Geräts auf. Zu sehen ist die HPLC-Säule, nur wenig größer als ein Kugelschreiber. Eine Pumpe treibt eine Lösung aus hydrolysierten Schlempe-feststoffen durch diese Säule. Sie ist mit einem speziellen Material gefüllt, das als stationäre Phase bezeichnet wird. Verschiedene Moleküle in der durchströmenden Lösung interagieren unterschiedlich stark mit dieser stationären Phase. Je nach ihren chemischen Eigenschaften, etwa Polarität und Größe, werden die Moleküle daher verschieden stark zurückgehalten. Dadurch verlassen sie die Säule zu unterschiedlichen Zeiten.

Damit lassen sich die Aminosäuren der Lösung abtrennen und präzise bestimmen. Monica Cornejo deutet auf ein Diagramm auf dem Bildschirm. Es zeigt, welche Aminosäuren – die Bausteine der Proteine – besonders oft vorkommen. „Unter anderem haben wir festgestellt, dass Schlempefeststoffe aus Weizen einen deutlich höheren Proteingehalt besitzen als solche aus Mais, wie er insbesondere in den USA zur Ethanol-Erzeugung genutzt wird.“

Basis für Proteinriegel

Das Projekt BioProHuman endet im Herbst 2026. Laufen die Experimente erfolgreich, könnte danach das aus den Analysen zu entwickelnde Verfahren gemeinsam mit der Industrie in die Praxis überführt werden. Die Idee: „Eine derartige Proteinabtrennung soll nach Möglichkeit in die vorhandenen Bioethanol-Fabriken integriert werden“, hofft Prof. Martin Kaltschmitt, Leiter des IUE. Dadurch ließe sich auch eine weitergehende Wärmeintegration aus der Destillation für diesen Abtrennprozess nutzen; dies könnte helfen, Energie und Geld zu sparen. Dadurch würde die Ethanol-Fabrik zu einer Bioraffinerie weiterentwickelt werden, die nicht nur Kraftstoff herstellt, sondern auch Proteine für die Humanernährung. Die noch verbleibenden organischen Rückstände könnten dann in einer nachgeschalteten Biogasanlage zu Biomethan und einem Dünger weiterverarbeitet werden. Das bedeutet: Im Idealfall würde alles verwertet und nichts verschwendet werden.

Die gewonnenen Proteine jedenfalls ließen sich in einer Vielzahl von Lebensmitteln verwenden, etwa in Proteinshakes und -riegeln für Sporttreibende. Zudem könnten sie als Basis für Fleischersatzprodukte dienen: Vegane Würstchen, Schnitzel oder Käsesorten sind trendy, der Markt dafür wächst. „Gelingt unser Projekt, könnte es nicht nur die Proteinver­sorgung verbessern, sondern auch zeigen, dass sich Energie- und Nahrungsmittelproduktion nicht gegenseitig ausschließen, sondern Hand in Hand gehen können“, hofft Monica Cornejo. Dann könnte es künftig nicht mehr „Tank oder Teller“ heißen,  sondern „Tank und Teller“.

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Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE)

IUE Projekte

Mithilfe von speziellen Enzymen und einer an der TU Hamburg entwickelten biokatalytischen Methode könnten Arzneien künftig umweltfreundlicher und günstiger hergestellt werden.

Um den folgenden Prozess zu verstehen, müssen wir zunächst in unsere Körperzellen blicken: Jede von ihnen bezieht ihre Energie aus Adenosintriphosphat (ATP). Ein Stoff, der dem Körper als Energieträger dient und deshalb als energetischer Grundbaustein des Lebens bezeichnet wird. Pro Tag benötigt ein Mensch mehrere Kilogramm ATP. Dennoch enthält der menschliche Körper nur zwischen 50 und 200 Gramm des Stoffes. Wie ist das möglich?

Beim Verbrauch von ATP entsteht Adenosindiphosphat (ADP) und ein freies Phosphat. Dabei wird Energie frei, die der Körper nutzen kann. Anschließend wird das ADP wieder zu ATP regeneriert. Dazu wird neue Energie aus der Nahrung benötigt. Dieser Kreislauf findet innerhalb weniger Sekunden statt. Auf biochemischer Ebene stellt ATP also Energie zur Verfügung, mit deren Hilfe Reaktionen ablaufen können, die ohne diese Energiezufuhr nicht möglich wären. Diese Energie wird mit Hilfe von Biokatalysatoren (Enzymen) auf die Ausgangsstoffe der gewünschten chemischen Reaktion übertragen.

Für die Arzneimittelproduktion nutzen

Das alles ist nicht nur in der Natur möglich, sondern auch in der Fabrik. Viele Konsumgüter werden mithilfe chemischer Prozesse hergestellt. Je effizienter und nachhaltiger diese realisiert werden können, um so besser. Denn das spart Geld und Ressourcen. Enzyme stellen eine nachhaltige Alternative zu klassischen anorganischen Katalysatoren dar. Die Biokatalyse wird vor allem bei der industriellen Herstellung von komplexen organischen Molekülen eingesetzt. Beispielsweise in der Arzneimittelproduktion. Einige neu entwickelte Medikamente werden mit Hilfe von ATP produziert. Das ist einfacher und günstiger als die klassische chemische Synthese. Doch die Bereitstellung von ATP ist immer noch hochpreisig.

Daher entwickelte ein Team um Jan-Ole Kundoch, Doktorand am Institut für Technische Biokatalyse, unter Leitung von Prof. Andreas Liese in der Arbeitsgruppe von Dr. Daniel Ohde und in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Bioverfahrenstechnik der TU Dresden im Rahmen eines DFG-Projektes ein besseres Regenerationssystem. Die von ihnen neu entwickelte sogenannte enzymatische Kaskade ist robuster und preiswerter als die bisherige Vorgehensweise. Nun wird als Ausgangsstoff das äußerst günstige Ethylenglykol verwendet, das auch in Frostschutzmitteln eingesetzt wird.

Optimale Reaktionsbedingungen finden

Im Rahmen des knapp vier Jahre laufenden Projekts musste zuerst geklärt werden, ob die anvisierte Vorgehensweise biochemisch überhaupt möglich ist. Dann ging es darum, sie zu verbessern und näher an eine industrielle Skalierbarkeit heranzubringen. Dabei waren vor allem zwei Faktoren relevant. Die Methode muss zuverlässig funktionieren und die Kosten müssen geringer sein als für das bisherige Vorgehen.

Jetzt arbeiten insgesamt fünf Biokatalysatoren gleichzeitig zusammen. Alle haben ihre bevorzugten Umgebungsbedingungen wie Temperatur, pH-Wert, Salzkonzentration, Konzentration des jeweiligen Ausgangstoffes und Produktes. Die große Herausforderung bei Kundochs Projekt bestand daher darin, Reaktionsbedingungen zu finden, unter denen dieses System optimal läuft. „Wir haben bestimmt 1000 Versuche durchgeführt“, berichtet Jan-Ole Kundoch, „und dabei zunächst einmal alle Biokatalysatoren einzeln untersucht und anschließend das System Stück für Stück aufgebaut, indem immer ein weiterer Biokatalysator hinzugefügt wurde. Am Ende habe ich dann das gesamte System untersucht und optimiert.“

Kundoch resümiert: „Biokatalyse bietet in diesem Fall eine gute Alternative zur klassischen Chemie, die oft zurückgreifen muss auf giftige und umweltschädliche Lösungsmittel, die bei hohen Temperaturen zum Einsatz kommen.“  Neben dem niedrigeren Lohnniveau sind weniger strenge Umweltauflagen Gründe dafür, dass ein Großteil der Pharmaproduktion heute in Indien oder China stattfindet. Die neue ATP-Synthese würde somit das politische Ziel erleichtern, wieder mehr Medikamente in Europa herzustellen. Zugleich sänken die Produktionskosten, was das Gesundheitssystem entlastet und die Versorgung der armen Weltbevölkerung mit lebensnotwendigen Medikamenten ermöglicht.

„Im Übrigen kann man auf diesem Weg zukünftig Stoffe herstellen, die rein chemisch gar nicht synthetisiert werden können“, ergänzt Kundoch. Das heißt, es können ganz neue Heilmittel erfunden werden.

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Mehr Informationen finden Sie unter TUHH Open Research

Chemische Produktionsverfahren brauchen oft viel Energie und erfordern den Umgang mit umweltschädlichen Stoffen. Ein Team der TU Hamburg arbeitet an einer Alternative, die im Wesentlichen mit Wasser, Strom und Enzymen auskommt.

Das Ding erinnert an einen Kaffeebecher zum Mitnehmen. Doch der Deckel hat keine simple Trinköffnung, sondern ist mit Schrauben und Schläuchen gespickt. Und in den Glasbecher ragen Metallröhrchen hinein, die vage an Strohhalme denken lassen. „Das ist unser 200-Milliliter-Reaktor“, beschreibt Victoria Bueschler, Doktorandin am TU-Institut für Technische Biokatalyse. „Er kann Wasserstoffperoxid erzeugen und dann mit anderen Stoffen reagieren lassen, und zwar mithilfe von Enzymen.“ Die Idee: Das neue Verfahren soll eines Tages giftige und teure Chemikalien in der Industrie ersetzen und zudem Energie sparen.

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein wichtiger Basisstoff für die Chemie. Ebenso wie Wasser besteht es aus Wasserstoff und Sauerstoff – nur dass es nicht ein Sauerstoffatom besitzt, sondern zwei. Das macht das Molekül überaus reaktiv und zu einem effektiven Oxidationsmittel, etwa um Haare zu bleichen oder Kohlenwasserstoffe umzusetzen. „Ein Beispiel ist die Herstellung von Phenol aus Benzol“, erläutert Bueschler. „Heute braucht man dafür hohe Temperaturen, giftige Chemikalien und teure Edelmetall-Katalysatoren.“ Ließen sich diese Katalysatoren durch Enzyme ersetzen, könnte die Reaktion unter milderen Bedingungen ablaufen – sprich umweltschonender und energiesparender. Bioelektrochemie, so heißt der noch junge, vielversprechende Ansatz.

Eine Elektrode aus Kohlenstoff

Zwar gibt es bereits Enzyme, die Wasserstoffperoxid als Reaktionsbeschleuniger in andere Stoffe umsetzen. Nur: Ist dabei zu viel H₂O₂ im Spiel, greift es die Enzyme an und setzt sie schachmatt. Besser wäre es, wenn bei der Reaktion immer nur so viel Wasserstoffperoxid vorhanden ist, wie gerade gebraucht wird. Genau das strebt das TU-Team in seinem Projekt „AIO-eChemBIO“ an: Der Kaffeebecher-Reaktor stellt H₂O₂ her, das umgehend an Ort und Stelle umgesetzt wird – eine Kombiapparatur für Erzeugung und Synthese. Die Wasserstoffherstellung passiert in einem fingerdicken Stab, der in den Becher hineinragt. „Das ist eine Elektrode, sie besteht im Wesentlichen aus einer speziellen Form von Kohlenstoff“, erklärt Bueschlers Kollege Giovanni Sayoga und zeigt auf ein tiefschwarzes, ultraleichtes Material. „Dieser Kohlenstoff hat Poren wie ein Schwamm. Er besteht zu 90 Prozent aus Luft und wird hier an der TU gefertigt.“ Legt man diesen Kohlenstoffschwamm in Wasser und setzt ihn unter Strom, werden Wassermoleküle gespalten. Dabei bilden sich Sauerstoff und Wasserstoff, die sich unter geeigneten Bedingungen zu Wasserstoffperoxid zusammentun.

„Man braucht eigentlich nur Strom und Wasser und keine zusätzlichen Chemikalien“, sagt Sayoga. Über die angelegte Stromstärke lässt sich präzise einstellen, wieviel Wasserstoffperoxid erzeugt werden soll. Und kommt der Strom aus Windrädern und Solarzellen, kann die Produktion klimaneutral erfolgen.

Nachfolgeprojekt ist schon geplant

Dass der Trinkbecher-Reaktor im Prinzip funktioniert, konnte die Arbeitsgruppe bereits zeigen. Doch bevor das Verfahren in die Praxis umgesetzt werden kann, steht noch einiges an Forschungsarbeit an. Zum Beispiel: „Bislang müssen wir den Reaktor immer wieder neu befüllen, nachdem die Reaktionen abgelaufen sind“, erläutert Institutsleiter Prof. Andreas Liese. „In einem Nachfolgeprojekt wollen wir nun versuchen, den Prozess kontinuierlich zu gestalten.“ Dann könnte der bioelektrochemische Reaktor Tag und Nacht durchlaufen – eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Industrie. Eines Tages ließen sich solche Permanent-Reaktoren dann modular zu größeren Einheiten zusammenschließen.
 
Victoria Bueschler und Giovanni Sayoga jedenfalls haben ihre Doktorarbeit bald im Kasten. Während Bueschler als Gruppenleiterin im Institut bleibt, liebäugelt Sayoga mit der Gründung eines Start-ups. „Wir haben uns bereits mit einer Firma zusammengesetzt, die unser Projekt sehr interessant findet“, erzählt er. „Für so ein Unternehmen als Start-up unser neues Verfahren anzuwenden, wäre eine reizvolle Idee.“

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Eingebettet sind die Aktivitäten im Projekt „AIO-eChemBIO“ der Technischen Biokatalyse in das DFG-Schwerpunktprogramm 2240 „eBiotech“, bei dem Forschungsgruppen aus ganz Deutschland an den Grundlagen der Bioelektrochemie arbeiten.

Mehr Informationen finden Sie unter: www.e-biotech.de/de/projekte.html

Aus nachwachsenden Rohstoffen wie Holzresten und Stroh gewinnen Forschende der TU Hamburg klimaneutrale Energielieferanten. Die Hauptrolle spielt dabei das Molekül Lignin.

Die Bioökonomie ist der Schlüssel, wenn es um die Zukunft der Wirtschaft geht. Indem fossile Ressourcen durch verschiedene, nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden, sollen mit ihr globale Herausforderungen gelöst werden. Eine fossilfreie Alternative ist beispielsweise das Molekül Lignin. Dieses findet sich in fast allen Pflanzen und Gehölzen, wie Gräsern, Sträuchern und Bäumen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg, unterstützt durch das TU Center for Bio Based Solutions, forschen in dem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Konsortium „ELBE – NH“ daran, Lignin effizienter für die Bioökonomie zu nutzen.

Dünger für die Landwirtschaft

In einer Anlage auf dem Campus der TU Hamburg wird eine wässrige Mischung dazu genutzt, Holzreste oder Stroh unter hohem Druck und Temperatur in ihre Grundbestandteile zu zerlegen. Neben Lignin fallen dabei auch Seitenströme an, sogenannte Hydrolysate. Der Ingenieurgruppe aus Universitäten, Forschungszentren und Industrie ist es gelungen, aus Hydrolysaten Milchsäure und chemische Verbindungen aus Fruktose- und Glukose herzustellen. Die Motivation ist aus nachhaltigen und sparsamen Küchen bekannt: „Nose-To-Tail“, also von einer Vorlage alle Teile zu verwerten. Das Forschungsteam versucht bei der Lignin-Produktion etwas ganz Ähnliches.
Und es wurde erreicht, dass zuvor ungenutzte Nebenprodukte der Lignin-Herstellung zu einem gefragten Bestandteil der Kunststoff- und Lebensmittelindustrie aufgewertet wurden. „Die vollständige Verwertung der Einsatzstoffe und die hohe Wertschöpfung tragen enorm zu einer gesteigerten Wirtschaftlichkeit bei der Lignin-Produktion bei und machen diese zu einer konkurrenzfähigen, fossilfreien Alternative“, so der Konsens der Forscherinnen und Forscher der Bioraffineriegruppen aus den drei teilnehmenden TU-Instituten. „Aus den geringen Abfallströmen, die dann noch übrigbleiben, produzieren wir mit Hilfe von Biogasanlagen Energie oder Dünger für die Landwirtschaft“.

Ein Rohstoff mit viel Potential

Lignin kann aufgrund seiner chemischen Beschaffenheit vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise als biobasierter Kunststoff oder auch zur umweltfreundlichen Gewinnung von Medikamenten und Aromastoffen. Expertinnen und Experten sehen in dem Rohstoff deshalb eine Möglichkeit, die Gesundheits- und Energiewirtschaft, oder auch die Nahrungsmittelversorgung zu revolutionieren. Die Herausforderung dabei ist, die Produktion von Lignin wirtschaftlich und konkurrenzfähig gegenüber Erdöl und anderen fossilen Brennstoffen zu halten.

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Mehr Informationen finden Sie auf der Website des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik

Mithilfe der Biokatalyse kann Futterpflanzen Phosphor entzogen werden. So lassen sich nährstoffreiche Ausscheidungen von Nutztieren vermeiden, die Böden und Grundwasser belasten. Und die knappe Ressource kann weiterverwendet werden.

Phosphor ist ein wichtiger Baustoff des Lebens. Er ist nicht nur Bestandteil von Knochen, Zähnen und Zellen. Das chemische Element ist daran beteiligt, dass Menschen und Tiere Energie produzieren und speichern können. In Futtermitteln wie Getreidekleie ist viel Phosphor in Form von Phytinsäure enthalten, die aber von Tieren mit nur einem Magen, wie Geflügel und Schweinen, unverdaut wieder ausgeschieden wird. Ihnen fehlen bestimmte verdauende Enzyme dafür. Als Folge gelangt viel Phosphor als Gülle auf die Äcker und belastet Böden und Grundwasser. An der Technischen Universität Hamburg wird nun daran geforscht, wie man den Phosphoranteil im Tierfutter reduzieren kann, damit dieser umweltbelastende Prozess gar nicht erst in Gang gesetzt wird.

Phosphor wird rezykliert

„Wir benutzen für unsere Forschung Roggenkleie, die ohnehin ein Abfallprodukt aus der Mehlindustrie ist, aber ansonsten hervorragende Nährstoffeigenschaften besitzt, erklärt Niklas Widderich und schüttelt ein zylindrisches Glasgefäß, das mit hellem Kleiepulver befüllt ist. In einem kleinen Fermenter startet der Prozess, indem der Kleie Wasser zugesetzt wird und eine zweiphasige Suspension entsteht. „Jetzt beginnt der spannende Teil,“ so Widderich, der das Projekt am Institut für Technische Biokatalyse betreut. Er setzt Biokatalysatoren in Form von Enzymen ein. „Die Enzyme ‚verdauen‘ den organisch gebundenen Phosphor, der anorganische Teil, den wir aus mineralischen Quellen gewinnen, bleibt erhalten. Man kann auch sagen, der Phosphor ist vorverdaut, weil das so entstandene Kleieprodukt nun von Tieren mit einteiligem Magen aufgenommen werden kann“, erklärt der Doktorand. Somit wird dem Tier eine bedarfsgerechte Phosphor-Versorgung ermöglicht, wobei überschüssiger Phosphor rezykliert und anderen Wirtschaftszweigen wie der Chemie- und Lebensmittelindustrie zugeführt werden kann. Als nächstes kommt die Tierärztliche Hochschule Hannover als Projektpartner ins Spiel: „In einem extragroßen Fermenter haben wir mittlerweile genügend Futtermittel hergestellt, so dass die Hochschule nun in einem sechswöchigen Versuch mit Tieren die Verdaulichkeit des Futtermittels testen kann“, sagt Verfahrenstechniker Niklas Widderich. 

Nachhaltige Landwirtschaft

Im Gegensatz zu anderen Methoden, bei denen Phosphor erst am Ende aus bereits angefallener Gülle extrahiert wird (End-of-Pipe-Ansatz), setzt das TU-Projekt viel früher an und reguliert den Phosphoranteil im Futtermittel bereits zu Beginn der Wertschöpfungskette. Insbesondere bei regional konzentrierter Tierhaltung kann diese Art von Futtermittel zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft beitragen, weil die Böden nicht mehr mit Phosphor überversorgt werden. Überschüssiger Phosphor sickert ins Grundwasser und kann in Gewässern das Algenwachstum fördern. Der Gesetzgeber hat deshalb entsprechende Grenzwerte für die Düngung mit Phosphor und damit die flächenspezifischen Ausbringmengen bis heute bereits zunehmend reduziert.
Vor dem Hintergrund stetig steigender Bevölkerungszahlen – kürzlich wurde der achtmilliardste Mensch geboren – kann dieses TU-Projekt noch größere Bedeutung erlangen. Da weltweit Anbauflächen knapp sind, nimmt der Düngemitteleinsatz zu. Es muss mehr Phosphatgestein zur Düngemittelproduktion abgebaut werden als sich in geologischen Zeiträumen regenerieren kann. Folglich drohen die Phosphorquellen zu versiegen. Die Europäische Union hat Phosphatgestein bereits als nicht erneuerbare Ressource deklariert. Daher sind Projekte wie das von Niklas Widderich für ein Ressourcenmanagement im Rahmen einer zirkulären Bioökonomie besonders wichtig.

PhANG heißt das Projekt über phosphorangepasste Futtermittel, an dem neben der Technischen Universität Hamburg, die RWTH Aachen sowie die Tierärztliche Hochschule Hannover beteiligt sind.

Eine Beschichtung, die sich beim Trocknen elektrisch auflädt und Strom erzeugt. Grundlage bilden unzählige winzige Poren und elektrische Spannung. An der Verwirklichung dieses Konzepts forscht ein EU-Projekt unter Beteiligung der TU Hamburg.

Eine Kaimauer in einem Seehafen, ihre Oberfläche ist mit einem faszinierenden Material beschichtet: Bei Flut wird es feucht, und in seinem Inneren werden elektrische Ladungen voneinander getrennt. Läuft das Wasser dann mit der Ebbe ab, trocknet das Material, lädt sich dabei elektrisch auf und erzeugt grünen, CO₂-freien Strom. Noch ist das nur eine Vision, noch gibt es dieses Wundermaterial nicht. Doch seit kurzem tüftelt ein internationales Forschungsteam an den Grundlagen dafür: Im EU-Projekt EHAWEDRY soll in einigen Jahren ein erster Prototyp der neuen Energietechnik entstehen.

Als Grundlage dienen elektrisch leitfähige Materialien, die mit winzigen Poren gespickt sind. „Wir verwenden Kohlenstoff oder Silizium, in die wir mit elektrochemischen Ätzprozessen nanometerkleine Poren einbringen“, sagt Prof. Patrick Huber, Leiter des Instituts für Material- und Röntgenphysik der Technischen Universität Hamburg und der Arbeitsgruppe „Hochauflösende Röntgenanalytik von Materialien“ bei DESY in Hamburg. Unter dem Mikroskop ähnelt das Resultat einem Schwamm. Allerdings sind die Poren nicht millimetergroß, sondern rund eine Million Mal kleiner. Das Faszinierende dabei: Ein Kubikzentimeter eines solchen Materials enthält dermaßen viele Poren, dass sich – könnte man es komplett entfalten – eine fußballfeldgroße Fläche vor einem ausbreiten würde.

Es kommt zur Teilchenwanderung

Wird dieser Nanoschwamm, zum Beispiel durch die Flut im Hafen, mit Wasser befeuchtet, in dem Kochsalz (Natriumchlorid) gelöst ist, werden die Poren mit Milliarden von Molekülen geflutet. Legt man dann eine kleine positive Spannung an den Schwamm an, wandern die negativ geladenen Chlorionen an die Porenwände und lagern sich dort an. „Im Wasser zurück bleiben die positiven Natriumionen“, erläutert Huber. „Damit erfolgt eine Ladungstrennung ähnlich wie bei einem Kondensator, der aufgeladen wird.“ Lässt man das Gebilde anschließend trocknen, passiert der entscheidende Effekt: Die Ladungen in seinem Inneren müssen sich neu arrangieren und werden dabei gewissermaßen verdichtet. Dadurch steigt die elektrische Spannung im Material, was sich zur Stromgewinnung nutzen lässt. Bei jeder Flut beginnt der Zyklus von vorne: Das Nanomaterial wird erneut befeuchtet, um dann wieder zu trocknen und Energie zu erzeugen. Aufgrund der enormen Porenzahl und der daraus resultierenden riesigen inneren Oberfläche könnte das durchaus effektiv geschehen: Abschätzungen zufolge sollte ein Volumen von einem Kubikmeter Nanoschwamm mehr als zehn Kilowatt elektrische Leistung liefern.

In Fassaden integrieren

Mit dem porösen Werkstoff eine Kaimauer zu beschichten, um die Gezeiten zu nutzen, wäre aber nur eine Anwendungsidee. „Noch effizienter könnte es sein, Aggregate aus unserem Material zu bauen, durch die eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf strömt“, glaubt Huber. „Als Energiequelle für das Trocknen könnte dann die bislang ungenutzte Abwärme aus Industrieanlagen oder Rechenzentren dienen.“ Auch heiße Regionen würden sich eignen – die sengende Sonne könnte die in Fassaden integrierten, künstlich befeuchteten Nanoschwämme im Nu trocknen und für eine regelmäßige Stromernte sorgen.

In den kommenden Jahren will das Team um Patrick Huber die Forschungsfragen beantworten im Rahmen des Zentrums für Integrierte Multiskalige Materialsysteme (CIMMS), das derzeit in der Metropolregion Hamburg als Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Hamburg, der Universität Hamburg, des Helmholtz-Zentrums Hereon und DESY entsteht. „Gegen Ende von EHAWEDRY möchte unser Team einen ersten Prototyp präsentieren“, umreißt der Physiker das Projektziel. „Danach dann hoffen wir, dass industrielle Partner gemeinsam mit uns die Sache weiterverfolgen.“

Quelle: DESY/femto

Wissenschaftler*innen des Instituts für technische Mikrobiologie untersuchen das Abwasser von Brauereien und Kommunen nach Stoffen, um daraus Strom oder Wasserstoff herzustellen.

Das Projekt konzentriert sich bei seiner Arbeit darauf, Abwasser auf organische Stoffe zu untersuchen, die als Substrat für Mikroorganismen dienen. Für die Aufbereitung eignen sich vor allem Brauereiabwässer, solche aus der Zellulosefilterindustrie oder aus kommunalen Leitungen. Die Stoffe sollen sich anschließend in sogenannten mikrobiellen Brennstoffzellen (MFC) oder mikrobiellen Elektrolysezellen (MEC) vermehren.

Stromfluss in Gang setzen

Um diesen Prozess zu verstehen, hilft es, sich eine Batterie vorzustellen. Darin wird Strom durch den elektrochemischen Fluss von Elektronen von der Anode zur Kathode erzeugt. Analog dazu wurde im frühen 20. Jahrhundert erstmals beobachtet, dass einige Bakterienarten dazu in der Lage sind, Elektronen auf eine Anode zu übertragen, was später als „mikrobielle Brennstoffzelle“ bezeichnet wurde. Seither konnten bereits viele grundlegende Mechanismen des Elektronentransfers untersucht werden, jedoch ist ein tieferes Verständnis der Prozesse erforderlich, um diese Prozesse zu optimieren und zu kommerzialisieren.

Täglich fallen große Mengen von Abwasser aus der Industrie sowie aus Privathaushalten an. Vor einer Rückführung in die Umwelt ist die ordnungsgemäße Behandlung und Reinigung zwingend notwendig. Sie verbraucht jedoch viel Energie oder auch Chemikalien. Aus diesem Grund werden weltweit große Anstrengungen unternommen, neuartige Methoden für eine umweltfreundliche, ressourcenschonende Abwasseraufbereitung zu entwickeln. „Ein zukunftsweisender biologischer Prozess ist die mikrobielle Brennstoffzelle, da hier gleichzeitig organischer Kohlenstoff aus dem Abwasser entfernt und elektrischer Strom generiert werden kann“ sagt Projektbetreuer Ahmed Elreedy.

Das Konzept dieses Prozesses basiert auf der Fähigkeit einiger Mikroorganismen, Elektronen direkt oder indirekt auf externe unlösliche Elektronenakzeptoren wie Elektroden zu übertragen. Elektronen, Protonen und CO2 werden bei der biologischen Oxidation von organischen Stoffen in der Anode erzeugt. Dieser Prozess ist Grundlage für den Energieerhalt und das Wachstum von Mikroorganismen. Um einen Elektronenfluss (elektrischen Strom) zu erzeugen, wird der in der Kathode vorliegende Sauerstoff durch die überschüssigen Elektronen reduziert. Übrig bleibt Wasser. Bei der Behandlung eines Kubikmeters häuslichen Abwassers kann zum Beispiel Strom von bis zu 1000 Ampere erzeugt werden.

Abwasser wird sauber

Die Grundlagen des Elektronenübertrags auf eine Anode sind bislang nur in Teilen untersucht und bleiben Gegenstand aktueller Forschung. „Unsere Arbeit konzentriert sich neben der Untersuchung dieser Elektronentransferprozesse hauptsächlich auf die Evaluierung und die Optimierung der Prozesseffizienz beim Umgang mit realen Industrieabwässern“, erklärt Ahmed Elreedy. „Mit dieser Technologie sind wir nicht nur in der Lage, das Wasser ressourcenschonend zu reinigen, sondern dieses Abwasser gleichzeitig als Substrat für die nachhaltige Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzen“, so der Wissenschaftler.