BioBioCarrier

Problemstellung

Bei sogenannten Aufwuchskörpern (Englisch Bio-Carrier) handelt es sich um Extrusionskörper aus Kunststoff, welche, durch entsprechende geometrische Auslegung, eine möglichst große Oberfläche für mikrobiologische Prozesse bieten. Sie finden unter anderem in rezirkulierenden Aquakultursystemen (kurz: RAS) und Aquaponik, sowie der Abwasseraufbereitung in sogenannten biologischen Filtern Anwendung (kurz: Biofilter) und dienen als Siedlungsfläche für gewünschte nitrifizierende Bakterien. Nahezu alle derzeit eingesetzten modernen Aufwuchskörper bestehen aus petrochemischen Kunststoffen, meistens HDPE (Polyethylen hoher Dichte) und erfüllen neben der Bereitstellung einer großen Oberfläche zur Siedlungsfläche von nützlichen, sogenannten nitrifizierenden Bakterien keine zusätzlichen Funktionen.

Weiterhin ist bei herkömmlichen Aufwuchskörpern die Bildung von Mikroplastik, z.B. durch Abrieb, nicht auszuschließen. Dies ist besonders in Systemen, die aquatische Lebewesen, wie z.B. Fische, enthalten kritisch zu sehen. Es fehlen dementsprechend aktuell auf dem Wirtschaftsmarkt Aufwuchskörper aus alternativen Werkstoffen. Darüber hinaus ist die inerte Biomasse von Aufwuchskörpern schlichtweg eine Verschwendung von Platz und Ressourcen.

Zielsetzung

Ziel ist die Entwicklung eines biologisch abbaubaren Aufwuchskörpers. Neben der biologischen Abbaubarkeit soll auch eine funktionelle Erweiterung des herkömmlichen Produkts erfolgen. Die Entwicklung einer Rezeptur für ein Bio-Kunststoffcompounds, das sich in Aquaponik-Systemen zwar vollständig, aber nicht zu rasch abbaut, stellt die erste technologische Produktentwicklung dar. Hierüber wird die Wirtschaftlichkeit bzw. Langlebigkeit der Aufwuchskörper in Aufbereitungsverfahren sichergestellt.

Herkömmliche Aufwuchskörper stellen bislang lediglich Siedlungsoberfläche für den Biofilm bereit. Durch die neuen abbaubaren Aufwuchskörper soll dies geändert werden. Diese sollen speziell für den Einsatz in Aquaponik-Anlagen funktionalisiert werden. In diesen Systemen sind Pflanzen in Hydroponik vorhanden, die mit mineralischen Nährstoffen, wie Stickstoff, Phosphor und weiteren Mineral- und Spurenstoffen versorgt werden müssen. Diese Nährstoffe werden dem Wasser entzogen und müssen dem System deshalb immer wieder neu zugeführt werden. Die grundlegenden Nährstoffe werden durch die Fischkultur bzw. durch die Fütterung der Fische mit Kunstfuttermitteln, sogenannten Pellets, eingebracht. Alle weiteren Mineralnährstoffe müssen manuell hinzugegeben werden; meist geschieht dies in Form zusätzlicher Nährstoffpräparate. Durch den Einsatz von biologisch abbaubaren und funktionalisierten Aufwuchskörpern können diese Nährstoffe über den Aufwuchskörper selbst kontinuierlich eingebracht werden und machen ein Zusatzprodukt und zusätzliche Arbeitszeit zur Prüfung und Applikation überflüssig. Hierzu soll der für die Aufwuchskörper verwendete Bio-Kunststoff mit mineralischen Nährstoffpräparaten additiviert werden. Durch den Abbau der Aufwuchskörper während ihrer Verwendung werden diese Nährstoffe nach und nach kontinuierlich freigesetzt und stehen den im System enthaltenen Pflanzen zur Verfügung. Hierdurch ist eine Langzeitapplikation der funktionalisierten Aufwuchskörper sichergestellt, die manuellen Eingriffe und dadurch Arbeitsstunden zur Aufrechterhaltung des Betriebs entsprechender Anlagen auf ein Minimum reduzieren.

Durch biologisch abbaubare Aufwuchskörper wird zudem das Entsorgungsproblem gelöst, das die Anlagenbetreiber bei einer Umstellung bzw. Umstrukturierung der Anlagen vor Entsorgungsprobleme und monetäre Aufwendungen stellt, da die abbaubaren Aufwuchskörper vollständig kompostierbar sind.

Die zu entwickelnden Aufwuchskörper werden dabei hinsichtlich einer vollständigen Anwendung in einem Bewegtbettreaktor entwickelt sowie für eine partielle Nutzung in Verbindung mit konventionellen Aufwuchskörpern. Somit besteht für die Nutzer die Möglichkeit die Anwendung der neu entwickelten Aufwuchskörper je nach Anforderungen und Möglichkeiten des jeweiligen Anwendungsfalls einzusetzen. Der Unterschied bei den angepassten Entwicklungen stellt die Beladung mit Additiven und Nährstoffen dar. Die Entwicklungsaufgaben hinsichtlich der Werkstoffherstellung werden dabei in erster Hinsicht für eine hohe Additiv- und Nährstoffbeladung durchgeführt, da hierbei die größeren Herausforderungen zu erwarten sind. Außerdem sind die Systeme relevant für den partiellen Einsatz mit konventionellen Aufwuchskörpern und für den Einsatz als langzeitstabiles System mit einer Abbauzeit von mehr als 1 Jahr.

Technologie

Bild: Aufwuchskörper © Dr. Harvey Harbach
Bild: Bewegtbettfilter © Dr. Harvey Harbach

Kooperationspartner

Das Institut für Wasser- und Energiemanagement (iwe) und das Institut für angewandte Biopolymerforschung der Hochschule Hof arbeiten zusammen mit der Christian Stöhr GmbH & Co. Elektro- u. Kunststoffwaren KG im Rahmen eines Kooperationsprojektes.

Dieses Projekt wird vom Förderprogramm "Zentrale Innovation Mittelstand" (kurz: ZIM) des Bundeministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) als Kooperationsprojekt zwischen einem Unternehmen und einer Forschungseinrichtung gefördert.

 

Standorte

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