Bei der Aufbereitung von Trinkwasser oder Industrieabwasser werden Flockungsmittel eingesetzt. Mit ihrer Hilfe können feinste Verunreinigungen abgetrennt werden, da das Mittel diese Partikel zu großen Flocken bündelt, die dann zu Boden sinken oder abgefiltert werden können, sodass das Wasser wieder klar wird.

Bei der Aufbereitung von industriellen Abwässern, etwa in der Papierindustrie oder in Kläranlagen, kommen jedoch häufig anorganische Metallsalze wie Eisen- oder Aluminiumsulfate und -chloride zum Einsatz, die zusätzlich mit polymeren – also fossilen – Flockungsmitteln ergänzt werden. Aufgrund dieser zugesetzten Chemikalien kann der Schlamm jedoch nicht weiterverwendet werden, sondern muss aufwändig entsorgt werden.

Biologisch abbaubares Flockungsmittel auf basis von Chitosan

Forschende am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB haben nun gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP ein Flockungsmittel entwickelt, das vollständig biologisch abbaubar ist. Zum Einsatz kommt hier Chitosan, das aus dem zweithäufigsten natürlichen Polymer Chitin gewonnen wird. Das Polysaccharid, enthalten in den Schalen von Krustentieren, aber auch in Pilzen, ist wegen seiner strukturgebenden, biokompatiblen und antimikrobiellen Eigenschaften seit langem ein interessanter Rohstoff für die Bioökonomie.

Im Rahmen eines zweijährigen Forschungsprojektes hat das Fraunhofer-Team das aus Chitin gewonnene Biopolymer Chitosan für die Abwasseraufbereitung funktionalisiert. Dafür wurde das Enzym Laccase, das in Pflanzen, Pilzen und Bakterien enthalten ist, an die Matrix des Biopolymers gebunden. Denn Laccasen sind an der Vernetzung aromatischer Monomere zu Lignin und auch an dessen Abbau beteiligt. Sie besitzen die Eigenschaft, toxische Phenole zu oxidieren, also zu entfernen.

Gute Ergebnisse bei Abwässern aus Wein- und Olivenölherstellung

Um die Wirkung des mit Laccase funktionalisierten Chitosans mit realen Abwässern – konkret aus der Wein- und Ölivenölherstellung – überprüfen zu können, wurde am IGB eine entsprechende Methodik und Analytik etabliert. „Eine der Herausforderungen war, das polymere Chitosan in Lösung zu bringen, damit es überhaupt als Flockungsmittel dosiert werden und seine Wirkung zur Bindung von Polyphenolen, Tanninen und Gerbstoffen entfalten kann“, so Thomas Hahn vom Fraunhofer IGB. „Da für die Laccase ein leicht saures Milieu optimal ist, haben wir für die typischen Abwässer aus der Wein- oder Olivenölherstellung gleich sehr gute Ergebnisse erzielt.“

„Unsere Technologie weist für komplexe agroindustrielle Abwässer eine Flockungsleistung auf, die mit der von herkömmlich eingesetzten metallsalzhaltigen Koagulationsmitteln oder synthetischen polymeren Flockungsmitteln vergleichbar ist“, erläuterte Marc Beckett, Experte im Bereich Wassermanagement und Wasseraufbereitung am IGB. „LaChiPur, wie wir unser funktionalisiertes Produkt nennen, ist aber vollständig biobasiert und lässt sich somit biologisch abbauen.“

Kombination mit Enzym bringt mehrere Vorteile

Den Forschenden zufolge hat die Kombination mit Laccase bei diesen Abwässern gleich mehrere Vorteile: Das funktionalisierte Chitosan kann hier nicht nur als Flockungsmittel eingesetzt werden, sondern gleichzeitig auch Phenole oxidieren, polymerisieren und ebenfalls sedimentieren. Außerdem handelt es sich bei dem Ausgangsstoff Chitin um einen Reststoff, der lokal in der Lebensmittel- oder Biotechnologieindustrie in großen Mengen anfällt. Aber nicht nur das: Wird der nach der Flockung entstehende abbaubare Schlamm in Kläranlagen vergärt, könne dies auch die Biogasausbeute deutlich erhöhen, schreiben die Forschenden.

„LaChiPur eignet sich ebenso als Filtermaterial und weist Eigenschaften von Fällmitteln auf. Daher wollen wir unser Produkt auch für den Einsatz in der Phosphorfällung weiterentwickeln. Aufgrund seiner Eigenschaften ist es zudem für die Reinigung von Textilabwässern oder den Einsatz in der Trinkwasseraufbereitung interessant“, sind die IGB-Wissenschaftler überzeugt. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse wollen die Fraunhofer-Forschenden ihre Technologie in Zusammenarbeit mit Flockungsmittel-Herstellern weiter optimieren, aufskalieren und schließlich in die industrielle Anwendung bringen.

bb