Die Komplexität von Agrar- und Lebensmittelreststoffen steht einer effizienten Verwertung entgegen. Zum einen ist deren Charakterisierung erschwert, zum anderen der Aufbau von Wertschöpfungsketten, um Reststoffe gezielt an Verwerter zu geben. Die Idee von UpWaste ist deshalb, komplexe Reststoffe wie Gärrest, Lebensmittelreste, aber auch Stroh in eine Biomasse mit einheitlicher biochemischer Zusammensetzung umzuwandeln. Ordnung in die Gemengelage können Algen und Insekten bringen. Die Idee der Verantwortlichen von UpWaste: Algen und Insekten „ernähren“ sich von den Reststoffen, wachsen und können anschließend als einheitliche Biomasse genutzt werden. Der Vorteil dieser Methode gegenüber einer herkömmlichen Kompostierung ist, dass sich die Umsetzung von organischen Stoffen kontrollierter und gezielter steuern lässt. Weder entweicht ein Großteil des gebundenen Kohlenstoffs als CO₂ in die Atmosphäre, noch sickern eventuell giftige Substanzen in den Boden. Es spricht aber noch mehr für dieses Projekt, in dem das Institut für Lebensmittel- und Umweltforschung (ILU) mit sechs Partnern aus vier europäischen Ländern (Belgien, Lettland, Deutschland und Polen) zusammenarbeitet.

Algen für die Biokonversion

Das Projekt UpWaste setzt hierbei auf die Mikroalge Galdieria sulphuraria und die Soldatenfliege Hermetia illucens. Die KU Leuven in Belgien kümmert sich vor allem um die Insekten, das ILU hat die Algen im Fokus. Während das Verdauungssystem von Hermetia illucens bereits ein natürlicher Bioreaktor ist, muss die Mikroalge Galdieria sulphuraria in einem extra gefertigten Bioreaktor kultiviert werden. Hierum kümmert sich Projektleiter apl. Prof. Dr. Daniel Pleissner. Angefangen mit Studien im Labormaßstab mit einem Ein-Liter-Behälter soll die Kultivierung demnächst auf den 1.000-Liter-Maßstab überführt werden. 

Als Nährstoffe für Galdieria sulphuraria werden Stroh, Gärrest aus der Biogasanlage und eine stärkehaltige wässrige Lösung aus der industriellen Kartoffelnutzung eingesetzt. Mit allen Substraten wird anfangs in getrennten Versuchen experimentiert. Weiterhin liegt der Fokus auf dem Einsatz von Substratgemischen. Um das Potenzial von Agrarreststoffen als Nährstoffquellen zu nutzen, muss eine Vorbehandlung durchgeführt werden. Stroh muss vorher zerkleinert und mittels Enzymen hydrolysiert, also chemisch aufgespalten werden. Die Alge gedeiht am besten bei einem pH-Wert von 2 und einer Umgebungstemperatur von 40 Grad Celsius. Das Wachstum unterscheidet sich aber je nach Substrat. Bisher zeigen die Untersuchungen: Besonders gut kommen die Algen mit Gärrest und Stroh zurecht. Hat Galdieria sulphuraria ordentlich Arbeit geleistet, steht als Endprodukt, eine biochemisch einheitliche Biomasse, welche zur Produktion von Lebensmitteln, Futtermitteln und Chemikalien genutzt werden kann.

Bis zu 90 Prozent Umsetzung

Diese Art der Aufbereitung birgt viele Vorteile: Das erzeugte Substrat ist einheitlich und gut industriell zu verarbeiten. So sollen neue Industriepotenziale geschaffen werden, indem die Technik in bestehende Agrar- und Lebensmittelketten beziehungsweise in die Behandlung von Agrar- und Lebensmittelabfällen und Nebenströmen integriert wird. Zudem lässt sich so der Austausch zwischen verschiedenen Wirtschaftszweigen wie Lebensmittel- und chemische Industrie fördern.

Ein weiterer Pluspunkt: Während bei der Kompostierung nur rund 50 Prozent des Kohlenstoffs zu Humus umgesetzt werden, der Rest aber als klimawirksames CO₂ in die Atmosphäre gelangt, erreichen manche Algenarten bis zu 90 Prozent Umsetzung. Das Ergebnis ist dann kein Humus, sondern hochwertige Biomasse. Die im ILU-Projekt eingesetzte Mikroalge Galdieria sulphuraria zeigt in den Versuchen eine ähnlich hohe Quote. 

Mit UpWaste stellen sich die Projektverantwortlichen somit den klimapolitischen Herausforderungen der Landwirtschaft und der nachhaltigen Entwicklung durch eine effiziente Nutzung von Ressourcen. Außerdem will UpWaste ganz konkret die regionale Wirtschaft stärken. Denn eine Kernidee ist, einen Bioreaktor zum Beispiel in Form eines Containers zu entwickeln, in dem Mikroalgen oder Insekten die Reststoffe des Ackers oder der Lebensmittelindustrie umwandeln. Dieser könnte auf einem landwirtschaftlichen Betriebshof stehen, also genau dort, wo Reststoffe anfallen. Haben die Algen oder Insekten alle Abfälle in verwertbare Biomasse umgesetzt, kann der mobile Bioreaktor zum nächsten Hof transportiert werden. Durch Einbindung von Interessengruppen wie Landwirten, Lebensmittelunternehmen und Abfallverarbeitern lassen sich durch die Verarbeitung von Agrar- und Lebensmittelabfällen am Entstehungsort Synergien schaffen und Transportwege einsparen.

Überzeugend ist ein weiterer Aspekt: So gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die neugeschaffene Biomasse kaum pathogene Mikroben beinhaltet, da das schnelle Wachstum der Algen wenig Platz für andere Organismen lässt beziehungsweise Mikroben das „Verdauen“ durch Insekten nicht überstehen. Ein Projekt-Schwerpunkt ist deshalb, biologische Kontaminationen zu erkennen und zu vermeiden, und so die Sicherheit der produzierten Biomasse zu gewährleisten.

All diese Ziele werden erreicht, indem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus sieben europäischen Instituten unter Berücksichtigung von Wissen und Expertise verschiedenster Fachgebiete zusammenarbeiten.

Wissenschaftliches Poster zum Projekt UpWaste