Wasser ist die Grundlage allen Lebens. Dennoch hat laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) immer noch jeder vierte Mensch keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser. In vielen Fällen sind Gewässer verschmutzt, auch in Europa. Im vergangenen Jahr befasste sich eine Masterarbeit im Fach Bionik an der Fakultät Technologie und Bionik mit der energieneutralen Abwasserbehandlung. Fast vier Monate lang war HSRW-Absolvent Álvaro Burgos Stammgast in den Laboren der Fakultät. Dort entwickelte und testete er drei verschiedene Materialformulierungen für biokompatible Polymerverbundstoffe, sogenannte Hydrogele. Diese sind für den Betrieb eines Öko-Fermentersystems zur Abwasserbehandlung von entscheidender Bedeutung. Betreut wurde er dabei von Dr. Christoph Heß, Professor für Nichtmetallische Werkstoffe, und Oliver Fromm, technischer Mitarbeiter.
Alvaro entwickelte die Idee eines modularen Öko-Fermentersystems für die dezentrale Abwasserbehandlung. Dies war nicht nur das Thema seiner Masterarbeit an der HSRW, sondern führte auch zur Gründung von EKOWAI TECH in Chile, um diese Technologie auf den Markt zu bringen.
Entwicklung des Materials
Der Kern des Öko-Fermentersystems basiert auf Bioträgern. Diese dienen als Trägermaterial für Bakterien, die für die Reinigung und Filterung von schmutzigem Wasser unerlässlich sind. Standard-Bioträger bestehen in der Regel aus Kunststoff, Alvaro bevorzugt jedoch die Verwendung von Hydrogelen. In seiner Forschung konzentrierte er sich daher auf die Entwicklung und Erprobung von drei verschiedenen Materialformulierungen aus biokompatiblen Polymerverbundstoffen, um diejenige mit der größten Oberfläche und Stabilität im Wasser zu ermitteln. Seine Theorie war, dass die Reinigungsleistung umso besser ist, je größer die Oberfläche des Materials ist.
„Wenn wir die Struktur verschiedener Materialien verstehen, können wir uns von der Natur inspirieren lassen und diese nachahmen“, beschreibt Alvaro seinen Ansatz.
Genauere Betrachtung der Materialzusammensetzung
Er modifizierte das Hydrogel mit verschiedenen, mikroskopisch kleinen Füllstoffen. „Durch die Veränderung des Füllstoffs verändert sich die innere Struktur des Materials, wodurch ein neues Verbundmaterial entsteht, das untersucht werden kann“, erklärt er. Aus diesen Materialien stellte er Probenlösungen her, die mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) der Fakultät analysiert wurden. Mit einem REM können Benutzer*innen unter anderem Oberflächen mit hoher Auflösung visualisieren.
Mithilfe des REM erreichte Alvaro die Ebene der Mikroporosität. Er konnte die Veränderung der inneren Struktur des Materials deutlich beobachten.
„Einige Formulierungen brachen zusammen, das heißt, sie versagten, während unsere erfolgreiche Formulierung eine komplexe, hochporöse Struktur beibehielt, die ideal für die Besiedlung durch Bakterien ist.“
Das Hydrogel, das sich als geeignet erwiesen hat, kommt nun bei einem praxisorientierteren Experiment zum Einsatz.
Von der Theorie zur Praxis
Die nächsten Schritte für Alvaro und EKOWAI bestehen daher darin, die tatsächliche Oberfläche der biokompatiblen Polymerverbundstoffe genau zu bestimmen und das Material mit Abwasser zu testen. „Meine Forschungsarbeit zur Bioträgertechnologie hat vielversprechende Ergebnisse gezeigt, aber wir befinden uns jetzt in der kritischen Phase der Forschungsvalidierung“, erklärt Alvaro. Derzeit laufen Validierungsstudien, darunter die Entwicklung von Überwachungssystemen zur Echtzeit-Leistungsmessung. Auch die physische Prototypentwicklung des Öko-Fermentersystems schreitet voran. Der Pilotreaktor ist fertiggestellt und befindet sich aktuell in der Startphase, in der die Bioträger mit Mikroorganismen besiedelt werden.
„Wenn unsere Validierung die erwartete Leistung bestätigt, streben wir an, bis Ende 2027 kommerziell einsatzbereite modulare Systeme mit einer Kapazität von 0 bis 20 m³/Tag für den Betrieb in Bereichen wie Craft Beer Brauereien und Lebensmittelverarbeitungsbetrieben zur Verfügung zu haben.“