Eine Lösung zur Rückgewinnung wertvoller Ressourcen, die in den Abfluss gespült wurden

22. November 2022 | Elaina Hancock – UConn Communications

UConn-Forscher verwandeln ein Kläranlagenproblem in Biokraftstoff

Ein Problem in Kläranlagen – die Bildung von „braunem Fett“ – könnte dank der Arbeit von UConn-Forschern (Adobe Stock) eine Fülle von Biokraftstoffen hervorbringen.

Für die alltäglichen Produkte, die wir verwenden, ist uns ein Muster auf betäubende Weise vertraut geworden: Etwas wird hergestellt, wir verwenden es, wir werfen es weg. Doch für eine nachhaltige Zukunft – eine, in der wir nicht einfach Ressourcen abbauen und wegwerfen – müssen wir diesen linearen Prozess zirkulär gestalten, sagt der emeritierte Professor Richard Parnas vom UConn Department of Chemical and Biomolecular Engineering.

Parnas und sein Team erforschen Biodiesel und wie man ihn aus Abfallressourcen herstellen kann. Parnas war außerdem Mitbegründer von REA Resource Recovery Systems, das den Doktoranden Cong Liu Ph.D. der UConn Chemical Engineering unterstützte. '22 zur Entwicklung einer Technologie zur Verbesserung eines kritischen Prozesses zur Entfernung von Schwefel aus Biodiesel, der aus Abfallstoffen hergestellt wird. In diesem Fall stammen die Materialien aus Abwasser, und die Technologie wird in einem Projekt im John Oliver Memorial Sewer Plant in Danbury umgesetzt, das im Januar 2023 in Betrieb gehen soll und Fette, Öle und Fette in Biodiesel umwandeln wird, dessen Lebenszyklusemissionen höher sind um mehr als 74 % niedriger als bei Diesel auf Erdölbasis.

Das FOG-Problem

Parnas erklärt, dass Fette, Öle und Fette (FOG) auf die eine oder andere Weise in den Kläranlagen landen, teils per LKW angeliefert, teils über die Hauptrohre. FOG ist auch mit Seifen, Reinigungsmitteln und in diesem Fall natürlich mit Abwasser verunreinigt. In Kläranlagen wird das FOG vom Wasser getrennt und zu etwas namens „braunem Fett“ gereinigt.

Der Umgang mit FOG ist auch teuer, da es an einen anderen Standort gebracht werden muss, entweder auf eine Mülldeponie oder, wie in Connecticut, in eine Verbrennungsanlage. Wenn es nicht entfernt wird, kann es große Probleme für die Pflanze verursachen, da NEBEL die mikrobiellen Gemeinschaften erstickt, die zum Abbau des Abwassers erforderlich sind. Dies könnte zu wochen- oder monatelangen Stillständen führen und für diese wichtigen Sanitäranlagen katastrophale Folgen haben. Aufgrund der Beschaffenheit der Wasseraufbereitungsanlagen kann es schwierig sein, die Bauingenieure der Anlage davon zu überzeugen, neue Technologien einzuführen.

„Die Folgen eines Scheiterns sind enorm, und das führt zu einer konservativen Industrie, in der man wirklich nicht möchte, dass irgendjemand eingreift, wenn man etwas hat, das funktioniert, und wenn die Abwasseraufbereitungsanlage funktioniert, ist das allgemeine Gefühl so.“ Lass es in Ruhe“, sagt Parnas.

Parnas sagt jedoch, dass ihr Interesse geweckt war, als die Anlagenbetreiber erkannten, dass diese Technologie ein Mittel zur Beseitigung von FOG ist und dass es keine Beeinträchtigung des Anlagenbetriebs geben würde.

Die Technologie von Parnas nimmt den Nebel auf, reinigt ihn und verarbeitet ihn zu Biodiesel. Der entscheidende und schwierige Teil besteht darin, sicherzustellen, dass der produzierte Biodiesel sauber genug ist und so viel Schwefel wie möglich entfernt wird.

„Braunes Fett enthält zwischen 600 und 1000 Teile pro Million Schwefel in verschiedenen molekularen Formen“, sagt Parnas. „Der Standard in den Vereinigten Staaten für Biodiesel und andere Dieselkraftstoffe liegt bei 15 Teilen pro Million Schwefel oder weniger. In Europa und China liegt der Standard bei 10 Teilen pro Million. Wir müssen etwa 99 % des Schwefels herausbekommen.“

Die Anlage in Danbury wird dies in einem Verfahren tun, bei dem zunächst freie Fettsäuren mit Methanol verestert werden, um einen sogenannten Fettsäuremethylester herzustellen, bei dem es sich um das Biodieselmolekül handelt, erklärt Parnas. Anschließend verestern sie alle Triglyceride in der Mischung um und reinigen den Biodiesel dabei weiter auf einen Schwefelgehalt von etwa 200 Teilen pro Million – immer noch nicht rein genug, erklärt Parnas.

„Die Technologie, die in Danbury implementiert wird, ist ein sogenannter Vakuumdestillationsprozess, bei dem wir das Material auf etwa 400 Grad Fahrenheit erhitzen und Vakuumdruck anlegen“, sagt er. „Auf diese Weise können wir die Schwefelanteile entfernen und den gesamten guten Biodiesel behalten, aber das ist ein intensiver Prozess.“

„Ein totaler Schuss ins Ungewisse“

Die Intensität des Prozesses brachte Parnas und sein Team zu der Überlegung, dass es eine einfachere Lösung geben muss. Sie begannen mit vielen verschiedenen Arten von Filtern und Verbindungen zu experimentieren, mit wenig Erfolg, bis sie auf eines stießen, das sehr gut funktionierte – ein Material namens Beta-Cyclodextrin. Sie beschreiben die Arbeit detailliert in einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Separation and Purification Technology und haben einen Patentantrag für die Verwendung des Materials bei der Herstellung von Biodiesel eingereicht.

„Cyclodextrine gibt es schon seit einiger Zeit in der Pharma- und Lebensmittelindustrie, da Dextran ein Kohlenhydrat ist und grundsätzlich ungiftig“, sagt Parnas. „Es wird derzeit in einer enormen Anzahl von Dingen verwendet, zum Beispiel enthält Febreze, das Desodorierungsspray, Cyclodextrine, weil Cyclodextrine hervorragend dazu geeignet sind, geruchsverursachende Moleküle zu absorbieren. In der Arzneimittelindustrie sind Cyclodextrine gut geeignet, wasserunlösliche Moleküle zu stabilisieren, sodass sie in eine Pille gegeben werden können und durch eine wasserreiche Umgebung, wie unseren eigenen Körper, in den Blutkreislauf und dann in Zielbereiche gelangen können. Wir begannen uns zu fragen, ob Cyclodextrine die Moleküle absorbieren könnten, an denen wir interessiert waren. Es war ein Versuch ins Ungewisse, und wir hatten Glück, denn es funktionierte sehr gut.“

Nach der Untersuchung der Reaktionskinetik entwarf das Team einen Prototypprozess, der in zukünftigen Anlagen implementiert werden soll, als eine Art Version 2.0, sagt Parnas, und für sein nächstes Projekt geplant ist, entweder hier in Connecticut oder später im US-Bundesstaat Washington zusätzliche Entwicklungsarbeit.

In den Startlöchern und bereit zum Start

Die Danbury-Anlage ist relativ klein und bereitet etwa 10 Millionen Gallonen Wasser pro Tag auf, und die FOG-Rückgewinnungsanlage wird etwa 300.000 Gallonen Biodiesel pro Jahr herstellen. In der Hoffnung auf eine Expansion hätten sie laut Parnas eine Untersuchung aller Abfallbehandlungsanlagen in Connecticut durchgeführt und einen Plan ausgearbeitet, der drei Hauptknotenpunkte vorsieht, einen in Hartford, einen in New Haven und einen weiteren Standort in Connecticut, an dem sie entstehen sollen Es ist möglich, etwa 10 Millionen Gallonen Biodiesel pro Jahr herzustellen – direkt hier in Connecticut, mit etwas, das derzeit als Abfall gilt.

„Es scheint viel zu sein, aber es ist kein großer Prozentsatz des gesamten Treibstoffs, den wir verbrauchen“, sagt Parnas. „Wichtiger ist, dass wir ein sehr schlimmes Abfallentsorgungsproblem beseitigen, mit dem wir weltweit konfrontiert sind, und durch die Reinigungsbemühungen könnten wir etwa zwei bis drei Prozent des Dieselkraftstoffs herstellen, den wir in den Vereinigten Staaten verbrauchen.“ Wir können dazu beitragen, das Problem in eine Einnahmequelle umzuwandeln, um die Sanierungsbemühungen zu unterstützen und einen kleinen Einfluss auf die Landschaft der erneuerbaren Energien zu haben.“

Dies ist ein großartiges Beispiel für die Möglichkeiten einer Kreislaufwirtschaft, in der Dinge nicht weggespült oder „weggeworfen“ werden, sondern wir eine neue Verwendung für Abfälle finden. Parnas weist darauf hin, dass die Dinge in der Natur so funktionieren, wo Ressourcen leicht recycelt werden können. Glücklicherweise gibt es diese Technologie zur Zirkularisierung von FOG. Sie kann innerhalb weniger Jahre weit verbreitet eingesetzt werden, wenn Interesse und Unterstützung vorhanden sind, sagt Parnas.

„Die Technologie ist sofort einsatzbereit.“