Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Interfacial Engineering en Biotechnologie IGB hebben een biobased en gefunctionaliseerd vlokmiddel ontwikkeld om complexe afvalwaters efficiënt te behandelen. Bovendien worden giftige fenolen uit het water verwijderd door het enzym laccase in een chitosanmatrix. Het gefunctionaliseerde en afbreekbare vlokmiddel LaChiPur zal voor het eerst worden gepresenteerd op de IFAT in München, gehouden van 13 tot en met 17 mei 2024.

Door middel van flocculatie worden de fijnste vaste onzuiverheden verwijderd tijdens de afvalwaterzuivering en waterbehandeling. Flocculanten zorgen ervoor dat zwevende deeltjes agglomereren tot grotere vlokken, die naar de bodem zinken of gefilterd kunnen worden; het water wordt weer helder.

Anorganische metaalzouten, zoals ijzer- of aluminiumsulfaten en -chloriden, worden vaak gebruikt om humusachtige stoffen te verwijderen bij de drinkwaterzuivering, om proceswater te behandelen tijdens de papierproductie of om fosfor neer te slaan in gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties. In sommige gevallen worden ook polymeervlokmiddelen, synthetische polymeren gemaakt uit fossiele grondstoffen, toegevoegd.

Het voor de hand liggende nadeel van conventionele methoden:vanwege de toegevoegde chemicaliën of polymeren kan het resulterende slib niet worden hergebruikt en moet het tegen hoge kosten worden afgevoerd.

Dit is de reden waarom onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Interfacial Engineering en Biotechnologie IGB zich tot natuurlijk en volledig biologisch afbreekbaar chitosan hebben gewend. Dit wordt verkregen uit hernieuwbaar chitine, dat als structureel bestanddeel zit in de schelpen van schaaldieren, de schelpen en huiden van insecten en in schimmels, waardoor chitine een van de meest voorkomende natuurlijke polymeren op aarde is, na plantaardige cellulose.

Nieuwe technologie met natuurlijke biobased grondstoffen

Er zijn al op chitosan gebaseerde chemicaliën voor waterbehandeling beschikbaar voor het zuiveren van zwembaden en vijvers. Fraunhofer-onderzoekers gaan echter nog een stap verder door chitosan bovendien te functionaliteiten met het enzym laccase. Het enzym wordt aangetroffen in verschillende planten, schimmels en bacteriën.

In de natuur zijn laccases betrokken bij zowel het verbinden van aromatische monomeren om lignine te vormen als bij de verwijdering ervan. Vanwege hun vermogen om fenolen en andere fenolische stoffen te oxideren, is er veel vraag naar verschillende industriële toepassingen, of het nu gaat om het verwijderen van giftige fenolen in vruchtensappen, het ontkleuren van textielafvalwater of het verwijderen van verontreinigende stoffen in water en bodem. P>

"Ons idee was dat laccase – gebonden aan chitosan als matrix – ook geschikt zou kunnen zijn voor complexe afvalwaters, zoals die gegenereerd tijdens de productie van wijn of olijfolie", zegt dr. Thomas Hahn, wiens onderzoek bij Fraunhofer IGB de zuivering omvat van chitine uit een grote verscheidenheid aan afvalstromen en de daaropvolgende omzetting ervan in chitosan.

Na de druivenoogst bereiken gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties snel hun grenzen wanneer drie tot vier keer de normale hoeveelheid afvalwater de overwegend kleine afvalwaterzuiveringsinstallaties in landelijke wijnbouwgebieden bereikt.

"De fenolen in het afvalwater hebben een giftig effect op de bacteriën in de beluchtingstank. Als gevolg hiervan moet de beluchting worden verhoogd, wat de energiebehoefte van de afvalwaterzuiveringsinstallatie aanzienlijk verhoogt", zegt Marc Beckett, een expert in waterbeheer. en waterbehandeling bij de IGB.

In olijfoliemolens wordt het afvalwater van de was- en oliewinning vaak opgeslagen in grote verzamelvijvers, waar het water na verloop van tijd verdampt en een slib achterlaat dat giftig is voor flora en fauna.

Het idee groeide uit tot een tweejarig Fraunhofer-onderzoeksproject. Het IGB-team werkte samen met het Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP in Potsdam, dat werkte aan de functionaliteit van chitosan met laccase.

Om het effect van chitosan gefunctionaliseerd met laccase te kunnen testen met behulp van echt afvalwater, hebben onderzoekers van de IGB eerst de bijbehorende methodologie en analyses opgesteld. "Een van de uitdagingen was het oplossen van het polymere chitosan, waardoor het als vlokmiddel kon worden gedoseerd en het effect van het binden van polyfenolen en tannines kon worden ontwikkeld", herinnert Hahn zich.

"Omdat een lichtzure omgeving ideaal is voor laccase, bereikten we meteen veelbelovende resultaten voor het typische afvalwater van de wijn- of olijfolieproductie", zegt de chemicus.

Fenolische stoffen worden ook verwijderd

“Onze technologie realiseert een uitvlokkingsprestatie voor complex agro-industrieel afvalwater die vergelijkbaar is met die van conventioneel gebruikte coagulanten die metaalzouten of synthetische polymeerflocculanten bevatten. LaChiPur, zoals wij ons gefunctionaliseerde product noemen, is echter volledig biobased en daarom biologisch afbreekbaar”, vat de technologie samen. Beckett, bioloog en milieuwetenschapper.

De combinatie met laccase bleek bij dit afvalwater een echt voordeel te zijn, omdat het gefunctionaliseerde chitosan als vlokmiddel kan worden gebruikt en tegelijkertijd fenolen oxideert en polymeriseert.

Lokale productie en diverse toepassingen

Verdere voordelen van de nieuwe milieuvriendelijke technologie:de grondstof chitine wordt lokaal in grote hoeveelheden geproduceerd als afval in de voedings- of biotechnologie-industrie. Dit garandeert een economische productie en leveringszekerheid – zonder de afhankelijkheid van onderling verweven internationale toeleveringsketens. Als het afbreekbare slib dat na het uitvlokken ontstaat, wordt vergist in rioolwaterzuiveringsinstallaties, kan dit de biogasopbrengst zelfs aanzienlijk verhogen.

"Dankzij onze interdisciplinaire expertise kunnen we nu het afvalwater en proceswater dat in industriële bedrijven wordt geproduceerd in ons laboratorium onderzoeken om te zien hoe het met LaChiPur behandelde water wordt gezuiverd", zeggen Hahn en Beckett.

Op basis van de eerste veelbelovende resultaten willen de onderzoekers hun technologie ook verder optimaliseren met kleine en middelgrote bedrijven die vlokmiddelen verkopen of produceren, deze op grotere schaal overbrengen en industrieel toepassen.

“LaChiPur is verder geschikt als filtermateriaal en heeft de eigenschappen van neerslagmiddelen. Ook willen we ons product verder ontwikkelen voor toepassing bij fosforprecipitatie. Vanwege de eigenschappen is het ook interessant voor de zuivering van textielafvalwater of voor gebruik in drinkgelegenheden. waterbehandeling”, zijn de IGB-wetenschappers ervan overtuigd.

Van 13 tot en met 17 mei 2024 presenteren zij LaChiPur op de gezamenlijke stand van de Fraunhofer Water Systems Alliance (SysWasser) in hal B2, stand 338 op de IFAT in München.

Geleverd door Fraunhofer Instituut voor Interfacetechniek en Biotechnologie IGB