Abschlussarbeiten

 

 

Fate of pesticides in organic residues

It is vital to find ways for more efficient use of natural resources at all the stages of agro-food production and consumption. Organic residues are predominantly utilized by composting, incineration or anaerobic digestion. Mentioned options are also responsible for the direct and indirect contribution to climate change via greenhouse gases emissions. Composting enables partial recycling of food nutrients, but its practical and economic relevance is arguable. In order to comply with the requirements of cycled economy and progression of bioeconomy it is necessary to find the paths for the utilization of organic residues in the most effective way, such as food production from organic residues.

The establishment of circular economy concepts is challenged by the simultaneous circulation of unwanted compounds, for instance pesticides. Recent studies addressed dissipation pathways of pesticides in the environment in relation to physico-chemical properties as well as to their toxicity. Additionally to sorption, volatilization and uptake, transformation is an important mechanism of dissipation. It includes non-biotic and biotic processes such as photolysis, hydrolysis, oxidation and reduction. Due to a large variety and variability of occurring processes it is a key challenge to identify significant transformation processes and transformation products (TPs) of pesticides in organic residues.

TPs are ubiquitous in the environment and have been detected more frequently and often in similar or even higher concentrations than their parent compound (PC). Thus, while the contamination potential of the PC declines, total contamination within the utilization process may increase due to the formation of TPs. TPs can include unknown or with unknown environmental properties stable products of incomplete degradation and transformation of PCs. The drawback of incomplete mineralization is that TPs are often more mobile in the water phase than their PC, can be more persistent and occasionally even more toxic.

The aim of this Bachelor and Master thesis is to develop a method to follow the transformation of pesticides in organic residues and to detect and identify possible transformation products.

Stoffliche Verwertung von Papiertüchern (Hygienepapier)

Wöchentlich landen an der Leuphana mehr als 5 m3 Papiertücher im Müll. Aufgrund gesetzlicher Vorschriften dürfen diese nicht mehr als Altpapier verwendet und müssen als Restmüll entsorgt werden. Papiertücher bestehen fast vollständig aus Cellulose, einem Polysaccharid, das sich aus vielen Glucose-Einheiten zusammensetzt.

Mit Hilfe einer einfachen chemischen und enzymatischen Hydrolyse kann Glucose aus der Cellulose freigesetzt werden. Die erhaltene Zuckerlösung kann anschließend im Rahmen einer alkoholischen Gärung zu Ethanol umgewandelt werden. Dieser findet in den chemischen Laboren der Leuphana als Waschalkohol Anwendung.

In der Bachelorarbeit geht es um die modellhafte Durchführung des Gesamtprozesses. Weiterhin soll analysiert werden, welches Potential derart gewonnenes Ethanol besitzt, und ob weitere Verwertungen denkbar sind. Das Verfahren soll hinsichtlich Ressourceneffizienz und Energieeinsatz kritisch evaluiert werden.

Untersuchung von Sollbruchstellen in Bioplastik

Bisher ist das mechanische und chemische Recycling von Biokunststoffen schwierig in der Umsetzung und kostenintensiv, was der Erhöhung des Marktanteils von Biokunststoffen entgegenwirkt. Um der Forderung von Umweltverbänden, den nachhaltigen Einsatz biobasierter Materialien zu steigern, nachzukommen, ist es notwendig Biokunststoffe der Wertschöpfungskette wieder zuzuführen. Polymilchsäure (PLA, ein Polyester der Milchsäure), gilt allgemein als bioabbaubar und ist unter geeigneten Bedingungen (hohe Temperatur, hohe mikrobielle Aktivität etc.) kompostierbar. Unter natürlichen Bedingungen (niedrige Temperatur, geringe mikrobielle Aktivität) findet jedoch so gut wie kein Abbau statt.

Eine Möglichkeit, sowohl einen recyclingfähigen als auch echten abbaubaren Biokunststoff zu entwickeln, könnte darin liegen, in das Polymer Sollbruchstellen einzufügen. Im Falle von PLA könnten Sollbruchstellen in Form von Disulfidbrücken oder Azobindungen eingefügt werden. Diese Bindung lassen sich technisch einfach elektrochemisch spalten, was zu einem werkstofflichen Recycling beiträgt. Fraglich dabei ist jedoch, wie die positiven Materialeigenschaften des PLA erhalten werden können und ob Sollbruchstellen dem Abbau in der Umwelt dienlich sind.

Aufgaben und Ziele werden individuell besprochen!

Integration eines Verfahrens zur Phosphorrückgewinnung in Verfahren zur stofflichen Nutzung organischer Reststoffe 

Das Projekt hat zum Ziel, die Rückgewinnung von Phosphor in Form von Phosphat in biotechnologische Prozesse basierend auf Siedlungsabfällen als Nährstoffquellen zu integrieren. Die Rückgewinnung von Phosphat erfolgt mittels behandelten Calciumcarbonats, gewonnen aus Schalen der Miesmuschel (M. edulis). Das Verfahren ermöglicht die stoffliche Verwertung und somit eine Nutzung des vollständigen Potentials phosphorhaltiger organischer Stoffströme. Das Ziel ist es vorhandene funktionelle Moleküle in höherwertige Verbindung mikrobiell umzuwandeln und simultan limitierte Elemente wie Phosphor zu gewinnen. 

In der näheren Zukunft wird es einem Wandel weg von der energetischen und hin zur stofflichen Nutzung geben, um die Ziele der Bioökonomie zu erreichen. Ein  integrierbares Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat hat daher Modellcharakter, da es in verschiedenste biotechnologische Prozesse integrierbar ist.

Folgende Arbeiten können durchgeführt werden:
1.      Behandlung von Muschelschalen: Muschelschalen werden physikalisch/thermisch behandelt, um
         die Porengröße zu erweitern und die Adsorption von Phosphat zu steigern.

2.      Untersuchung von Adsorption und Desorption von Phosphat an Calciumcarbonat. Dabei wird die
         physikalische/thermische Behandlung auf ihre Wirksamkeit hin überprüft.

3.      Integration eines Adsorptionsmoduls in Fermentationsprozesse und Untersuchung der
         Funktionsfähigkeit unter realen Bedingungen.

A simple process for the material utilization of organic residues

Each year 1.3 billion tons of food waste is generated globally. This waste traces back to industrial and agricultural producers, bakeries, restaurants, and households. Depending on the region the waste is either composted, burned directly, or converted into biogas. All of the options set aside the fact that food waste is a valuable resource. Firstly, it is clear that avoidance of food waste is imperative. However, the waste that accumulates nonetheless should be utilized by material means, before energy or compost production is targeted.

This project aims at developing a process for the continuous microbial fermentation of food waste to lactic acid. The latter serves as feedstock for polylactic acid, a biodegradable plastic. The remainder of the fermentation after removal of lactic acid comprises of for instance lipids and phosphorus compounds, all of which will be reused as well. Phosphorus is of particular importance, since it is a limited resource.

Food waste from the university canteen in Lüneburg will be applied as substrate for the lactic acid fermentation. Starting from a batch process, a continuous operating simultaneous and saccharification process will be developed. Once this process is established, it is envisaged to broaden the substrate scope to organic household wastes in general, which also contain lignocellulosic material. The proposed decentralized process contributes to 1) minimizing the transport ways of organic waste, 2) an appropriate treatment and 3) closure of CO2 cycle by production of biodegradable chemicals and materials.

Energetische oder materielle Nutzung von Biomasse?

Die zunehmende direkte Bereitstellung von Energie aus Biomasse durch Verbrennung oder indirekt durch die Produktion energiereicher Verbindungen (z.B. Methan, Ethanol) hat zu einer Teller-Tank-Diskussion geführt. Die Diskussion beinhaltet die Fragestellung, ob landwirtschaftliche Flächen für den Anbau von Biomasse für die Energiebereitstellung verwendet werden sollten.

Diese Teller-Tank-Diskussion besteht bereits seit mehr als 15 Jahren. Gegenwärtig wird diese Diskussion auf die materielle Nutzung von Biomasse ausgeweitet. Es besteht Einigkeit darüber, dass Lebensmittel, Materialien und Energie aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden müssen, um die 2015 verabschiedeten Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Es besteht aber ebenfalls Einigkeit darüber, dass es innerhalb der Nachhaltigkeitsziele und im Speziellen bei der Produktion von Lebensmitteln, Material und Energie zu Rohstoffkonkurrenzen kommt. Der deutsche Bioökonomierat hat die Empfehlung ausgesprochen, Biomasse zuerst für die Produktion von Lebensmitteln zu verwenden und im Anschluss materiell sowie energetisch zu nutzen. Auch wenn eine materielle Nutzung gegenüber der energetischen vorgezogen werden sollte, so besteht momentan eine Konkurrenz um Biomasse zwischen beiden Ansätzen. Auf der Grundlage welcher Fakten sollte man entscheiden, ob Biomasse energetisch oder materiell genutzt werden sollte?

Ansätze könnten folgende Kriterien bieten:

Wie viel Energie wird benötigt, um Biomasse zu produzieren?

Wie viel Energie wird benötigt, um Energie aus Biomasse zu gewinnen?

Was ist der Wert der Struktur, Stereochemie und Funktionalisierung der verschiedensten Verbindungen, die aus Biomasse gewonnen werden können?

Fragen 1 und 2 beinhalten den Aufwand der nötig ist, um Biomasse anzubauen (z.B. Wasser, Dünger, Land und Zeit), Transport und Verarbeitung sowie die Energie, die benötigt wird, um daraus Energie zu gewinnen. Die dritte Frage ist schwieriger zu beantworten, da der Wert der verschiedensten Verbindungen, die direkt und/ oder indirekt aus Biomasse gewonnen werden können, erfasst werden muss.

Eine solide Grundlage hinsichtlich der Entscheidung kann nur geschaffen werden, wenn alle eingesetzten Ressourcen (Input) und erzielter Output betrachtet werden.

Ressourcen in der Biomasseproduktion

Die zunehmende direkte Bereitstellung von Energie aus Biomasse durch Verbrennung oder indirekt durch die Produktion energiereicher Verbindungen (z.B. Methan, Ethanol) hat zu einer Teller-Tank-Diskussion geführt. Die Diskussion beinhaltet die Fragestellung, ob landwirtschaftliche Flächen für den Anbau von Biomasse für die Energiebereitstellung verwendet werden sollten.

Diese Teller-Tank-Diskussion besteht bereits seit mehr als 15 Jahren. Gegenwärtig wird diese Diskussion auf die materielle Nutzung von Biomasse ausgeweitet. Es besteht Einigkeit darüber, dass Lebensmittel, Materialien und Energie aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden müssen, um die 2015 verabschiedeten Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Es besteht aber ebenfalls Einigkeit darüber, dass es innerhalb der Nachhaltigkeitsziele und im Speziellen bei der Produktion von Lebensmitteln, Material und Energie zu Rohstoffkonkurrenzen kommt.

Biomasse ist definiert als lebende und tote organische Substanz. Hierzu gehören auch organische Abfälle. Wie viel Biomasse existiert eigentlich auf der Erde und wie viel davon kann man in Verwertungsprozessen einsetzen? Wie viel wächst in einem bestimmten Zeitraum auf einer bestimmten Fläche nach?

Im Rahmen einer Bachelor- und/ oder Masterarbeit soll für eine ausgewählte Fläche theoretisch bestimmt werden,  wie viel Biomasse produziert werden kann. Welche Faktoren (Nährstoffe, Wasser etc.) wirken dabei limitierend? Welche Ressourcen sind notwendig, um den bzw. die limitierenden Faktor(en) zu umgehen?

Um zu schlussfolgern, ob die energetische Verwertung von Biomasse überhaupt sinnvoll ist, soll letztendlich ermittelt werden, wie viel Energie für die Bereitstellung der Ressourcen und Produktion von Biomasse aufgebracht werden muss.

 

Kontakt:       

Leuphana Universität Lüneburg
Institut für Nachhaltige Chemie und Umweltchemie/ Ressourceneffizienz
Prof. Dr. Daniel Pleissner (daniel.pleissner@leuphana.de)