Neue Methoden für besseres Recycling
Modellbasiertes Design von Prozessen für die Bioökonomie
Die Bioökonomie benötigt neue, nachhaltige Prozesse, die komplexe biogene Roh-, Rest- und Abfallstoffe zu marktfähigen Produkten umwandeln. Ihre Entwicklung ist aufwändig und langwierig, da sie, im Gegensatz zu konventionellen Prozessen, kontinuierlich an eine sich verändernde Rohstoffbasis angepasst werden müssen. Im Verbundprojekt MoDe_ProBio wird aus der Kombination von digitalen Zwillingen, modellbasierter Design-of-Experiment-Methodik (mDoE) und Ökobilanzierung eine neue Designmethodik für Bioprozesse entwickelt, mit der sich Entwicklungsdauer und -aufwand deutlich reduzieren und Ressourcen auch im laufenden Betrieb einsparen lassen.
Gemeinsam mit ihren Partnern – der Hochschule Offenburg, der Hochschule Biberach und der Hochschule Heilbronn – setzte sich die Hochschule Furtwangen als eines von landesweit sechs geförderten Projekten im Programm für Angewandte Nachhaltigkeitsforschung durch.
Grundlage ist eine wissensbasierte Prozessentwicklung. Dynamisch-mechanistische Modelle werden sukzessive zu digitalen Zwillingen weiterentwickelt und dort, wo rein mechanistische Ansätze an ihre Grenzen stoßen, durch KI-Modellkomponenten ergänzt (hybride Modelle). Diese Modelle werden in eine leistungsfähige mDoE-Methode eingebunden, mit der sich optimale Prozessbedingungen mit einer minimalen Anzahl an Experimenten identifizieren lassen. Durch die Kombination mit optimaler Versuchsplanung wird zusätzlich die Identifizierbarkeit der Modellparameter verbessert. Bereits in der Entwicklungsphase wird die Designmethodik mit einer nach DIN ISO 14040/14044 durchgeführten Ökobilanzierung kombiniert, sodass Nachhaltigkeitsziele von Beginn an in die Prozessgestaltung einfließen.
Ziel ist eine universell einsetzbare Strategie, die an unterschiedlichen Referenzprozessen in den beteiligten Arbeitsgruppen erprobt und anschließend in ein tragfähiges Geschäftsmodell für den Wissens- und Technologietransfer überführt wird.
Projektpartner
Das Projekt ist aufgeteilt in insgesamt 5 Arbeitspakete, die über den Projektverbund verteilt sind. Der Verbund besteht aus:
- Hochschule Furtwangen (HFU)
- Hochschule Offenburg (HSO)
- Hochschule Biberach (HBC)
- Hochschule Heilbronn (HHN)
Arbeitspakete
Digitale Zwillinge, mDoE und Ökobilanzierung (HFU, Koordination, Arbeitspaket 1)
Aus dynamisch-mechanistischen Prozessmodellen entstehen digitale Zwillinge, die über mDoE-Software mit optimaler Versuchsplanung gekoppelt und durch hybride KI-Modellkomponenten weiter verbessert werden. Als Referenzprozesse dienen die Kultivierung von Saccharomyces cerevisiae auf Bio-Substraten, die Optimierung industrieller Lactobacillales-Fermentationen sowie die Etablierung einer E. coli-Kultivierung zur Produktion plastikabbauender Enzyme. Ergänzend wird eine begleitende Ökobilanzierungsstrategie entwickelt.
Multifunktionaler anaerober Baffled-Reaktor (mABR) (HFU, Arbeitspaket 2)
Entwicklung eines neuartigen, vollständig anaeroben Mehrkammer-Bioreaktors zur dezentralen Abwasserbehandlung, gekoppelt mit einem System zur Verrottungswärmerückgewinnung. Neben gereinigtem Abwasser entstehen Biogas als Energieträger sowie nährstoffreiche Flüssigdünger. Begleitend werden Mikrobiomanalysen (16S-rRNA, Metagenomik, Metatranskriptomik) durchgeführt, um Zusammenhänge zwischen mikrobieller Gemeinschaftsstruktur und Reaktorleistung aufzuklären.
Cellulaseproduktion aus 2G-Abfallströmen (HSO, Arbeitspaket 3)
Entwicklung von Kulturmedien, Stammcharakterisierung und optimierter Prozessführung für die Cellulaseproduktion mit Trichoderma-Stämmen aus cellulosehaltigen Abfallströmen der zweiten Generation, in enger Anbindung an die in Arbeitspaket 1 entwickelte Designmethodik.
Biowasserstoff- und Aminosäureproduktion (HBC Arbeitspaket 4)
Optimierung der Wasserstoffproduktion mit Rhodospirillum rubrum aus organischen Reststoffen der Lebensmittelindustrie, Entwicklung hybrider stöchiometrisch-dynamischer Modelle sowie Untersuchung von Scale-up-Effekten am Beispiel der L-Lysin-Produktion mit Corynebacterium glutamicum.
Geschäftsmodellentwicklung (HHN, Arbeitspaket 5)
Systematische Entwicklung eines nachhaltigkeitsorientierten Geschäftsmodells unter Nutzung des Business-Model-Canvas-Ansatz, das die entwickelte Designmethodik als Beratungsleistung mit finaler Übergabe des digitalen Zwillings an Kunden positioniert. Einschließlich Identifikation von Anwendungsbereichen und prototypischer Umsetzung.
Förderung
Gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft und Kunst Baden-Württemberg (MWK) im Rahmen des Programms für Angewandte Nachhaltigkeitsforschung an baden-württembergischen Hochschulen für Angewandte Wissenschaften (PAN HAW BW), finanziert über das EFRE-Programm Baden-Württemberg durch das Land Baden-Württemberg und die Europäische Union.
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