Landwirtschaftliche Abfälle und Lebensmittelabfälle werden oft als Problem angesehen, doch immer mehr Projekte zeigen, dass sie bei richtiger Bewirtschaftung zu einer Lösung werden können. Quelle für Nahrungsmittel, Energie und DüngemittelEine der interessantesten Methoden, dies zu erreichen, ist der Einsatz von Pilzen, die in der Lage sind, organische Abfälle in hochwertige Produkte umzuwandeln. zirkuläre Bioökonomie.
In den letzten Jahren haben verschiedene europäische und amerikanische Forschungsteams und -projekte untersucht, wie man die Kraft von Pilzen nutzen kann, um um landwirtschaftlichen Nebenprodukten, Gülle und Abwasser einen Mehrwert zu verleihenVon der Herstellung essbarer Proteine bis hin PilzfermentationVon der Herstellung pelletierter Bio-Dünger bis zur Reinigung von Wasser aus thermochemischen Prozessen ist die Grundidee dieselbe: Kreisläufe zu schließen, Abfall zu reduzieren und neue Möglichkeiten für den Agrarsektor zu schaffen.
Einer der vielversprechendsten Forschungsansätze besteht darin, Pilze zur Umwandlung von landwirtschaftlichen Abfällen und Lebensmittelabfällen in … zu nutzen. Lebensmittel, die reich an Eiweiß und anderen Nährstoffen sinddurch einen Prozess, der als Pilzfermentation bekannt ist. Dieser Ansatz beruht auf einer offensichtlichen Tatsache: Viele Nebenprodukte der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie enthalten noch viele nutzbare Nährstoffe, werden aber derzeit entweder nicht ausreichend genutzt oder einfach entsorgt.
In diesem Zusammenhang sind Pilze, die Abfälle wie z. B. besiedeln können, von Bedeutung. Obstrestelandwirtschaftliche Nebenprodukte, Lebensmittelverarbeitungsabfälle oder sogar komplexere Gemische aus verschiedenen Agrar- und Lebensmittelketten. Der Pilz nutzt diese Materialien als Kohlenstoff- und Energiequelle, zersetzt sie und bildet dabei eine Pilzbiomasse, die reich an Proteinen, Ballaststoffen und anderen wertvollen Verbindungen ist.
Durch die Pilzfermentation kann ein Abfallstrom umgewandelt werden in neue nachhaltige LebensmittelrohstoffeDiese könnten sowohl für den menschlichen Verzehr (zum Beispiel in Form von Zutaten, die reich an Pilzprotein sind) als auch für hochwertiges Tierfutter verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Anforderungen an die Lebensmittelsicherheit, die Kontrolle von Verunreinigungen und die Standardisierung der Prozesse erfüllt werden.
Diese Strategie passt perfekt in das Konzept von zirkuläre BioökonomieDabei werden Abfälle eines Systems in Ressourcen für ein anderes umgewandelt. Forscher weisen jedoch darauf hin, dass weiterhin erhebliche Herausforderungen bestehen: Die Prozesse müssen technisch optimiert, die Sicherheit der Endprodukte gewährleistet, die Anlagen auf industrielles Niveau skaliert und vor allem die Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Alternativen wettbewerbsfähig gestaltet werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Variabilität der AusgangsresteSeine Zusammensetzung kann je nach Jahreszeit, Anbauart oder industriellem Herstellungsverfahren variieren. Diese Variabilität erfordert die Entwicklung flexibler Systeme, die Bedingungen wie Temperatur, pH-Wert, Belüftung oder Fermentationszeit anpassen können, damit die Pilze in ihrem optimalen Bereich arbeiten und eine gleichbleibende Qualität des Endprodukts gewährleistet ist.
Pilzfermentation: Pilze, die Abfall in Nahrung umwandeln
Einer der vielversprechendsten Forschungsansätze besteht darin, Pilze zur Umwandlung von landwirtschaftlichen Abfällen und Lebensmittelabfällen in … zu nutzen. Lebensmittel, die reich an Eiweiß und anderen Nährstoffen sinddurch einen Prozess, der als Pilzfermentation bekannt ist. Dieser Ansatz beruht auf einer offensichtlichen Tatsache: Viele Nebenprodukte der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie enthalten noch viele nutzbare Nährstoffe, werden aber derzeit entweder nicht ausreichend genutzt oder einfach entsorgt.
In diesem Zusammenhang sind Pilze, die Abfälle wie z. B. besiedeln können, von Bedeutung. Obstreste, landwirtschaftliche Nebenprodukte, Lebensmittelverarbeitungsabfälle oder sogar komplexere Gemische aus verschiedenen Agrar- und Lebensmittelketten. Der Pilz nutzt diese Materialien als Kohlenstoff- und Energiequelle, zersetzt sie und bildet dabei eine Pilzbiomasse, die reich an Proteinen, Ballaststoffen und anderen wertvollen Verbindungen ist.
Durch die Pilzfermentation kann ein Abfallstrom umgewandelt werden in neue nachhaltige LebensmittelrohstoffeDiese könnten sowohl für den menschlichen Verzehr (zum Beispiel in Form von Zutaten, die reich an Pilzprotein sind) als auch für hochwertiges Tierfutter verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Anforderungen an die Lebensmittelsicherheit, die Kontrolle von Verunreinigungen und die Standardisierung der Prozesse erfüllt werden.
Diese Strategie passt perfekt in das Konzept von zirkuläre BioökonomieDabei werden Abfälle eines Systems in Ressourcen für ein anderes umgewandelt. Forscher weisen jedoch darauf hin, dass weiterhin erhebliche Herausforderungen bestehen: Die Prozesse müssen technisch optimiert, die Sicherheit der Endprodukte gewährleistet, die Anlagen auf industrielles Niveau skaliert und vor allem die Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Alternativen wettbewerbsfähig gestaltet werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Variabilität der AusgangsresteSeine Zusammensetzung kann je nach Jahreszeit, Anbauart oder industriellem Herstellungsverfahren variieren. Diese Variabilität erfordert die Entwicklung flexibler Systeme, die Bedingungen wie Temperatur, pH-Wert, Belüftung oder Fermentationszeit anpassen können, damit die Pilze in ihrem optimalen Bereich arbeiten und eine gleichbleibende Qualität des Endprodukts gewährleistet ist.
Das Beispiel des Pilzsektors: Substrate nach der Kultivierung als Ressource
Bei der Kultivierung von Speisepilzen, wie zum Beispiel Champignons, entsteht nach jedem Produktionszyklus ein Material, das als … bekannt ist. Substrat für die Nachkultivierung von Pilzen (SPCH)Dies ist das Substrat, auf dem die Pilze wuchsen. Es besteht hauptsächlich aus organischen Resten landwirtschaftlicher und tierischer Herkunft (Mist, Stroh, pflanzliche Nebenprodukte), die nach mehreren Ernten einen Großteil ihrer ursprünglichen Nährstoffe verloren haben.
Diese SPCH stellt für die Hersteller ein enormes Abfallvolumen dar, dessen Behandlung und Entsorgung kostspielig und logistisch komplexDie übliche Option war Verwandle es in Kompost. Zur Verwendung als Düngemittel ist dieses Material geeignet, hat aber einen großen Nachteil: Es hat einen sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt von rund 70 %, was den Transport teuer und die Handhabung in großem Maßstab schwierig macht.
Bislang bestand die einfachste Methode, dieses Substrat zu trocknen, darin, es im Freien liegen zu lassen und darauf zu warten, dass die Sonne die Arbeit erledigte. langsam, schwer zu kontrollieren und wetterabhängigDies erschwert die Planung der Düngemittelproduktion aus SPCH und mindert deren wirtschaftliche Attraktivität für Unternehmen des Sektors.
Angesichts dieses Problems hat das europäische Smartmushroom-Projekt eine innovative Technik entwickelt, um Upcycling von landwirtschaftlichen Abfällen aus der Pilzzuchtund wandelt sie durch ein umweltfreundliches Verfahren, das in die Logik der zirkulären Bioökonomie integriert ist, in einen pelletierten Biodünger um.
Die Kernidee von Smartmushroom besteht darin, frischen SPCH in eine wertvolle Ressource umzuwandeln, indem dessen eigene Bestandteile zur Energiegewinnung genutzt und gleichzeitig ein Dünger mit hohem agronomischen Wert Das Produkt kann in jeder Region Europas verkauft werden. Auf diese Weise wird ein problematisches Abfallprodukt zu einer doppelten Nutzenquelle: Kostenreduzierung und eine neue Einnahmequelle.
Smartmushroom: Biogas, effiziente Trocknung und Biodüngerpellets
Die von Smartmushroom vorgeschlagene Technologie verwendet frische SPCH, die zunächst einem Prozess unterzogen werden Hydrolyse gefolgt von anaerober VergärungBei diesem Verdauungsprozess wird organische Substanz durch Mikroorganismen unter Sauerstoffausschluss abgebaut, wodurch methanreiches Biogas und ein nährstoffreiches Gärsubstrat entstehen.
Das erzeugte Biogas treibt eine Trocknungsanlage an, die speziell für die Behandlung eines Gemisches aus Gärresten und SPCH entwickelt wurde. Durch diesen Prozess wird der Feuchtigkeitsgehalt des Materials auf etwa ein Prozent reduziert. 28% Wassergehalt, eine wesentlich geeignetere Größe für den Transport und die anschließende Umwandlung in Pellets.
Die Trocknung wird beschleunigt, indem Feuchtigkeitskondensation mit Adsorption an SepiolithfilternEin Mineral mit hoher Wasserbindungskapazität. Diese Kombination ermöglicht eine schnellere und kontrolliertere Entfernung überschüssiger Feuchtigkeit als einfache Lufttrocknung und macht den Prozess zudem unabhängig von den Wetterbedingungen.
Nach dem Trocknen kann SPCH mit natürlichen Düngemitteln angereichert werden, die Folgendes gewährleisten Stickstoff, Phosphor und KaliumDie Zusammensetzung wird an die spezifischen Bedürfnisse verschiedener Kulturpflanzen angepasst. Nach dieser Anreicherung wird das Material pelletiert, d. h. zu kleinen, festen Zylindern verpresst, die sich leicht lagern, transportieren und mit herkömmlichen Landmaschinen auf dem Feld ausbringen lassen.
Um die Durchführbarkeit des Verfahrens zu testen, führte das Smartmushroom-Team Versuche in drei Hauptbereichen durch: Optimierung der anaeroben Vergärung, Anpassung des Trocknungssystems und agronomische Bewertung des pelletierten Bio-Düngers. verschiedene Nutzpflanzen und Feldbedingungen.
Biogasoptimierung und Pilotanlagenplanung
In der Laborphase wurde SPCH verwendet als Hauptrohstoff für die anaerobe VergärungEs wurden verschiedene Mischungen mit anderen Restsubstraten aus der Landwirtschaft getestet. Ziel war es, die Biogasproduktion zu maximieren und insbesondere den Methangehalt, die Komponente mit dem höchsten Energiepotenzial, zu erhöhen.
Nach zahlreichen Versuchen wurde festgestellt, dass die beste Kombination eine Mischung aus folgenden Bestandteilen war: sieben Teile SPCH, zwei Teile Abwasser aus der Marmeladenherstellung und ein Teil GlycerinDieses Verhältnis ermöglichte die Festlegung optimaler Zufuhrparameter für die Pilotanlage und gewährleistete ein angemessenes Gleichgewicht zwischen leicht abbaubarer organischer Substanz und Stabilität des biologischen Prozesses.
Parallel dazu wurden wichtige Variablen des Trockners angepasst, wie zum Beispiel die Betriebstemperatur, Materialverweilzeit und FörderbandgeschwindigkeitDiese Parameter wurden optimiert, um die im Biogas enthaltene Energie bestmöglich zu nutzen und gleichzeitig mögliche Schwankungen in der Zusammensetzung des Eingangsmaterials auszugleichen.
Das Ergebnis war die Entwicklung eines Trocknungssystems mit automatische AnpassungDas System kann sich an Veränderungen im Gärrest-SPCH-Gemisch anpassen, ohne an Effizienz einzubüßen. Diese Automatisierung reduziert den Bedarf an ständigen menschlichen Eingriffen und verbessert die Robustheit des Prozesses, was im Hinblick auf eine mögliche Industrialisierung unerlässlich ist.
Im Bereich der Infrastruktur errichtete Smartmushroom eine Pilot-SPCH-Trocknungsanlage bei Sustratos de La Rioja, einem autorisierten Abfallentsorgungsunternehmen für den Pilzanbau in der Region. Anaerobe Fermenter wurden in containerartigen Modulen installiert.Anstelle von Betongebäuden ermöglicht dies eine einfachere Anpassung der Behandlungskapazität an die unterschiedlichen Mengen an SPCH je nach Jahreszeit und Bedarf.
Die Anlage umfasst außerdem einen Trockner mit einem Brenner, der mit dem erzeugten Biogas betrieben wird und das SPCH auf den für die Produktionslinie zur Herstellung der Biodüngerpellets erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt bringt. Dadurch entsteht ein relativ kompaktes und integriertes System, in dem Aus demselben Abfallstrom werden Energie und Dünger gewonnen..
Agronomische Ergebnisse und Produktionskapazität des Bio-Düngers
Die erhaltenen SPCH-Pellets wurden getestet als Bio-Dünger für eine breite Palette von NutzpflanzenDie Versuche wurden sowohl in Gewächshäusern als auch auf Freilandflächen in Spanien und Serbien durchgeführt. Zu den getesteten Arten gehörten Salat, Blumenkohl, Paprika, Tomaten, Brokkoli, Weinreben und verschiedene Getreidearten, wodurch die Bewertung der Düngemittelleistung in gartenbaulichen, holzbewirtschafteten und extensiven Anbausystemen ermöglicht wurde.
Die Versuche zeigten so überzeugende Ergebnisse, dass viele der teilnehmenden Landwirte Sie bekundeten ihr Interesse an der weiteren Verwendung der Pellets. nach Abschluss der Tests. Diese hohe Akzeptanz in der Praxis ist ein wichtiger Indikator dafür, dass das Produkt nicht nur auf dem Papier, sondern auch unter realen Bedingungen der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung funktioniert.
Hinsichtlich der Kapazität ist die Smartmushroom-Pilotanlage in der Lage, etwa 36.000 Tonnen frisches SPCH umwandeln Jährlich fallen so etwa 8.500 Tonnen Bio-Düngerpellets an. Diese Volumenzunahme verdeutlicht den hohen Wassergehalt des Ausgangssubstrats und die Bedeutung der Trocknung zur Konzentration der Nährstoffe in kompakter Form.
Aus wirtschaftlicher Sicht bedeutet Innovation einen doppelten Nutzen für Pilzproduzenten. Zum einen ermöglicht sie ihnen Kosten für Abfallentsorgung einsparenDer Wert für den gesamten europäischen Sektor wird auf rund 29,2 Millionen Euro geschätzt. Darüber hinaus eröffnet das Unternehmen ein neues Geschäftsfeld durch den Verkauf des Biodüngers an andere landwirtschaftliche Betriebe.
Darüber hinaus hat das System positive Umweltauswirkungen. Da es sich um einen Prozess handelt, der organische Substanz in den Boden einarbeitet und CO₂ aus der Atmosphäre entfernt, wirkt der Biodünger als eine Form von Kohlenstoffbindung und ein Mittel gegen Bodendegradation, da es dem Boden bis zu 50 % organische Substanz zuführt und so dessen Struktur und Wasserspeicherfähigkeit verbessert.
Das Projekt hat bereits Industrialisierungssimulationen entwickelt und geht davon aus, dass die Die Pilotanlage ist bereit für die Erweiterung. Sofern Markt- und Logistikbedingungen dies zulassen. Darüber hinaus plant das Konsortium, technische Besichtigungen der Anlage zu organisieren, damit andere Akteure im Agrarsektor die Technologie aus erster Hand erleben können, vorausgesetzt, es bestehen keine Mobilitätseinschränkungen wie während der COVID-19-Pandemie.
Pilze zur Abwasserbehandlung und Düngemittelherstellung
Über den SPCH-Fall hinaus wird der Einsatz von Pilzen auch in einem anderen Bereich von enormem Interesse erforscht: der Behandlung von Abwasser aus hydrothermalen Verflüssigungsprozessen (HTL), eine Technologie, die feuchte Biomasse mithilfe hoher Temperaturen und Drücke in Bioöl umwandelt.
HTL wird auf Rohstoffe wie z. B. angewendet Schweinegülle, Lebensmittelabfälle oder andere organische NebenprodukteBei dem Verfahren entsteht ein Bioöl, das als Brennstoff verwendet werden kann, sowie eine wässrige Phase, die als HTL-AP (hydrothermale Verflüssigungsphase) bekannt ist und zahlreiche Nährstoffe, insbesondere Stickstoff in organischen Formen, sowie je nach Herkunft der Biomasse auch Schwermetalle und toxische Verbindungen enthalten kann.
Bislang wurde diese wässrige Phase weitgehend als eine problematischer Abfallweil sein Nährstoffgehalt nicht direkt in der Landwirtschaft genutzt werden konnte: Ein Großteil des Stickstoffs befindet sich in komplexen organischen Molekülen, die Pflanzen nicht aufnehmen können, und die daraus resultierende Schadstoffbelastung birgt Umweltrisiken.
Zwei Studien der Universität Illinois Urbana-Champaign haben das Potenzial eines Weißfäulepilzes analysiert. Trametes versicolorZiel ist es, dieses Abwasser in eine nützliche Lösung als Dünger umzuwandeln und gleichzeitig die darin enthaltenen potenziell toxischen Verbindungen zu reduzieren.
Die Rolle von Trametes versicolor bei der Verbesserung der HTL-AP
In der ersten Studie, die von der Forscherin Vitória Leme geleitet wurde, wurden spezifische Methoden entwickelt, um Trametes versicolor kultivieren und Lösungen mit 5 % HTL-AP zusetzen.Die Behandlung dauerte drei Tage, genug Zeit, um signifikante Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Abwassers zu beobachten.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Wirkung des Pilzes die Nitrat- und AmmoniakkonzentrationenAnders ausgedrückt: Es wandelte einen Teil des in der wässrigen Phase vorhandenen organischen Stickstoffs in mineralische Formen um, die Pflanzen direkt aufnehmen können. Auf diese Weise wird ein schwer zu entsorgendes Abfallprodukt zu einer potenziellen flüssigen Düngemittelquelle.
Darüber hinaus ist Trametes versicolor für seine Fähigkeit bekannt, oxidative Enzyme zu produzieren, die abbauen komplexe und oft toxische MoleküleBeispielsweise bestimmter persistenter organischer Schadstoffe. Im Kontext von HTL-AP eröffnet dies die Möglichkeit einer Reduzierung der Schadstoffbelastung und der damit verbundenen Metalle, wobei dieser Aspekt jedoch je nach Ausgangsabfall eine sehr sorgfältige Überwachung erfordert.
Nachdem Leme ihre Arbeit abgeschlossen hatte, wurde die Forschung mit Karla López, einer Studentin der Agrarsystemtechnologie und des Agrarmanagements, fortgesetzt, die sich auf die Kombination der Pilzbehandlung mit einer bakterielle NitrifikationIn dieser zweiten Studie wurden T. versicolor und nitrifizierende Bakterien am HTL-AP.
Diese Kombination erwies sich als besonders wirksam: eine Steigerung von bis zu 17-fach in Nitratkonzentrationen In der behandelten wässrigen Phase oxidieren nitrifizierende Bakterien das gebildete (oder bereits vorhandene) Ammoniak zu Nitrat, während der Pilz die anfängliche Freisetzung von organischem Stickstoff erleichtert und zum Abbau von Verbindungen beiträgt, die andere Mikroorganismen hemmen könnten.
Die Studie analysierte außerdem verschiedene Faktoren, die die Systemleistung beeinflussten, wie zum Beispiel pH-Wert der LösungDie besten Ergebnisse sowohl für Nitrat als auch für Ammoniak wurden erzielt, wenn die Mikroorganismen in einem pH-Bereich zwischen 6 und 7,5 arbeiteten, einem in vielen biologischen Prozessen recht häufigen Bereich, der sich durch einfache Anpassungen relativ leicht aufrechterhalten lässt.
Ein weiteres relevantes Ergebnis war die Herstellung eines Enzym, das in der Lage ist, Giftstoffe abzubauenDies untermauert die reinigende Wirkung des Pilzes auf bestimmte in Bioabfällen enthaltene Verbindungen. Daraus lässt sich schließen, dass eine Pilzbehandlung nicht nur den Düngewert von HTL-AP verbessern, sondern es auch sicherer für die landwirtschaftliche Anwendung machen könnte.
Von aufbereitetem Wasser zur Bewässerung von Nutzpflanzen: Kreislaufwirtschaft in der Praxis
Auf Grundlage dieser Ergebnisse arbeitet das Team von Professor Paul Davidson derzeit an der Anwendung der aufbereitetes Abwasser für den Pflanzenanbau in HydrokultursystemenDie Idee besteht darin zu testen, inwieweit die entstehende Flüssigkeit als Nährlösung dienen kann und damit der Kreislauf zwischen organischen Abfällen, Pilz-Bakterien-Behandlung und Pflanzenproduktion vollständig geschlossen wird.
Im Idealfall würde die gesamte Behandlung so nah wie möglich am Patienten stattfinden. Ort, an dem hydrothermale Verflüssigung stattfindetWenn beispielsweise Schweinegülle als feuchter Rohstoff verwendet wird, wäre es sinnvoll, die HTL-Anlage und das biologische Behandlungssystem neben einem Bauernhof mit Tausenden von Schweinen zu errichten, wo der Güllefluss konstant und reichlich ist.
Auf diese Weise könnten Tierabfälle gesammelt, mittels HTL zu Bioöl und HTL-AP verarbeitet und anschließend diese wässrige Phase einer weiteren Behandlung unterzogen werden. Behandlung mit Trametes versicolor und nitrifizierenden Bakterien in einer eigens dafür vorgesehenen Anlage. Das aufbereitete Wasser, das reich an Nitrat ist und eine geringere Belastung mit problematischen Verbindungen aufweist, könnte als Dünger für nahegelegene Nutzpflanzen verwendet werden.
Dieser Ansatz verringert den Bedarf, schwere, nasse Biomasse über lange Strecken zu transportieren, erheblich, was Folgendes impliziert: Einsparungen bei Logistikkosten und TransportemissionenDarüber hinaus verknüpft es die Bewirtschaftung von Tierabfällen direkt mit der Düngung von Nutzpflanzen und schafft so territoriale Kreislaufwirtschaftssysteme, in denen Nährstoffe lokal recycelt werden.
In der Praxis könnte ein System, wenn ein Schweinebetrieb von landwirtschaftlichen Flächen umgeben ist, einen auf die Bedürfnisse der lokalen Nutzpflanzen abgestimmten Flüssigdünger erzeugen und so den Verbrauch synthetischer, aus fossilen Brennstoffen gewonnener Düngemittel reduzieren. All dies würde zu einer nachhaltigeren, weniger abhängigen und ressourcenschonenderen Landwirtschaft beitragen. geringerer ökologischer Fußabdruck.
Parallel dazu bestärkt die Entwicklung dieser Technologien die Vorstellung, dass Pilze, sei es in Form von Fermentation auf festen Abfällen oder als Behandlungsmittel in komplexen Abwässern, zu Schlüsselkomponenten neuer Wertschöpfungsketten werden können. landwirtschaftliche KreislaufbioökonomieSowohl die Arbeit mit SPCH als auch die Studien zu HTL-AP weisen in die gleiche Richtung: Abfallprobleme in produktive Lösungen umzuwandeln.
All diese Forschungen und Projekte zeigen, dass Pilze ein enormes Potenzial besitzen für Wertschöpfung aus landwirtschaftlichen, tierischen und Lebensmittelabfällen Durch relativ effiziente Prozesse, die Energieerzeugung, Düngemittelherstellung und die Produktion nährstoffreicher Biomasse kombinieren. Obwohl weiterhin technische, regulatorische und wirtschaftliche Herausforderungen bestehen, ist die Richtung klar: ehemals entsorgte Materialien besser zu nutzen und zirkulärere Agrarsysteme zu schaffen, in denen der Abfall des einen zur Ressource des anderen wird.
