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Lebenswichtiges Element

Nicht nur für Pflanzen, auch für den Menschen ist Phosphor essenziell. Ein erwachsener Mensch benötigt pro Tag rund 0,8 Gramm des Mineralstoffs, nimmt aber durch die Nahrung tatsächlich bis zu 3 Gramm täglich auf. Überschüssige Phosphatverbindungen werden über die Nieren wieder ausgeschieden. Auf diesem Weg gelangen jeden Tag große Mengen phosphorhaltige Abwässer in die Klärwerke. 

Nach der Aufbereitung werden die verbleibenden Klärschlämme entweder in speziellen Kraftwerken verbrannt oder als Dünger wieder auf die Felder gebracht. Da die Klärschlämme neben Nährstoffen aber auch umwelt- und gesundheitsgefährdende Schadstoffe wie Chemikalien, Schwermetalle und Pharmaka enthalten, können sich diese Schadstoffe im Boden anreichern und über die Pflanzen in die Nahrungskette gelangen.

Kontrollierte Kristallisation

Die Berliner Wasserbetriebe haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Phosphor aus Klärschlamm ziehen lässt. In einem speziellen Reaktor lösen Mikroorganismen unter Zugabe von Luft und Magnesium den Phosphor aus dem Schlamm heraus. Übrig bleibt ein Gemisch aus Magnesium, Ammonium und Phosphat, das sich als Trockendünger eignet und wieder auf die Felder gebracht werden kann.

Marktreife

Seit 2008 ist der Dünger als hochwertiger mineralischer Langzeitdünger nach EU-Düngemittelverordung (VO 2003/2003) zugelassen und wird unter dem Namen Berliner Pflanze® verkauft.

Vital element

Phosphorus is essential not only for plants, but also for humans. An adult human needs about 0.8 grams of the mineral per day, but consumes up to 3 grams per day through food. Excess phosphate compounds are excreted by the kidneys. In this way, large quantities of phosphorus-containing waste water reach the sewage treatment plants every day.

After treatment, the remaining sewage sludge is either incinerated in special power plants or returned to the fields as fertiliser. As the sewage sludge contains not only nutrients but also pollutants that are hazardous to the environment and health, such as chemicals, heavy metals and pharmaceuticals, these pollutants can accumulate in the soil and enter the food chain via the plants.

Controlled crystallization

Berliner Wasserbetriebe has developed a process with which phosphorus can be extracted from sewage sludge. In a special reactor, microorganisms dissolve the phosphorus out of the sludge by adding air and magnesium. What remains is a mixture of magnesium, ammonium and phosphate, which is suitable as a dry fertilizer and can be returned to the fields.

Ready for the market

Since 2008, the fertilizer has been approved as a high-quality mineral slow-release fertilizer in accordance with the EU Fertilizers Regulation (VO 2003/2003) and is sold under the name Berliner Pflanze®.

Für 51 Quellen von sogenanntem primären Mikroplastik haben die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts UMSICHT die Emissionen ermittelt. Körperpflegeprodukte wie Cremes und Duschbäder gelangten mit 19 Gramm pro Kopf und Jahr lediglich auf Platz 17 der Negativliste. Allein 100 Gramm Abrieb verursacht jeder Fußgänger durchschnittlich pro Jahr. Die Schuhsohlen liegen somit auf Platz sieben. An der Spitze der Mikroplastik-Verursacher steht der Abrieb von Autoreifen. Rund ein Drittel der Mikroplastik-Emissionen entfallen laut Studie darauf.

Drei Viertel der Emissionen im Mikrobereich

Insgesamt werden in Deutschland jährlich  446.000 Tonnen Kunststoffabfälle verursacht, nur ein gutes Viertel davon (26%) entfällt auf sogenannte Makroplastik wie etwa Plastiktüten, -flaschen und ähnliche Kunststoffprodukte. Der Anteil von Mikroplastik beträgt hingegen 74%.  "Dem, was jedem offensichtlich ist, steht also eine etwa dreifach größere Menge gegenüber, die zum Teil nur unter dem Mikroskop sichtbar wird", heißt es in der Studie.

The scientists of the Fraunhofer Institute UMSICHT have determined the emissions for 51 sources of so-called primary microplastics. Body care products such as creams and shower baths only reached 17th place on the negative list with 19 grams per capita and year. Every pedestrian, meanwhile, causes an average of 100 grams of abrasion per year. The soles of shoes are thus in seventh place. At the top of the list of microplastic causes is the abrasion of car tires. According to the study, around one third of microplastic emissions are caused by this.

Three quarters of emissions in the micro range

A total of 446,000 tons of plastic waste are generated annually in Germany, of which only a good quarter (26%) is accounted for by so-called macroplastics such as plastic bags, bottles and similar plastic products. The proportion of microplastics, on the other hand, is 74%. "Obvious sources of plastic therefore make up just a third of the quantity that is only visible under the microscope," says the study.

Ute Krämer will verstehen, wieso Pflanzen selbst auf kontaminierten Böden gedeihen können. Dafür hat die Bochumer Biochemikerin europaweit Exemplare der Hallerschen Schaumkresse untersucht. Das Kreuzblütengewächs hat das seltene Talent, auf schwermetallhaltigen Böden zu wachsen, die Giftstoffe in ihren Blättern zu speichern und damit Böden zu entgiften. Wie solche Anpassungen genetisch reguliert werden, will die Forscherin in den kommenden fünf Jahren herausfinden. Dafür erhielt sie vom Europäischen Forschungsrat einen mit 2,5 Mio. Euro dotierten "Advanced Grant". 

Steigender Bedarf trotz Digitalisierung

Auch im digitalen Zeitalter steigt der Papierbedarf weiterhin an. Laut dem Verband deutscher Papierhersteller hat die Verpackungsindustrie, unter anderem wegen des wachsenden Onlinehandels, mit etwa 50% den größten Bedarf – 40% entfallen auf Zeitschriften, Büropapiere, Zeitungen und Bücher. Die Papierherstellung auf der Grundlage von Holz ist jedoch aufwendig, kostenintensiv und energieverbrauchend zugleich. Die Suche nach umweltverträglichen Alternativen ist also dringend geboten. 

Nachhaltig und umweltfreundlich

Nach jahrelangem Tüfteln wurden die Entwickler der Firma Creapaper fündig (siehe auch Forscherprofil) und verwenden nun Gras für die Papierherstellung. Das vereint mehrere Vorteile. Gegenüber Holz, das für die Papierherstellung teuer importiert werden muss, ist Gras preiswert in der Region erhältlich, außerdem wächst die Grasfaser deutlich schneller nach. Bei der Papierherstellung aus Holz muss zudem das in der Zellwand der Holzfasern vorhandene Lignin mithilfe chemischer Substanzen entfernt und die Fasern durch starke Erhitzung aufgeschlossen werden. Gras hingegen enthält vergleichsweise sehr wenig Lignin, so dass keine aggressiven Chemikalien notwendig sind. Besteht konventionell hergestelltes Papier zu 100% aus Holz, setzt sich das Graspapier nur zu 60% aus Holz und zu 40% aus sonnengetrocknetem Gras zusammen (möglich sind bis zu 50% Grasanteil).

Marktreife

Papierprodukte aus Gras sind bereits in vielfältiger Form erhältlich. Kartons aus Graspapier werden beispielsweise bereits zur Verpackung von Obst und Gemüse genutzt, außerdem wird Wellpappe produziert und Papiere zur grafischen Nutzung.

Mehr als 9.000 öffentliche Kläranlagen sorgen in Deutschland dafür, dass Abwässer biologisch gereinigt und so die heimischen Gewässer möglichst wenig mit stickstoffhaltigen Verbindungen belastet werden. Doch in den Abwässern der Haushalte und der Industrie finden sich immer mehr sogenannte Xenobiotika, also chemisch synthetisierte Verbindungen, die in der Natur nicht vorkommen. Dazu zählen viele Agrarchemikalien, Medikamente oder Röntgenkontrastmittel sowie Industriechemikalien wie Bisphenol A.

Biokatalysatoren statt Aktivkohle und Ozon

Die meisten Kläranlagen arbeiten heutzutage mit drei Reinigungsstufen: zunächst werden grobe und dann immer feinteiligere Verunreinigungen wie Sand und Fett mechanisch entfernt. Dann folgt die biologische Klärung, in der Mikroorganismen die organischen Substanzen – insbesondere Stickstoffverbindungen – abbauen. Nachgeschaltet ist dann die dritte, chemische Reinigungsstufe, in der Stoffe wie Phosphat ausgefällt werden. Xenobiotika können in herkömmlichen Kläranlagen kaum oder gar nicht entfernt werden. Genau hier setzt das Projekt „Xenokat“ von Anett Werner, Leiterin der Arbeitsgruppe Enzymtechnik der Technischen Universität Dresden, an. „Wir reden zwar immer von Spurenstoffen, doch tatsächlich gelangen pro Jahr mehrere Tonnen des Schmerzmittels Diclofenac über das sogenannten Klarwasser in die Gewässer, drei Reinigungsstufen reichen nicht aus“, sagt Werner.

Laut Werner wird schon länger über eine vierte Reinigungsstufe für Kläranlagen diskutiert. „Es gibt zwar bereits Ansätze mittels Aktivkohle oder Ozonierung, doch diese haben eine schlechte Ökobilanz und schaffen auch nicht alles“, so Werner. Die Biotechnologin wollte deshalb das Problem mit einer Filtertechnologie ergänzen, die auf immobilisierten Enzymen basiert. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat sie dabei im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ unterstützt. Das Verbundprojekt „Xenokat“ wird seit Mai 2017 mit insgesamt rund 676.000 Euro gefördert.

Metallische Hohlkugeln als Träger

Als Trägermaterial für die reinigenden Enzyme setzt das Team um Werner auf erbsengroße Hohlkugeln aus Metall, die im Rahmen eines anderen BMBF-Forschungsprojektes entstanden sind. „Wir haben nach Applikationen für diese Hohlkugeln gesucht, und da kam unser zweites großes Standbein in der Arbeitsgruppe ins Spiel: die Enzyme aus Weißfäulepilzen“, sagt Werner. Im Rahmen einer neunmonatigen Sondierungsphase, für die das BMBF 60.000 Euro beisteuerte, holte sie Analytik-Experten von der Bundesanstalt für Gewässerkunde ins Boot. Außerdem konnte sie die Biotechnologie-Firma ASA Spezialenzyme GmbH als Industriepartner gewinnen. 

Die neue Hightech-Strategie 2025 (HTS 2025) ist da: Der strategische „Leitfaden“ für die Forschungs- und Innovationsförderung der Bundesregierung für die kommenden Jahre wurde am 5. September vom Bundeskabinett beschlossen. Das erklärte Ziel der Bundesregierung ist es, mit der Hightech-Strategie Wissen zur Wirkung zu bringen: Forschung und Innovationen sollen vorangetrieben werden, um Wohlstand, eine nachhaltige Entwicklung und Lebensqualität in Deutschland zu mehren. „Mit der neuen Hightech-Strategie 2025 wollen wir den Menschen Orientierung geben, neue Perspektiven aufzeigen und Mut und Lust auf Zukunft machen. Ich bin überzeugt, dass wir mit kluger Forschungsförderung und wirkungsvollen Innovationen die Herausforderungen bewältigen und unser Leben verbessern können“, sagte Bundesforschungsministerin Anja Karliczek.

Zwölf Missionen definiert

Mit der Hightech-Strategie werden ressortübergreifend Ziele, Schwerpunkte und Meilensteine der künftigen Forschungs- und Innovationspolitik in Deutschland definiert. Sie richtet sich an drei großen Handlungsfeldern aus: gesellschaftliche Herausforderungen, Deutschlands Zukunftskompetenzen und eine offene Innovations- und Wagniskultur. Die Forschungsförderung soll insbesondere an Aspekten ausgerichtet werden, die für die Gesellschaft besonders relevant sind. Hierzu werden zwölf Missionen definiert.

Ein Schwerpunkt liegt auf dem Themenkomplex „Nachhaltigkeit, Klima und Energie“. Hier wird die Bioökonomie als Beitrag zum Erreichen der UN-Nachhaltigkeitsziele und der Klimaschutzziele sowie als Innovationstreiber explizit hervorgehoben. Demnach soll durch die Förderung der Bioökonomie der angestoßene industrielle Strukturwandel hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaftsweise weiter ausgebaut werden. „Ziel ist es, die gesamte Bandbreite biobasierter Verfahrensweisen industriell zu nutzen. Dazu werden wir die erkenntnisgetriebene Grundlagenforschung und die anwendungsnahe Forschung stärken sowie mit der Entwicklung von Zukunftstechnologien eine belastbare technologische Basis für die Bioökonomie realisieren“, heißt es in der HTS 2025.

Maßnahmen mit Bezug zur Bioökonomie

Es werden folgende Maßnahmen mit konkretem Bezug zur Bioökonomie angekündigt:

• Mit der Weiterentwicklung der Nationalen Strategie Bioökonomie will die Bundesregierung biologisches Wissen und biotechnologische Verfahren in die Anwendung bringen, die anwendungsnahe Grundlagenforschung stärken und eine belastbare technologische Basis für die Bioökonomie schaffen (ab 2019).

• Eine Dialogplattform Industrielle Bioökonomie soll frühzeitig den Dialog zwischen der Industrie und den gesellschaftlichen Akteuren über die Anforderungen an eine veränderte Rohstoffbasis initiieren (2018–2021).
• Mit der ressortübergreifenden Agenda „Von der Biologie zur Innovation“ sollen biologisches Wissen sowie biotechnologische und bioinspirierte Verfahren noch stärker in alle Bereiche des alltäglichen Lebens und Wirtschaftens integriert werden. Dies verbessert die Lebensqualität und die Gesundheit der Bürgerinnen und Bürger, sichert Deutschland langfristig seine führende Position als Industrienation im globalen Wettbewerb und gibt der Umsetzung von Klima- und Entwicklungszielen einen spürbaren Schub (ab 2019). 

• Die Bundesregierung wird eine Nationale Forschungsagenda zur stofflichen Nutzung von CO₂ entwickeln. Es geht um ein besseres Systemverständnis von CO₂-Kreisläufen, neue Technologien und Anwendungsfelder für die Nutzung von CO₂ als Beitrag für die Bioökonomie (ab 2019).

Auch weitere Maßnahmen sind für Akteure in der Bioökonomie von Relevanz, wie etwa eine geplante Agentur zur Förderung von Sprunginnovationen, eine Zukunftscluster-Initiative oder aber zahlreiche Formate für die Förderung von Innovationen im Mittelstand oder für Gründer. Auch die steuerliche Förderung von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten von Unternehmen wird in der HTS 2025 thematisiert.

Positive Resonanz vom Bioökonomierat

Der Bioökonomierat als Beratungsgremium der Bundesregierung begrüßte den Stellenwert, der der Bioökonomie in der Hightech-Strategie 2025 eingeräumt wurde. „Es ist gut, dass die Bioökonomie in der Hightech-Strategie jetzt so breit verankert ist und das ist auch der angemessene Rahmen für die Weiterentwicklung der Nationalen Bioökonomiestrategie“, so Joachim von Braun, Ko-Vorsitzender des Bioökonomierates, in einem Statement. „Die neue Strategie erfordert Forschungs- und Innovationsinvestitionen, die das Engagement der vergangenen fünf Jahre übersteigt, denn Deutschland hat in der Bioökonomie eine international führende Position zu verteidigen.“ 

F&E-Ausgaben auf 3,5 Prozent des Bruttoinlandsproduktes steigern

Mit der ersten Auflage der Hightech-Strategie im Jahr 2006 hat die Bundesregierung erstmals die Schwerpunkte der Forschungs- und Innovationspolitik für die Zukunft festgeschrieben. In der Folgezeit wurde der Leitfaden den neuen Entwicklungen angepasst, zuletzt 2014. 15 Mrd. Euro hat die Bundesregierung allein 2018 für Investitionen im Rahmen der Hightech-Strategie ausgegeben. Die bisherige Forschungs-und Innovationsleitlinie trug dazu bei, dass Deutschland als eines der wenigen EU-Länder das 3-Prozent-Ziel der Strategie Europa 2020 vorzeitig nahezu erreichen konnte. Um Deutschland als Forschungs- und Innovationsstandort weiter voranzubringen, will die Bundesregierung bis 2025 die Ausgaben in Forschung und Entwicklung auf 3,5 Prozent des Bruttoinlandsproduktes steigern. 

bb/pg

Anfang September feierte das Pharmaunternehmen bitop am neuen Standort in Dortmund sein 25-jähriges Bestehen. Das ehemalige Spin-off der Universität Witten-Herdecke ist auf sogenannte Extremolyte spezialisiert. Das sind niedermolekulare Wirkstoffe, die aus extremophilen Mikroorganismen gewonnen werden, mit anderen Worten: aus speziellen Bakterien gewonnene Substanzen. Sie haben das Talent unter extremen Bedingungen wie in Salzseen zu überleben und starker UV-Strahlung, extremer Hitze oder Trockenheit zu trotzen. Diese Mikroorganismen kommen als Schutzsubstanzen für Haut und Schleimhäute in Produkten der Medizintechnik- und Kosmetikindustrie zum Einsatz. Beispiele sind die Behandlungen von Allergien, Haut- und Atemwegserkrankungen. 

„Mit dem Umzug von Witten zum Biotechnologie-Standort Dortmund werden wir auch nach außen hin als hoch spezialisiertes, global agierendes Biotech-Unternehmen sichtbar“, erläutert Claus Kjaersgaard, der seit Juni 2018 neuer bitop-Vorstandsvorsitzender ist. 

Extremolyte-Produktion wird nachhaltiger

Um die Marktpräsenz weiter auszubauen, will bitop im Dortmunder Werk bis Mitte kommenden Jahres für 5,5 Mio. Euro eine neue Produktionsanlage errichten. „Mit Hilfe spezieller Nanofiltrationstechniken werden wir hier unsere hoch wirksamen Extremolyte künftig effektiver, kostengünstiger und vor allem weitaus nachhaltiger gewinnen. Mit Hilfe des neuen Verfahrens kann man auf viele Stufen des bisherigen Produktionsprozesses verzichten. Dadurch sparen wir erhebliche Mengen an Chemikalien, Energie, Wasser und Aktivkohle und schonen so die Umwelt“, erklärt der wissenschaftliche Leiter, Andreas Bilstein.

Labore für Start-ups geplant

Von der Expansion am Dortmunder Standort verspricht sich das Unternehmen neue Anwendungsmöglichkeiten für Extremolyte insbesondere in der Kosmetikindustrie. Neben der neuen Produktionsanlage sind im Hightech-Gebäude auch Labore für Start-ups vorgesehen. Zudem soll die Zahl der Mitarbeiter von 50 auf 70 erweitert werden.

ml/bb

Anfang des Jahres hat sich in Sachsen ein Konsortium mit dem Namen „Feldschwarm“ gegründet, das sich der Zukunft der Landtechnik verschrieben hat. Das Innovationsbündnis wird im Rahmen der Innovationsinitiative "Unternehmen Region" durch das Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Ein Expertenteam um den Dresdner Agrarsystemtechniker Thomas Herlitzius will bis 2020 die technologische Basis für ein zum Großteil autark agierendes Feldbearbeitungssystem schaffen.

Kinderspielzeug, Gebrauchsgegenstände oder Lebensmittelverpackungen bestehen zunehmend aus biobasierten Kunststoffen. Grundstoffe aus Pflanzenresten oder Holzabfällen wie Stärke, Cellulose oder Lignin ersetzen dabei den Rohstoff Erdöl. Mit 0,6% ist deren Anteil an der Gesamtkunststoffproduktion derzeit noch gering. Experten rechnen allerdings damit, dass die Bioplastik-Produktion bis 2021 weltweit um 50% auf 6,1 Millionen Tonnen ansteigen wird. Das zum 1. Januar 2019 in Kraft tretende neue Verpackungsgesetz soll dafür sorgen, dass mehr biobasierte Verpackungen auf den Markt kommen. Das Potenzial von Bioplastik für eine nachhaltige Wirtschaft ist durchaus groß, aber auch umstritten, da solche Produkte bisher schwer zu recyceln sind.

Gezieltes Abfallmanagement nötig

Forscher am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen haben daher untersucht, ob Biokunststoffe überhaupt kreislauffähig sind und recycelt werden können. Antworten und Vorschläge dazu liefert das aktuelle Positionspapier zum Thema „Recycling von Biokunststoffen“. Die Forscher stellen darin klar: Produkte aus Bioplastik sind grundsätzlich kreislauffähig. Sie können wie konventionelle Kunststoffe auch identifiziert und sortiert werden. Allerdings sei dafür eine „zielgerichtete Anpassung des Abfallmanagements erforderlich“, schreiben die Forscher. Um den Anteil nachhaltiger Kunststoffe in der Wertschöpfungskette sinnvoll zu steigern, müssten technisch, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Lösungsansätze entwickelt und etabliert werden.

Bioplastik-Pfand und Recycling-Siegel empfohlen

Doch was müsste konkret getan werden, damit das nachhaltige Potenzial von Biokunststoffen nicht verpufft? Dafür liefern die Forscher im Positionspapier Handlungsempfehlungen: Produkte und Materialien sollten so gestaltet sein, dass alle Bestandteile eines Produktes rückstandsfrei voneinander getrennt werden können, um das Recycling zu erleichtern. Auch Pfandsysteme könnten die Recyclingrate erhöhen und die Entsorgung für den Verbraucher erleichtern. Im Weiteren plädieren die Forscher zu Sortierversuchen mit Biokunststoff-Produkten, um entsprechende Anlagen und softwaregesteuerte Erkennungssysteme so zu optimieren, dass in Zukunft auch größere Mengen an Biokunststoffen sortiert werden können. Ebenso wäre eine Kennzeichnung von Recyclingprodukten wünschenswert, um dem Verbraucher die Kaufentscheidung zu erleichtern.

Bei der Umsetzung eines zielgerichteten Abfallmanagements zum Recycling von Biokunststoffen sind also nicht nur Recyclingunternehmen aufgefordert, ihre Verfahren anzupassen oder neue zu entwickeln. Auch Materialentwickler und -designer, Hersteller von Kunststoffprodukten sowie von Logistik- und Transportsystemen, aber auch jeder Haushalt muss demnach Verantwortung übernehmen.

bb

Mit Blick auf eine wachsende Weltbevölkerung vor allem in Großstädten steht die Landwirtschaft schon heute vor der Herausforderung, jeden Hektar Ackerfläche so effektiv wie möglich zu nutzen, um den Bedarf an Lebensmitteln und Biomasse decken zu können. Die Kluft zwischen wachsender Bevölkerung und knappen Anbauflächen könnte die städtische Landwirtschaft schließen.

In Metropolen wie Berlin wird das sogenannte Urban Farming bereits erprobt. Im Projekt „Roof Water Farm“ beispielsweise kombinieren Wissenschaftler der TU Berlin Fischzucht mit Pflanzenanbau. Doch nicht nur bei Forschern sind Dachterrassen begehrte Anbauflächen. Auch Großstadtbewohner schätzen frisches Gemüse vom Dachgarten. Frische Lebensmittel, kurze Transportwege und weniger Treibhausgase werden häufig als Vorteile des städtischen Anbaus genannt.

Potenziale von Lebensmittel- und Algenproduktion vor Ort

Welche Potenziale die städtische Landwirtschaft für Kommunen und Unternehmen hat, haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Stuttgart genauer untersucht. Die Studie zum „Urban Farming", die im Rahmen der Morgenstadt-Initiative durchgeführt wurde, nahm dafür bestehende Initiativen und Modellvorhaben innerstädtischer Anbautechnologien für Lebensmittel genauso ins Visier wie die Kultivierung von Mikroalgen.

Breite Analyse bestehender Urban-Farming-Projekte  

Untersucht wurden dabei der jeweilige Technologieeinsatz, der sich beim Urban Farming hauptsächlich auf künstliche Beleuchtung, Sensorik und Automatisierungsprozesse konzentriert, aber auch ökologische Auswirkungen, wie etwa die Einbindung erneuerbarer Energien, Pestizideinsatz und Flächenverbrauch. Investitions- und Betriebskosten sowie Finanzierungsmodelle und soziale Aspekte wie die Schaffung neuer Arbeitsplätze standen ebenso im Fokus der Analyse wie die Herausforderungen, Zielsetzungen und Marktchancen der jeweiligen Urban-Farming-Initiativen.

Urban-Farming-Modelle lokal anpassen

Die Fraunhofer-Forscher sind deshalb überzeugt: Städtische Landwirtschaft und geschlossene Ressourcenkreisläufe sind keinesfalls kurzfristige Phänomene. Entsprechende Initiativen sollten daher jeweils lokal angepasst und nachhaltige Systemlösungen entwickelt werden. Städte und Unternehmen können sich anhand der Studie nun einen Überblick über aktuelle Entwicklungen und Trends im Bereich Urban Farming verschaffen. Aber auch Wissenschaftlern und Entscheidungsträgern, die ein solches städtisches Nahrungsmittel- und Ressourcensystem etablieren wollen, soll die Studie ein Ratgeber sein. 

bb

Löwenzahn kann weit mehr als nur eine Pusteblume sein. Aus Löwenzahnkautschuk werden bereits Autoreifen hergestellt. Ein Molekül aus der Löwenzahnwurzel, das Inulin, wird zudem vielen Lebensmitteln zugesetzt, beispielsweise als kalorienreduzierter Fettersatz. Allerdings ist es kein ebenbürtiger Ersatz, denn Joghurt mit Inulin hat eine andere Textur und hinterlässt somit ein anderes Gefühl auf der Zunge. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben deshalb die physikalischen Eigenschaften von verschiedenen Inulin-Präparationen untersucht.

Ein unverdaulicher Ballaststoff

Inulin ist ein langkettiges Molekül, das in vielen Lebensmitteln und Pflanzen wie Chicorée oder Löwenzahn enthalten ist. Es ist praktisch unverdaulich und somit ein guter Ballaststoff für den menschlichen Organismus. Deshalb wird Inulin unter anderem dazu verwendet, um in Wurstwaren den Ballaststoffanteil zu erhöhen. Doch ähnlich wie im Joghurt verändert Inulin auch hier die Textur.

Inulin kristallisiert in kühlen Lösungen

Polymerforscher um Thomas Vilgis haben nun herausgefunden, warum das so ist. Sie beschreiben im Fachjournal „Food Hydrocolloids“ Inulin als flexible Stäbchen, die in Wasser unter Rühren gelöst werden. Steht die Flüssigkeit oder kühlt sie ab, ordnen sich die Stäbchen nebeneinander an, sie kristallisieren. Dadurch verfestigt sich die Flüssigkeit und bekommt eine andere Textur. Wird die Flüssigkeit erwärmt, lösen sich die Stäbchen allerdings wieder auf. Dieser Effekt zeigte sich auch unter mechanischer Belastung wie starkem Rühren. Der Studie zufolge können die Fließeigenschaften genau eingestellt und Festes nach dem Schütteln flüssig werden.

Herstellung beeinflusst späteres Verhalten

Die Forscher kommen zu dem Ergebnis, dass Inulin-Gele, die bei Temperaturen um 25° C hergestellt werden, fester sind als solche, die bei höheren Temperaturen um 60° C entstehen. Der Grund: Je wärmer die Lösung, um so mehr Inulin-Teilchen werden gelöst. Das trifft auch auf  Inulin-Mixturen zu. Bei 60° C ist ein Großteil der Inulin-Moleküle gelöst, sodass sich die Anzahl der Inulin-Kristalle auf einige wenige aber dafür relativ große Moleküle reduziert. Diese sind weniger gut verbunden und haben daher eine geringere Festigkeit. Findet die Herstellung bei 25° C statt, bilden sich hingegen viele kleine Inulin-Kristalle. Anzahl und Größe der Kristalle bestimmen auch das Mundgefühl. Beim Essen wirken zudem die mechanischen Kräfte von Zunge, Gaumen und Zähnen, durch die einige der Inulin-Kristalle wieder gelöst werden. 

jmr

Dandelion is much more than a common flower - dandelion rubber is already used to make car tires. Moreover, a molecule from the dandelion root, inulin, is also added to many foods, for example as a low-calorie fat substitute. However, it is not an equivalent substitute, because yoghurt with inulin has a different texture and thus leaves a different feeling on the tongue. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have therefore investigated the physical properties of various inulin preparations.

An indigestible dietary fibre

Inulin is a long-chain molecule contained in many foods and plants such as chicory and dandelion. It is practically indigestible and therefore a good dietary fibre for the human organism. This is why inulin is used, for instance, to increase the fibre content in sausage products. But similar to yoghurt, inulin also changes their texture.

Inulin crystallizes in cool solutions

Polymer researchers led by Thomas Vilgis have now discovered the reason behind it: In the scientific journal "Food Hydrocolloids", they describe inulin as flexible rods that are dissolved in water while stirring. Once the liquid has settled or cooled, the rods arrange themselves next to each other and crystallize. This solidifies the liquid and gives it a different texture. If the liquid is heated, however, the rods dissolve again. This effect was also apparent under mechanical stress such as strong stirring. According to the study, the flow properties can be precisely adjusted and solids can become liquid after shaking.

Production influences later behaviour

The researchers come to the conclusion that inulin gels produced at temperatures around 25° C are firmer than those produced at higher temperatures around 60° C. The reason: the warmer the solution, the more inulin particles are dissolved. This also applies to inulin mixtures. At 60° C, the majority of the inulin molecules are dissolved, so that the number of inulin crystals is reduced to a few but relatively large molecules. These are less well bonded and therefore have a lower strength. If the production takes place at 25° C, however, many small inulin crystals are formed. The number and size of the crystals also determine the feeling in the mouth. When eating, the mechanical forces of the tongue, palate and teeth also act, releasing some of the inulin crystals.

jmr

„Europa wird von Afrika technologisch lernen müssen.“ Was in den Ohren vieler Europäer klingt, als hätte jemand Subjekt und Objekt verwechselt, ist Wolfram Schmidts feste Überzeugung – zumindest wenn es um die Herstellung von Beton geht. Denn der wichtigste Baustoff der Erde könnte viel nachhaltiger sein – und das ohne Qualitätseinbußen. In Afrika beginnen die Menschen das aus pragmatischen Gründen zu verstehen. In Europa verhindern Regularien und starre Ansichten, dass die Branche ihre Klimabilanz massiv verbessern kann.

Schmidt ist Materialforscher an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Es ist nicht Ideologie, die den 43-Jährigen antreibt, für einen nachhaltigeren Beton zu werben – es sind die Erkenntnisse aus jahrelanger Forschung. Eigentlich wollte Schmidt sich in ganz anderer Weise mit Beton befassen, als er es heute tut. „Ab der zehnten Klasse war für mich klar, dass ich Bauingenieur werden wollte. Das Profil des Bauleiters hatte mich sofort gereizt“, erinnert er sich. Als Kölner führte der logische Weg ihn daher nach der Schule an die RWTH Aachen.

Reiz der praxisnahen Forschung

„Ich war begeistert von Leuten, die auf der Baustelle alles koordinieren – aber die Universität öffnete einem auch den Blick für ganz andere Wege“, beschreibt Schmidt, wie sich sein Berufswunsch langsam wandelte. Kurz spielte er mit dem Gedanken, Statiker zu werden. „Aber hier wendet man letztendlich nur Naturgesetze an, hat aber wenig Möglichkeiten aktive Veränderungen zu bewirken.“

Ausschlaggebend für seine letztliche Entscheidung war wohl der parallele Job bei einer Firma, die sich intensiv mit Materialien befasste und an der Schnittstelle zur Serienfertigung keramischer Produkte tätig war. „Da habe ich meine Liebe zum Erarbeiten wissenschaftlicher Fakten und deren Weiterentwicklung zu praktischen Produkten entdeckt“, erzählt der Wissenschaftler. Nach seiner Diplomarbeit über die Optimierung von Betonrezepturen sei für ihn klar gewesen: „Ich bleibe in der Materialforschung.“

„Man kann allein durch die Temperatur und die Mischung so viel am Produkt verändern“, schwärmt Schmidt. „Das ist wie zu Hause in der Küche.“ Tatsächlich sei er auch zu Hause derjenige, der am Wochenende meist für seine Frau und seine beiden Kinder koche – „weil es Spaß macht!“

Leidenschaft für internationale Projekte

Eine passende Stellenausschreibung führte Schmidt direkt nach dem Studium zur BAM. „Damals dachte ich: Zwei Jahre, dann schaue ich nach einem forschungsnahen Job in der Industrie“, erinnert er sich. An der damals noch eher national orientierten Einrichtung trieb Schmidt von Anfang an internationale Projekte voran. „Das hat mir wirklich Spaß gemacht“ - wohl so viel Spaß, dass er parallel an der TU Eindhoven promovierte, um bei der BAM weiter forschen zu können – wo er heute noch ist.

Mit einer immer größeren Zahl an Forschungsfragen sei er in Verbindung gekommen, Afrika und nachwachsende Rohstoffe – ein Thema, das ihn bis heute begleitet – sei nur eines von vielen Themen gewesen. „Eigentlich bin ich verantwortlich für alles mit Rheologie, also versuche ich entsprechende Schnittstellen der Themen zu finden“, schmunzelt er. Zeit für Freizeit bleibt da wenig, mehrere Monate im Jahr verbringt der Forscher im Ausland.

Aber lässt sich an Beton wirklich noch so viel forschen und verbessern? „Beton ist ein höllisch komplexes System mit Partikeln von Nanometern bis Zentimetern, und daraus gießen wir Kubikmeter“, legt Schmidt dar. Um diesen Werkstoff wirklich zu verstehen, habe er als Bauingenieur zunächst die organische und anorganische Chemie bis in die Nanoebene erlernen müssen. „Aber je tiefer man ins Spezialwissen eintaucht, desto intensiver und regelmäßiger stellt man sich die Frage, welchen Nutzen man dabei noch für die Gesellschaft generiert“, sagt der Mann, der Dinge bewegen möchte.

Afrika ist anders

„In Afrika habe ich gesehen, dass die Welt ganz anders ist.“ Zement ist dort bezogen auf die Kaufkraft zwischen 10 und 1000 Prozent teurer als in Europa, Regeln der guten Praxis können aufgrund technischer Unzulänglichkeiten oft nicht adäquat angewandt werden. „In Deutschland können Sie Beton bestellen, und zwei Stunden später ist er in der Wunschkonsistenz da. In Afrika gibt es dafür gar nicht die Infrastruktur“, berichtet Schmidt. Weil das Material extrem teuer ist, Arbeitskraft aber wenig kostet, sind dort andere Wege der Betonherstellung gefragt als in Europa, wo die Situation genau umgekehrt ist.

"Regarding technology, Europe will have to learn from Africa.” For many Europeans, this will sound strange, but it is Wolfram Schmidt's firm conviction - at least when it comes to the production of concrete. After all, the Earth's most important building material could be much more sustainable - without any loss in quality. In Africa, people are beginning to understand this for pragmatic reasons. In Europe, regulations and rigid views prevent the industry from massively improving its climate balance.

Schmidt is a materials researcher at the Federal Institute for Materials Research and Testing (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, short BAM). It is not ideology that drives the 43-year-old to promote more sustainable concrete, it is the findings of years of research. Schmidt initially wanted to work with concrete in a completely different way than he does today. "From the tenth grade on, it was clear to me that I wanted to become a civil engineer. The profile of the construction manager immediately appealed to me," he recalls. As a native of Cologne, the logical path led him to RWTH Aachen University after finishing school.

The appeal of practical research

"I was fascinated by the people who coordinate everything on the construction site. But the university also opened my eyes to completely different paths," says Schmidt, describing how his career aspirations were slowly changing. He briefly toyed with the idea of becoming a structural engineer. "But then, in the end, you only apply the laws of nature, with little opportunity to bring about active change.”

The deciding factor for his final decision was probably the parallel job with a company that focused intensively on materials and worked at the interface to the serial production of ceramic products. "There, I discovered my love for developing scientific facts and their further development into practical products," says the scientist. After his diploma thesis on the optimization of concrete formulations, it was clear to him: "I will remain in materials research.”

"The temperature and the mixture alone can change so much about the product," enthuses Schmidt. "It's like at home in the kitchen.” In fact, he is also the one at home who usually cooks for his wife and two children on weekends - "because it's fun!”

Passion for international projects

A fitting job advertisement led Schmidt to the BAM immediately after completing his studies. "At that time, I thought: Two years, then I'll look for a research-related job in the industry," he remembers. From the very start, Schmidt drove international projects forward at the institution, which at the time was still rather nationally oriented. "I really enjoyed it" - so much so that he did his doctorate at the TU Eindhoven at the same time in order to continue his research at BAM, where he still is today.

He had come into contact with an increasing number of research questions. Africa and renewable resources - a topic that has stayed with him to this day - was just one of many topics. "Technically, I am responsible for everything to do with rheology, therefore I try to find relevant interfaces between the topics," he smiles. This leaves little time for leisure; the researcher spends several months a year abroad.

But is there really still so much that can be researched and improved in concrete? "Concrete is a hell of a complex system with particles ranging from nanometers to centimeters, and we pour cubic meters from it," Schmidt explains. In order to really understand this material, as a civil engineer he first had to learn organic and inorganic chemistry down to the nano level. "But the deeper you immerse yourself in specialist knowledge, the more intensively and regularly you ask yourself the question of what other benefits you will generate for society," says the man who wants to move things forward.

Africa is different

"In Africa, I have seen that the world is completely different." In terms of purchasing power, cement is between 10 and 1000 percent more expensive there than in Europe. Good practice rules often cannot be adequately applied due to technical shortcomings. "In Germany you can order concrete, and two hours later it is there in the requested consistency. In Africa, there is no infrastructure for this," reports Schmidt. Because the material is extremely expensive, but labour costs little, other ways of producing concrete are in demand than in Europe, where the situation is exactly the opposite.

"The basics of chemistry and physics are the same everywhere, but you have to adapt concrete production to local conditions," the materials researcher describes his goals. It is crucial for Africa that, due to the poor infrastructure, only local production can be economically viable. Short transport distances benefit the climate - and this would also be true outside of Africa. To this end, Schmidt relies on bio-based raw materials. In Africa, he and his colleagues from Nigeria found the shell of the manioc root to be the ideal concrete ingredient. Due to its indigestibility, this unused waste material is unsuitable as animal feed, but is produced in rough quantities, because manioc is the world's most important source of starch after corn and rice. "In Europe, building materials are regulated in such a way that concrete can only be optimized in small steps. Leap innovations are still possible in Africa," says Schmidt. This is why he is convinced that Europe will learn from Africa in a few years' time.

Awarded with innovation prize

In Africa, he was consistently supported by Professor Herbert Uzoegbo of the University of the Witwatersrand in Johannesburg, even though Uzoegbo could no longer be active in research for health reasons. "The regulations and administrative conditions in Europe and Africa don't mesh so well", jokes Schmidt, Uzoegbo has always "built bridges across the continents" in this regard. "And I learned from him that in Africa you can't afford the luxury of being a specialist, but that you have to be an all-rounder." Together with Kolawole Olonade from the University of Lagos, Schmidt was recently awarded the German-African Innovation Prize by Federal Research Minister Anja Karliczek for his work.

Holzkohle ist noch immer der gängigste Energieträger in Afrika. Rund 80% der Bevölkerung nutzt Holzkohle oder Holz im Alltag. Das Problem: Das dafür genutzte Holz stammt von Bäumen, die gerodet werden müssen. Drei Absolventen der Hochschule Koblenz wollen das ändern. Dominik Kagerer, Tobias Löwe und Sebastian Czaplicki entwickelten eine Technologie, die Holzreste zur Herstellung von Holzkohle nutzt und so die massive Rodung afrikanischer Wälder verhindern kann.

Die Idee dazu kam dem Trio im Rahmen eines Projektes in Nigeria. Die Tatsache, dass zur Holzkohle-Herstellung, Wälder abgeholzt werden müssen, erschien den Studenten nicht mehr zeitgemäß. Zugleich fiel dem Trio auf, dass Nigeria enorme Mengen Holzkohle exportiert, obwohl sie im eigenen Land dringend gebraucht wird. Allein in der Sub-Sahara-Region Afrikas werden jährlich 32 Millionen Tonnen Holzkohle konsumiert, während in Europa der Verbrauch bei nur knapp einer Million Tonnen liegt.

Biomüll zu Biokohle verarbeiten

Die Idee der Studenten mündete in die Gründung des Start-ups Sustainable Carbon Cycle Industries (SSC-Industries) und wurde bereits im Wettbewerb der KVTC Biomass Challenge ausgezeichnet. „Wir sind stolz, mit unserem ganzheitlichen Ansatz zur Herstellung von Holzkohle als junges und innovatives Team einen so großen Wettbewerb gewonnen zu haben. Diese Anerkennung zeigt uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, so Tobias Löwe. Darüber hinaus konnte das Trio ein Gründerstipendium des Landes Nordrhein-Westfalen ergattern. Die monatliche Unterstützung mit 1.000 Euro über ein Jahr hinweg gibt ihm die Chance, seine Geschäftsidee voranzutreiben.

Sauberer Strom aus Verkohlungsprozess

Zunächst will das Start-up seine Idee in Tansania umsetzten. Aus bisher ungenutzten Holzresten, die im Sägewerk vor Ort anfallen, soll die grüne Holzkohle entstehen. Auch aus der Abhitze und den Abgasen des Verkohlungsprozesses soll sauberer Strom erzeugt werden. Für diese nachhaltige Stromgewinnung erhält das Team sogenannte Emissionsrechte, deren Verkauf wiederum zur Subventionierung des lokalen Verkaufspreises der Holzkohle vor Ort in Tansania dienen und bei der Bekämpfung des weltweiten Klimawandels helfen soll.



Grüne Holzkohle in Afrika für Afrika

Ziel des Start-ups ist es, eine nachhaltige Holzkohleproduktion in Afrika für Afrika zu etablieren. „Wir achten bewusst darauf, dass der Produktionsprozess nicht komplett automatisiert stattfindet, sondern viele eher niedrig qualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter integriert werden, da diese meist die schlechtesten Chancen auf dem Arbeitsmarkt haben“, so Dominik Kagerer. 

bb