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Moore sind bedeutende Ökosysteme, die nicht nur seltene Pflanzen und Tiere beherbergen, sondern als Kohlenstoffspeicher auch eine wichtige Rolle im Klimaschutz spielen. Doch nur intakte Moore können das Klimagas fixieren. Durch die Trockenlegung der Flächen für Land- und Forstwirtschaft haben Moore jedoch nicht nur ihre Funktion als CO₂-Speicher verloren, sondern auch an Biodiversität eingebüßt. Im Rahmen des Projekts VALPEATS (Valuation Of Peatland Ecosystem Services) wollen Forschende vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IGD) nun gemeinsam mit der Universität Greifswald und dem Greifswald Moor Centrum (GMC) eine digitale Monitoring-Plattform entwickeln, um den Zustand von Mooren einschätzen und bewerten zu können.

Moorschutz mit digitaler Echtzeit-Analyse

Für das Monitoring wird die Plattform mit Daten von Sensoren und Drohnen gespeist und mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) ausgewertet. „Bisher werden diese Daten überwiegend manuell erfasst und ausgewertet. Durch einen Multisensorik-Ansatz erfassen wir die Eigenschaften des Moors viel effizienter und können quasi in Echtzeit Analysen durchführen“, erklärt der wissenschaftliche Leiter Daniel Pönisch.

Neben Botanik-Experten, die vor Ort die Vegetation via App bestimmen, messen Sensoren verschiedene Parameter wie Wasserstand, Wetter und Geografie, während Drohnen die Vegetation mit RGB- und Multispektralkameras dokumentieren. Diese Daten werden dann durch KI integriert und analysiert, um ein vollständiges Bild des Moorzustands zu erstellen.

Nutzen für Planung und Landwirtschaft

Das Hauptziel von VALPEATS ist es, fundierte Daten bereitzustellen, die den Schutz und die Wiedervernässung von Mooren erleichtern. Die gewonnenen Daten sollen sowohl Planungsbüros bei ihren Entscheidungen zur Wiedervernässung als auch Landwirte beim Betreiben von Paludikultur unterstützen. Die Plattform biete eine standardisierte, skalierbare Lösung, die Entscheidungsträgern Echtzeit-Analysen zur Verfügung stellt und somit Entscheidungsprozesse optimiere, schreiben die Forschenden.

„Die gemeinsame Betrachtung aller verfügbaren Informationen ermöglicht die Inwertsetzung der Ökosystemleistung. Diese ist in der Plattform gebündelt, analysiert und dargestellt“, erklärt Pönisch. Die Plattform kann zudem Paludikulturbetrieben helfen, intakte Moore zu nutzen, um beispielsweise Biomasse aus Nasswiesen, Schilf oder Torfmoosen zu gewinnen. Den Forschenden zufolge können Datenaufnahme und -analyse auch angepasst werden, etwa um Informationen zur Vegetation zu nutzen.

Paludikultur nach Ökostandards zertifizieren

Ein weiteres Potenzial der Monitoring-Plattform sehen die Forschenden in der Möglichkeit, Moorflächen und landwirtschaftliche Unternehmen im Bereich Paludikultur nach Ökostandards zu zertifizieren.

Im Rahmen des Moorprojektes „Rosenhäger Wiese“ in Mecklenburg-Vorpommern wollen die Forschenden die Anwendung ihrer neuen Plattform erproben: Auf einer 5,4 Hektar großen Fläche soll hier in den kommenden Jahren ein Moorbiotop entstehen, das CO₂ speichert und einen neuen Lebensraum für Tiere und Pflanzen schafft. „Wir müssen das gesellschaftliche Bewusstsein weiter stärken, dass wertvolle Moore geschützt und renaturiert werden müssen. Unsere Monitoring-Plattform und unsere KI-Werkzeuge bieten hier eine technologische Basis“, so Pönisch.

am/bb

Als Zwischenprodukt vieler Stoffwechselwege ist Acetyl-CoA ein zentraler Baustein bei der Herstellung lebenswichtiger Biomoleküle. Dabei bindet das Molekül Kohlendioxid (CO₂) und ist somit entscheidend dafür, wie effizient das Treibhausgas in Stoffwechselprozesse eingebunden wird, um letztlich Biomasse zu produzieren.

Ein wichtiger Schritt bei der Umwandlung in andere Stoffwechselprodukte ist die Herstellung von sogenannten C3-Körper – Zwischenprodukten wie Pyruvat mit drei Kohlenstoffatomen. Von Natur aus laufen diese Stoffwechselwege in zahlreichen Schritten und unter Einsatz von viel Energie ab. Mithilfe der synthetischen Biologie versucht das Team um Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, diesen Prozess der CO₂-Fixierung möglichst effizient zu gestalten.

Synthetische Biologie verbessert CO₂-Nutzung

Das gelang den Forschenden kürzlich bereits mit dem Aufbau eines synthetischen Zyklus zur CO₂-Fixierung in Bakterien. Im Fachjournal Nature Communications berichten sie nun von einem weiteren bedeutenden Fortschritt – der Entwicklung eines neuen Enzyms, das eine direktere Verbindung zwischen Acetyl-CoA und Pyruvat herstellt.

Diese Studie sei den Autoren zufolge ein gelungenes Beispiel dafür, wie man die Mechanismen des Stoffwechsels und der Evolution in lebenden Zellen nutzen könne, um eine gewünschte Eigenschaft für Anwendungen der synthetischen Biologie und Biochemie zu optimieren. Erst durch die Kombination von beidem könne man verbesserte Enzymvarianten finden.

Vom Entwurf zum funktionierenden Enzym

In der synthetischen Biologie werden Stoffwechselwege entwickelt, um sie anschließend im Labor zu erproben. Genau so verfuhren die Marburger: Sie entwarfen einen Stoffwechselweg, um zusätzliches CO₂ möglichst direkt und ohne Umwege zu binden. Dafür designten sie eine sogenannte Lactyl-CoA-Mutase, die in der Natur noch nicht beschrieben worden ist. Auf der Suche nach geeigneten Kandidaten wurden sie in einer Enzym-Datenbank fündig: Das Enzym konnte tatsächlich die gewünschten Stoffwechselschritte umsetzen – wenn auch sehr langsam. So musste das Enzym gewissermaßen zunächst ins Trainingscamp, wie die Forschenden treffend beschreiben. In einer Art Evolution im Labor konnten sie das Enzym schrittweise optimieren und in einen Bakterienstamm einbringen.

„Damit die neu gewonnene Fähigkeit durch weitere Mutationen nicht gleich wieder verloren ging, haben wir zuerst das Wachstum eines modifizierten Escherichia coli-Bakteriums an die gewünschte Enzymaktivität gekoppelt“, beschreibt Erstautorin Helena Schulz-Mirbach die Herausforderung. „Dass wir einen Stamm entwickeln konnten, der dieses langsame Enzym für sein Wachstum nutzt, war nicht selbstverständlich.“

Gezielte Evolution zur Enzymoptimierung

Um das Enzym noch weiter zu verbessern, wurden gezielt Mutationen in den Bakterien erzeugt und dann die gewünschten Eigenschaften des Stammes selektiert. Durch diese sogenannte adaptive Labor-Evolution entstanden schließlich Varianten der Lactyl-CoA-Mutase, die schneller arbeiteten und zugleich zu einem besseren Wachstum des Stammes führten. Damit war es möglich, das Enzym in vitro, also in einem vereinfachten chemischen Prozess außerhalb des Bakteriums, arbeiten zu lassen. Das verbesserte Enzym erbrachte so eine fünf- bis zehnmal bessere Leistung als der natürliche Vorläufer.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Als Nächstes wollen die Marburger Forschenden die entworfene und optimierte Lactyl-CoA-Mutase weiterentwickeln, um das Enzym noch schneller zu machen und damit vielseitig einsetzen zu können. Für den neu geschaffenen Stoffwechselweg zwischen Acetyl-CoA und Pyruvat ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. So kann etwa die Herstellung von 3-Hydroxypropionat erleichtert werden, das wiederum als Vorstufe für den nachhaltigen Bio-Kunststoff Polyhydroxybutyrat (PHB) dient. Aber nicht nur das: „Wir möchten außerdem noch mehr über das Enzym selbst erfahren“, so Schulz-Mirbach. „Wir wissen zwar, welche Mutationen die Aktivität verbessert haben, aber es ist uns noch nicht klar, auf welche Weise sie das tun. Wenn wir die Struktur des Enzyms aufklären, können wir mehr über den Reaktionsmechanismus herausfinden und verstehen, wie die Mutationen das Enzym verbessern.“

chk

As an intermediate product of many metabolic pathways, acetyl-CoA is a central component in the production of vital biomolecules. The molecule binds carbon dioxide (CO₂) and is therefore crucial for how efficiently the greenhouse gas is incorporated into metabolic processes in order to ultimately produce biomass.

An important step in the conversion into other metabolic products is the production of so-called C3 bodies - intermediate products such as pyruvate with three carbon atoms. Naturally, these metabolic pathways take place in numerous steps and require a lot of energy. With the help of synthetic biology, Tobias Erb's team at the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology is trying to make this process of CO₂ fixation as efficient as possible.

Synthetic biology improves CO₂ utilisation

The researchers recently achieved this with the development of a synthetic cycle for CO₂ fixation in bacteria. In the scientific journal Nature Communications, they now report another significant advance - the development of a new enzyme that creates a more direct link between acetyl-CoA and pyruvate.

According to the authors, this study is a successful example of how the mechanisms of metabolism and evolution in living cells can be used to optimise a desired property for applications in synthetic biology and biochemistry. Improved enzyme variants can only be found by combining the two.

From blueprint to functioning enzyme

In synthetic biology, metabolic pathways are developed and then tested in the laboratory. This is exactly what the Marburg team did: they designed a metabolic pathway to bind additional CO₂ as directly as possible and without detours. To do this, they designed a so-called lactyl-CoA mutase, which has not yet been described in nature. In their search for suitable candidates, they found what they were looking for in an enzyme database: The enzyme was indeed able to convert the desired metabolic steps – albeit very slowly. So the enzyme first had to go to a training camp, as the researchers aptly describe. In a kind of evolution in the laboratory, they were able to gradually optimise the enzyme and introduce it into a bacterial strain.

‘To ensure that the newly acquired ability was not immediately lost again due to further mutations, we first coupled the growth of a modified Escherichia coli bacterium to the desired enzyme activity,’ says first author Helena Schulz-Mirbach, describing the challenge. ‘The fact that we were able to develop a strain that utilises this slow enzyme for its growth was not a given.’

Targeted evolution for enzyme optimisation

In order to further improve the enzyme, mutations were specifically created in the bacteria and then the desired properties of the strain were selected. This so-called adaptive laboratory evolution ultimately resulted in variants of the lactyl-CoA mutase that worked faster and at the same time led to better growth of the strain. This made it possible to allow the enzyme to work in vitro, i.e. in a simplified chemical process outside the bacterium. The improved enzyme thus performed five to ten times better than the natural precursor.

Wide range of possible applications

Next, the Marburg researchers want to further develop the designed and optimised lactyl-CoA mutase in order to make the enzyme even faster and therefore more versatile. The newly created metabolic pathway between acetyl-CoA and pyruvate has a wide range of potential applications. For example, the production of 3-hydroxypropionate can be facilitated, which in turn serves as a precursor for the sustainable bioplastic polyhydroxybutyrate (PHB). But that's not all: ‘We also want to learn more about the enzyme itself,’ says Schulz-Mirbach. ‘We know which mutations have improved its activity, but we don't yet know how they do this. If we can elucidate the structure of the enzyme, we can find out more about the reaction mechanism and understand how the mutations improve the enzyme.’

chk

Vegane Käsealternativen haben eines gemein: Sie enthalten weder Casein noch Molkeprotein – dabei sind diese Eiweiße für den charakteristischen Geschmack und die Textur von Käse aus tierischer Milch wesentlich. Diesen Mangel will das auf nachhaltige Lebensmittel aus Pilzmyzel spezialisierte Biotech-Start-up Infinite Roots nun beheben. Gemeinsam mit der Technischen Universität Hamburg entwickelt das Unternehmen eine Technologie, um Molke als Nährstoff für die Myzelium-Fermentation nutzen zu können. Das Vorhaben wird vom Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) mit insgesamt 1,8 Mio. Euro gefördert.

Molke als Nebenprodukt aufwerten

Ziel des Vorhabens ist es, Molke als Nebenprodukt der Milchproduktion aufzuwerten. Nach Angaben des Hamburger Start-ups fallen weltweit jährlich bis zu 190 Millionen Tonnen Molke an, wobei nur die Hälfte weiterverarbeitet wird. Die Entsorgung der Molke sei nicht nur teuer, heißt es. Aufgrund ihres hohen biochemischen Sauerstoffbedarfs stelle die Entsorgung auch ein Umweltrisiko dar.

Molke-Substrat als Nährstoff für Pilzmyzel

Im Rahmen des Projektes wollen die Partner nun Molke in ein Substrat umwandeln, das bei der Fermentation von Pilzmyzel und damit zur Herstellung von alternativen Milchprodukten genutzt werden kann. Bei der Herstellung von Fleischersatzprodukten hat sich das wurzelähnliche Pilzgeflecht, das Myzelium, bereits als ressourcenschonende und nachhaltige Produktionsalternative bewährt.

In der Aufwertung von Molke als Nährmedium für alternative Milchprodukte sieht Infinite Roots ein ebenso großes Potenzial. „Unsere Upcycling-Technologie optimiert den Fermentationsprozess und verwandelt ein bislang problematisches Abfallprodukt in eine wertvolle Ressource; einen natürlichen Rohstoff. Dies bietet Zeitvorteile, senkt Produktionskosten und fördert nachhaltige Praktiken in der Lebensmittelproduktion“, erklärt Mazen Rizk, Geschäftsführer von Infinite Roots.

Bildungsinitiative für umweltfreundliche Lebensmitteltechnologie

Darüber hinaus soll gemeinsam mit der TU Hamburg eine Bildungsoffensive für junge Forschende zum Themen Upcycling und umweltfreundliche Lebensmitteltechnologie gestartet werden. „Wir entwickeln nicht nur neue Technologien, sondern wollen auch die nächste Generation von Innovatoren für mehr Nachhaltigkeit in der Lebensmittelproduktion begeistern. Durch die Kooperation mit der TUHH und die Einbindung junger Talente erhält das Projekt eine wichtige gesellschaftliche Dimension“, sagt Rizk.

Vegan cheese alternatives have one thing in common: they contain neither casein nor whey protein – although these proteins are essential for the characteristic flavour and texture of cheese made from animal milk. The biotech start-up Infinite Roots, which specialises in sustainable foods made from mushroom mycelium, now wants to remedy this shortcoming. Together with Hamburg University of Technology, the company is developing a technology to utilise whey as a nutrient for mycelium fermentation. The project is being funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) with a total of 1.8 million euros.

Upgrading whey as a by-product

The aim of the project is to valorise whey as a by-product of milk production. According to the Hamburg-based start-up, up to 190 million tonnes of whey are produced worldwide every year, only half of which is processed further. The disposal of whey is not only expensive, they say. Due to its high biochemical oxygen demand, disposal also poses an environmental risk.

Whey substrate as a nutrient for fungal mycelium

As part of the project, the partners now want to convert whey into a substrate that can be used in the fermentation of fungal mycelium and thus for the production of alternative dairy products. The root-like fungal network, mycelium, has already proven itself as a resource-saving and sustainable production alternative in the manufacture of meat substitute products.

Infinite Roots sees equally great potential in the valorisation of whey as a nutrient medium for alternative dairy products. ‘Our upcycling technology optimises the fermentation process and transforms a previously problematic waste product into a valuable resource; a natural raw material. This saves time, reduces production costs and promotes sustainable practices in food production,’ explains Mazen Rizk, Managing Director of Infinite Roots.

Educational initiative for environmentally friendly food technology

In addition, an educational initiative for young researchers on the topics of upcycling and environmentally friendly food technology is to be launched together with the TU Hamburg. ‘Not only are we developing new technologies, but we also want to inspire the next generation of innovators for more sustainability in food production. The cooperation with the TUHH and the involvement of young talent gives the project an important societal dimension,’ says Rizk.

Eine Schokolade ohne Kakao und Palmöl war bis vor kurzem undenkbar. Mit Choviva hat das bei München ansässige Start-up Planet A Foods ein Schokoladenalternative entwickelt, die nicht nur ohne Kakao und Palmöl auskommt, sondern bei der Herstellung auch große Mengen CO₂ einspart. Nun konnte das 2021 gegründete Unternehmen in Planegg 30 Mio. US-Dollar im Rahmen einer Serie-B-Finanzierungsrunde einwerben, um die Produktion der kakaofreien Schokolade weiter zu steigern.

Das Unternehmen setzt bei der Herstellung seiner kakaofreien Schokolade auf heimische Rohstoffe wie Hafer und Sonnenblumenkerne. Dafür hat es eine Technologieplattform zur Fermentation von pflanzlichen Zutaten entwickelt, mit der sich Aromen auf natürliche Weise aus heimischen Pflanzen nachbilden lassen. Durch Fermentation und Röstung entsteht aus einem Choviva-Konzentrat und der Choviva-Butter die kakaofreie Schokolade. Darüber hinaus hat Choviva hat einen bis zu 80 % geringeren CO₂-Fußabdruck als herkömmliche Schokolade, berichtet das Unternehmen.

Steigerung der Jahresproduktion auf 15.000 Tonnen

Mit seiner Idee konnte das Team um das Gründer- und Geschwisterpaar Sara und Maximilian Marquart bereits im Februar dieses Jahres neue Investoren gewinnen und sich 14,1 Mio. Euro für die Weiterentwicklung seiner Technologieplattform sichern. Das nun frisch eingeworbene Kapital will das Food-Tech-Start-up eigenen Angaben nach nutzen, um die jährliche Produktionskapazität von derzeit 2.000 Tonnen auf über 15.000 Tonnen zu erhöhen, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden. Zudem will das Unternehmen weiter expandieren. Nach Deutschland, Österreich und der Schweiz sollen ab dem ersten Quartal 2025 Choviva-Produkte auch in Großbritannien und Frankreich eingeführt werden. Darüber hinaus sind dem Unternehmen zufolge strategische Partnerschaften für die USA und Asien in Planung. In den USA soll demnach eine Produktionsstätte eröffnet werden.

Neue Märkte erschließen

„Diese Series-B-Runde markiert einen bedeutenden Meilenstein für uns“, sagt Maximilian Marquart, Geschäftsführer und Mitgründer von Planet A Food. „Mit 30 Millionen Dollar frischem Kapital und einem marktführenden Produkt ist Planet A Foods kein Start-up mehr – wir sind auf dem Weg, ein führender Player im Markt zu werden. Diese Finanzierung wird es uns ermöglichen, neue Märkte zu erschließen, die Produktion zu steigern und unsere Partner in großem Maßstab zu beliefern.“

Unterstützung beim weltweiten Aufbau klimaresilienter Lebensmittelsysteme

Die Finanzierungsrunde wurde von Burda Principal Investments und Zintinus angeführt, mit Beteiligung von World Fund, Bayern Kapital, Cherry Ventures, Tengelmann Ventures, AgriFoodTech Venture Alliance und Omnes Capital. „Wir freuen uns, Planet A Foods beim Wachstum, der Marktexpansion und dem Aufbau klimaresilienter Lebensmittelsysteme auf globaler Ebene zu begleiten“, sagt Julian von Eckartsberg, Geschäftsführer von Burda Principal Investments. Christian Neuss, Partner bei Zintinus, fügt hinzu: „Planet A Foods verbindet wissenschaftliche Exzellenz mit einem klaren Fokus auf Nachhaltigkeit. Innovationen wie Choviva in großem Maßstab zu skalieren, ist eine enorme Herausforderung, und wir sind überzeugt, dass die richtige Unterstützung entscheidend ist, um das volle Potenzial auszuschöpfen.“

Choviva-Produkte wurde erstmals 2023 in deutschen Supermärkten eingeführt. Mit Unternehmen wie De Beukelaer, REWE, der Deutschen Bahn, aber auch Lindt und Lambertz konnte das Start-up mit seiner Kakaoalternative wichtige Kooperationspartner in Deutschland gewinnen. Nach Angaben von Planet A Foods sind mittlerweile über 20 Produkte in mehr als 42.000 Einzelhandelsfilialen erhältlich.

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Until recently, chocolate without cocoa and palm oil was unthinkable. With Choviva, the Munich-based start-up Planet A Foods has developed a chocolate alternative that not only manages without cocoa and palm oil, but also saves large amounts of CO₂ during production. The company, which was founded in Planegg in 2021, has now raised 30 million US dollars as part of a Series B financing round to further increase the production of cocoa-free chocolate.

The company relies on local raw materials such as oats and sunflower seeds to produce its cocoa-free chocolate. To this end, it has developed a technology platform for the fermentation of plant-based ingredients, which allows flavors to be recreated naturally from local plants. Through fermentation and roasting, cocoa-free chocolate is created from a Choviva concentrate and Choviva butter. Choviva also has a carbon footprint that is up to 80% lower than conventional chocolate, the company reports.

Increase in annual production to 15,000 tons

With its idea, the team led by founders and siblings Sara and Maximilian Marquart was able to attract new investors in February of this year and secure 14.1 million euros for the further development of its technology platform. According to the food tech start-up, it intends to use the newly raised capital to increase its annual production capacity from the current 2,000 tons to over 15,000 tons in order to meet rising demand. The company also wants to expand further. After Germany, Austria and Switzerland, Choviva products are also to be launched in the UK and France from the first quarter of 2025. According to the company, strategic partnerships are also being planned for the USA and Asia. A production facility is to be opened in the USA.

Tapping into new markets

“This Series B round marks a significant milestone for us,” says Maximilian Marquart, CEO and co-founder of Planet A Food. “With 30 million dollars in fresh capital and a market-leading product, Planet A Foods is no longer a start-up – we are on our way to becoming a leading player in the market. This funding will allow us to enter new markets, increase production and supply our partners on a large scale.”

Supporting the global development of climate-resilient food systems

The financing round was led by Burda Principal Investments and Zintinus, with participation from World Fund, Bayern Kapital, Cherry Ventures, Tengelmann Ventures, AgriFoodTech Venture Alliance and Omnes Capital. “We are delighted to support Planet A Foods in its growth, market expansion and the development of climate-resilient food systems on a global scale,” says Julian von Eckartsberg, Managing Director of Burda Principal Investments. Christian Neuss, Partner at Zintinus, adds: “Planet A Foods combines scientific excellence with a clear focus on sustainability. Scaling innovations like Choviva at scale is a huge challenge and we are convinced that the right support is crucial to realize the full potential.”

Choviva products were first launched in German supermarkets in 2023. With companies such as De Beukelaer, REWE, Deutsche Bahn, but also Lindt and Lambertz, the start-up was able to gain important cooperation partners in Germany with its cocoa alternative. According to Planet A Foods, over 20 products are now available in more than 42,000 retail outlets.

Mehr als 9.000 öffentliche Kläranlagen sorgen in Deutschland dafür, dass Abwässer biologisch gereinigt und damit die heimischen Gewässer möglichst wenig belastet werden. Bei der konventionellen Reinigung gehen jedoch auch wertvolle Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor verloren. In dem vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und der Umwelttechnik BW koordinierten Verbundprojekt RoKKa haben zehn Partner aus Forschung und Industrie in den vergangenen drei Jahren mehrere Verfahren erprobt, um Rohstoffe wie Phosphor und Stickstoff aus Abwasser nachhaltig recyceln und neue Produkte für die chemische Industrie und Landwirtschaft generieren zu können.

Neue Module für Nährstoffgewinnung aus Kläranlagen

Umgesetzt wurde das Projekt auf der Kläranlage der Stadt Erbach (Donau). Hier wurden von den verschiedenen Partnern gleich mehrere innovative Verfahren pilotiert und getestet. Insgesamt wurden sieben Demonstrationsanlagen betrieben, die sich den Forschenden zufolge auch als eigenständige Module auf bestehende Kläranlagen integrieren lassen und fortan Interessierten für Tests zur Verfügung stehen.

Im Fokus des Projektes stand nicht nur die Rückgewinnung von Phosphor- und Stickstoffverbindungen für die Düngemittelproduktion. Auch das CO₂ aus Faulgas, das bei der Klärschlammfaulung durch die Zersetzung organischer Abfälle und Abwässer entsteht, sollte als Rohstoff für neue Produkte nutzbar gemacht und Lachgasemissionen auf der Kläranlage reduziert werden.

Mit der Hochlastfaulung stand den Forschenden in der Erbacher Kläranlage ein Verfahren zur Verfügung, das den anfallenden Klärschlamm schneller und effizienter zu Faulgas umsetzen kann als herkömmliche Verfahren. Bei der Hochlastfaulung werden organische Stoffe aus dem Abwasser vergärt, um Biogas als erneuerbaren Energieträger zu produzieren. Im Projekt wurde der Schlamm entwässert und aus dem Schlammwasser wurden die Pflanzennährstoffe Phosphor und Stickstoff gefiltert.

Phosphor und Stickstoffdünger gewonnen

Statt das nährstoffreiche Filtrat wie üblich in die Belebungsbecken der Kläranlage zu leiten, wurde das Filterwasser einer Anlage zugeführt, bei der Phosphor und Stickstoff elektrochemisch gefällt werden. Dabei entstand Magnesium-Ammonium-Phosphat, auch Struvit genannt, das als Phosphordünger in der Landwirtschaft genutzt werden kann. Mithilfe zweier Membranverfahren wurde Stickstoff aus dem Schlammwasser gewonnen, das in Form von Ammoniumsulfat ebenfalls als regionaler Dünger verwendet werden kann. Mittels großtechnischer Messungen konnten die Forschende auch zeigen, dass diese Verfahren die Lachgasemissionen bei der biologischen Stickstoffelimination reduzieren.

Schlammwasser für Mikroalgenkultivierung genutzt

Darüber hinaus wurden die Nährstoffe mit dem Schlammwasser einem neuartigen Photobioreaktorsystem zur Mikroalgenkultivierung zugeführt, das am Fraunhofer IGB entwickelt wurde. Mikroalgen benötigen neben Licht und CO₂ auch Phosphor und Stickstoff zum Wachsen. Wie die Forschenden schreiben, bildeten die Algen im Photobioreaktor während ihres Wachstums pflanzenstimulierende Polysaccharide aus, sogenannte Beta-Glucane. Diese Substanzen können den Forschenden zufolge Pflanzen bei der Abwehr von Pilzinfektionen wie Mehltau unterstützen und chemische Pflanzenschutzmittel etwa im Weinbau ersetzen. Darüber hinaus wurde im Projekt mithilfe einer Elektrosyntheseanlage CO₂ in Ameisensäure umgewandelt und damit ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie erzeugt.

Beitrag zur klimaschonenden Kreislaufwirtschaft

Im Ergebnis konnte das Projekt RoKKa demonstrieren, wie neue Verfahren zum Nährstoffrecycling und die Implementierung von Verfahren zur Stickstoffrückgewinnung klimaschädliche Lachgas-Emissionen kommunale Kläranlagen nachhaltiger gestalten und damit einen effektiven Beitrag zu einer klimaschonenden Kreislaufwirtschaft leisten können. „Ausgebaut zu Bioraffinerien leisten Kläranlagen wertvolle Beiträge zur Rohstoffsicherheit und zum Klimaschutz und tragen damit zur Resilienz und zu nationalen Klima- und Nachhaltigkeitszielen bei“, resümiert Projektleiter Jürgen Schmidtke von der Umwelttechnik BW.

Das Projekt RoKKa war eines von insgesamt fünf Vorhaben, das vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) im Rahmen des Programms "Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling" zwischen 2021 und 2024 gefördert wurde.

More than 9,000 public sewage treatment plants in Germany ensure that wastewater is biologically purified, thereby minimizing pollution of local water bodies. However, valuable nutrients such as nitrogen and phosphorus are also lost during conventional treatment. In the RoKKa joint project coordinated by the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB and Umwelttechnik BW, ten partners from research and industry have tested several processes over the past three years in order to sustainably recycle raw materials such as phosphorus and nitrogen from wastewater and generate new products for the chemical industry and agriculture.

New modules for nutrient recovery from wastewater treatment plants

The project was implemented at the wastewater treatment plant of the town of Erbach (Danube). Here, several innovative processes were piloted and tested by the various partners. A total of seven demonstration plants were operated, which, according to the researchers, can also be integrated into existing sewage treatment plants as independent modules and are now available for testing by interested parties.

The project not only focused on the recovery of phosphorus and nitrogen compounds for fertilizer production. The CO₂ from digester gas, which is produced during sewage sludge digestion through the decomposition of organic waste and wastewater, was also to be made usable as a raw material for new products and nitrous oxide emissions at the sewage treatment plant were to be reduced.

With high-load digestion, the researchers at the Erbach wastewater treatment plant had a process at their disposal that can convert the sewage sludge produced into digester gas faster and more efficiently than conventional processes. In high-load digestion, organic substances from the wastewater are fermented to produce biogas as a renewable energy source. In the project, the sludge was dewatered and the plant nutrients phosphorus and nitrogen were filtered out of the sludge water.

Phosphorus and nitrogen fertilizer extracted

Instead of feeding the nutrient-rich filtrate into the aeration tanks of the sewage treatment plant as usual, the filter water was fed into a plant in which phosphorus and nitrogen are precipitated electrochemically. This produced magnesium ammonium phosphate, also known as struvite, which can be used as a phosphorus fertilizer in agriculture. Two membrane processes were used to extract nitrogen from the sludge water, which can also be used as a regional fertilizer in the form of ammonium sulphate. Using large-scale measurements, the researchers were also able to show that these processes reduce nitrous oxide emissions during biological nitrogen elimination.

Sludge water used for microalgae cultivation

In addition, the nutrients were fed with the sludge water to a novel photobioreactor system for microalgae cultivation, which was developed at the Fraunhofer IGB. In addition to light and CO₂, microalgae also need phosphorus and nitrogen to grow. As the researchers write, the algae produced plant-stimulating polysaccharides, known as beta-glucans, in the photobioreactor during their growth. According to the researchers, these substances can support plants in their defense against fungal infections such as mildew and replace chemical pesticides, for example in viticulture. The project also used an electrosynthesis plant to convert CO₂ into formic acid, thereby producing an important raw material for the chemical industry.

Contribution to a climate-friendly circular economy

As a result, the RoKKa project was able to demonstrate how new processes for nutrient recycling and the implementation of processes for nitrogen recovery can make climate-damaging nitrous oxide emissions from municipal wastewater treatment plants more sustainable and thus make an effective contribution to a climate-friendly circular economy. “Developed into biorefineries, wastewater treatment plants make valuable contributions to raw material security and climate protection and thus contribute to resilience and national climate and sustainability goals,” summarizes project manager Jürgen Schmidtke from Umwelttechnik BW.

The RoKKa project was one of a total of five projects funded by the Baden-Württemberg Ministry of the Environment, Climate Protection and the Energy Sector with funds from the European Regional Development Fund (ERDF) as part of the “Bioeconomy - Biorefineries for the Recovery of Raw Materials from Waste and Wastewater - Bio-Ab-Cycling” program between 2021 and 2024.

Die Entwicklung neuer biobasierter und nachhaltiger Materialien zur dauerhaften Bindung von Kohlendioxid (CO₂) ist ein zentraler Ansatz in Forschung und Entwicklung. Besonders im Bausektor steigt der Bedarf an biobasierten Alternativen, da die Zementindustrie zu den größten Verursachern von Treibhausgasemissionen zählt. Eine vielversprechende Strategie zur Dekarbonisierung ist daher die Entwicklung von CO₂-reduzierten Zementen.

Am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in Dresden wird an den chemischen und biologischen Wirkungen sogenannter niederenergetisch beschleunigter Elektronen für spezielle Anwendungen geforscht. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Herstellung von Kalk mithilfe phototropher Mikroorganismen, um die Dekarbonisierung der Zementindustrie zu fördern.

Natürlicher Prozess der mikrobielle Kalksteinbildung als Vorbild

Im natürlichen Prozess der mikrobiellen Kalksteinbildung bilden phototrophe Cyanobakterien im Zusammenspiel von Licht, Feuchtigkeit und Temperatur Kalkstein, wobei CO₂ aus der Luft dauerhaft im Gestein gebunden wird. Die FEP-Arbeitsgruppe „Biokompatible Materialien“ unter der Leitung von Ulla König untersucht, wie sich dieser natürliche Prozess im großen Maßstab technisch umsetzen und effizienter gestalten lässt.

Biogene Baustoffe für die Kreislaufwirtschaft

Im Projekt BioCarboBeton hat das Team gemeinsam mit Forschenden des Dresdner Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) ein umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von Biobeton entwickelt. Dabei werden Cyanobakterien in einer Nährlösung kultiviert und zur Mineralisierung mit Kalzium angereichert. Das so entstandene Biomaterial kann zusammen mit Füllstoffen wie Sand in Form gebracht und ausgehärtet werden. Auf diese Weise sollen künftig biogene Baustoffe entstehen, die CO₂ dauerhaft binden und nachhaltig zur Kreislaufwirtschaft beitragen.

Verbesserte Biomineralisierung durch Elektronenstrahlen

Aktuell sind die Dresdner Forschenden dabei, den Prozess weiter zu verbessern. „Die Optimierung und Skalierbarkeit der biogenen Kalksteinsynthese basierend auf dem mikrobiellen Biomineralisierungsprozess spielt eine wesentliche Rolle für zukünftige großtechnische Einsatzmöglichkeiten“, erklärt Arbeitsgruppenleiterin Ulla König. „Wir haben am Fraunhofer FEP deshalb die Optimierung der Biomineralisation phototropher Mikroorganismen mit einem neuartigen Lösungsansatz verknüpft.“ Das Forschungsteam nutzt hier die stimulierende Wirkung der Elektronenstrahltechnologie, um den Stoffwechsel der Mikroorganismen zu aktivieren. Dadurch wird die Kalkproduktion – als Grundlage für Zement und Beton – effizienter und wirtschaftlicher gestaltet.

Bei der Entwicklung der biogenen Baustoffe berücksichtigen die Forschenden auch die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft. Das CO₂ könnte zukünftig auch aus Industrieabgasen gewonnen werden, während als Kalziumquelle Reststoffe aus industriellen Prozessen oder der Landwirtschaft ebenso zum Einsatz kommen könnten wie Bauschutt oder nachwachsende Rohstoffe als Füllstoffe.

Die Ergebnisse dieser Forschung, darunter der neu entwickelte Biobeton, sollen im Januar auf der Messe BAU 2025 in München neben weiteren Entwicklungen des FEP präsentiert werden.

Algen sind nicht nur Überlebenskünstler, sondern auch Multitalente mit großem Potenzial für die Bioökonomie. Als Leiterin des Kompetenzzentrums Mikroalgenbiotechnologie der Hochschule Anhalt will Carola Griehl dieses Potenzial nutzen, um einen möglichst großen Teil der immer knapper werdenden Erdölressourcen durch Algen zu ersetzen. Dafür ist die promovierte Chemikerin stets auf der Suche nach neuen Stämmen, um das Algen-Portfolio zu erweitern und für neue biobasierte Produkte in der Lebensmittel-, Pharma-, Kosmetik-, Agrar- und Chemieindustrie nutzbar zu machen. Darüber hinaus ist ihr Team dabei, die Mikroalgenproduktion in einen landwirtschaftlichen Betrieb zu integrieren.

Algae are not only masters of survival but also versatile organisms with significant potential for the bioeconomy. As head of the Competence Center Algal Biotechnology at Anhalt University of Applied Sciences, Carola Griehl aims to harness this potential to replace as much of the increasingly scarce petroleum resources as possible with algae. To achieve this, the chemist constantly seeks new strains to expand the algae portfolio and develop new bio-based products for the food, pharmaceutical, cosmetics, agricultural, and chemical industries. Her team is also working on integrating microalgae production into agricultural operations.

Mikroorganismen spielen eine Schlüsselrolle in der Bioökonomie – von der nachhaltigen Energiegewinnung bis zur Entwicklung neuer Materialien. Daher ist es essenziell, ihren Stoffwechsel zu verstehen und weiter zu optimieren. Forschende der Friedrich-Schiller-Universität und der Leibniz-Institute in Jena haben herausgefunden, wie stark die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ihren Stoffwechsel anpassen kann – allein durch neue Anzuchtbedingungen, ohne dass ein Eingriff in das Erbgut notwendig ist.

Die zehn Mikrometer kleine Alge ist in den nassen Böden von Reisfeldern zu Hause. Diese Umgebung stellten die Forschenden in ihrer Studie nach, die kürzlich in der Fachzeitschrift New Phytologist veröffentlicht wurde. Mithilfe von 3D-Drucktechnologie imitierten sie die struktur- und acetatreiche Umgebung von Reisfeldern und beobachteten, wie sich die Alge unter diesen Bedingungen veränderte.

Anpassungsfähigkeit ohne genetische Veränderungen

Der Studie zufolge verdickte sich die Zellwand der Alge unter den simulierten Bedingungen, während die Zelle kleiner und die Geißeln kürzer wurden. Der „Augenfleck“, mit dem die Alge Licht wahrnimmt, vergrößerte sich demnach und die Alge konnte sogar die Anzahl ihrer lichtempfindlichen Rezeptoren anpassen. Zusätzlich zu diesen äußerlichen Veränderungen stellte das Forschungsteam fest, dass die Alge vermehrt Kohlenhydrate in Form von Stärke produziert, was auf eine Umstellung des Stoffwechsels hinweist. Der Studie zufolge würden diese Anpassungen der Alge „das Überleben in der komplexen, von Mikroorganismen geprägten und teils anaeroben Umgebung erleichtern“ und somit helfen, mit Stressfaktoren wie Sauerstoffmangel und der Konkurrenz mit anderen Mikroorganismen klarzukommen.

Die Forschenden zeigten sich allerdings überrascht, dass all diese Anpassungen ohne Eingriff in das Erbgut des Einzellers zustande kamen. „Unsere Studie zeigt, wie wichtig es ist, Mikroorganismen nicht nur unter Laborbedingungen zu untersuchen, sondern auch in Umgebungen, die ihrer natürlichen Lebenswelt ähneln“, sagt Maria Mittag, Professorin für Allgemeine Botanik an der Uni Jena.

Exzellente Forschung im interdisziplinären Team

Für die Studie vereinten Forschende verschiedener Disziplinen ihre Expertise aus der Mikrobiologie, Botanik, Photonik und Bioinformatik. Zusammengebracht hat sie das Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ in Jena. Gemeinsam mit Pierre Stallforth, Professor für Bioorganische Chemie und Paläobiotechnologie an der Uni Jena, schuf das Team die komplexe, strukturierte 3D-Umgebung für die Studie. Forschende mit Expertise in Biophysik und Mikroskopie hielten anschließend die veränderte äußere Gestalt der Algen bildlich fest, während die Teams um Jürgen Popp und Maria Mittag die Stoffwechselvorgänge innerhalb der Zelle visualisierten.

„Die Kombination aus innovativen optischen Technologien und interdisziplinären Ansätzen hat es uns ermöglicht, einen umfassenden Einblick in die biologischen Anpassungen von Chlamydomonas reinhardtii zu gewinnen“, erklärt Jürgen Popp vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien.

Biotechnologisches Potenzial

Die Forschenden hoffen, dass die Erkenntnisse in Bereichen der Biotechnologie Anwendung finden können, zum Beispiel für die Produktion nachhaltiger Biokraftstoffe.

Microorganisms play a key role in the bioeconomy – from sustainable energy production to the development of new materials. It is therefore essential to understand and further optimise their metabolism. Researchers at Friedrich Schiller University and the Leibniz Institutes in Jena have discovered the extent to which the green alga Chlamydomonas reinhardtii can adapt its metabolism – simply through new cultivation conditions, without the need to intervene in the genetic material.

The algae, which is ten micrometres in size, is at home in the wet soil of rice fields. The researchers recreated this environment in their study, which was recently published in the journal New Phytologist. Using 3D printing technology, they imitated the structure- and acetate-rich environment of rice fields and observed how the algae changed under these conditions.

Adaptability without genetic changes

According to the study, the algae's cell wall thickened under the simulated conditions, while the cell became smaller and the flagella shorter. The 'eyespot', with which the alga perceives light, increased in size and the alga was even able to adjust the number of its light-sensitive receptors. In addition to these external changes, the research team found that the algae produced more carbohydrates in the form of starch, which indicates a change in metabolism. According to the study, these adaptations would ‘facilitate the survival of the alga in the complex, microorganism-rich and partly anaerobic environment’ and thus help it to cope with stress factors such as oxygen deficiency and competition with other microorganisms.

However, the researchers were surprised that all of these adaptations came about without interfering with the protozoa's genetic material. ‘Our study shows how important it is to investigate microorganisms not only under laboratory conditions, but also in environments that resemble their natural habitat,’ says Maria Mittag, Professor of General Botany at the University of Jena.

Excellent research in an interdisciplinary team

For the study, researchers from various disciplines combined their expertise in microbiology, botany, photonics and bioinformatics. They were brought together by the Cluster of Excellence ‘Balance of the Microverse’ in Jena. Together with Pierre Stallforth, Professor of Bioorganic Chemistry and Palaeobiotechnology at the University of Jena, the team created the complex, structured 3D environment for the study. Researchers with expertise in biophysics and microscopy then captured the changed external shape of the algae in images, while the teams led by Jürgen Popp and Maria Mittag visualised the metabolic processes within the cell.

‘The combination of innovative optical technologies and interdisciplinary approaches has enabled us to gain a comprehensive insight into the biological adaptations of Chlamydomonas reinhardtii,’ explains Jürgen Popp from the Leibniz Institute of Photonic Technology.

Biotechnological potential

The researchers hope that the findings can be applied in areas of biotechnology, for example for the production of sustainable biofuels.

Zahlreiche Alltagsprodukte – von Zahnpasta über Frühstücksflocken bis hin zu Elektronikartikeln – werden in sogenannten Faltschachteln verpackt. Sie bestehen in der Regel aus Papier und Pappe und lassen sich gut recyceln. Wenig nachhaltig sind jedoch die hier verwendeten Klebstoffe, die meist aus fossilen Rohstoffen bestehen. Im Projekt SUGRA will ein Team des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit Industriepartnern den Weg für umweltfreundliche und nachhaltige Verpackungen ebnen.

Biobasierter Klebstoff für Faltschachteln

Im Fokus steht die Entwicklung biobasierter Klebstoffe auf Basis von Stärke, die auch den hohen industriellen Anforderungen zur Herstellung von Faltschachteln gerecht werden. „Die Auftragsqualität, die Abbindezeit und die Anfangsklebkraft des Klebstoffs, der sogenannte Anfangstack, sind wichtige Faktoren, damit die Fertigung von Faltschachteln auf schnell laufenden Produktionsmaschinen gelingt“, erläutert Jens Buller vom Fraunhofer IAP.

Das Auftragen der Klebstoffe auf die Verpackungen erfolgt an sogenannten Hochgeschwindigkeitsmaschinen über eine Düse. Hier werden Produktionsgeschwindigkeiten bis zu 600 Meter pro Minute erreicht, die den Forschenden zufolge nur wenige Sekunden Zeit bieten, um eine stabile Klebeverbindung zu erzeugen. Zudem muss der Klebstoff präzise aufgetragen werden, ohne zu spritzen und so andere Bereiche zu verkleben.

Dispersionsklebstoff aus modifizierter Stärke

Zur Herstellung von Faltschachteln werden wiederum Dispersionsklebstoffe genutzt, die aus synthetischen Polymeren bestehen. Diese fossilen Rohstoffe haben die Forschenden im Projekt nun durch Stärke ersetzt. „Schon die Wahl des Rohstoffs, wirkt sich auf die Eigenschaften des Klebstoffs aus. Er beeinflusst beispielsweise maßgeblich, ob der Klebstoff Fäden bildet“, erklärt Buller.

Stärkeklebstoff besteht erste Tests

Durch die immer „weitere Modifizierung der Stärkeprodukte und die Formulierung zu Stärkeklebstoffen“ entstand den Forschenden zufolge eine nachhaltige Klebstoffvariante, die den hohen industriellen Anforderungen gerecht wird und auch „lebensmittelkonform“ ist. Erste Tests bei Industriepartnern waren erfolgreich. Demnach überzeugte der neue Stärkeklebstoff nicht nur beim Auftragen und der Haftung, auch die Klebenaht blieb bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur stabil. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass biobasierte Stärkeklebstoffe geeignet sind, um synthetische Polymere in der Faltschachtelherstellung zu ersetzen. Zudem können sie Recyclingprozesse aufgrund ihrer guten Löslichkeit erheblich vereinfachen“, resümiert Buller.

Das Vorhaben „Sustainable Gluing With Renewable Adhesives“ (SUGRA) wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.

bb