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Die Biotechnologie ist eine Schlüsseltechnologie mit großem Innovationspotenzial für viele Branchen. Welche Chancen moderne biotechnologische Verfahren für die Lebensmittelproduktion bieten, beleuchtet das aktuelle Positionspapier der Fachgesellschaft DECHEMA. Darin beschreibt das Autorenteam, wie sich dank dieser Methoden mit Enzymen und Mikroorganismen neue Proteinquellen erschließen und die Verarbeitung von Lebensmitteln verbessern lassen. Gerade zur nachhaltigen Sicherung der Welternährung könnte die Lebensmittelbiotechnologie demnach deutlich mehr beitragen als bisher, heißt es.

Werkzeugkasten zur Herstellung neuer, nachhaltiger Lebensmittel

Im Fokus stehen Verfahren wie die traditionelle Fermentation, aber auch Zellkulturtechniken und gentechnische Verfahren, die es heute schon ermöglichen, bekömmliche, gesunde und nachhaltige Lebensmittel aus Hülsenfrüchten, Algen oder tierischen Proteinen herzustellen. So seien Enzyme in der Lebensmittelbiotechnologie biochemische Werkzeuge, die Lebensmitteln bestimmte Eigenschaften geben können – etwa, indem sie Stärke und Fette modifizieren, Schäume und Gele stabilisieren, Reifeprozesse steuern, Bitterstoffe entfernen oder helfen, Aromen und Fruchtauszüge zu gewinnen.

Neben maßgeschneiderten Enzymen wird auf das Potenzial von kultiviertem Fleisch verwiesen, das aus Muskelstammzellen von Huhn oder Rind in der Petrischale erzeugt wird, ohne ein Tier zu töten. Auch tierfreie Milchprodukte können dank Präzisionsfermentation im Bioreaktor hergestellt werden. Das Berliner Start-up Formo produziert beispielsweise in Mikroorganismen Milchproteine für die alternative Käseproduktion. „Die Präzisionsfermentation kann gewünschte Zielproteine mit dem Ziel niedriger Kosten in großen Mengen herstellen, unabhängig von Klima, Bodenbeschaffenheit und Jahreszeit", heißt es in dem Positionspapier. Auf diese Weise würden Nährstoffe bis zu zwanzigmal effizienter genutzt, als es in der Tierhaltung möglich sei.

Hochdichte Polyethylene (HDPE) sind beliebte Werkstoffe für Kunststoffbehälter, -platten und -folien, weil sie besonders robuste und langlebige Thermoplaste bilden. Ursächlich für diese Eigenschaften ist die Art und Weise, wie sich die Molekülketten des Kunststoffs verbinden: Der Großteil ordnet sich in kristallinen Strukturen an. Allerdings hat die chemische Struktur von hochdichtem Polyethylen einen Nachteil: Es ist ein nahezu reiner Kohlenwasserstoff ohne funktionelle Gruppen – eine Art reaktive Seitenelemente der Hauptkette. Doch Enzyme benötigen diese funktionellen Gruppen, um den Kunststoff zersetzen und damit auf biologischem Wege abbauen zu können.

Ähnlich kristallin wie HDPE

Chemiker um Stefan Mecking von der Universität Konstanz haben nun im Fachjournal „Angewandte Chemie“ einen alternativen Werkstoff vorgestellt, der sich ähnlich wie HDPE verwenden lässt und biologisch abbaubar, aber auch mit milden Verfahren chemisch wiederverwertbar ist. Dabei handelt es sich um einen bestimmten Polyester.

Polyester besitzen funktionelle Gruppen, was sie einerseits biologisch abbaubar oder für chemische Reaktionen zugänglich macht. Anderseits begrenzen diese Gruppen das Maß, in dem der Kunststoff sich kristallin anordnen kann. Nicht so jedoch der neu entwickelte Polyester. Es besitzt eine ähnliche Kristallinität wie HDPE.

Durch Enzyme und Bodenorganismen abbaubar

Der biologischen Abbaubarkeit tat das dennoch keinen Abbruch: „Wir testen den Abbau mit natürlich vorkommenden Enzymen. Im Vergleich zu unserem Referenzmaterial verlief das um eine Größenordnung schneller“, berichtet Mecking. Nicht nur Enzymlösungen hätten das Material abgebaut. Auch im Boden vorkommende Mikroorganismen konnten den Polyester vollständig zersetzen. Maßgeblich dafür ist wohl der im Polyester verwendete Grundbaustein Ethylenglykol. „Damit erhält man den hohen Schmelzpunkt, aber er erhöht eben auch die Abbaubarkeit für diese Polyethylen-artigen Materialien“, erläutert der Chemiker.

Mecking kann sich vorstellen, dass dieser Polyester als Thermoplast genutzt und idealerweise in einem geschlossenen Kreislauf recycelt wird. Sollte der Kunststoff doch in die Natur gelangen, wäre er dort zumindest mit der Zeit auf natürliche Weise abbaubar.

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High-density polyethylenes (HDPE) are popular materials for plastic containers, sheets and films because they form particularly robust and durable thermoplastics. These properties result from the way the molecular chains of the plastic combine - usually arranged in crystalline structures. However, the chemical structure of high-density polyethylene has a disadvantage: it is an almost pure hydrocarbon without functional groups, i.e. without reactive side elements of the main chain. Enzymes, however, need these functional groups to decompose the plastic and thus biodegrade it.

Almost as crystalline as HDPE

Chemists led by Stefan Mecking from the University of Constance have now presented an alternative material in the journal „Angewandte Chemie“ that can be used in a similar way to HDPE and is biodegradable, but can also be chemically recycled using mild processes. The material is a special polyester.

Polyesters have functional groups that make them biodegradable or amenable to chemical reactions. However, these groups limit the extent to which the plastic can arrange itself in crystalline form. The newly developed polyester is different: it has a similar crystallinity to HDPE.

Degradable by enzymes and soil organisms

This had no effect on the biodegradability: "We tested the degradation with naturally occurring enzymes, and it was faster than with our reference material," reports Mecking. Not only did the enzyme solutions degrade the material, but the microorganisms in the soil were also able to completely decompose the polyester. The key factor here is presumably the basic building block ethylene glycol used in the polyester. "This provides the high melting point, but also increases the degradability of these polyethylene-like materials," explains the chemist.

Mecking can imagine this polyester being used as a thermoplastic and ideally being recycled in a closed cycle. Should the plastic end up in nature, it would at least be naturally degradable there over time.

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Es ist die globale Plattform für internationale Kooperation und multilaterale Lösungen im Agrarbereich: das Global Forum for Food and Agriculture (GFFA). Nach zwei Jahren pandemiebedingter Pause findet die 15. Auflage der Welternährungskonferenz wieder als Präsenzveranstaltung im City Cube in Berlin statt. Am Rande der Internationalen Grünen Woche kommen hier vom 19. bis 21. Januar 2023 mehr als 2.000 Gäste aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft zusammen. Veranstaltet wird das GFFA vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) in Kooperation mit dem Senat von Berlin und der Messe Berlin GmbH.

Ernährungswende als Antwort auf multiple Krisen

Das Thema der diesjährigen Welternährungskonferenz lautet: „Ernährungssysteme transformieren: Eine weltweite Antwort auf multiple Krisen“. Zu Klimakrise, Artensterben und COVID-19-Pandemie drohe mit dem russischen Angriffskrieg gegen die Ukraine nun die größte globale Nahrungsmittelkrise seit dem Zweiten Weltkrieg, betonte Orphelia Nick, Parlamentarische Staatssekretärin beim BMEL, in ihrer Eröffnungsrede. „Wir können die multiplen Herausforderungen aber nur gemeinsam lösen. Wir haben deshalb die Transformation und Stabilisierung der Ernährungssysteme in das Zentrum des diesjährigen GFFA gestellt. Denn unsere Ernährungssysteme sind der Schlüssel für die Sicherung der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung. Wenn wir sie nachhaltig, klimagerecht und resilient gestalten – und zwar weltweit", so Nick.

Die Weltgemeinschaft muss daher dringend Lösungen entwickeln und umsetzen, um die weltweite Ernährung zu sichern und damit das in der Agenda 2030 verankerte Ziel, den globalen Hunger zu beenden, zu erfüllen. Die größte Herausforderung dabei ist, Lösungen zu finden, die Versorgungssicherheit schaffen und gleichzeitig Klimakatastrophen und Artensterben verhindern. In verschiedenen Sessions werden die Teilnehmenden darüber diskutieren, wie diese Transformation gelingen kann. Folgende Fragen stehen dabei im Fokus: Wie schaffen wir krisenfeste und klimafreundliche Ernährungssysteme? Wie erhalten wir die biologische Vielfalt? Wie kooperieren wir besser für nachhaltige globale Ernährungssysteme?

Krisenfeste und klimafreundliche Ernährungssysteme

Der Russische Angriffskrieg gegen die Ukraine hat einmal mehr deutlich gemacht, wie verwundbar die Ernährungssysteme sind – vor allem, wenn einseitige Abhängigkeiten bestehen. Deshalb soll auf dem GFFA unter anderem darüber diskutiert werden, wie weltweit standortangepasste, krisenfeste, nachhaltige Ernährungssysteme etabliert werden können – etwa durch die Gestaltung nachhaltiger Lieferketten, der Vermeidung von Düngemittelengpässen, der Reduzierung von Lebensmittelverlusten und -verschwendung, die Förderung von nachhaltigen Ernährungsweisen und Konsumverhalten sowie der Diversifizierung von Produktions- und Importstrukturen vor Ort.

Ob Linsenburger, Tofu oder Sojaschnitzel: Pflanzenbasierte Fleischersatzprodukte liegen im Trend und haben längst die Regale im Supermarkt erobert. Hinsichtlich Geschmack und Textur besteht noch Forschungsbedarf. Doch auch hier läuft die Entwicklung auf Hochtouren. So arbeitet Project Eaden gegenwärtig an einer Technologie, die es ermöglicht, „ultra-realistisches Fleisch aus Pflanzen“ herzustellen. Im Januar stellte das Berliner Food-Tech-Start-up seine Plattformtechnologie in Berlin vor. Bereits im Dezember konnte das Gründertrio im Rahmen einer Seed-Runde erneut frisches Kapital von Investoren für die Weiterentwicklung der Technologie einsammeln.

Fasertechnologie aus der Textilindustrie im Einsatz

Bei der Herstellung von pflanzenbasiertem Fleisch nutzt das Start-up eine Technologie, die sich bei der Herstellung von Textilien bewährt hat: „Wir bauen jetzt erstmals Fleisch Faser für Faser nach und nutzen dafür erprobte Technologien aus der Textilindustrie“, sagte Mitgründer David Schmelzeisen bei der Präsentation. Die Fasertechnologie stellt essbare Proteinfasern her und kann sowohl Textur als auch Optik von Tierfleisch nachahmen.

Fäden aus pflanzlichen Proteinen spinnen

„Die Maschine spinnt Fäden aus einer Masse pflanzlicher Proteine, mit 0,2 Millimeter Durchmesser dünner als Zwirn“, berichtet das Handelsblatt, das sich die Technologie vor Ort anschauen durfte. Rund 250 Fasern werden demnach auf einer rotierenden Spule wie Muskelstränge gebündelt und mit pflanzlichen Fetten kombiniert. „So entsteht rot-weiß marmoriertes Fleischimitat, das von Optik und Textur kaum vom tierischen Original zu unterscheiden ist", schreibt das Handelsblatt.

Rindfleischsteak auf Pflanzenbasis

Dem Unternehmen zufolge ist die Technologie hochgradig skalierbar und kann daher die Herstellung von ultrarealistischem Fleisch auf Pflanzenbasis zu niedrigen Kosten ermöglichen. Das erste Produkt von Project Eaden ist ein Rindfleischsteak auf Pflanzenbasis. Über ein Jahr wurde an der richtigen Mischung getüftelt. Im Februar wird Projekt Eaden ein eigenes Technikum in Berlin beziehen, um die Skalierung voranzutreiben.

Investment um 2 Mio. Euro erhöht

Bereits im Juni 2022 gab der Hauptinvestor Creandum den ersten Abschluss der Seed-Runde bekannt, die sich damals auf insgesamt 8 Mio. Euro belief und an der sich neben Atlantic Food Labs, Shio Capital, Trellis Road mehrere Business Angels, darunter der ehemalige Geschäftsführer der Rügenwalder Mühle, Godo Röben, beteiligten. Im Dezember vergangenen Jahres stockten Magnetic und Atlantic Food Labs ihr Investment nochmals auf und verlängerten die Seed-Runde um ein weiteres Investment in Höhe von 2,1 Mio. Euro. Den Großteil der Finanzierung will Project Eaden für die Entwicklung der Fasertechnologie verwenden.

bb/gkä

Plant-based meat substitutes have long since conquered supermarket shelves. There is still a need for research in terms of taste and texture, but development is running at full speed. For example, Project Eaden works on a technology that makes it possible to produce "ultra-realistic meat from plants." In January, the Berlin-based food tech start-up presented its platform technology in Berlin. Back in December, the trio of founders was again able to raise fresh capital from investors for the further development of the technology as part of a seed round.

Fiber technology from the textile industry in action

In the production of plant-based meat, the start-up uses a technology from textile manufacturing: "We are now, for the first time, reproducing meat fiber by fiber using proven technologies from the textile industry," said co-founder David Schmelzeisen at the presentation. The fiber technology produces edible protein fibers and can mimic both the texture and appearance of animal meat.

Spinning threads from plant proteins

"The machine spins threads from a mass of vegetable proteins that, at 0.2 millimeters in diameter, are thinner than twine," reports Handelsblatt, which was able to view the technology on site. According to the report, some 250 fibers are bundled on a rotating bobbin like strands of muscle and combined with vegetable fats. "The result is a red-and-white marbled meat imitation that can hardly be distinguished from the animal original in terms of appearance and texture," writes Handelsblatt.

Plant based beef steak

According to the company, the technology is highly scalable and therefore can enable the production of ultra-realistic plant-based meat at low cost. Project Eaden's first product is a plant-based beef steak. More than a year was spent tinkering with the right mix. In February, Project Eaden will move to its own pilot plant in Berlin to expand production.

Investment increased by 2 million euros

Back in June 2022, the main investor Creandum announced the first closing of the seed round, in which Atlantic Food Labs, Shio Capital, Trellis Road and several business angels, including the former CEO of Rügenwalder Mühle, Godo Röben, participated with a total of 8 million euros. Last December, Magnetic and Atlantic Food Labs topped up their investment once again, adding another €2.1 million investment to the seed round. Project Eaden intends to use the majority of the funding to develop its fiber technology.

bb/gkä

Der biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoff PLA – Polylactid oder Polymilchsäure – könnte in Zukunft noch breiter eingesetzt werden: Boris Marx vom Faserinstitut Bremen e.V. hat einen Prozess entwickelt, der dem Material mehr Festigkeit verleiht. Damit schaffte der Forscher es ins Finale des Otto-von-Guericke-Preises 2022, den das Forschungs- und Transfernetzwerk Mittelstand AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.V. jährlich für besondere Innovationsleistungen auf dem Gebiet der vorwettbewerblichen industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vergibt.

Von Medizingarnen bis zu Kinderschaukelseilen

Polylactid ist ein synthetisches Polymer, das zu den Polyestern zählt und auf nachwachsenden Rohstoffen wie Zuckerrohr oder Mais basiert. Zwar verrottet das Material in der Natur nicht gut, doch in der industriellen Kompostierung ist es biologisch abbaubar. Deshalb ersetzt es bereits in einigen Anwendungen erdölbasierte Kunststoffe. Technische Fasern waren davon bislang ausgenommen, weil sie zu hohe Festigkeiten erfordern. Genutzt werden derartige Fasern beispielsweise bei medizinischen Operationen, aber auch für die Seile von Kinderschaukeln.

Marx hat nun einen Prozess entwickelt, der zwei PLA-Komponenten bei einer ganz bestimmten Temperaturführung vermischt. Dadurch entsteht ein PLA-Pulver mit einer sogenannten Stereokomplex-Kristallstruktur. Daraus hergestellte Garne weisen Festigkeiten und Steifigkeiten auf dem Niveau etablierter Kunststoffe auf.

Schnell auf Industriedimensionen übertragbar

„Für die Medizintechnik und speziell für uns als Entwickler und Produzent von innovativen textilen Implantaten sind die im Projekt erzielten Forschungsergebnisse von hoher Bedeutung. Denn bislang gibt es auf dem Markt keine Produkte auf PLA-Basis in stereokomplexer Form“, erläutert Sven Oberhoffner von der ITV Denkendorf Produktservice GmbH. Der jetzt verfügbare PLA-Blend ermögliche beispielsweise, verbesserte Osteosyntheseplatten zur Behandlung von Frakturen zu entwickeln.

Axel S. Hermann, Institutsleiter des Faserinstituts Bremen e.V., zeigt sich optimistisch, dass das neue Verfahren schnell Einzug in den Industriealltag finden wird: „Ergebnis dieses IGF-Projektes ist ein innovativer, sehr nachhaltiger Werkstoff, der für Hochtechnologiebranchen wie die Luft- und Raumfahrtechnik, die Medizintechnik oder für den Automobilbau vorgesehen ist. Da der Werkstoff auf einer industrienahen Technikumsanlage entwickelt worden ist, sind die Parameter, die erforscht wurden, sehr leicht in die Industrie übertragbar.“

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Ob auf dem Acker oder im Stall: In der Landwirtschaft hat die Digitalisierung längst Fuß gefasst. Agrar-Apps, Drohnen und GPS-gesteuerte Landmaschinen mit neuester Sensor- und Messtechnik haben das Potenzial, den Agrarsektor nachhaltiger und effizienter zu machen. Inwiefern digitale Technologien auch Klima und Artenvielfalt schützen, ist jedoch offen. Forschende vom Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) und vom Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) fordern nun in einer aktuellen Studie von der Politik, für die Landwirtschaft ökologische und soziale Leitlinien zu schaffen, damit auch die Natur von der Digitalisierung profitiert.

Natur- und Umweltschutz als Leitziel für die digitale Agrarwirtschaft

„Klar ist, dass wir das Ziel einer nachhaltigen Transformation der Landwirtschaft nur erreichen, wenn der Natur- und Umweltschutz auch für die digitalisierte Agrarwirtschaft zum Leitziel wird“, so Sabine Riewenherm, Präsidentin des Bundesamtes für Naturschutz, das die Studie in Auftrag gegeben hat. Die Forschenden zeigen darin Forschungslücken auf und geben gleichzeitig Empfehlungen, wie diese Lücken zu schließen sind und wo politisch nachzusteuern ist.

Fest steht: Digitale Technologien können zum Erhalt der Biodiversität beitragen – etwa, indem der Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden reduziert wird und damit Böden und Gewässer geschont werden. „Ein verbessertes Monitoring und Tracking von Umweltdaten kann biodiversitätsfördernde Maßnahmen erleichtern. Und durch kleine, leichte Feldroboter sowie präzisere Fahrten von größeren Maschinen lässt sich die Bodenverdichtung verringern“, ergänzt Projektleiterin Lea Kliem vom IÖW.

Studien zu Risiken der Digitalisierung gefordert

Belege für diese positiven Effekte gibt es bislang jedoch nicht. Die Forschenden fordern daher mehr unabhängige Studien zu den ökologischen und gesellschaftlichen Auswirkungen der Digitalisierung in der Landwirtschaft und vor allem auch zu ihren Risiken. Andernfalls könne die Digitalisierung bestehende Probleme sogar noch verschärfen. Die Forschenden warnen daher vor einem möglichen Rebound-Effekt. „Bei allen Vorteilen muss die Politik auch die Schattenseiten der Digitalisierung ernst nehmen“, so Kliem.

Die Corona-Pandemie hatte die Umsätze der deutschen Biotech-Branche zwei Jahre in Folge sprunghaft ansteigen lassen. Genauso groß war die Bereitschaft der Unternehmen, in Forschung und Entwicklung (F&E) zu investieren und neue Arbeitsplätze zu schaffen. Vor allem Impfstoffentwickler wie BioNTech und CureVac hatten das Rekordwachstum bestimmt. Nun scheint der Höhenflug der Branche vorbei zu sein. Die jährliche Umfrage des Branchenverbandes BIO Deutschland ergab ein eher pessimistisches Bild.
 
Das Barometer zur aktuellen Geschäftslage rutscht demnach von knapp 100 Punkten auf 88 deutlich ab, die Hoffnungen auf die künftige Geschäftslage sogar noch stärker von 95 auf 77 Punkte. Nur ein Viertel der an der Umfrage teilnehmenden Unternehmen geht von einer verbesserten Geschäftslage in den kommenden Monaten aus. Das Gros ist mit der aktuellen Geschäftslage deutlich unzufriedener als in den Vorjahren. Der Ausblick auf das kommende Jahr ist demnach sogar noch schlechter als während der Finanzkrise 2008.

Bereitschaft zu F&E-Investitionen sinkt

So konnte die Biotechnologie-Branche 2022 lediglich rund 920 Mio. Euro Eigenkapital einwerben, weniger als ein Drittel des Betrags im ersten Jahr der Pandemie, 2020. Auch die Bereitschaft, Investitionen in Forschung und Entwicklung zu erhöhen, sank der Umfrage zufolge erheblich. Eine Aufstockung des F&E-Budgets planen demnach lediglich 39 %. 2021 waren es noch 57 %. Fast 90 % wollen aber grundsätzlich in F&E investieren. Für den Branchenverband ist das ein deutliches Zeichen für die nachhaltige Forschungsintensität der Branche. Auch beabsichtigten lediglich 5,6 % Personal abzubauen, 45 % wollen mehr Beschäftigte einstellen.

Energiekrise und Inflation beeinflussen Geschäftslage

Nur 40 % der Befragten bezeichneten ihre Geschäftslage als gut. Im Vorjahr waren es noch 64 %. Was die zukünftige Geschäftslage betrifft, so erwarten nur 26 % eine Verbesserung und damit nur halb so viele wie 2021. Mehr als die Hälfte der Befragten gab zudem an, dass die Energiekrise negative Auswirkungen auf ihre Geschäftslage habe. Starke beziehungsweise mäßige Auswirkungen der Inflation bekamen der Umfrage zufolge ein Fünftel beziehungsweise die Hälfte der befragten Unternehmen zu spüren.

The Corona pandemic had caused sales in the German biotech industry to soar for two years in a row. Just as great was the willingness of companies to invest in research and development (R&D) and create new jobs. Vaccine developers such as BioNTech and CureVac in particular had determined the record growth. Now, the annual survey of the industry association BIO Deutschland revealed a rather pessimistic picture.

Accordingly, the barometer for the current business situation dropped significantly from just under 100 to 88 points, while hopes for the future business situation fell even more sharply from 95 to 77 points. Only a quarter of the companies surveyed expect the business situation to improve in the coming months. The majority are significantly more dissatisfied with the current business situation than in previous years. The outlook for the coming year is thus even worse than during the financial crisis in 2008.

Willingness to invest in R&D decreases

The biotechnology sector could raise only around EUR 920 million in equity in 2022, less than a third of the amount in the first year of the pandemic, i.e. 2020. The willingness to increase investment in R&D has also fallen significantly, according to the survey. Only 39% of companies plan to increase their R&D budgets. In 2021, the figure is still 57%. Nevertheless, almost 90% fundamentally want to invest in R&D. For the industry association, this is a clear sign of the industry's continuing research intensity. Also, only 5.6% want to cut staff, while 45% want to hire more employees.

Energy crisis and inflation influence business situation

Only 40% of respondents described their business situation as good. In the previous year, the figure was 64%. As far as the future business situation is concerned, only 26% expect an improvement, only half as many as in 2021. More than half of those surveyed also stated that the energy crisis is having a negative impact on their business situation. According to the survey, one fifth and half of the companies surveyed are feeling the strong and medium effects of inflation, respectively.