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Biogas is one of the components that are to replace fossil raw materials in the energy transition. It is produced by microbial communities fermenting biomass. In principle, the processes involved are well understood, but how the microbial communities are composed has only been partially researched so far. An international research team with the participation of the Brandenburg University of Technology Cottbus - Senftenberg (BTU) has taken on this task – and made an important discovery.

Striking, as yet undescribed group of bacteria discovered

Within the EU-funded Micro4Biogas project, the participants recorded the technical and biochemical parameters for 45 biogas plants. They also took 80 samples and analysed the microorganisms living in them. To do this, the team sequenced the DNA of the respective samples and identified the microbes present in them by comparing the so-called 16s-rRNA gene with reference databases. This gene is found in all microorganisms, but varies slightly between the different strains and can therefore be used for identification. This revealed a common group of bacteria whose 16s-rRNA had already been mentioned in other studies, but which had not yet been cultivated and studied in the laboratory.

However, in the subsequent complete sequencing of the metagenomes of 30 samples – the totality of the DNA of all microbes in them – the bacterium could not be detected. Obviously, there was not yet a complete sequence in the databases for comparison. The team therefore painstakingly isolated the specific DNA of the unknown bacterium from the mass and found that it belonged to a previously unknown order. The researchers called it Darwinibacteriales.

Probable interaction with methanogenic archaea

"Interestingly, members of the Darwinibacteriales were present in all 80 samples, despite the differences and distance between these plants," explains Christian Abendroth from the BTU. The researchers suspect that certain members of this order interact with methanogenic archaea. If this is confirmed, the bacteria now described have a central significance for biogas production. This knowledge, in turn, could be a starting point for optimising biogas production.

"This is a nice example of something that was right under our noses, essential for biogas production, but remained hidden from us for a long time," Manuel Porcar sums up, Micro4Biogas coordinator from the Spanish University of Valencia. The work so far has already resulted in two publications on bioRxiv, which are still being reviewed as preprints – one specifically on the Darwinibacteriales and one on the entire analysis of the 80 samples. But the evaluation of the 80 samples is far from complete – and could reveal further surprises.

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Die Prinzipien von Fast Fashion sind in der globalen Modeindustrie noch immer weit verbreitet – ebenso wie die negativen Auswirkungen. Mit den billigen Produktionen über das benötigte Maß hinaus, gehen Schäden an Menschen, Tieren, Klima und Umwelt einher. Die Bioökonomie hält für diese Herausforderungen nicht die eine große Lösung bereit. Forschende und Unternehmen zeigen jedoch, dass es bereits eine Vielzahl von Ansätzen gibt, nachhaltigere Kleidungsstücke und Accessoires zu produzieren.

So wird aus Blättern ein Lederersatz, Bakterien stellen Farbpigmente her, Chitosan legt sich als Schutzfilm auf Fasern und Stammzellen produzieren Pelz. Diese und 20 weitere spannende Beispiele biobasierter Modeinnovationen gibt es in der Multimedia-Story “Der Textilcampus” zu entdecken. 

Die Produktion von Leder für die Textilindustrie ist im Vergleich zu vielen anderen Materialien nicht nur ressourcenaufwändig, sondern auch für hohe Treibhausgasemissionen verantwortlich, insbesondere von Methan. Grund dafür ist vor allem die Aufzucht von Rindern. Zudem kommen bei den notwendigen Gerbverfahren meist ätzende Chemikalien zum Einsatz. Mangelt es in den Manufakturen an Schutzstandards, können die Prozesse der Umwelt und den Mitarbeitenden in den Gerbereien schaden.

Die Bioökonomie-Forschung hat in den vergangenen Jahren zahlreiche Lederalternativen entwickelt, bei denen diese Missstände vermieden und weniger Ressourcen eingesetzt werden. Einige dieser neuen Materialien stehen in Form von Blattleder-Handtaschen bereits in Boutique-Regalen, bei anderen Werkstoffen befindet man sich noch mitten in der Laborphase – wie zum Beispiel bei der Lederherstellung aus Stammzellen. Das Kapitel “An der Küste” bietet weiterführende Informationen sowohl zu diesen beiden als auch zu vier weiteren Lederalternativen.

Stroh, Lauch, Bioreaktoren – was diese drei Elemente mit Mode zu tun haben, erfährt man in dem Kapitel “Im Labor”. Dort dreht sich alles um innovative Materialien der Bioökonomie, die gerade für die Textilindustrie wichtig sind. Wichtig, weil große Teile dieses Industriesektors von den negativen Auswirkungen des Fast-Fashion-Trends betroffen sind. Die Herstellungsprozesse von Kleidung und Accessoires gehen mit einem hohen Energie-, Wasser- und Chemikalieneinsatz einher, Transporte von halbfertigen Stücken zur Weiterverarbeitung in andere Länder verursachen Emissionen. Und meist kommt synthetisches Garn zum Einsatz, das Mikroplastik absondert, die Erdölnachfrage ankurbelt und häufig als Müll in der Umwelt verbleibt.

Alternativ setzen Firmen zum Beispiel auf Baumwolle, deren Aufzucht ist jedoch besonders ressourcenintensiv. Forscherteams auf der ganzen Welt arbeiten an erneuerbaren Garnen und Stoffgemischen, die in Materialkreisläufe mit niedrigem Energie- und Ressourceneinsatz eingebunden werden können. Sechs davon kann man in diesem Kapitel entdecken.

Beim Färben von Kleidung kommt heutzutage viel Chemie zum Einsatz. Daraus resultiert ein großer Teil der weltweiten Wasserverschmutzung. Über unsachgemäße Abwassersysteme von Färbereien gelangen Substanzen über Flüsse in Seen und Meere und schädigen dort die Ökosysteme. Zudem können sie über Umwege in das Grundwasser gelangen und zu Verunreinigungen führen. Im Kapitel “Im Gewächshaus” findet man biobasierte Alternativen, wie zum Beispiel Farben aus Kräutern oder Algen, mit denen Fasern umweltfreundlicher koloriert werden können. Besonders Algen sind mit ihrer großen Artenvielfalt eine noch größtenteils unerschlossene Ressource für biobasiertes Färben und andere nachhaltige Innovationen.

Kleidung soll jedoch nicht nur gut aussehen, sie soll auch warmhalten. Für diesen Zweck kommen standardmäßig Daunen oder erdölbasierte Füllmaterialien zum Einsatz. Mit bioökonomischen Alternativen, die etwa aus Pflanzenresten bestehen, gelingt der Verzicht auf synthetische oder tierische Materialien. Wofür Reststoffe außerdem nützlich sind, kann man in diesem Kapitel erfahren.

Um die Fasern von Kleidung vor Abrieb, Schmutz, Nässe und UV-Strahlung zu schützen, wird ihre Oberfläche meistens mit einer Schicht aus chemischen Substanzen benetzt. Mit Blick auf die Langlebigkeit von Textilien erscheint dieser Vorgang sinnvoll und nachhaltig. Das Problem liegt nicht in der Funktion der eingesetzten Mittel, vielmehr an ihren Eigenschaften. Meist handelt es sich um per- und polyfluorierte Chemikalien, die beispielsweise auch für die Beschichtung von Pfannen genutzt werden. Gelangen die stabilen Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen in die Umwelt, können sie sich in Gewässern, im Boden, an Wurzeln und in der Luft anreichern und dort die natürlichen Ökosysteme stören.

Diese chemischen Verbindungen durch umweltfreundliche Alternativen zu ersetzen, war bisher schwierig. Immer mehr Forscherteams widmen sich diesem Problem und erste Erfolge wurden bereits erzielt. Sechs Erfolgsgeschichten werden im Kapitel “In der Werkstatt” vorgestellt.

Einfache Sensoren und smarte Software anstelle von Hightech-Geräten – das ist das Ziel eines neuen Forschungsprojekts namens ResKIPP. Darin wollen Forschende der TU Chemnitz Methoden entwickeln, um die Qualitätssicherung in der Pflanzenproduktion kostengünstiger zu gestalten. Das sächsische Wissenschaftsministerium fördert das Vorhaben mit 590.000 Euro.

Nahrungserträge der Zukunft sicherstellen

Die Pflanzenproduktion spielt weltweit eine wachsende Rolle. Zum einen sind da Blumen und Ziergehölze, zum anderen aber vor allem die Nahrungspflanzen. Letztere sollen ihre heutige Produktivität bewahren oder sogar steigern. Dabei stehen große Umbrüche an, denn die Landwirte müssen künftig mit weniger Dünge- und Pflanzenschutzmitteln auskommen, um die ökologischen Probleme nicht weiter zu verschärfen. Gleichzeitig setzt die Klimakrise den etablierten Hochleistungssorten zu.

„Die Produktion von Pflanzen unter kontrollierten Bedingungen erhöht die Krisenfestigkeit, entkoppelt die Produktion von Jahreszeiten und Klima und verringert den Flächenbedarf“, wirbt Projektleiter Stefan Streif für den Anbau im Gewächshaus, insbesondere aber für Indoor-Lösungen der urbanen Landwirtschaft. „Aufgrund der hohen Technologisierung führt dies jedoch zu signifikanten Preissteigerungen für die dafür benötigte Technik und qualifiziertes Fachpersonal, wodurch dieser Ansatz in der Praxis bisher oft unwirtschaftlich ist“, erläutert der Forscher.

KI statt teurer Geräte und Fachpersonal

Diese teure hochtechnologisierte Anbaukontrolle wollen die Projektbeteiligten nun ersetzen, durch eine günstige und robuste Alternative. Der erste Ansatz besteht darin, Modelle der Anbauprozesse mit Messdaten einfacher Sensoren zu verknüpfen und mittels Künstlicher Intelligenz und regelungstechnischer Methoden die gleiche Qualität zu erzielen wie mit wesentlich teurerer Anlagentechnik.

Der zweite Ansatz soll die Personalkosten senken: „So soll beispielsweise durch die Automatisierung eines Sensorsystems, etwa durch eine automatische Sensorkalibrierung und eine Rekonfiguration bei Sensorausfällen, der Bedarf an Fachpersonal bei der Pflanzenproduktion verringert werden“, schildert Streif die Pläne. Ergebnisse will das Team bis Ende 2025 präsentieren.

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Vegane Lebensmittel liegen im Trend. Tierische Proteine aus Fleisch oder Fisch werden dabei durch pflanzliche Eiweiße beispielsweise aus Erbsen, Soja oder Weizen ersetzt. Im Vergleich zu Fleischersatzprodukten ist das Angebot zu pflanzlichen Fischalternativen eher gering. Auch mit Blick auf gesunde Inhaltsstoffe wie die so wichtigen Omega-3-Fettsäuren kann der Fischersatz mit dem tierischen Vorbild ohne Zusätze noch nicht mithalten. Forschende der Universität Hohenheim in Stuttgart und des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB wollen das ändern. Das Team arbeitet derzeit an einer Fischalternative aus Mikroalgen.

Mikroalge mit hohem Anteil an Omega-3-Fettsäuren

Dabei konzentriert sich die Forschungsgruppe auf den Einzeller Phaeodactylum tricornutum. „Die getrockneten Mikroalgen weisen neben einem Proteinanteil von fast 50 % in der Trockenmasse auch nennenswerte Mengen der langkettigen Omega-3-Fettsäure Eicosapentaensäure, kurz EPA, auf. Zudem enthalten sie auch wasserlösliche Ballaststoffe, die wichtig für die Darmgesundheit sind, sowie Vitamin E und Carotinoide“, sagt Lena Kopp, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Ernährungsmedizin der Universität Hohenheim.
 
Die Kultivierung der Mikroalge erfolgt in großen Photo-Bioreaktoren am Fraunhofer IGB. Hier können die Forschenden die Wachstumsbedingungen regulieren und damit die Produktion der Inhaltsstoffe entsprechend beeinflussen. „So produzieren die Mikroalgen viel EPA, wenn ihnen genügend Nährstoffe zur Verfügung stehen. Müssen sie jedoch hungern, bilden sie mehr Ballaststoffe“, erklärt Kopp. Damit Mikroalgen als Lebensmittel wie Fischersatz zugelassen werden, müssen die Forschenden noch einige Hürden meistern. Ein Problem: Mikroalgen schmecken und riechen nach altem Fisch. Verantwortlich dafür sind verschiedene Inhaltsstoffe wie etwa Trimethylamin, das auch entsteht, wenn Fisch länger gelagert wird.

Fermentation der Mikroalgen mit Hilfe von Pilzen

Um den Geschmack der Mikroalgen zu verbessern, verfolgt die Forschungsgruppe daher einen neuen Ansatz: Sie setzt auf die Fermentation mit Hilfe von Pilzen, um Mikroalgen herzustellen. „Dies ist eine uralte Zubereitungsart für Lebensmittel, die in Asien weit verbreitet, aber in Europa nahezu unbekannt ist“, sagt Yanyan Zhang von Fachgebiet Aromachemie der Universität Hohenheim. „Zwar kennen die Menschen hierzulande die Fermentation von Lebensmitteln, wie beispielsweise bei Joghurt und Sauerkraut, aber dafür werden Bakterien genutzt, keine Pilze.“

Speisepilze bauen unerwünschte Substanzen ab

Den Forschenden zufolge kommen bei der Fermentation der Mikroalgen daher bestimmte Speisepilze zum Einsatz. Erste Versuche sind vielversprechend. „Nach ersten Ergebnissen bauen diese Pilze tatsächlich die unerwünschten Substanzen ab“, berichtet Marina Rigling. „Allerdings leider auch zu einem kleinen Teil die erwünschten Inhaltsstoffe.“ Hier gibt es Rigling zufolge noch erheblichen Forschungsbedarf.
 
Die Forschenden sind überzeugt, dass sich Mikroalgen als Fischalternative besonders eignen – nicht zuletzt wegen ihres von Natur aus fischigen Geschmacks. Tests mit Probanden haben bereits gezeigt, dass Mikroalgen den täglichen Bedarf an Omega-3-Fettsäuren decken können. Nach einem zweiwöchigen Versuch mit einem Algen-Smoothie fanden sich im Blut der Probanden ähnlich hohe Mengen an Omega-3-Fettsäuren wie nach der Einnahme von Fischölkapseln.

Interesse an Vermarkung der Mikroalgen-Produkte

Im Test mit verschiedenen Lebensmitteln auf Mikroalgenbasis darunter Flammkuchen und Algen im Blätterteig sowie Tortelloni mit verschiedenen Füllungen kam letztlich eine mit Bärlauch-Pesto gefüllte Teigtasche bei den Testpersonen am besten an. Bei der Produktentwicklung arbeiten die Forschenden mit einem Bio-Unternehmen aus Hayingen auf der Schwäbischen Alb zusammen, das auch an einer Vermarktung der Mikroalgen-Produkte interessiert ist.

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Erdöl, Erdgas und Kohle müssen innerhalb von maximal zwei Jahrzehnten durch klimaneutrale Alternativen ersetzt werden. Das gilt nicht nur für die energetische Nutzung, die derzeit besonders viel Aufmerksamkeit erhält, sondern auch für die stoffliche Verwendung. Denn die meisten Chemikalien werden heute aus Erdöl oder Erdgas erzeugt. Immer mehr Basischemikalien können jedoch schon jetzt aus biobasierten Rohstoffen und damit nahezu klimaneutral gewonnen werden. Einem Forschungsteam des Leibniz-Instituts für Katalyse (LIKAT) um Kathrin Junge ist es nun gelungen, die Plattformchemikalie Furfural zu Aminen umzusetzen.

Amine aus biogenen Reststoffen

Amine sind stickstoffhaltige Verbindungen, die vielen Chemikalien ihre Funktion verleihen, darunter Medikamente, Agrochemikalien, aber auch Verbindungen für die Energietechnik und die Materialwissenschaften. Der Markt für Amine wächst derzeit um rund acht Prozent pro Jahr, doch die Synthese dieser Verbindungen beruht noch immer überwiegend auf fossilen Rohstoffen.

Der am LIKAT arbeitende Humboldt-Stipendiat Haifeng Qi hat nun ein Verfahren entwickelt, das auf der Plattformchemikalie Furfural aufsetzt. Furfural kann vollständig aus biogenen Reststoffen hergestellt werden. Zusammen mit Ammoniak und Wasserstoff lässt sich aus Furfural Piperidin herstellen, ein Amin, das zu Arzneimitteln, Pflanzenschutzmitteln oder Lösungsmitteln weiterverarbeitet wird. Auch andere Amine können ausgehend von Furfural produziert werden: „Wenn man zum Beispiel das Produkt Piperidin weiter erhitzt und gleichzeitig die Zufuhr von Wasserstoff und Ammoniak abschaltet, entsteht ein weiteres Amin namens Pyridin“, berichtet Qi.

Ein Reaktionsschritt, 97 % Ausbeute

Das Besondere an Qis Verfahren ist jedoch der Katalysator, der es ermöglicht, die Reaktion zum Amin in nur einem Schritt durchzuführen, wo bislang fünf oder sechs Reaktionsschritte erforderlich waren. In umfangreichen Analysen gelang es, diese Besonderheit des Katalysators zu erklären: „Gruppen von Kobalt-Atomen fanden sich in Nanopartikeln zusammen, an deren Oberfläche sich das Ruthenium lagerte, und zwar in Form einzelner Atome“, berichtet Junge. Qi ergänzt: „Genau diese einatomige Struktur, wie wir sie nennen, machte den Effekt. Und sie ist ziemlich stabil.“

Doch der Katalysator verkürzt nicht nur den Herstellungsprozess, er hat auch eine enorm hohe Selektivität, die Ausbeuten von bis zu 97 % ermöglicht. Dadurch kann die sonst erforderliche Aufreinigung der Amine entfallen.

Mögliche Basis für Bioraffinerien

„Ein solcher Stoffkreislauf der Amin-Produktion auf der Basis von Biomasse ist kaum bekannt“, betont LIKAT-Direktor Matthias Beller, der von deutscher Seite die Arbeit Qis betreute. Das könne die Basis einer „Bioraffinerie der Zukunft“ sein. Details zum Katalysator und den Amin-Reaktionen haben die Forschenden unlängst im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

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Ob Dübel, Eierlöffel oder Armarturenbrett: Kunststoffe sind allgegenwärtig. Denn die zumeist erdölbasierten Werkstoffe sind leicht, langlebig und in der Industrie vielseitig einsetzbar. Gleichzeitig werden bei der Herstellung aus fossilen Rohstoffen oft große Mengen des klimaschädlichen Treibhausgases CO₂ freigesetzt. Im Einsatz von biobasierten Kunststoffen im Leichtbau sehen Fachleute daher ein großes Potenzial, den CO₂-Ausstoß in der Industrie zu reduzieren. Im Projekt COOPERATE wollen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer LBF gemeinsam mit Partnern nun Leichtbaukomponenten aus erdölbasierten Kunststoffen durch biobasierte Alternativen ersetzen. Gleichzeitig arbeitet das Team an materialsparenden Methoden, um Ökobilanz und Nachhaltigkeit der Produktion zu verbessern.

CO₂-Anteil im Fahrzeugbau reduzieren

Ziel ist es, den CO₂-Anteil bei der Herstellung von Kunststoffteilen im Fahrzeugbau um bis zu 50 % zu reduzieren. „Wir konzentrieren uns auf das Matrixmaterial im Komposit und halbieren dort die Emissionen gegenüber konventionellem Kunststoff mit 9 Kilogramm CO₂ pro Kilogramm auf 4,5 Kilogramm CO₂ pro Kilogramm Produktgewicht“, sagt Georg Stoll, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF in Darmstadt. „Durch die Gewichteinsparung im Fahrzeugbereich lässt sich außerdem der Verbrauch an Antriebsenergie senken, was wiederum den CO₂-Fußabdruck mindert.“

Langlebige Leichtbauteile aus Biopolymeren

Das Projektteam verfolgt zwei Ansätze: Zum einen sollen konventionelle Kunststoffe durch biobasierte Kunststoffe beziehungsweise faserverstärkte Biopolymere ersetzt werden, die aus landwirtschaftlichen Reststoffen gewonnen werden. Hier wollen die Forschenden ein aus Leinöl gewonnenes Biopolyamid für langlebige, schwingungsbelastete Leichtbauteile optimieren.

Entwicklung materialsparender Verfahren

Zum anderen sollen materialsparende Verfahren zur Herstellung und Auslegung von Bauteilen entwickelt werden, um bereits in dieser Phase den Materialeinsatz und damit die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Angestrebt wird eine Materialeinsparung von 20 bis 30 % unter Berücksichtigung der Beanspruchbarkeit des Werkstoffs. „Wir simulieren sowohl den Herstellungsprozess als auch das Bauteilverhalten. Dadurch erkennen wir bereits im virtuellen Entwurfs- und Entwicklungsprozess, wie das Bauteil optimalerweise konstruiert werden muss, um weniger Material zu verbrauchen“, so der Projektleiter.

Beteiligt sind neben dem Fraunhofer LBF die BOGE Elastmetall GmbH, ein Hersteller von Schwingungssystemen und Kunststoffkomponenten für die Automobilindustrie, die TECNARO GmbH, die Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen entwickelt, und der Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC) der Technischen Universität München.

Die notwendigen Modelle zur Beschreibung des Materialverhaltens im fertigen Bauteil werden am Fraunhofer LBF und am LCC der TU München entwickelt. Aus dem Biokunststoff werden derzeit Probengeometrien im Spritzgussverfahren hergestellt und auf Prüfständen am Fraunhofer LBF charakterisiert. Auf diese Weise will das Team Erkenntnisse darüber gewinnen, welchen Einfluss bestimmte Parameter wie Temperatur oder Feuchtigkeit in der Bauteilgeometrie auf die Steifigkeit und Betriebsfestigkeit des Materials haben.

Breiterer Einsatz biobasierter Kunststoff-Bauteile in der Industrie

Mit den neuen materialsparenden Verfahren und den verbesserten, leichtbaurelevanten Materialeigenschaften will das Projektteam den Weg für den Einsatz von biobasierten Kunststoffen in weiteren Technologie- und Anwendungsfeldern wie dem Maschinenbau ebnen. „Biobasierte Kunststoffe werden zunehmend leistungsfähiger und erreichen heutzutage fast vergleichbare Eigenschaften wie ihre über viele Jahrzehnte hoch optimierten, fossilen Pendants. Ein nachhaltiges Bauteil zu designen, das die gleichen Lasten bei weniger Gewicht tragen kann als ein Bauteil aus treibhausgasintensiven Werkstoffen, ist dennoch eine große Herausforderung“, so Stoll.

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Whether dowels, egg spoons or armature boards: plastics are omnipresent. Because the mostly petroleum-based materials are light, durable and versatile in industry. At the same time, their production from fossil raw materials often releases large quantities of the climate-damaging greenhouse gas CO₂. Experts therefore see great potential in the use of bio-based plastics in lightweight construction to reduce CO₂ emissions in industry. In the COOPERATE project, researchers from the Fraunhofer LBF, together with partners, now want to replace lightweight construction components made from petroleum-based plastics with bio-based alternatives. At the same time, the team is working on material-saving methods to improve the eco-balance and sustainability of production.

Reducing the CO₂ share in vehicle construction

The goal is to reduce the CO₂ content in the production of plastic parts in vehicle construction by up to 50%. "We focus on the matrix material in the composite and halve the emissions there compared to conventional plastic with 9 kilograms of CO₂ per kilogram to 4.5 kilograms of CO₂ per kilogram of product weight," says Georg Stoll, project manager and scientist at the Fraunhofer LBF in Darmstadt. "The weight savings in the vehicle area also allow the consumption of drive energy to be reduced, which in turn reduces the CO₂ footprint."

Durable lightweight components made from biopolymers

The project team is pursuing two approaches: On the one hand, conventional plastics are to be replaced by bio-based plastics or fibre-reinforced biopolymers obtained from agricultural residues. Here, the researchers want to optimise a biopolyamide obtained from linseed oil for durable, vibration-loaded lightweight components.

Development of material-saving processes

On the other hand, material-saving processes for the production and design of components are to be developed in order to reduce material use and thus greenhouse gas emissions already in this phase. The aim is to achieve a material saving of 20 to 30%, taking into account the stressability of the material. "We simulate both the manufacturing process and the component behaviour. In this way, we can already see in the virtual design and development process how the component must be optimally designed in order to consume less material," says the project manager.

In addition to the Fraunhofer LBF, the partners involved are BOGE Elastmetall GmbH, a manufacturer of vibration systems and plastic components for the automotive industry, TECNARO GmbH, which develops bioplastics and biocomposites from renewable raw materials, and the Chair of Carbon Composites (LCC) at the Technical University of Munich.

The necessary models to describe the material behaviour in the finished component are being developed at the Fraunhofer LBF and at the LCC of the TU Munich. Sample geometries are currently being produced from the bioplastic by injection moulding and characterised on test benches at the Fraunhofer LBF. In this way, the team wants to gain knowledge about the influence of certain parameters such as temperature or humidity in the component geometry on the stiffness and operational strength of the material.

Wider use of bio-based plastic components in industry

With the new material-saving processes and the improved material properties relevant to lightweight construction, the project team wants to pave the way for the use of bio-based plastics in other fields of technology and application such as mechanical engineering. "Bio-based plastics are becoming increasingly efficient and nowadays achieve almost comparable properties to their fossil counterparts, which have been highly optimised over many decades. Designing a sustainable component that can bear the same loads with less weight than a component made of greenhouse gas-intensive materials is nevertheless a major challenge," says Stoll.

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Bakterien und Pilze sind für den Chemiekonzern BASF schon lange wichtige Werkzeuge, um die chemische Industrie nachhaltiger zu machen. Mit ihrer Hilfe können nachwachsende Rohstoffe wie Glukose durch Fermentation in biobasierte und umweltfreundliche Produkte umgewandelt werden. Die neue Fermentationsanlage am BASF-Standort in Ludwigshafen ist für das börsennotierte Unternehmen daher ein weiterer Schritt beim geplanten Umbau der Produktionsprozesse in Richtung Nachhaltigkeit. In den Bau investiert der Chemiekonzern eigenen Angaben zufolge einen „hohen zweistelligen Millionen-Euro-Betrag“.

Umstellung auf Herstellungsverfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe

„Für die Produktion am BASF-Standort Ludwigshafen ist diese Entwicklung ein weiterer Schritt bei der Umstellung auf neue, innovative Herstellungsverfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe“, sagt Christian Aucoin, Leiter Globale Produktion der BASF Agricultural Solutions. „Der Standort bietet mit seiner guten Infrastruktur, der Einbindung in eine bestehende leistungsfähige Produktionsorganisation und der Nähe zu Forschungseinheiten wie der Weißen Biotechnologie hervorragende Voraussetzungen für diese Investition."

Neue Anlage produziert pilzbasiertes Insektizid

Mit dem Bau der Anlage will die BASF ihr Portfolio an biologischen und biotechnologisch hergestellten Pflanzenschutzmitteln erweitern. Nach Angaben des Unternehmens sollen in der Anlage Produkte hergestellt werden, die als biologische Fungizide und zur biologischen Saatgutbehandlung in der Landwirtschaft eingesetzt werden können. Ein Schwerpunkt der Produktion ist die Herstellung eines von der BASF entwickelten pilzbasierten Insektizids namens Inscalis. Zu den Mikroorganismen, die in der neuen Anlage eingesetzt werden, gehört der Pilz Penicillium coprobium, der eine direkte Vorstufe des Insektizids bildet.

„Wir sehen eine steigende Nachfrage nach biologischen Pflanzenschutzmitteln. Diese Investition ist ein wichtiger Schritt, um ein noch stärkeres und wettbewerbsfähigeres Portfolio in diesem Bereich aufzubauen“, sagt Marko Grozdanovic, Leiter Globales Strategisches Marketing bei BASF Agricultural Solutions.

Inbetriebnahme für 2025 geplant

Die Inbetriebnahme der Anlage ist für die zweite Jahreshälfte 2025 geplant. Rund 30 Arbeitsplätze werden dort in den Bereichen Produktion, Logistik, Engineering und Instandhaltung entstehen.

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Bacteria and fungi have long been important tools for the chemical company BASF to make the chemical industry more sustainable. With their help, renewable raw materials such as glucose can be converted into bio-based and environmentally friendly products through fermentation. The new fermentation plant at the BASF site in Ludwigshafen is therefore a further step for the listed company in the planned conversion of its production processes towards sustainability. According to the chemical company, it is investing a "high double-digit million euro amount" in the construction.

Conversion to manufacturing processes based on renewable raw materials

"For production at BASF's Ludwigshafen site, this development is another step in the transition to new, innovative manufacturing processes based on renewable raw materials," says Christian Aucoin, Head of Global Production at BASF Agricultural Solutions. "The site offers excellent conditions for this investment with its good infrastructure, integration into an existing efficient production organisation and proximity to research units such as White Biotechnology."

New plant produces fungus-based insecticide

With the construction of the plant, BASF intends to expand its portfolio of biological and biotechnologically produced crop protection products. According to the company, the plant will manufacture products that can be used as biological fungicides and for biological seed treatment in agriculture. One focus of production is the manufacture of a fungus-based insecticide developed by BASF called Inscalis. The microorganisms used in the new plant include the fungus Penicillium coprobium, which forms a direct precursor of the insecticide.

"We see an increasing demand for biological crop protection products. This investment is an important step towards building an even stronger and more competitive portfolio in this area," says Marko Grozdanovic, Head of Global Strategic Marketing at BASF Agricultural Solutions.

Commissioning planned for 2025

Commissioning of the plant is planned for the second half of 2025. Around 30 jobs will be created there in the areas of production, logistics, engineering and maintenance.

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Ob Hering, Dorsch oder Thunfisch: Fisch gehört für viele Menschen zu einer gesunden Ernährung. Und die Nachfrage steigt seit Jahren. Gleichzeitig sind viele Bestände überfischt, so dass eine nachhaltige Versorgung mit Fisch nicht mehr gewährleistet ist. Die Kultivierung von Fischzellen im Bioreaktor ist ein vielversprechender Ansatz, um auch in Zukunft eine nachhaltige Versorgung mit gesundem Eiweiß zu ermöglichen. Im Verbundprojekt INVERS wollen Forschende unter Leitung des Berliner Food-Tech-Start-ups Bluu Seafood die In-vitro-Produktion von Fischzellen für neue nachhaltige und gesunde Lebensmittel vorantreiben.

Kultivierung von Fischvorläuferzelllinien optimieren

Im auf drei Jahre angelegten Projekt sollen daher Verfahren zur Kultivierung von Fettvorläuferzelllinien aus lachsähnlichen Fischen als Basis für Lebensmittel entwickelt werden, die reich an Proteinen und Omega-3-Fettsäuren sind. Dazu werden die Vorläuferzellen charakterisiert und hinsichtlich ihrer Vermehrung optimiert, um sie zukünftig im industriellen Maßstab herstellen zu können. Auch die Reifung der Vorläuferzellen zu Fettzellen soll verbessert werden.

Akzeptanzanalyse und Umsetzungschancen

Das im Oktober 2023 gestartete Projekt wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung in den kommenden drei Jahren mit insgesamt 1,3 Mio. Euro gefördert. Als eines der ersten Unternehmen in Deutschland und Europa wird das Start-up Bluu Seafood, das sich auf die In-vitro-Produktion von Fisch spezialisiert hat, die wirtschaftliche Umsetzung übernehmen. Darüber hinaus sind Forschende der Hochschule Reutlingen an der technologischen Grundlagenforschung beteiligt. Die Universität Vechta verantwortet den sozialwissenschaftlichen Teil, der sich mit der Akzeptanz von in vitro produzierten Fischlebensmitteln und den wirtschaftlichen Umsetzungschancen beschäftigt.

Das 2020 in Berlin gegründete Start-up Bluu Seafood hat mit Fischstäbchen und Fischbällchen bereits erste zellbasierte Fischprodukte zur Marktreife gebracht.

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Für zahlreiche Arten von Lebewesen wird die Klimakrise zu Umweltbedingungen führen, die sie nicht überleben können. Anders könnte es Mikroalgen ergehen, wie jetzt eine Studie des GEOMAR Helmholtz Zentrums für Ozeanforschung Kiel, der Universität Würzburg und der Universität von East Anglia (UEA) ergeben hat. Demnach können die Einzeller sich mithilfe einer lichtgetriebenen Protonenpumpe an Nährstoffmangel anpassen, wie er in sich erwärmenden Meeren zu erwarten ist.

Rhodopsin wirkt als Protonenpumpe

Im Fachjournal Nature Microbiology berichtet das Forschungsteam, dass es sogenanntes Phytoplankton näher untersucht hat, im Wesentlichen Mikroalgen. Normalerweise benötigen Algen viel Eisen, um Sonnenlicht nutzen zu können, doch das ist in nährstoffarmen Regionen der Meere knapp. Gut ein Drittel der Meeresoberfläche verfügt über zu wenig Eisen, um Algen beim Wachsen zu unterstützen. Bei den Kieselalgen entdeckten die Forschenden jedoch, dass die Mikroorganismen einen speziellen Mechanismus entwickelt haben, um ohne Eisenbedarf aus Sonnenlicht Energie für ihren Stoffwechsel zu gewinnen.

Anstelle der üblichen Photosynthese nutzen sie ein Protein namens Rhodopsin, verwandt mit jenem, das im menschlichen Auge vorkommt. Bestimmte Rhodopsine können Protonen durch die Zellmembran pumpen, wodurch die Zelle das Molekül ATP bilden kann. ATP ist der universelle Energieträger aller Zellen und auch eines der Hauptprodukte der Photosynthese.

Klimarobuster Anfang der Nahrungskette

Untersuchungen der Rhodopsine der Kieselalgen ergaben, dass diese Proteine selbst im kalten Südpolarmeer effektiv funktionieren. „Dank der lichtbetriebenen Protonenpumpe können diese Algen in nährstoffarmen Oberflächenmeeren besser gedeihen als erwartet“, berichtet Thomas Mock. Dass mit dem Klimawandel immer weniger Nährstoffe aus der Tiefe an die Oberfläche gelangen, ist für Kieselalgen somit bedeutungslos.

Umso mehr Bedeutung hat dieser Prozess für Ökosysteme und Klima: Mikroalgen bilden die Basis des gesamten marinen Nahrungsnetzes, von Krill über Fische bis hin zu Pinguinen und Walen. Ginge der Bestand der Mikroalgen infolge der Klimakrise drastisch zurück, hätte das massive Folgen für das Leben in den Meeren. Außerdem entziehen Algen der Atmosphäre Kohlendioxid, um aus dem darin enthaltenen Kohlenstoff ihre Biomasse aufzubauen.

Mögliche Anwendungen in der Biotechnologie

Denkbar wäre nun außerdem, diesen neuen Prozess der Energiegewinnung genetisch genau zu entschlüsseln und dann in mikrobielle Zellfabriken zu übertragen. „Diese Maschinerie kann in der Biotechnologie eingesetzt werden, um die Produktivität von Mikroben zu steigern, die kein Licht nutzen können, wie beispielsweise Hefe“, erläutert Mock. Das beträfe unter anderem die Herstellung von Insulin und Antibiotika, aber auch von Biokraftstoffen und Enzymen für Industrieprozesse.

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For numerous species of living organisms, the climate crisis will lead to environmental conditions that they will not be able to survive. Microalgae could fare differently, as a study by GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, the University of Würzburg and the University of East Anglia (UEA) has now shown. According to the study, the unicellular organisms can adapt to nutrient deficiencies, such as those to be expected in warming seas, with the help of a light-driven proton pump.

Rhodopsin acts as a proton pump

In the journal Nature Microbiology, the research team reports that they have studied so-called phytoplankton, essentially microalgae. Normally, algae need a lot of iron to be able to use sunlight, but this is scarce in nutrient-poor regions of the oceans. A good third of the ocean surface has too little iron to support algae growth. In the case of diatoms, however, the researchers discovered that the microorganisms have developed a special mechanism to obtain energy for their metabolism from sunlight without the need for iron.

Instead of the usual photosynthesis, they use a protein called rhodopsin, related to the one found in the human eye. Certain rhodopsins can pump protons through the cell membrane, enabling the cell to produce the molecule ATP. ATP is the universal energy carrier of all cells and also one of the main products of photosynthesis.

Climate resilient bottom of the food chain

Studies of the rhodopsins of diatoms revealed that these proteins function effectively even in the cold Southern Ocean. "Thanks to the light-driven proton pump, these algae can thrive better than expected in nutrient-poor surface seas," Thomas Mock reports. The fact that, with climate change, less and less nutrients reach the surface from the depths, thus, has no consequences for diatoms.

This process is all the more important for ecosystems and climate: microalgae form the basis of the entire marine food web, from krill to fish to penguins and whales. If the population of microalgae were to decline drastically as a result of the climate crisis, this would have massive consequences for life in the oceans. Moreover, algae extract carbon dioxide from the atmosphere in order to build up their biomass from the carbon it contains.

Possible applications in biotechnology

It would now also be conceivable to decode this new process of energy generation genetically in detail and then transfer it to microbial cell factories. "This machinery can be used in biotechnology to increase the productivity of microbes that cannot use light, such as yeast," explains Mock. This would apply, among other things, to the production of insulin and antibiotics, but also biofuels and enzymes for industrial processes.

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Der Potsdam Science Park im Ortsteil Golm entwickelt sich immer stärker von einem Wissenschaftscampus zu einem dynamischen Innovationsökosystem. Das wurde einmal mehr bei der diesjährigen Potsdam Science Park Conference
(PSP Conference 2023) deutlich. Das zweitägige Event hatte am 9. und 10. Oktober rund 160 Gäste aus Wissenschaft, Wirtschaft und Verwaltung in das Fraunhofer Conference Center gelockt. Mit vielfältigen Formaten wie Podiumsdiskussionen, Start-up Pitches und einem Science Slam bot die Konferenz spannende Einblicke in neuartige Lebensmittel- und Medizininnovationen. Zudem gab es viel Raum für Networking und persönlichen Austausch.

Organisiert wurde die PSP Conference vom Standortmanagement Golm GmbH und Potsdam Transfer der Universität Potsdam gemeinsam mit einer Vielzahl von Partnern aus Brandenburg. Auch die Informationsplattform bioökonomie.de zählte zu den Unterstützern der Konferenz und präsentierte sich vor Ort unter anderem mit dem Film: Das kann Bioökonomie!.

Megatrends im Lebensmittelsektor

Am ersten Konferenztag ging es um Lebensmittel der Zukunft und die prägenden Entwicklungen in der Branche. Dirk Vetter, Geschäftsführer und Mitgründer des Heidelberger Biotechunternehmens Perora GmbH, ging auf die Megatrends ein, die für Foodtech-Innovationen wichtig sind. Dazu zählte er neben der Digitalisierung auch das Thema Nachhaltigkeit, das für die Konsumentinnen und Konsumenten, aber auch für Wagniskapitelgeber und Fonds immer wichtiger werde. Der Trend zu veganem Essen habe zuletzt einen Dämpfer erlitten, sagte Vetter. „Die Umsätze vieler Marken stagnieren, weil es sich bei den veganen Produkten als schwierig herausstellt, die Leute zum regelmäßigen Kauf zu bewegen“, so Vetter.

Eine weitere Herausforderung für die Lebensmittelbranche komme aus der Arzneimittelindustrie: Immer mehr Menschen greifen auf „Abnehmspritzen“ mit dem Medikament Semaglutid zurück – da es den Appetit zügelt, werden perspektivisch auch weniger Lebensmittelprodukte eingekauft. „Langfristig wird sich die Lebensmittelindustrie an diesen Pharmatrend anpassen müssen, es müssen aber auch noch viele Daten dazu gesammelt und ausgewertet werden“, so Vetter.

Neuartige Lebensmittel auf dem Präsentierteller

In einer von der Radiojournalistin Julia Vismann moderierten Session stellten Akteure von vier Start-ups spannende Food-Innovationen vor. Fabian Machens von Ordinary Seafood erläuterte, wie sein Start-up auf dem Potsdam Science Park vegane Lachs- und Thunfisch-Alternativen entwickelt und vertreibt. Die Produkte bestehen aus verarbeiteten Soja- und Erbsenprotein. Zusätzlich setzt das Team auf Präzisionsfermentation. Machens stellte auch ein veganes Garnelen-Produkt aus der Ordinary-Seafood-Pipeline vor. „Unsere King Shrimps werden mit einem neuartigen Protein umkapselt, das aus ihnen in Sachen Geschmack und Haptik eine qualitativ hochwertige vegane Alternative macht“.