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Residual materials from agriculture, forestry, the paper industry and food production have long since become a valuable source of raw materials for new bio-based and sustainable products. Not only does this enable fossil raw materials to be replaced, it also conserves resources and protects the environment. A central concern of the bioeconomy is to develop products whose raw materials can be reused and thus fed back into the cycle.

Such innovative approaches are supported by the Volkswagen Foundation as part of the ‘Circularity with recycled and biogenic raw materials’ funding initiative. Specifically, six practice-relevant research approaches were selected that aim to achieve closed raw material-product cycles and are being supported with a total of 7.8 million euros. 6.6 million euros of this will be channelled into innovations for the bioeconomy alone.

Lignin as plant protection and PFAS absorber

For instance, Freie Universität Berlin is receiving funding from the Volkswagen Foundation for two projects. In the LignoCide project, researchers want to utilise the plant biopolymer lignin, which is a by-product of paper production. This will be used to develop a spray coating that protects plants from microbial harmful organisms such as bacteria and viruses and can replace chemical pesticides in agriculture.

Lignin also serves as a raw material for the Sustainable Solutions for PFAS Removal project. Based on the biopolymer, the Berlin researchers and their partners want to develop functionalised adsorber beads that can efficiently remove perfluorinated and polyfluorinated alkyl substances - PFAS for short - from contaminated water. PFAS are so-called perpetual chemicals. They are used, for example, to coat Outdoor clothing because they are water-, grease- and dirt-repellent and, above all, durable.

Mulch film made from plant proteins

Waste from poultry production, fermentation residues from biogas plants or rapeseed are once again the focus of the ReProFilm project. Researchers at the Hamburg University of Technology are working with partners to extract proteins from the waste for two products: In addition to a spray coating that makes fruit and vegetables last longer, a functionalised mulch film for use in agriculture is being developed based on the plant proteins.

Plastic recycling with enzymes

In the BioLoop project, researchers at the University of Kassel are working with partners to improve the recycling of plastic film through microbial decomposition. With the help of enzymes, polymers made of polyethylene - PE for short - are to be broken down into smaller parts and then converted into high-quality products.

The development of a circular production route for bio-based PE is once again the focus of a project established at Clausthal University of Technology. The aim is to introduce a novel, molecularly customised branched PE grade. The raw material used is biobutadiene, which is obtained from agricultural residues and food waste.

The Volkswagen Foundation is an independent, non-profit foundation under private law. With a funding volume totalling 150 million euros per year, it claims to be the largest private foundation promoting science in Germany. Since its establishment more than 60 years ago, it has funded around 33,000 projects totalling more than 5.5 billion euros.

Die rasante Ausbreitung der Wasserhyazinthe ist in einigen Ländern bereits zu einer Gefahr für Ökosysteme geworden und bedroht zunehmend auch die Lebensqualität der Menschen. Besonders stark betroffen ist der afrikanische Victoriasee, wo Fische aufgrund von Sauerstoffmangel ersticken, Methangase durch die Verrottung freigesetzt werden und der Schiffsverkehr behindert wird. Nun haben Forschende einen Weg gefunden, diese zur Plage gewordene invasive Wasserpflanze sinnvoll als Biomasse zu nutzen.

Fasermaterial zu neuem Bio-Verbundstoff verarbeitet

Forschende vom Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung (DITF) in Denkendorf entwickelten gemeinsam mit dem Karlsruher Faserspezialisten Fiber Engineering GmbH ein Verfahren, um aus den Fasern der Wasserhyazinthe Pflanztöpfe herzustellen. Ziel war es, aus dem faserigen Pflanzenmaterial einen neuen, kostengünstigen Verbundwerkstoff herzustellen, der allen technischen Voraussetzungen entspricht, zugleich aber biologisch abbaubar und damit vollständig kompostierbar, aber auch einfach herzustellen ist.

Das zur Herstellung der Pflanztöpfe benötigte Biomaterial stammt den Forschenden zufolge aus Louisiana und wird dort direkt von der Firma In-Between International als aufbereitetes Fasermaterial vermarktet. Dieses zum Großteil aus Cellulose bestehende Rohmaterial wurde am DITF untersucht und modifiziert. Anschließend sei es mit einem Hydrophobierungsmittel behandelt worden, um die Pflanztöpfe gegen Feuchtigkeit zu schützen. Die Kombination mit einem Binder verklebt die Pflanzenfasern und sorgt für Formbeständigkeit. Ein biologisch abbaubares Bindemittel aus Thermoplast, das in einer Heißpresse einfach zu verarbeiten ist, brachte in Laborversuchen die besten Ergebnisse.

Kompostierbar und günstig

Den Forschenden zufolge überzeugt das pflanzliche Fasermaterial nicht nur in puncto Festigkeit und Feuchtigkeitsresistenz. Versuche in industriellen Kompostieranlagen bestätigten, dass sich es sich, „in angemessener Zeit“ innerhalb von vier bis sechs Wochen vollständig biologisch abbaut.

Beim Karlsruher Projektpartner Fiber Engineering wurden bereits erste Pflanztopf-Prototypen aus dem Fasermaterial hergestellt. Wie das Team berichtet, wurde dafür das bestehende Verfahren für die Bearbeitung des Wasserhyazinthen-Fasermaterials optimiert. Das Team ist überzeugt, dass Gärtnereien die neuen Pflanztöpfe aus Wasserhyazinthen schätzen werden – zumal auch der Preis stimmt. „Eine Kostenrechnung unter Einbezug aller verwendeten Materialien und Verfahren bestätigte, dass sich die Pflanztöpfe mit einem Herstellungspreis von unter fünf Cent pro Topf äußerst günstig und damit marktfähig herstellen lassen“, schreiben die Forschenden.

Es ist der erfolgreiche Abschluss eines Projektes, in dem Partner aus Forschung und Wirtschaft an einem optimierten und wirtschaftlichen Produktionssystem für eine Insekten-Bioraffinerie arbeiteten: Nach drei Jahren Forschung unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Verfahrenstechnik (IGB) ist der Bau der Pilotanlage nun fertiggestellt. Anlässlich der Abschlusskonferenz zum Projekt InBiRa am 21. Oktober konnten sich Vertreterinnen und Vertreter aus Politik und Wirtschaft in Stuttgart, über die neue Insekten-Bioraffinerie informieren und sie besichtigen.

Der Bau der InBiRa-Anlage wurde mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) über das EFRE-Programm „Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling“ gefördert.

Insekten veredeln biogene Reststoffe

„Mit unserer Insekten-Bioraffinerie können wir überlagerte Lebensmittel und Bioabfälle als Rohstoff für hochwertige technische Produkte nutzen und damit erstmals eine heimische Quelle für kurzkettige Fette erschließen, die tropische Fette in vielen Anwendungen ersetzen könnten“, resümiert Projektleiterin Susanne Zibek vom Fraunhofer IGB.

In der Insekten-Bioraffinerie in Stuttgart werden wie in einer klassischen Bioraffinerie alle Rohstoffe in ihre einzelnen Bestandteile aufgetrennt. Überlagerte Lebensmittel und Bioabfälle aus Einzelhandel oder Gastronomie dienen den Larven der schwarzen Soldatenfliege als Futter und verwandeln diese während ihres Wachstums in Proteine, Fette und Chitin um. Alle erforderlichen Prozessschritte – von der Mast der Larven über die Trennung der Fett- und Proteinfraktion bis hin zu deren Umwandlung in die gewünschten Zwischenprodukte – werden im Pilotmaßstab abgebildet.

Bis dahin war es jedoch ein langer Weg. „Dafür haben wir etwa 20 Prozesseinheiten definiert, verfahrenstechnisch für die vorhandenen Stoffströme ausgelegt und schließlich für die Pilotanlage am IGB angeschafft − daran zeigt sich schon die Komplexität des Verfahrens“, erläutert die Projektleiterin.

Enormes Potenzial für kreislaufbasierte Bioökonomie

Den Forschenden zufolge handelt es bei der Anlage um eine „einzigartige Plattform für innovative technische Produkte“. Künftig könnten hier Plattformchemikalien für Kraftstoffe, Kosmetika, Reinigungsmittel, Kunststoffe oder auch Pflanzendünger entstehen. Die Insekten-Bioraffinerie habe damit „ein enormes Potenzial für die erfolgreiche Transformation hin zu einer kreislaufbasierten Bioökonomie“, heißt es.

Davon ist auch Andre Baumann, Staatssekretär im Umweltministerium des Landes Baden-Württemberg überzeugt. „Ich habe dieses Projekt mit großem Interesse verfolgt und bin begeistert von den heute vorgestellten Forschungsergebnissen. Es zeigt deutlich: Eine Insekten-Bioraffinerie birgt ein großes Potenzial für die Herstellung vielfältiger und hochwertiger Produkte und bietet damit interessante Wertschöpfungsoptionen“, sagte Baumann.

Forschende hoffen auf baldiger Transfer in die Praxis

Projektleiterin Susanne Zibek ist optimistisch, dass die Insekten-Bioraffinerie bald schon in der Praxis Anwendung finden wird: „Ich bin zuversichtlich, dass wir demnächst einen Transfer in die Industrie umsetzen können, sodass wir mit den Larven eine sinnvolle Verwertung von überlagerten und sogar verdorbenen Lebensmitteln zu neuen Produkten für die chemische Industrie herstellen können.“

Im Zuge immer häufigerer Hitze- und Trockenperioden wird daran geforscht, Kulturpflanzen resilienter zu machen und ihre Stoffwechselvorgänge besser zu verstehen. Forschende der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) berichten im Fachmagazin Current Biology über neue Einblicke in den Prozess, der bei Pflanzen das Öffnen und Schließen der Stomata und damit auch ihren Wasserverbrauch steuert.

Die sogenannten Stomata, die aus zwei Schließzellen bestehen, erlauben im geöffneten Zustand den Austausch von Kohlendioxid und Wasser mit der Umgebung. Bei ungünstigen Umweltbedingungen wie Dunkelheit, Parasitenbefall oder Wassermangel hingegen schließen sich die Poren.

Optogenetisches Verfahren liefert Einblicke

Bekannt ist, dass solche ungünstigen Umweltreize für einen Anstieg der Kalziumkonzentration (Ca²⁺) in den Schließzellen sorgen. Dieser rasche, zeitlich begrenzte Ca²⁺-Anstieg, der dem Schließen der Pore stets vorausgeht, wird als Kalzium-Transient bezeichnet. Wie er erzeugt und in Stomabewegungen übersetzt wird, haben die Würzburger Forschenden nun herausgefunden. Dafür hat das Team um den Biophysiker Rainer Hedrich „ein optogenetisches Verfahren mit neuartigen Modellpflanzen angewendet“.

Indem sie Lichtimpulse auf einen speziellen, lichtempfindlichen Ionenkanal gaben, schleusten die Forschenden Kalzium in die Schließzellen ihrer Modellpflanzen ein. Dieses Kalzium-Signal wurde von einem Zellorganell, dem Endoplasmatischen Retikulum (ER), durch die Ausschüttung von weiterem Kalzium verstärkt. So entsteht der charakteristische Kalzium-Transient, der zu einer Kaskade weiterer Reaktionen im Zellinneren führt, an deren Ende sich die Schließzellen verformen und das Stoma geschlossen wird.

Zellantwort folgt Alles-oder-nichts-Prinzip

Die Forschenden stellten außerdem fest, dass der Kalzium-Transient einem Alles-oder-nichts-Prinzip folgt: „Wir waren nicht schlecht überrascht, dass Lichtpulse von 0,1, einer und zehn Sekunden Dauer annähernd gleiche Kalzium-Transienten erzeugten“, so Shouguang Huang, Erstautor der Studie. Die Kalziumkonzentration war, unabhängig von der Dauer des Lichtimpulses, etwa 30 Sekunden lang erhöht und ging erst nach weiteren 30 Sekunden langsam zurück.

Pflanzen zählen Umweltreize

Ein einzelner Kalzium-Transient reicht nicht, um ein Stoma vollständig zu schließen. Nur wenn mehrere Lichtimpulse – also Umweltreize – auf ein Stoma trafen, schlossen sich die Poren vollständig. Die Forschenden stellten fest, dass Schließzellen sechs aufeinanderfolgende Kalzium-Transienten auflösen und in Stomabewegung umsetzen können. „Die Schließzellen können also bis sechs zählen“, sagt Rainer Hedrich, Professor für Biophysik an der JMU und Co-Autor der Studie.

Hedrich forscht seit Jahrzehnten zum Wasserhaushalt von Pflanzen. So fand er heraus, dass Pflanzen bei Trockenheit ein Signalmolekül nutzen, das auch bei Menschen und Tieren vorkommt. Als Nächstes will die Forschungsgruppe mehr über die einzelnen Schritte der Reiz-Reaktionskette herausfinden und auch beantworten, wie lange sich die Schließzellen an die jeweiligen Umweltreize „erinnern“.

am/bb

In the wake of increasingly frequent periods of heat and drought, research is being carried out to make crop plants more resilient and to better understand their metabolic processes. Researchers at Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) report in the journal Current Biology on new insights into the process that controls the opening and closing of stomata in plants and thus also their water consumption.

The so-called stomata, which consist of two guard cells, allow the exchange of carbon dioxide and water with the environment when they are open. In unfavourable environmental conditions such as darkness, parasite infestation or lack of water, however, the pores close.

Optogenetic process provides insights

It is known that such unfavourable environmental stimuli cause an increase in the calcium concentration (Ca²⁺) in the guard cells. This rapid, time-limited increase in Ca²⁺, which always precedes the closing of the pore, is known as the calcium transient. The Würzburg researchers have now discovered how it is generated and translated into stomatal movements. To do so, the team led by biophysicist Rainer Hedrich ‘used an optogenetic method with novel model plants’.

By applying light pulses to a special, light-sensitive ion channel, the researchers channelled calcium into the guard cells of their model plants. This calcium signal was amplified by a cell organelle, the endoplasmic reticulum (ER), through the release of further calcium. This results in the characteristic calcium transient, which leads to a cascade of further reactions inside the cell, at the end of which the guard cells deform and the stoma is closed.

Cell response follows all-or-nothing principle

The researchers also discovered that the calcium transient follows an all-or-nothing principle: ‘We were not badly surprised that light pulses of 0.1, one and ten seconds duration produced approximately equal calcium transients,’ said Shouguang Huang, first author of the study. The calcium concentration was increased for around 30 seconds, regardless of the duration of the light pulse, and only slowly decreased after a further 30 seconds.

Plants count environmental stimuli

A single calcium transient is not enough to completely close a stoma. Only when several light pulses - i.e. environmental stimuli - hit a stoma did the pores close completely. The researchers found that closing cells can resolve six consecutive calcium transients and convert them into stoma movement. ‘The guard cells can therefore count to six,’ says Rainer Hedrich, Professor of Biophysics at JMU and co-author of the study.

Hedrich has been researching the water balance of plants for decades. He discovered that plants use a signalling molecule during drought that is also found in humans and animals. Next, the research group wants to find out more about the individual steps of the stimulus-response chain and also answer the question of how long the guard cells ‘remember’ the respective environmental stimuli.

Boden ist eine kostbare und knappe Ressource. Allein in Europa werden 80 % der Landfläche von Forst- und Landwirtschaft, Industrie und Siedlungen genutzt. Wie also kann die Bioökonomie, die ebenfalls auf den Anbau von Industriepflanzen setzt, nachhaltige Biomasse gewinnen, ohne in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu stehen? Mit diesem zentralen Problem befasst sich ein neues EU-Projekt, das im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont Europa von 2024 bis 2028 mit rund 5 Mio. Euro gefördert wird.

Anbau von Biomasse auf kontaminierten Böden

Im Fokus des Vorhabens pHYBi steht das sogenannte Phytomanagement. Hier sollen Industriepflanzen wie Pappeln, Birken, Weiden, Hanf und Miscanthus auf degradierten, verschmutzten und versalzten Böden angebaut werden, um die Flächen zu sanieren. Das im Oktober gestartete Projekt mit dem vollständigen Titel „Phytomanagement als nachhaltige Rohstoffquelle für hochwertige Bio-basierte Produkte aus Lignocellulose für textile Anwendungen“ will durch die Verarbeitung von Biomasse, die auf kontaminierten Böden angebaut wird, umweltfreundliche Fasern und Pigmente für den nachhaltigen Einsatz in der Textilproduktion herstellen.

Neue Strategien zur Verbesserung von Pflanzenwachstum und Bodengesundheit

In den kommenden vier Jahren wollen die Projektpartner innovative Strategien entwickeln und testen, um das Pflanzenwachstum und die Bodengesundheit mithilfe organischer und anorganischer Zusätze sowie Pilzen und Bakterien zu verbessern. Darüber hinaus sollen bestehende und neue Phytomanagement-Pilotstandorte untersucht, entsprechende Strategien zur Bodenverbesserung optimiert und ein virtuelles Replikationstool zur Simulation des Prozesses in verschiedenen Regionen Europas entwickelt werden. Zudem wollen die Partner demonstrieren, ob diese Praktiken wirtschaftlich, sozial und ökologisch machbar sind.

In dem Konsortium arbeiten insgesamt elf Partner aus Spanien, Italien, Frankreich, Kroatien und Deutschland zusammen. Forschende vom Steinbeis Europa Zentrum sind im Rahmen des Projektes für die Kommunikation, Verbreitung und Verwertung der Erkenntnisse zuständig.

Neue Maßstäbe für Produktion von Industriepflanzen setzen

Mit dem Projekt will das Team eigenen Angaben nach „neue Maßstäbe für die nachhaltige Produktion von Industriepflanzen setzen“. Durch den Anbau von Biomasse auf kontaminierten Böden würde auch der ökologische Fußabdruck der EU für die nachhaltige Produktion von Industriepflanzen verringert, heißt es. „Der Erfolg von pHYBi könnte den Weg für eine breitere Einführung von Phytomanagement-Praktiken ebnen, nicht nur in der europäischen Textilindustrie, sondern auch in anderen Sektoren, die auf nachhaltige biobasierte Rohstoffe angewiesen sind“, schreiben die Forschenden.

Soil is a precious and scarce resource. In Europe alone, 80 % of the land area is used for forestry, agriculture, industry and settlements. So how can the bioeconomy, which also relies on the cultivation of industrial crops, obtain sustainable biomass without competing with food production? This central problem is being addressed by a new EU project, which is being funded with around 5 million euros from 2024 to 2028 as part of the Horizon Europe research and innovation programme.

Cultivation of biomass on contaminated soils

The pHYBi project focuses on phytomanagement. Here, industrial plants such as poplars, birches, willows, hemp and miscanthus are to be cultivated on degraded, polluted and salinised soils in order to rehabilitate the land. The project, which was launched in October with the full title ‘Phytomanagement as a sustainable raw material source for high-quality bio-based products from lignocellulose for textile applications’, aims to produce environmentally friendly fibres and pigments for sustainable use in textile production by processing biomass grown on contaminated soils.

New strategies to improve plant growth and soil health

Over the next four years, the project partners want to develop and test innovative strategies to improve plant growth and soil health using organic and inorganic additives as well as fungi and bacteria. In addition, existing and new phytomanagement pilot sites will be investigated, corresponding soil improvement strategies optimised and a virtual replication tool developed to simulate the process in different regions of Europe. The partners also want to demonstrate whether these practices are economically, socially and ecologically feasible.

A total of eleven partners from Spain, Italy, France, Croatia and Germany are working together in the consortium. Researchers from the Steinbeis Europa Zentrum are responsible for communicating, disseminating and utilising the findings as part of the project.

Setting new standards for the production of industrial plants

According to the team, the project aims to ‘set new standards for the sustainable production of industrial crops’. The cultivation of biomass on contaminated soils would also reduce the EU's ecological footprint for the sustainable production of industrial crops, they say. ‘The success of pHYBi could pave the way for a wider adoption of phytomanagement practices, not only in the European textile industry, but also in other sectors that rely on sustainable bio-based raw materials,’ the researchers write.

In Europa landen jedes Jahr 7,5 Millionen Tonnen gebrauchter Kleidungsstücke im Müll. Das zeigt eine Studie der Unternehmensberatung McKinsey & Company. Demnach werden höchstens 30-35 % der Textilabfälle recycelt. Das Gros wird ins Ausland exportiert, wo es verbrannt wird oder auf Deponien landet. Ein Grund für diese Ressourcenverschwendung ist das Fehlen geeigneter Recyclingverfahren, etwa um Mischgewebe aus Baumwolle und Polyesterfasern zu trennen und wiederverwerten zu können.

Sport-T-Shirt aus enzymatisch recycelten Textilabfällen

Ein Industriekonsortium um das französische Biotechnologie-Unternehmen Carbios zeigt nun anhand eines weißen Sport-T-Shirts, dass Kreislaufwirtschaft auch in der Textilindustrie möglich ist. Zu der im Juli 2022 gegründeten Industriepartnerschaft gehören der deutsche Sportartikelhersteller PUMA, der Schweizer Laufschuhhersteller On, der französische Sport-Ausrüster Salomon sowie der US-amerikanische Hersteller von Outdoor-Kleidung Patagonia.

Das Kleidungsstück ist alles andere als ein normales T-Shirt. Es wurde aus enzymatisch recyceltem Abfall hergestellt, der nach Angaben von Carbios „der Qualität von neuen Fasern entspricht“. „Es mag wie ein gewöhnliches T-Shirt aussehen, aber das Verfahren, das hinter der Herstellung steckt, ist außergewöhnlich“, so Emmanuel Ladent, Geschäftsführer bei Carbios. „Das Faser-zu-Faser-Recycling ist eine technologische Meisterleistung. Dank der Zusammenarbeit von Carbios und aller Konsortium-Partner haben wir gemeinsam technische Hürden überwunden, und das weltweit erste enzymatisch recycelte T-Shirt hergestellt, das vollständig aus biologisch verarbeiteten Fasern besteht.“

Die Partner des Konsortiums haben sich Carbios zufolge bewusst für ein schlichtes weißes T-Shirt entschieden, da damit die Leistungsfähigkeit der Technologie, die die Produktion aus gemischten und farbigen Textilabfällen ermöglicht hat, am überzeugendsten dargestellt wird.

Kleidungsstück aus recyceltem Material kann wieder recycelt werden

Die Herstellung des T-Shirts basiert auf einem von Carbios entwickelten enzymatischen Verfahren. Dabei wird Polyester mithilfe von Enzymen in seine Grundbausteine zerlegt und anschließend zur Herstellung von biologisch recyceltem Polyester wieder eingesetzt. Die daraus hergestellten Kleidungsstücke können dem Biotechnologie-Unternehmen zufolge nach ihrer Nutzung wieder als Rohstoff für das Recycling verwendet werden.

Für das Faserrecycling lieferten die Konsortium-Partner Textilreste sowie Produktionsverschnitte. Bei den sogenannten Textilabfällen handelte es sich Carbios zufolge um Materialien, die mit herkömmlichen Recyclingverfahren nur sehr schwer wiederverwertet werden können – darunter Mischgewebe aus Baumwolle und Elastan, aber auch gefärbte Textilien.

Das enzymatische Recycling fand in der 2021 eröffneten Pilotanlage von Carbios in Clermont-Ferrand statt. Hier wurden die Alttextilien mithilfe der Biorecycling-Technologie in ihre ursprünglichen Monomere zerlegt, repolymerisiert, zu Garn gesponnen und später von externen Partnern zu einem neuen Stoff verwebt. „Das zeigt, wie nahtlos das Verfahren von Carbios in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden kann“, so das Unternehmen. Das zu 100% aus Textilabfällen hergestellte Sport-T-Shirt erfülle zudem die Qualitätsstandards und die Nachhaltigkeitsansprüche der im Faser-zu-Faser-Konsortium vertretenden Markenhersteller.

Erste industrielle enzymatische PET-Recyclinganlage im Bau

„Wir freuen uns, Teil dieses Durchbruchs zu sein und neue Maßstäbe für das Faser-zu-Faser-Recycling zu setzen“, sagt Anne-Laure Descours, Leiterin für Produktentwicklung und Beschaffung bei PUMA. „PUMA hat es sich zum Ziel gesetzt, sein benötigtes Polyester zu 100 % aus Textilabfällen zu gewinnen. Die heutige Bekanntmachung ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu diesem Ziel und um unsere gesamte Industrie kreislauffähiger zu gestalten. Wir müssen jetzt weiterhin zusammenarbeiten und sicherstellen, dass wir diese Technologie skalieren können, um die größtmögliche Wirkung zu erzielen.“

Im französischen Longlaville baut Carbios derzeit die weltweit erste industrielle enzymatische PET-Recyclinganlage.

In Europe, 7.5 million tonnes of used clothing end up in the bin every year. This is according to a study by management consultants McKinsey & Company. According to the study, a maximum of 30-35% of textile waste is recycled. The majority is exported abroad, where it is incinerated or ends up in landfill sites. One reason for this waste of resources is the lack of suitable recycling processes, for example to separate and recycle mixed fabrics made of cotton and polyester fibres.

Sports T-shirt made from enzymatically recycled textile waste

An industrial consortium led by the French biotechnology company Carbios is now using a white sports T-shirt to show that a circular economy is also possible in the textile industry. The industrial partnership founded in July 2022 includes the German sporting goods manufacturer PUMA, the Swiss running shoe manufacturer On, the French sports equipment supplier Salomon and the US outdoor clothing manufacturer Patagonia.

The garment is anything but a normal T-shirt. It was made from enzymatically recycled waste, which, according to Carbios, ‘corresponds to the quality of new fibres’. ‘It may look like an ordinary T-shirt, but the process behind its manufacture is extraordinary,’ says Emmanuel Ladent, Managing Director at Carbios. ‘Fibre-to-fibre recycling is a technological tour de force. Thanks to the collaboration between Carbios and all the consortium partners, we have overcome technical hurdles together to produce the world's first enzymatically recycled T-shirt made entirely from bio-processed fibres.’

According to Carbios, the consortium partners deliberately opted for a plain white T-shirt, as this is the most convincing way of demonstrating the performance of the technology that has made production from mixed and coloured textile waste possible.

Garment made from recycled material can be recycled again

The production of the T-shirt is based on an enzymatic process developed by Carbios. In this process, polyester is broken down into its basic building blocks using enzymes and then reused to produce biologically recycled polyester. According to the biotechnology company, the resulting garments can be reused as a raw material for recycling.

The consortium partners supplied textile remnants and production offcuts for fibre recycling. According to Carbios, the so-called textile waste consisted of materials that are very difficult to recycle using conventional recycling processes - including blended fabrics made from cotton and elastane, as well as dyed textiles.

The enzymatic recycling took place in the Carbios pilot plant in Clermont-Ferrand, which opened in 2021. Here, the used textiles were broken down into their original monomers using biorecycling technology, repolymerised, spun into yarn and later woven into a new fabric by external partners. ‘This shows how seamlessly the Carbios process can be integrated into existing manufacturing processes,’ says the company. The sports T-shirt made from 100% textile waste also meets the quality standards and sustainability requirements of the brand manufacturers represented in the fibre-to-fibre consortium.

First industrial enzymatic PET recycling plant under construction

‘We are delighted to be part of this breakthrough and to set new standards for fibre-to-fibre recycling,’ says Anne-Laure Descours, Head of Product Development and Sourcing at PUMA. ’PUMA has set itself the goal of obtaining 100% of the polyester it needs from textile waste. Today's announcement is an important milestone towards achieving this goal and making our entire industry more circular. We must now continue to work together and ensure that we can scale this technology to maximise its impact.’

Carbios is currently building the world's first industrial enzymatic PET recycling plant in Longlaville, France.

Synthesegas ist ein wichtiger Rohstoff, um chemische Grundstoffe wie etwa Methanol zu erzeugen, das wiederum zur Herstellung von Farben oder Lacken benötigt wird. Zur Herstellung von Synthesegas – ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) – werden vorwiegend fossile Rohstoffe wie Kohle und Öl unter geringer Sauerstoffzufuhr und hohen Temperaturen vergast. Im Projekt SYNELGAS wollen Forschende der Technischen Hochschule (TH) Köln gemeinsam mit Industriepartnern nun ein Verfahren entwickeln, das biogene Roh- und Reststoffe nutzt, um grüne Synthesegase zu erzeugen. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über viereinhalb Jahre mit rund 1,4 Mio. Euro gefördert.

Synthesegaserzeugung aus biogenen Roh- und Reststoffe

Die Nutzung landwirtschaftliche Reststoffe für die Synthesegasproduktion bringt einige Herausforderungen mit sich. Den Forschenden zufolge ist die Zusammensetzung der biogenen Ausgangsstoffe wie Ernterückstände deutlich heterogener als bei traditionellen Rohstoffen wie Öl, was die Produktion gleichbleibend hochwertiger Gase erschwert. Andererseits muss bei der herkömmlichen Vergasung der über die Umgebungsluft zugeführte Stickstoff aufwendig aus dem erzeugten Synthesegas entfernt werden.

Synergien der Elektrolyse nutzen

Daher wollen die Forschenden Elektrolyse und Vergasung koppeln. „Wir setzen auf Synergien mit der Elektrolyse“, sagt Peter Stenzel von der TH Köln und erklärt: „Dabei wird Wasser in Wasserstoff und reinen Sauerstoff aufgespalten. Den Sauerstoff, der bei den meisten Anwendungen als Abfallprodukt in die Atmosphäre entlassen wird, nutzen wir als idealen Eingangsstoff für die Vergasung und stellen so reinere Gase her.“ Auch das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffdioxid im Synthesegas kann den Forschenden zufolge durch die Beimischung von Elektrolyse-Wasserstoff flexibel eingestellt werden, was die Bandbreite der Gase, die zur Herstellung chemischer Grundstoffe und Energieträger geeignet sind, erweitert.

Der Schwerpunkt des Projektes liegt jedoch auf dem Umgang mit den biogenen Rest- und Rohstoffen sowie auf der experimentellen Erforschung der nachhaltigen Gasproduktion. „Wenn wir mit Ernterückständen oder Bambus als Ausgangsmaterial arbeiten, stellt dies völlig andere Anforderungen an das Verfahren als bei den erprobten fossilen Brennstoffen. Uns stehen sehr viele Stellschrauben und Spezifikationen in der eigentlichen Produktion und den nachgeschalteten Prozessen zur Verfügung, um ein ideales Verhältnis der Gaskomponenten zu erreichen“, sagt Christian Malek von der TH Köln.

Entwicklung eines Wassergas-Shift-Reaktors

Neben der Regulierung wichtiger Prozessparameter wie Temperatur oder Sauerstoffkonzentration wird das Gas mehrfach gereinigt und den Forschenden zufolge dann „durch einen im Projekt zu entwickelnden Wassergas-Shift-Reaktor geleitet, in dem zusätzlicher Wasserdampf über eine chemische Reaktion die Wasserstoffkonzentration im Synthesegas erhöht“. Daraus ergibt sich eine weitere Synergie der beiden Teilprozesse, schreiben die Forschenden, weil der in der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff dem Prozess selbst zugeführt werden kann.

Grüne Kraftwerke für Unternehmen

Im Laufe des Projektes will das Team beweisen, dass mit diesem Verfahren qualitativ hochwertiges, grünes Synthesegas hergestellt werden kann und dass dies auch wirtschaftlich und nachhaltig ist. Dafür wird das Verfahren zunächst im Labormaßstab aufgebaut und später auf einen halbtechnischen Industriestandard skaliert und erprobt. „Unser Ziel ist das Konzept für ein integriertes Gesamtsystem, das interessierte Unternehmen später von unseren Industriepartnern von der Stange kaufen können. Denkbar ist etwa, dass Unternehmen damit grüne Kraftstoffe für ihren Fuhrpark herstellen“, sagt Stenzel.

Durch die Erderwärmung haben Kulturpflanzen wie die Gerste nicht nur mit zunehmender Trockenheit, sondern auch mit dem Befall durch Pilze zu kämpfen, die sich bei Wärme besonders gut vermehren. Pflanzen besitzen jedoch eine Art Immunsystem aus vielen verschiedenen Wirkstoffen, um sich gegen solche Krankheitserreger zu wehren. Wie dieses Abwehrsystem bei der Gerste aussieht, und wo seine Grenzen liegen, haben Forschende des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle (Saale) und der Universität Köln genauer untersucht.

Das Immunsystem der Pflanzen

Durch Studien an Kulturpflanzen weiß man: Pflanzen sind Krankheitserregern wie Pilzen nicht schutzlos ausgeliefert, sondern wehren sich gegen die Eindringlinge mit einem Cocktail aus verschiedenen Wirkstoffen, die den Wuchs und die Vermehrung der Erreger im Zaum halten. Die pflanzlichen Abwehrstoffe dieses Immunsystems werden als Phytoalexine bezeichnet, deren Zusammensetzung in jeder Pflanzenart einzigartig ist. Welche Stoffgruppen in den verschiedenen Kulturpflanzen eine Rolle spielen und was genau sie bei den Krankheitserregern bewirken, ist jedoch noch nicht umfassend geklärt.

Das Forschungsteam fand nun in seiner Studie an Gerstenpflanzen (Hordeum vulgare) heraus, dass die Gerste in ihrer Wurzel eine Sorte von Phytoalexinen produziert, die gegen ein sehr breites Spektrum an Pilzen wirkt. Diese neu entdeckte Stoffgruppe tauften die Forschenden, abgeleitet vom lateinischen Namen der Gerste, Hordedane. Insgesamt 17 verschiedene Hordedane konnten sie in der Gerste nachweisen. Darüber hinaus gelang es ihnen, den Stoffwechselweg zu entschlüsseln, auf welchem diese entstehen. Die Ergebnisse ihrer Studie veröffentlichten die Forschenden kürzlich in Molecular Plant.

Kein hundertprozentiger Schutz

In ihrer Studie waren die Forschenden jedoch überraschend auf eine Ausnahme gestoßen: Bipolaris sorokiniana, ein Erreger von Wurzelfäule. Der Pilz zeigte sich in seinem Wachstum nicht nur unbeeindruckt von den Hordedanen, sondern er wuchs sogar besser in Anwesenheit dieser ursprünglich zu seiner Vertreibung produzierten Phytoalexine.

Bipolaris, der vor allem in warmen Gebieten weit verbreitet ist, aber allmählich in Richtung Norden wandert, nutzt demnach die Hordedane zu seinem eigenen Vorteil. Der Studie zufolge verwandelt der Pilz die pflanzlichen Abwehrstoffe in pilzeigene Strukturen und bewirkt mit deren Hilfe, die vom Pilz befallenen Wurzelzellen der Gerste länger am Leben zu halten. So hat der Pilz mehr Zeit, zu wachsen und sich zu stärken, bevor er durch Sporenbildung weitere Pflanzen befällt. Wie genau Bipolaris diesen Trick bewerkstelligt, ist noch weitgehend unklar.

As a result of global warming, crops such as barley not only have to contend with increasing drought, but also with infestation by fungi, which multiply particularly well in warm conditions. However, plants have a kind of immune system consisting of many different active substances to defend themselves against such pathogens. Researchers at the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) in Halle (Saale) and the University of Cologne have investigated in detail what this defence system looks like in barley and where its limits lie.

The immune system of plants

We know from studies on cultivated plants that plants are not defenceless against pathogens such as fungi, but defend themselves against the intruders with a cocktail of different active substances that keep the growth and reproduction of the pathogens in check. The plant defences of this immune system are known as phytoalexins, the composition of which is unique to each plant species. However, it has not yet been fully clarified which groups of substances play a role in the various cultivated plants and what exactly they do to the pathogens.

In their study on barley plants (Hordeum vulgare), the research team has now discovered that barley produces a type of phytoalexin in its roots that is effective against a very broad spectrum of fungi. The researchers named this newly discovered group of substances Hordedane, derived from the Latin name of barley. They were able to identify a total of 17 different hordedanes in barley. They also succeeded in deciphering the metabolic pathway by which they are produced. The researchers recently published the results of their study in Molecular Plant.

No one hundred per cent protection

In their study, however, the researchers were surprised to discover an exception: Bipolaris sorokiniana, a root rot pathogen. Not only was the fungus unimpressed by the hordedans, but it even grew better in the presence of these phytoalexins, which were originally produced to repel it.

Bipolaris, which is particularly widespread in warm regions but is gradually migrating northwards, therefore uses theHordedans to its own advantage. According to the study, the fungus transforms the plant defence substances into fungal structures and uses them to keep the root cells of the barley infected by the fungus alive for longer. This gives the fungus more time to grow and strengthen itself before it attacks other plants by forming spores. How exactly Bipolaris manages this trick is still largely unclear.

Jubel in Paris: Beim wichtigsten weltweiten Wettbewerb für Schul- und Hochschulteams im Bereich der Synthetischen Biologie, iGEM, haben die deutschen Teams aus Marburg und Heidelberg den Abschluss der Saison 2024 mit dem Gesamtsieg gekrönt. Die insgesamt 15 Hochschulteams aus Deutschland sind zudem mit etlichen Spezialpreisen und Medaillen im Gepäck aus Frankreich heimgekehrt.

Von 23. bis 26. Oktober hatten rund 400 Teams aus mehr als 50 Ländern an der 21. Auflage des Wettbewerbs international genetically engineered machine (iGEM) teilgenommen. An dem jährlichen Wettbewerb für Schülerinnen und Schüler sowie Studierende, die innerhalb eines Jahres ein eigenes Forschungsprojekt der Synthetischen Biologie konzipieren und umsetzen, kamen rund 5.000 Teilnehmende zum Grand Jamboree auf dem Messegelände „Paris Expo Porte de Versailles“ zusammen. Die Projekte der Teams wurden in diesem Jahr in 14 sogenannten „Villages“ gegliedert, sie stehen für Anwendungsbereiche, die sich auf die Themenfelder „Environment“, „Healthcare“ und „Advancements“ verteilen.

Marburger Team punktet mit Löwenzahnlatex-Projekt

Das iGEM-Team der Philipps-Universität Marburg holte mit seinem Projekt „Tarakate“ den Gesamtsieg in der Kategorie „Overgraduate“ sowie vier Spezialpreise in den Kategorien Bestes Landwirtschafts-Projekt, Beste Sammlung genetischer Bausteine, Bestes Projekt pflanzlicher Synthetischer Biologie und Beste Projektdokumentation.

Das Marburger iGEM-Team hat mit seinem Wettbewerbsbeitrag entscheidende Grundvoraussetzungen für die Weiterentwicklung einer Latex produzierenden Löwenzahnart als zukünftiger Alternative zum Kautschukbaum bei der Rohstoffgewinnung für die Gummiproduktion geschaffen. Damit kommt die Siegermannschaft des iGEM-Wettbewerbs nach 2018 und 2021 nun zum dritten Mal aus Marburg. Nach Angaben des Teams hat in der Geschichte des iGEM-Wettbewerbs keine andere Universität häufiger den Gesamtsieg erringen können.

Bei der Herstellung von Käse und Quark aus Milch entsteht Molke. Ein Großteil der grünlich-gelben Flüssigkeit wird bereits als Milchserum für Getränke oder als Molkepulver für Suppen und Backwaren weiterverarbeitet. Im Projekt "multiPS“ wollen Forschende der Hochschule Anhalt nun zeigen, dass dieser Reststoff noch anderweitig sinnvoll genutzt werden kann. Das Vorhaben wird von der Investitionsbank Sachsen-Anhalt mit Unterstützung der Europäischen Union mit rund 857.000 Euro gefördert.

Präbiotika aus Molkereireststoffen

„Unser Ziel ist es, diese Rohstoffe effizient zu nutzen und in wertvolle Präbiotika umzuwandeln“, sagt Christof Hamel vom Fachbereich Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik der Hochschule Anhalt. Präbiotika sind Stoffe in Lebensmitteln, die die nützlichen Bakterien im Darm unterstützen. Das sogenannte Mikrobiom des Darms hilft wiederum, wichtige Inhaltsstoffe der Nahrung zu verwerten, und trägt damit zur Darmgesundheit bei.

Molke besteht zwar zum Großteil aus Wasser, enthält aber auch wertvolle Rohstoffe wie Milchzucker oder Eiweiße sowie Vitamin B, Kalium, Calcium und Phosphor. Im Fokus des Projektes steht das Präbiotikum Galactooligosaccharide – kurz GOS. Es besteht aus kleinen Zuckermolekülen und kann den Forschenden zufolge von den nützlichen Darmbakterien besonders gut verwertet werden. Gleichzeitig verhindert GOS, dass sich schädliche Keime an die Darmwand anheften können. Das Wachstum dieser guten Bakterien zu fördern, kann daher die Darmgesundheit deutlich verbessern.

Präbiotika mit Enzymen optimieren

Neben der besseren Nutzung der in Molkereien anfallenden Molke wollen die Forschenden im Projekt daher die GOS-Herstellung optimieren. Hierfür sollen vier verschiedene Enzyme kombiniert werden, sodass die Reinheit des Präbiotikums erhöht und die Ausbeute gesteigert wird. „Durch die verschiedenen Enzyme können wir Laktose und Glukose in wertvolle Produkte umwandeln, die in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie verwendet werden“, erläutert Hamels Kollegin Christin Fischer.

Leitfaden für Molkereien

Im Rahmen des Projektes, das im Januar 2024 gestartet ist und bis Ende 2027 läuft, will das Team auch einen Leitfaden für Molkereien erarbeiten. Damit sollen die Unternehmen in die Lage versetzt werden, „ausgehend vom Rohstoff und der gewünschten Produktreinheit, die benötigten Enzyme und Prozessparameter ablesen“ und so „ungenutzte Nebenströme aus der Käseherstellung noch besser verwerten“ zu können – etwa Zwischenprodukt weiterverkaufen oder ihr Portfolio um präbiotische Produkte erweitern.