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Dank eines Methoden-Mixes ist es einem Team der Technischen Universität Braunschweig erstmals gelungen, einzelne Aminosäuren in einem Peptid durch eine mikroskopische Analyse der Moleküloberfläche zu identifizieren. Damit kann jetzt einer der Grundbausteine des Lebens auf den Nanometer genau untersucht werden. Das Team unter Leitung von Physikerin Uta Schlickum berichtet im Fachjournal „Nature Communications“ über das neue Messverfahren.

Peptide als kurze Aminosäure-Ketten

Der Unterschied von Peptid zu Protein wirkt etwas willkürlich gewählt und hängt ausschließlich von der Größe ab: Solange nicht mehr als etwa 100 Aminosäuren zusammen eine Kette bilden, ist es ein Peptid. Sobald es mehr werden, spricht die Fachwelt von Proteinen. In biologischen Prozessen tauchen die Peptide an allen möglichen Stellen auf – etwa als Hormon oder als Antibiotikum. Doch wie Peptide genau funktionieren, ist bisher nur in Ansätzen erforscht. Das liegt auch daran, dass bisher kein Mikroskop die biologischen Bauteile einzelner Peptide aufs Atom genau abbilden kann.

Rastertunnelmikroskop mit anderen Erkennungsmethoden kombiniert

Im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers kombinierte das Forschungsteam um Uta Schlickum verschiedene Methoden, um ein Rastertunnelmikroskop für die Peptid-Erkennung nutzbar zu machen. Die Braunschweiger haben dazu mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und weiteren internationalen Forschenden zusammengearbeitet.

An sich sind Rastertunnelmikroskope zwar aufs Atom genau, können aber verschiedene Elemente einer molekularen Struktur nicht auseinanderhalten. Dem Team um Schlickum ist es gelungen, die Messspitze des bildgebenden Geräts chemisch sensitiv zu machen und so auf eine der Aminosäuren im Peptid zu spezialisieren. Mit dieser neuartigen Spitze sind erstmals einzelne Aminosäuren der komplexen biologischen Ketten unterm Mikroskop sicht- und identifizierbar. Damit, so die Forschenden, sei ein erster Schritt für die Sequenzierung von Peptiden auf Oberflächen bei höchster räumlicher Auflösung erreicht.

Thanks to a mix of methods, a team at the Technical University of Braunschweig has succeeded for the first time in identifying individual amino acids in a peptide by analyzing the surface of the molecule under a microscope. This means that one of the basic building blocks of life can now be examined down to the nanometer. The team, led by physicist Uta Schlickum, reports on the new measurement method in the journal "Nature Communications".

Peptides as short amino acid chains

The difference between peptide and protein seems somewhat arbitrary and depends solely on the size: as long as no more than around 100 amino acids form a chain, it is a peptide. As soon as there are more, experts refer to them as proteins. In biological processes, peptides can be found in all kinds of places - for example as hormones or antibiotics. However, research into exactly how peptides work has so far only been rudimentary. This is also due to the fact that no microscope has yet been able to image the biological components of individual peptides down to the atom.

Scanning tunneling microscope combined with other detection methods

As part of the QuantumFrontiers Cluster of Excellence, the research team led by Uta Schlickum combined various methods to make a scanning tunneling microscope usable for peptide detection. The Braunschweig team collaborated with the Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart and other international researchers.

Although scanning tunneling microscopes are accurate to the atom, they cannot distinguish between different elements of a molecular structure. Schlickum's team has succeeded in making the measuring tip of the imaging device chemically sensitive and thus specializing it to one of the amino acids in the peptide. With this new type of tip, individual amino acids of the complex biological chains can be seen and identified under the microscope for the first time. According to the researchers, this is a first step towards sequencing peptides on surfaces at the highest spatial resolution.

Viele Baustoffe – ob Beton oder Dämmstoffe – bestehen aus erdölbasierten Rohstoffen und werden energieintensiv hergestellt. Vor allem bei der Herstellung des Bindemittels Zement entstehen große Mengen des klimaschädlichen Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂). Im Projekt ReMatBuilt entwickelten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, gemeinsam mit Partnern aus China nachhaltige Betonbaustoffe und leistungsfähige Bauteile auf Basis von Bau- und Abbruchabfällen sowie landwirtschaftlichen Reststoffen. Das dreijährige Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Bioökonomie International“ gefördert.

Anlässlich der Hannover Messe Preview am 21. Februar stellten die Fraunhofer-Forschenden des WKI nun die Lösungen des ReMatBuilt-Projekts einem Fachpublikum vor. Auf der Hannover Messe vom 22. bis 26. April 2024 können Interessierte in Halle 2 am Fraunhofer-Stand unter anderem Betonbausteine mit rezyklierten Zuschlagstoffen begutachten.

Leicht umsetzbare Recycling- und Produktionsverfahren

Den Projektpartnern aus Deutschland und China ging es in ReMatBuilt vor allem darum, Recycling- und Produktionsverfahren zu identifizieren, die den Anteil nachwachsender Rohstoffe im Bausektor erhöhen und zudem leicht umsetzbar sind. „Das Besondere an unserem Projekt ist der ganzheitliche Ansatz“, sagt Projektleiter Libo Yan. „Wir kombinieren unser Wissen über die Prozesse und die Eigenschaften der verschiedenen Materialien, um die chemische, physikalische und mechanische Leistung von der Mikro- bis zur Makroskala zu verstehen und erreichen damit bereits einen sehr hohen Technology Readiness Level – ein wichtiger Aspekt im Hinblick auf die praktische Anwendung.“

Recyclingbeton aus Bauschutt und Agrarreststoffen

Bei der Herstellung von Recyclingbeton konzentrierte sich das Team auf Bauschutt, also Altbeton- und Mauerwerksabfälle, sowie landwirtschaftliche Reststoffe – statt auf Zement und Kies. Beide Rohstoffe stehen weltweit in großen Mengen zur Verfügung. Diese Komponenten wurden wiederum mit pflanzlichen Naturfasern wie Flachs verstärkt und mit Reststoffen aus der Forstwirtschaft wie Hackschnitzeln aus Altholz ergänzt.

Das herkömmliche Bindemittel Zement wiederum wurde durch die Asche verbrannter Reisschalen ersetzt. „Reis ist das weltweit am meisten verbreitete Nahrungsmittel. Seine Schalen werden bisher kaum genutzt. Wir haben herausgefunden, dass sich die Reisschalenasche, die in einem speziellen Verbrennungsprozess entsteht, hervorragend als Zementersatz eignet“, sagt Yan. Die daraus gefertigten Bausteine sind den Forschenden zufolge nicht nur leichter als herkömmliche Ziegel, sondern überzeugen auch in puncto Festigkeit, Haltbarkeit sowie Wärme- und Schalldämmung.

Nachhaltige Dämmstoffe und Verbundsysteme

Auch Dämmstoffe aus pflanzlichen Reststoffen wie Sägespäne, Reis- und Weizenstrohhalme wurden im Projekt ReMatBuilt entwickelt. Diese lassen sich ebenfalls mit nachhaltigen Betonsteinen zu Wandsystemen aus gedämmten Blöcken kombinieren. Darüber hinaus hat das Team Verbundsysteme entworfen, mit denen Recyclingbeton in Kombination mit Furnierschichtholz und Brettsperrholz auch als Geschossdecke eingesetzt werden kann.

Many building materials - whether concrete or insulating materials - are made from petroleum-based raw materials and are energy-intensive to produce. Large quantities of the climate-damaging greenhouse gas carbon dioxide (CO2) are produced, particularly during the manufacture of the binding agent cement. In the ReMatBuilt project, researchers from the Fraunhofer Institute for Wood Research, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, together with partners from China, developed sustainable concrete building materials and high-performance components based on construction and demolition waste and agricultural residues. The three-year project was funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of the "Bioeconomy International" funding initiative.

At the Hannover Messe Preview on February 21, the Fraunhofer researchers from the WKI presented the solutions from the ReMatBuilt project to a specialist audience. At the Hannover Messe from April 22 to 26, 2024, interested visitors will be able to see concrete building blocks with recycled aggregates, among other things, at the Fraunhofer stand in Hall 2.

Easy-to-implement recycling and production processes

In ReMatBuilt, the project partners from Germany and China were primarily concerned with identifying recycling and production processes that increase the proportion of renewable raw materials in the construction sector and are also easy to implement. "The special thing about our project is the holistic approach," says project manager Libo Yan. "We are combining our knowledge of the processes and properties of the various materials to understand the chemical, physical and mechanical performance from the micro to the macro scale and are already achieving a very high technology readiness level - an important aspect in terms of practical application."

Recycled concrete from building rubble and agricultural waste

In the production of recycled concrete, the team concentrated on building rubble, i.e. old concrete and masonry waste, as well as agricultural waste – instead of cement and gravel. Both raw materials are available in large quantities worldwide. These components were in turn reinforced with natural plant fibers such as flax and supplemented with residual materials from the forestry industry such as wood chips from waste wood.

The conventional binding agent cement, on the other hand, was replaced by the ash from burnt rice husks. "Rice is the most widely consumed food in the world. Its husks have hardly been used to date. We discovered that rice husk ash, which is produced in a special combustion process, is an excellent substitute for cement," says Yan. According to the researchers, the building blocks made from it are not only lighter than conventional bricks, but also impress in terms of strength, durability and thermal and acoustic insulation.

Sustainable insulation materials and composite systems

Insulating materials made from plant residues such as sawdust, rice and wheat straws were also developed in the ReMatBuilt project. These can also be combined with sustainable concrete blocks to create wall systems made from insulated blocks. In addition, the team has designed composite systems with which recycled concrete can also be used as floor slabs in combination with laminated veneer lumber and cross-laminated timber.

Ob im Kleingarten, auf dem Dachgarten oder im Hochbeet auf dem Balkon: Der Anbau von Obst und Gemüse in der Stadt liegt im Trend und könnte Studien zufolge die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung in den Städten mit gesunden Lebensmitteln sichern. Doch wie nachhaltig sind die Lebensmittel aus urbaner Landwirtschaft im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft? Das hat erstmals ein internationales Forschungsteam genauer untersucht. Daran beteiligt waren neben Forschenden aus den USA, Frankreich, Großbritannien und Polen auch zwei Wissenschaftlerinnen vom Institut für Landes- und Stadtentwicklungsforschung (ILS) in Dortmund.

Studie untersucht Ressourceneffizienz urbaner Gärtnerei

Im Fachjournal „Nature Cities" berichten die Forschenden über ihre Studie, in der sie erstmals den CO₂- Fußabdruck von städtischer und konventioneller Landwirtschaft verglichen. Untersucht wurden 73 Urban-Agriculture-Standorte von New York über Paris bis ins Ruhrgebiet. Unterstützt von Gärtnerinnen und Gärtnern sowie Landwirtinnen und Landwirten sammelte das Forschungsteam 2019 und 2020 Daten, um die Ressourceneffizenz beider Anbauformen zu vergleichen.

Berücksichtigt wurden dabei unter anderem der Wasser- und Kraftstoffverbrauch sowie der Einsatz von Düngemitteln im Verhältnis zu den geernteten Pflanzen und den Transportmethoden. Auch die für den Anbau von Lebensmitteln verwendeten Materialien wie Holz für Hochbeete und Kunststoffmembranen für Polytunnel wurden berücksichtigt und ihre Auswirkungen auf die Umwelt quantifiziert.

Die Nutzung von Nahrungspflanzen wie Mais oder Weizen zur Herstellung von Biosprit ist seit Langem umstritten. Reststoffe aus der Landwirtschaft oder Lebensmittelproduktion stellen hingegen keinerlei Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion dar und sind in großen Mengen verfügbar. So auch Altbackwaren. Brot, Brötchen und Co. gehören zu den Lebensmitteln, die am häufigsten weggeworfen werden. Etwa 600.000 Tonnen fallen hier jährlich als Retouren und Reste an. Das Potenzial von Altbackwaren soll nun zur Herstellung von Bioethanol genutzt werden.

Brotbrennerei-Pilotanlage geht in Betrieb

In Zusammenarbeit mit der Universität Hohenheim in Stuttgart ging am 23. Februar eine Pilotanlage bei der Bäckerei Webers Backstube in Friedrichshafen in Betrieb. Geschäftsführer Hannes Weber, auch bekannt als Fernsehbäcker aus dem SWR-Fernsehen, hatte das Projekt namens "Brotbrennerei" initiiert und gemeinsam mit Forschenden umgesetzt. Die Idee dahinter: „Bisher werden Altbackwaren meist als Abfall entsorgt oder als Tierfutter, Hackschnitzel oder in Biogasanlagen weiterverwendet. Retouren stellen kein einheitliches Ausgangsmaterial dar.

Daher sind diese Recyclingmethoden mit aufwändiger Hand-Sortierung, langen Transportwegen und damit verbundenen zusätzlichen Kosten belastet", erklärt Weber. Allein in seiner Backstube fallen jährlich Entsorgungskosten in Höhe von 15.000 Euro an. Im Projekt Brotbrennerei soll dieser wertvolle Reststoff nun als erneuerbare Kraftstoffquelle erschlossen und damit ein Kreislauf geschlossen werden.

Gärsalzen steigern Ethanolproduktion bei Altbackwaren

Die Grundlagen zur Umwandlung von alten Backwaren in Biosprit wurden in der Forschungs- und Lehrbäckerei der Universität Hohenheim gelegt. Hier wurde untersucht, ob die zur Bioethanolherstellung erforderliche alkoholische Gärung auch bei Brot und Co. funktioniert. „Brot enthält erhebliche Mengen an Stärke. Sie wird von speziellen Enzymen leicht in Zuckermoleküle zerlegt, die die Hefe dann in Alkohol umwandelt", erklärt Daniel Einfalt von der Forschungs- und Lehrbrennerei. Hier zeigte sich, dass ausgerechnet Weißbrot, das Brot mit dem höchsten Stärkeanteil, bei der Alkoholproduktion deutlich hinter Backwaren wie Brötchen, Laugengebäck, Roggenbrot oder Sahne-Cremetorten zurückblieb.

„Wir führen das auf den geringen Proteingehalt des Weißbrotes zurück. Denn die Eiweiß-Bausteine sind unerlässlich für die Aktivität der Hefe", so Einfalt. Mithilfe von Gärsalzen wurde hier die Alkoholproduktion angekurbelt. Dadurch verkürzte sich die Gärzeit oder der Ethanolertrag erhöhte sich. Um die Gewinnung von Bioethanol aus Altbackwaren umzusetzen, entwickelte der Projektpartner Müller Brennereianlagen eine spezielle Brennereitechnik. Das Technologie-Transfer-Zentrum Bremerhaven erarbeitete ein Energie-Konzept, sodass die Bäckerei mit Strom aus einer Photovoltaikanlage auf dem Dach versorgt wird und darüber hinaus viel Wärme, etwa aus der Schlempe oder aus dem Kühlwasser der Brennerei, zurückgewonnen wird.

Biosprit und Spirituosen als Einkunftsquelle für Bäckereien

Die neu eröffnete Pilotanlage zur Bioethanolherstellung bei Webers Backstube beherbergt gegenwärtig einen 2.000 Liter großen Maische-Behälter und arbeitet den Forschenden zufolge kostendeckend – obwohl die Preise für Bioethanol derzeit niedrig sind. Die Forschenden hoffen, dass das Friedrichshafener Pilotprojekt Schule macht und weitere Bäckereien das Potenzial einer Brotbrennerei nutzen.

Geschätzte 162 Millionen Liter Biosprit könnten so künftig bundesweit jährlich aus Altbackwaren gewonnen werden, heißt es. Aber nicht nur das: Mit der Destillation von Altbackwaren könnten auch aromatische Spirituosen wie Brotbrände hergestellt werden und Bäckereien zusätzliche Einnahmen bescheren. Das Projekt wurde über das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Das Münchner Biotech-Start-up Insempra GmbH gehört zu den acht Gewinnerteams der SPRIND Challenge "Circular Biomanufacturing“. CEO und Gründer von Insempra ist Jens Klein, der wie sein Kollege Lin Römer einst beim Biotechunternehmen AMSilk eine führende Rolle spielte. Von der Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND erhält das Unternehmen eine millionenschwere Förderung (davon 1,5 Mio. Euro im ersten Jahr) für das Projekt BioTreasure. Ein Team um Projektleiterin Luisa Gronenberg wird in den kommenden drei Jahren ein innovatives Verfahren zur mikrobiellen Herstellung von Materialien wie Polyester und Polyamide sowie Proteinfasern aus Rest- und Abfallströmen entwickeln.

The Munich-based biotech start-up Insempra GmbH is one of the eight winning teams of the SPRIND Challenge "Circular Biomanufacturing". The CEO and founder of Insempra is Jens Klein, who, like his colleague Lin Römer, once played a leading role at the biotech company AMSilk. The company is receiving millions in funding from the Federal Agency for Leap Innovations SPRIND (with 1.5 million euros in the first year) for the BioTreasure project. Over the next three years, a team led by project manager Luisa Gronenberg will develop an innovative process for the microbial production of materials such as polyester and polyamides as well as protein fibres from residual and waste streams.

Die Sicherung der Ernährung ist die wichtigste Aufgabe der Landwirtschaft. Doch schon heute leidet die Branche unter den Folgen des Klimawandels und steht unter Druck, die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung zu sichern. Gleichzeitig ist sie mitverantwortlich für einen Großteil der klimaschädlichen Treibhausgasemissionen und für den Verlust der biologischen Vielfalt. Ein Wandel der Agrar- und Ernährungssysteme zu mehr Nachhaltigkeit ist der einzige Weg, um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern. Diesen tiefgreifenden Wandel besser zu verstehen und wissenschaftlich fundierte Informationen für die daraus resultierenden gesellschaftlichen und politischen Herausforderungen aufzubereiten, ist Aufgabe der neu eingerichteten Ständigen Senatskommission „Transformation von Agrar- und Ernährungssystemen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Breite wissenschaftliche Expertise

„Das Alleinstellungsmerkmal der neuen DFG-Senatskommission ist ihre breite wissenschaftliche Expertise und die systemische Betrachtung der Transformation von Agrar- und Ernährungssystemen“, sagt DFG-Präsidentin Katja Becker. „Die bisher national eingerichteten Gremien und Institutionen decken überwiegend nur einen bestimmten Teilbereich der Landwirtschaft ab und sind zudem häufig weisungsgebunden. Diese Lücke will die DFG mit der neuen Senatskommission schließen.“ Das Gremium soll, so Becker, „rein grundlagenwissenschaftlich arbeiten und die Agrar- und Ernährungssysteme in ihrer Gesamtheit betrachten“.

Um das Thema in seiner Komplexität zu erfassen, werden die Mitglieder der Kommission die gesamte Wertschöpfungskette betrachten – von den natürlichen Rahmenbedingungen wie Boden, Klima und Biodiversität über die Anbau- und Produktionssysteme für Pflanzen und Tiere und deren Einbettung in den Markt. Auch Handel und Nachfrage sowie die Ernährungsbedürfnisse und Ernährungsgewohnheiten der Verbraucherinnen und Verbraucher werden beleuchtet. Der Fokus der Aktivitäten liegt auf dem deutschen und europäischen Raum. Darüber hinaus wird die Sonderkommission Positionspapiere erarbeiten und die DFG bei Diskussionen und Anhörungen zum Thema Agrar- und Ernährungswende vertreten.

Fachübergreifende Beratung

Insgesamt 18 Fachleute aus den Agrar-, Gesellschafts-, Natur- und Lebenswissenschaften gehören dem neu eingerichteten Gremium an – darunter sind viele Persönlichkeiten, die bereits auf bioökonomie.de in unseren Interviews zu Wort kamen, wie der Göttinger Agrarökonom Matin Qaim, der Bonner Bodenkundler Wulf Amelung, der Berliner Politikwissenschaftler Peter Feindt und die Wissenschaftliche Direktorin des IGZ, Nicole van Dam.

Den Vorsitz der Kommission übernimmt Agrarbiologin Doris Vetterlein vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Halle (Saale). „Aufgabe der Kommission ist es, kontinuierlich neue Erkenntnisse hinsichtlich ihrer wissenschaftlichen, gesellschaftlichen und politischen Bedeutung aufzuarbeiten und so eine wissenschaftsbasierte und fachübergreifende Beratung zu leisten“, so die Senatskommissionsvorsitzende. „Der Schwerpunkt liegt dabei auf kontrovers diskutierten Themen, sich neu entwickelnden Fragestellungen oder auch auf der Bewertung des Potenzials und Risikos technischer Innovationen.“

Ensuring food security is the most important task of agriculture. However, the sector is already suffering from the consequences of climate change and is under pressure to secure food for a growing world population. At the same time, it is partly responsible for a large proportion of climate-damaging greenhouse gas emissions and for the loss of biodiversity. A change in agricultural and food systems towards greater sustainability is the only way to master the challenges of the future. The task of the newly established Permanent Senate Commission "Transformation of Agricultural and Food Systems" of the German Research Foundation (DFG) is to better understand this profound change and to prepare scientifically sound information for the resulting social and political challenges.

Broad scientific expertise

"The unique selling point of the new DFG Senate Commission is its broad scientific expertise and its systemic view of the transformation of agricultural and food systems," says DFG President Katja Becker. "The committees and institutions that have been set up at national level to date predominantly only cover a specific area of agriculture and are also often bound by directives. The DFG wants to close this gap with the new Senate Commission." According to Becker, the committee will "work purely on basic research and look at agricultural and food systems in their entirety".

In order to grasp the complexity of the topic, the members of the commission will consider the entire value chain - from the natural framework conditions such as soil, climate and biodiversity to the cultivation and production systems for plants and animals and their integration into the market. Trade and demand as well as the nutritional needs and eating habits of consumers will also be examined. The focus of activities is on Germany and Europe. In addition, the Special Commission will develop position papers and represent the DFG in discussions and hearings on the topic of the agricultural and food transition.

Interdisciplinary advice

A total of 18 experts from the agricultural, social, natural and life sciences are members of the newly established committee - including many personalities who have already featured in our interviews on bioökonomie.de, such as the Göttingen agricultural economist Matin Qaim, the Bonn soil scientist Wulf Amelung, the Berlin political scientist Peter Feindt and the Scientific Director of the IGZ, Nicole van Dam.

The commission will be chaired by agricultural biologist Doris Vetterlein from the Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) in Halle (Saale). "The task of the commission is to continuously process new findings with regard to their scientific, social and political significance and thus provide science-based and interdisciplinary advice," says the Senate Commission Chair. "The focus is on controversial topics, newly developing issues and the assessment of the potential and risk of technical innovations."

Stoßstangen an Autos bestehen häufig aus Isocyanat-Schaumstoffen, um die Verletzungsgefahr für Fußgänger, Radfahrer und Tiere bei einem Aufprall zu verringern. Isocyanate sind jedoch giftige Stoffe, deren Ausgasungen Augen und Schleimhäute reizen können. In dem Verbundprojekt „Ligninschaum“ wollen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, gemeinsam mit dem Automobilhersteller Volkswagen AG und weiteren Industriepartnern nun biobasierte Hartschäume für die Herstellung von Pkw-Stoßstangen entwickeln.

Hartschäume aus Ligninsulfonat

Das Team setzt dabei auf den Holzstoff Lignin – ein Biopolymer, das in der Natur weitverbreitet ist und in Pflanzenzellen für Festigkeit sorgt. Konkret geht es darum, ungereinigtes Ligninsulfonat, das bei der Zellstoffherstellung im Sulfitverfahren als Nebenprodukt anfällt, direkt aufzuschäumen. Das Ligninsulfonat wird dabei mit Wasserstoffperoxid aufgeschäumt – einem Rohstoff, der nach Angaben der Forschenden vergleichsweise günstig ist und eine Aufreinigung überflüssig macht. Die Machbarkeit des Verfahrens wurde bereits im Technikumsmaßstab nachgewiesen.

In dem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) bis 2026 geförderten Projekt will das Team das Verfahren nun optimieren und hochskalieren. Der Stoßfänger soll zu 90 % aus Lignin bestehen und zusätzlich Reststoffe aus der Zellstoffherstellung wie ungelöste Faserbündel als Verstärkungsmaterial enthalten. Am Ende soll das Autoteil auch in seinen technischen Eigenschaften überzeugen. Das heißt, der Holzstoff soll nicht nur das Polypropylen (EPP) im Stoßfänger ersetzen, sondern auch durch geringes Gewicht, hohe Energieabsorption und gutes Rückstellvermögen punkten.

Humine ersetzen PET

Diese Eigenschaften sowie die erforderliche Druckelastizität sollen durch spezielle biobasierte Fettsäuren und Latex erreicht werden. Zudem sollen die Humus-Bestandteile Humine als Additiv den in herkömmlichen Stoßstangen enthaltenen Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET) ersetzen. Diesen Rohstoff liefert wiederum ein niederländischer Partner, der Humine im industriellen Maßstab herstellt. Mittels Spritzguss und Schaumextrusion soll der biobasierte Stoßfänger schließlich hergestellt werden.

Neues Geschäftsfeld für Papier- und Zellstoffhersteller

Bei erfolgreicher Umsetzung des Verfahrens könnte der neue Werkstoff nicht nur der Automobilindustrie zugutekommen, sondern auch Papier- und Zellstoffherstellern neue Geschäftsfelder eröffnen, schreiben die Forschenden.

Obwohl das Recycling von Kunststoffen seit Jahren etabliert ist, wird in Deutschland immer noch mehr als die Hälfte aller Kunststoffabfälle verbrannt. Das Problem: Kunststoffe sind meist Verbundstoffe aus verschiedenen Materialien, die sich nur schwer trennen lassen. Nur sortenreine Materialien sind bisher recycelbar und wirtschaftlich. Um Ressourcen und Umwelt zu schonen und Stoffkreisläufe zu schließen, wird daher intensiv an neuen, nachhaltigen und recyclingfähigen Kunststoffen geforscht. Forschenden der Hochschule Bielefeld steht dafür ein Hightech-Gerät zur Verfügung, das die Entwicklung „grüner“ Kunststoffe beschleunigen kann.

Bei der Technologie handelt es sich um einen Doppelschnecken-Extruder. Damit lassen sich die Prozesse der Kunststoffherstellung simulieren – vom Zerkleinern, Teilen und Mischen bis hin zum Portionieren. Aber nicht nur das: „Mit dem Extruder können wir sowohl neue Materialien entwickeln als auch vorhandene gezielt verändern, indem wir beispielsweise neue Stoffe zumischen oder andere abbauen“, erläutert Laborleiter Bruno Hüsgen.

Neuer Kunststoffmix aus PLA und PHB hergestellt

So haben die Bielefelder mithilfe des Extruders einen neuen Werkstoff entwickelt, der das Beste aus den beiden Biopolymeren Polylactid (PLA) und Polyhydroxybuttersäure (PHB) vereint. Daraus könnten in Zukunft nachhaltige Verpackungen hergestellt werden, die unter bestimmten Bedingungen vollständig biologisch abbaubar sind. „PHB ist sehr spröde, während PLA nur eine niedrigere Temperaturbeständigkeit aufweist. Durch die Mischung heben sich die Nachteile beider Sorten auf.

In kombinierter Form werden die Nachteile zu positiven Eigenschaften eines neuen Rohstoffs, der ohne den Einsatz von Erdöl auskommt“, erklärt Johannes Brikmann von der AG Bielefelder Kunststofftechnik. Das zähe wie hitzebeständige Biopolymer könnte Brinkmann zufolge auch für die Herstellung kurzlebiger Medizinprodukte genutzt werden.

Experiment mit Farbstoff auf Algenbasis

Damit Kunststoffe wirklich nachhaltig und kreislauffähig sind, müssen auch alle anderen Komponenten wie Farben und Lacke biobasiert sein. „Das Besondere bei diesem Compounder ist, dass wir nicht nur alle industriell verwendeten Additive zumischen können, sondern auch neue Additive auf Pflanzenbasis ausprobieren können, die eine schonende Temperaturführung benötigen“, sagt Hüsgen.

Hier experimentiert sein Team gemeinsam mit Forschenden der Arbeitsgruppe Pflanzenschutzmittel mit Farbstoffen auf Algenbasis, die den neuen Kunststoffen beigemischt werden. Der Extruder, so die Forschenden, ermögliche es, bisher getrennte Verfahren zur Formulierung von Wirkstoffen in einem Prozess zusammenzufassen, was die Herstellung günstiger mache.

Elastomere recycelbar machen

Die Verlängerung des Lebenszyklus von Kunststoffen durch Recycling ist ebenfalls ein Schwerpunkt der Bielefelder Arbeitsgruppe um Hüsgen. Hier beschäftigt sich das Team mit Elastomeren. Diese Gruppe von Kunststoffen zeichnet sich durch lange Molekülketten aus, die extrem dehnbar und elastisch sind, sich aber durch den üblichen Recyclingprozess nicht wiederherstellen lassen. „Wir wollen die Scherkräfte, die im Compounder auf das Material einwirken, nutzen, um die Schwefelbindungen im Elastomer zu spalten“, erläutert Hüsgen die derzeit laufenden Versuche. „Wenn uns das gelingt, wäre ein werkstoffliches Recycling und damit eine erneute Nutzung des Materials möglich.“

Jahrzehntelang wurden Moore zur Landgewinnung gezielt trockengelegt. Nur noch etwa 5 % der Landfläche Deutschlands sind Moore. Mit der Trockenlegung wurde nicht nur der Lebensraum vieler Pflanzen und Tiere zerstört, sondern auch ein wichtiger CO₂-Speicher. Fachleute schätzen, dass die entwässerten Feuchtgebiete in Deutschland für 39 % der landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen verantwortlich sind. Die Wiedervernässung oder Nutzung von Mooren in Paludikultur kann daher einen wichtigen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen leisten – wie eine aktuelle Feldstudie belegt.

Ökossystemaustausch und Klimaerwärmung im Fokus

Darin untersuchten Forscherinnen und Forscher des Peatland Science Centre (PSC) der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) die Auswirkungen der Wiedervernässung sowie der zu erwartenden Klimaerwärmung auf extensiv bewirtschafteten Seggenwiesen sowie auf Intensivgrünland – jeweils entwässert und wiedervernässt. Gemessen wurden der Netto-Ökosystemaustausch von CO₂, Methan und Lachgas sowie die Biomasse-Erträge.

Starke Senken-Funktion für Treibhausgase auch bei Erderwärmung

Die Studie zeigt deutlich, dass die Nutzung von wiedervernässten Mooren als Paludikultur das höchste Emissionsminderungspotenzial aufweist. Die größten Treibhausgasminderungen wurden demnach bei der Umstellung der Grünlandnutzung auf Seggen-Paludikultur festgestellt. Das Reduktionspotenzial lag hier bei minus 80 Tonnen CO₂-Äquivalenten pro Hektar und Jahr. Diese starke „Senkenfunktion für Treibhausgase“ könnte laut Studie auch bei einer zu erwartenden Erderwärmung von 0,9 Grad Celsius bestehen bleiben, wie entsprechende Simulationen der Forschenden ergaben. Die Studie zeigt aber auch, dass bereits bei einem Temperaturanstieg von 0,9 Grad Celsius die Emissionen von entwässertem Grünland auf organischen Böden deutlich ansteigen – und zwar um fast 40 % auf rund 67 Tonnen CO₂-Äquivalente pro Hektar und Jahr.

Paludiekulturen anpassen

„Paludikulturen sind eine wichtige Minderungsmaßnahme, um die Klimaschutzziele erreichen zu können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese auch eine höhere Resilienz im Klimawandel haben können und daher besonders Moorböden schützen können“, so Carla Bockermann, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Doktorandin an der HSWT. Die Ergebnisse dieses einjährigen Experiments zeigen nach Ansicht der Forschenden das Potenzial der Paludikultur und die Notwendigkeit, die Auswirkungen der globalen Erwärmung auf die Ökosystem-Emissionen zu modifizieren und entschlossen geeignete Anpassungsmaßnahmen zu ergreifen.

Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) heizen die Erderwärmung an und sind somit wesentliche Treiber des Klimawandels. Um die Pariser Klimaziele zu erreichen, müssen Emissionen jedoch deutlich reduziert oder im besten Fall vermieden werden. Die Nutzung von Kohlendioxid und Methan als Rohstoff kann dabei einen entscheidenden Beitrag leisten. Hier setzt das Projekt Biogasohol an. Darin wollen Forschende am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock die beiden Gase aus Biogas in eine wichtige Grundchemikalie, das Synthesegas – ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) – umwandeln. Das drei Jahre dauernde Vorhaben wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Bioökonomie International“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis April 2024 mit rund 518.000 Euro unterstützt. Partner in Vietnam sind an dem Projekt beteiligt.

Neue Katalysatoren und Prozesse für die Synthesegasherstellung

Auch bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung von Biogas werden klimaschädliche Treibhausgase freigesetzt. Denn Biogas enthält etwa ein Drittel CO₂ und zwei Drittel CH₄ neben Verunreinigungen – beispielsweise Spurenelemente im Pflanzenmaterial wie Schwefel. Derzeit wird das CO₂ in Biogasanlagen abgetrennt und an die Umgebung abgegeben, während Methan in Heizkraftwerken verbrannt wird. Das Team unter Leitung von Udo Armbruster vom LIKAT möchte diese wertvollen Stoffströme in einen geschlossenen Stoffkreislauf zurückführen. Dafür wurden im Projekt neue Katalysatoren und Prozesse etabliert, um Synthesegas herzustellen – und das auf nachhaltige Weise.

Prozess der trockenen Reformierung im Fokus

„Der klassische Weg, Synthesegas aus kohlenstoffhaltigem Material zu erzeugen, besteht darin, es bei sehr hohen Temperaturen mit Wasser zu verdampfen und dann an einem festen Katalysator in Synthesegas umzuwandeln. Das ist jedoch ein energieaufwändiger Prozess“, erläutert Armbruster. Beim herkömmlichen Verfahren der Dampfreformierung werden demnach riesige Mengen Wasser auf extrem hohe Temperaturen von 700 Grad Celsius und mehr erhitzt. Im Rahmen des Projekts wurde daher die Methode der Trockenreformierung bei der Umwandlung von Methan und Kohlendioxid in Synthesegas angewendet. „Bei der trockenen Reformierung ist die Wärmebilanz besser, weil kein Wasser zugeführt wird und auch nur kleine Mengen Wasser im System gebildet werden“, erklärt der Chemiker.

Nickel-Katalysator modifiziert

Die Trockenreformierung läuft zwar bei geringeren, aber dennoch hohen Temperaturen ab und stellt ebenfalls hohe Ansprüche an die im Prozess eingesetzten Materialien. Mit Blick auf eine großtechnische Produktion von Synthesegas aus Biogas musste daher ein geeigneter Katalysator gefunden werden, der unter diesen Temperaturen schnell reagiert und eine hohe Ausbeute ermöglicht. Hier profitierte das Rostocker-Team von der jahrelangen Katalysator-Forschung und konnte einen leistungsfähigen Ersatz für die teuren Edelmetallkatalysatoren etablieren. „Wir haben uns auf Nickel-Katalysatoren fokussiert, weil wir wissen, dass diese unsere Zielreaktion sehr effizient durchführen können. Da man in der Regel einfaches Nickelmetall jedoch nicht nutzen kann, mussten wir noch bestimmte Eigenschaften hinzufügen, damit der Katalysator stabil und aktiv ist“, erklärt Armbruster.

Damit der nickelhaltige Katalysator beim Trockenreformieren funktioniert, musste das Team einige Hürden nehmen. Ein generelles Problem war hierbei die Kohlenstoffbildung, da Nickel sehr schnell und sehr viel Kohlenstoff bindet. Dieser entsteht bei der Trockenreformierung durch die Zersetzung von Methan und Kohlenstoffdioxid. Der Katalysator musste daher so modifiziert werden, dass er so wenig wie möglich Kohlenstoff erzeugt, aber dennoch hochaktiv ist, um Methan und CO₂ zu aktivieren. „Durch die Veränderung der Säureeigenschaften wurde der Katalysator basischer, sodass CO₂ besonders gut adsorbiert und auch die Kohlenstoffbildung vermieden werden konnte“, berichtet Armbruster.

Greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) fuel global warming and are major drivers of climate change. However, in order to achieve the Paris climate targets, emissions will need to be significantly reduced or, ideally, avoided. The use of carbon dioxide and methane as a raw material can make a significant contribution to this. This is where the Biogasohol project comes in. Researchers at the Leibniz Institute for Catalysis (LIKAT) in Rostock want to convert the two gases from biogas into an important basic chemical, synthesis gas. Synthesis gas is a mixture of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2). The three-year project is being funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with around 518,000 euros until April 2024 as part of the "Bioeconomy International" funding initiative. Partners in Vietnam are also participating in the project.

New catalysts and processes for synthesis gas production

Even when using renewable raw materials to produce biogas, environmentally harmful greenhouse gases are released. This is because biogas contains around one third CO2 and two thirds CH4 as well as impurities, for example trace elements in the plant material such as sulphur. Currently, the CO2 is isolated in biogas plants and released into the environment, while methane is burned in combined heat and power plants. The research team led by Udo Armbruster from LIKAT wants to return these valuable material flows to a closed material cycle. To this end, new catalysts and processes have been established in the project to produce synthesis gas sustainably.
Focus on the dry reforming process

"The classic way to produce synthesis gas from carbon-containing material is to vaporize it with water at very high temperatures and then convert it into synthesis gas on a solid catalyst. However, this is an energy-intensive process," explains Armbruster. In the conventional process of steam reforming, huge quantities of water are heated to extremely high temperatures of more than 700 degrees Celsius. The project therefore used the dry reforming method to convert methane and carbon dioxide into synthesis gas. "With dry reforming, there is a better heat balance because no water is added and only small amounts of water are formed in the system," explains the chemist.

Nickel catalyst modified

Dry reforming takes place at lower, but still high temperatures. Just like dry reforming, it places high demands on the materials used in the process. With a view to large-scale production of synthesis gas from biogas, the scientists therefore had to find a suitable catalyst that reacts quickly at these temperatures and enables a high yield. Benefiting from years of catalyst research, the Rostock team was able to establish an efficient replacement for the expensive precious metal catalysts. "We focused on nickel catalysts because we know that they can carry out our target reaction very efficiently. However, as it is not usually possible to use simple nickel metal, we had to add specific properties to make the catalyst stable and active," explains Armbruster.

In order for the nickel-containing catalyst to work in dry reforming, the team had to overcome a number of hurdles.One general problem was carbon formation. Nickel binds a lot of carbon very quickly, which is produced during dry reforming through the degradation of methane and carbon dioxide. The catalyst therefore had to be modified so that it produces as little carbon as possible but remains highly active in order to activate methane and CO2. "By changing the acid properties, the catalyst became more alkaline so that CO2 could be adsorbed particularly well and carbon formation could also be avoided," explains Armbruster.

Pflanzenkrankheiten und Schadinsekten sorgen jedes Jahr für große Ernteverluste. Um Ausfälle zu minimieren, setzt die konventionelle Landwirtschaft auf Pestizide. Das Problem: meist handelt es sich um Chemikalien, die nicht ohne Nebenwirkungen bleiben und auch Nicht-Zielorganismen treffen. Auf der Suche nach einer biologischen Alternative haben Forschende der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nun einen speziellen RNA-basierten Wirkstoff entwickelt, der Viren mit den eigenen Waffen bekämpft und Pflanzen so vor den Erregern schützt.

Virale RNA-Moleküle als Pflanzenschutz

Bei der Herstellung des Wirkstoffs kam ein neu entwickeltes Verfahren zum Einsatz, das sich die Forschenden patentieren ließen. Dabei handelt es sich um das sogenannte Antisense-Verfahren, bei dem künstlich hergestellte DNA-Moleküle, sogenannte Antisense-Oligonukleotide (ASO), genutzt werden. In Pflanzenzellen sorgen ASO dafür, dass pflanzliche Enzymscheren an die RNA des Virus geleitet werden, um diese abzubauen. Denn ein Virus nutzt zur Vermehrung jeweils die Zellen der Pflanze als Wirt, wobei RNA-Moleküle entstehen. Diese viralen RNA-Moleküle werden jetzt als Wirkstoff genutzt, um das Virus zu bekämpfen.

Virenbefall um bis zu 90 % abgewehrt

„Damit das gelingt, müssen wir in der viralen RNA eine geeignete Zielstruktur finden, an der die Enzymscheren ansetzen können“, erklärt Sven-Erik Behrens vom Institut für Biochemie und Biotechnologie der MLU. Die Ziel-RNA zu finden und anzugreifen, war alles andere als leicht, da deren Struktur sehr komplex ist und nicht als ablesbares Band vorliegt. Außerdem werden diese Moleküle den Forschenden zufolge von anderen Bestandteilen in der Zelle maskiert. Diese Hürde hat die Forschungsgruppe um Behrens nun gemeistert. Wie das Team im Fachjournal „International Journal of Molecular Sciences“ berichtet, konnte der neue Wirkstoff den Virenbefall in bis zu 90 % der Fälle abwehren.

Neues Verfahren zielsicher und kostengünstig

Damit konnte das Team erstmals nachweisen, dass ihr neu entwickeltes Antisense-Verfahrens auch zur Herstellung für ASO genutzt werden kann und diese Wirkstoffe einen hohen Pflanzenschutz bieten. „Antisense-Oligonukleotide sind nicht nur sehr zielsicher, sie sind auch verhältnismäßig einfach und günstig herzustellen. Ähnliche Wirkstoffe werden seit einigen Jahren auch beim Menschen eingesetzt und zeigen nur wenige Nebenwirkungen. Das ist ein weiterer wichtiger Punkt für den potenziellen Einsatz bei Nahrungsmitteln“, so Behrens.

Das inzwischen patentierte Verfahren wurde im Rahmen des Projekt „Innovative biologische Pflanzenschutzprodukte auf Basis hocheffizienter kleiner Ribonukleinsäuren“ (RNA PROTECT) entwickelt und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ mit 1,2 Mio. Euro gefördert. Als Nächstes soll der neue Ansatz auf Marktfähigkeit geprüft und bei Erfolg ein Unternehmen gegründet werden.

Ob beim Basteln daheim oder im Automobil- und Möbelbau: Klebstoffe sind aus dem Alltag nicht wegzudenken. Die universellen Leichtgewichte verbinden unterschiedlichste Materialien, dichten sie ab und schützen so vor Feuchtigkeit, ohne zu rosten – wie das bei Schraubverbindung der Fall sein kann. So breit das Einsatzfeld für Klebstoffe ist, so groß ist auch die Nachfrage nach einer nachhaltigen und biobasierten Alternative.

In dem vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderten Projekt KERAbond wurde dafür der Weg geebnet. Darin haben Forschende vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Straubing gemeinsam mit dem Klebstoffhersteller Henkel ein Verfahren zur Nutzung von Keratin aus Hühnerfedern zur Herstellung von biobasierten Klebstoffen entwickelt.

Biopolymer Keratin aus Federn für biobasierte Klebstoffe

Ziel des Projektes ist es, erdölbasierte Rohstoffe in Klebstoffen und Spezialchemikalien durch biobasierte Rohstoffe zu ersetzen. Als Rohstoffquelle kommen daher Federn zum Einsatz, die bei der Herstellung von Geflügelfleisch als Reststoff anfallen. Bisher wurden Hühnerfedern entweder entsorgt oder ins Tierfutter gemischt.

Doch die Federn sind mehr als nur Abfall. Sie enthalten das Biopolymer Keratin, ein Strukturprotein, das von Tieren für Krallen, Klauen, Hufe oder eben Federn gebildet wird und aufgrund seiner Faserstruktur für eine hohe Festigkeit sorgt. Die langkettigen Moleküle der Polymer-Struktur sowie die Eigenschaft, dass Keratin über seine funktionellen Gruppen sich vernetzen kann, macht das Biopolymer zu einem vielversprechenden Kandidaten für biobasierte Klebstoffe. „Die für Klebstoffe erforderlichen Merkmale sind im Ausgangsmaterial gewissermaßen schon angelegt und müssen nur freigelegt, modifiziert und formuliert werden“, erklärt Projektleiter Michael Richter.

Neues Verfahren zur Klebstoffherstellung entwickelt

Im Projekt wurde daher gemeinsam mit Henkel ein neues Verfahren entwickelt und optimiert. Dafür wurden zunächst die Federn aus dem Schachthof sterilisiert, gewaschen und mechanisch zerkleinert. In einem enzymatischen Prozess wurden anschließend die langkettigen Polymere beziehungsweise Protein-Ketten mittels Hydrolyse in kurzkettige Polymere gespalten. Als Nächstes will das Team die Federn für die Entwicklung einer Plattformchemikalie nutzen, die als Ausgangsstoff für die Weiterentwicklung speziell formulierter Klebstoffe verwendet werden kann.

„Wir nutzen das Verfahren und die Plattformchemikalie wie eine Toolbox, mit der wir die gewünschten Merkmale des Endprodukts herstellen“, erklärt Richter. Den Forschenden zufolge können mithilfe dieser sogenannten Toolbox die für Spezialkleber erforderlichen Parameter wie Aushärtezeit, Elastizität, Temperaturverhalten oder Festigkeit eingestellt, aber auch verwandte Substanzen wie Härter, Beschichtungen oder Grundierungen produziert werden.

Erste Materialtests sind vielversprechend

Im Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna wurde das neuartige Verfahren bereits hochskaliert. Mehrere Kilogramm Hühnerfedern wurden verarbeitet, und das dabei produzierte Material für Tests verwendet. Die Ergebnisse waren vielversprechend und sind zugleich der Beweis, dass die Herstellung einer Plattformchemikalie auf Keratin-Basis im industriellen Maßstab auch kostengünstig erfolgen kann.

Die Projektgruppe ist daher überzeugt, dass sich mithilfe der neuen Technologie auf Keratin-Basis viele Plattformchemikalien nachhaltig und bioinspiriert produzieren lassen werden. Das Verfahren wurde bereits zum Patent angemeldet. Die Entwicklung wurde im Rahmen des Projektes KERAbond „Spezialchemikalien aus maßgeschneiderten funktionalen Keratin-Proteinen“ über drei Jahre vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.

Aus Abfällen hochwertige und nachhaltige Werkstoffe entwickeln – ist das Ziel von SymbioLoop. Das Konsortium um den Chemiker Manuel Häußler gehört zu den acht Gewinnerteams der SPRIND Challenge „Circular Biomanufacturing“. In den kommenden drei Jahren wird das achtköpfige Team Algen und Hefen in symbiotischer Co-Kultur nutzen, um aus Reststoffen wie altes Speiseöl oder aufgearbeitetes Plastik neue biobasierte und recycelbare Kunststoffe herzustellen. Die Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND unterstützt die Arbeit mit einer Fördersumme in Millionenhöhe (davon 1,5 Mio. Euro im ersten Jahr).