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Environmental pollution caused by plastic waste is a hot-button issue right now - whether it's waste islands in the oceans or microplastics in the fields which eventually end up in the intestines of humans. However, plastic packaging cannot be dispensed off everywhere. Thus, more and more biodegradable plastics are being produced, which are supposed to have less impact on the environment. Yet, although biodegradability might help against long-term littering, it could also lead to an even more careless handling of packaging waste, which would have an even greater impact on the environment.

The Federal Environment Agency has therefore commissioned a report in which materials, products and standards of biodegradability are described and the recovery of relevant waste in five EU member states is compared. In addition, scientific publications on the subject were evaluated. The result: even biodegradable materials remain in the environment for several months or even years. The 150-page manuscript was prepared by three researchers from the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT in Oberhausen together with three experts from BiPRO GmbH in Munich and is available online (German).

Microorganisms decompose plastics

According to the report, bioplastics makes up about 1.3% of the global plastics production - and growing. By definition, a plastic is biodegradable if it is decomposed into carbon dioxide, water, mineral salts and biomass by microorganisms with oxygen supply or if it can be converted into carbon dioxide, methane, mineral salts and biomass without oxygen supply. Of note: not all biobased plastics are biodegradable and not all biodegradable plastics are bio-based.

Degradation process can take up to two years

The biological degradation of polymers takes place in two stages: The first, speed-limiting step is the hydrolysis of the polymer chains into smaller fragments. These are usually water-soluble and can be absorbed and further degraded by cells. As the report shows, the polymers need at least six weeks up to almost two years to degrade, depending on the temperatures, the oxygen supply and whether they are degraded in the soil or in fresh or salt water.

Different approaches across EU

Throughout Europe there are different views and approaches regarding biodegradable plastics and their disposal. The report therefore also identified and compared the various strategies and disposal concepts. Here, the focus was on Germany, Italy, France, the Netherlands and Sweden. The product groups that are particularly relevant in Germany are mulch films, biowaste bags and plastic packaging. The main products used are biodegradable starch, polylactide (PLA), polybutylene succinate (PBS), polybutylene adipate terephthalate (PBAT) and polyhydroxyalkanoates (PHA).

Promoting financial incentives

According to the authors of the report, Italy and France have regulations that favour the use of biodegradable plastics. In France, for example, fruit and vegetable bags are required to be compostable and bio-based. And in Italy, disposable plastic bags must be industrially compostable and bio-based. Although the use of biodegradable plastics is also promoted in the Netherlands through financial incentives, there is no clear official regulation. The situation is similar in Germany and Sweden: According to the authors, there is a lack of financial incentives.

Call for legislative action

According to the assessment, the biological degradation of plastics is only advantageous if it provides an additional benefit. Otherwise, recycling would be economically and ecologically more valuable. Based on their analyses, the authors therefore give the following recommendations for Germany: "Leaving biodegradable mulch foils in the soil can be tolerated to a limited extent." Since the use of these foils has been fairly limited, the authors recommend to first focus on the possibility of recycling conventional (disposable) bags.

In contrast, biodegradable collection bags would "definitely support the collection of biowaste". For a successful and complete conversion to biodegradable plastic bags, however, clear labelling and comprehensive information for the public are important. Last but not least, the authors call on the legislators to provide more and better labelled biodegradable packaging materials: "In Germany, the extended producer responsibility also applies to packaging. Hence, it must be recycled in accordance with the Packaging Ordinance and, in the future, in accordance with the Packaging Act".

jmr

Der Kabeljau ist einer der wichtigsten und beliebtesten Speisefische des Nordatlantiks. Doch Klimawandel und Fischfang setzen den Beständen seit Jahren zu. Zum Schutz wurden daher Fangquoten festgelegt, die auf Bestandsschätzungen des Internationalen Rates für Meeresforschung (ICES – International Council for the Exploration of the Sea) basieren. Diese Prognosen stützen sich unter anderem auf biologische Erkenntnisse über die Fischart, den Salzgehalt oder die Wassertemperatur sowie den menschlichen Einfluss durch die Fischerei und müssen spätestens alle drei Jahre neu berechnet werden. Küstenforscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht haben nun gemeinsam mit einem norwegischen Wissenschaftlerteam eine Methode zur Berechnung der Kabeljaubestände entwickelt, die schnellere und genauere Vorhersagen ermöglicht.

Genaue Vorhersage für sieben Jahre im Voraus

Dem Team um Corinna Schrum, Leiterin am Institut für Küstenforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht, ist so erstmals eine langfristige Prognose gelungen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „PLOS ONE“ berichten, ermöglicht die Methode eine Vorhersage des Kabeljaubestandes für bis zu sieben Jahre im Voraus. Diese Angaben sind zudem schon ab dem zweiten Jahr deutlich genauer als die Vorhersagen des ICES. „Wir sind bei unseren Vorhersagen einen anderen Weg gegangen und haben uns in der Barentssee ausschließlich der Statistik gewidmet“, erklärt Schrum.

Um die Bestände im Voraus so genau bestimmen zu können, haben die Helmholtz-Forscher zusammen mit norwegischen Kollegen die Biomasse des Kabeljaus in der Barentssee zwischen 1957 und 2017 mit Beobachtungsdaten von Temperatur und Salzgehalt im Nordatlantik statistisch abgeglichen. Das Ergebnis: Es gibt Schwankungen, die einen deutlichen Zusammenhang mit den zukünftigen Kabeljaubeständen in dem Randmeer zeigen und diese nachhaltig beeinflussen. „Wir vermuten, dass mehr warmes und nährstoffreiches Wasser aus dem Nordatlantik in der Barentssee zu einer erhöhten Nahrungsproduktion für den Kabeljau führt und so die Biomasse des Bestandes in warmen Jahren zunimmt“, so Schrum. 

Kabeljaubestand schwindet weiter

Mit ihrer Arbeit wollen die Küstenforscher dazu beizutragen, dass die Bestände des Kabeljaus in der Barentssee nachhaltiger behandelt und gefangen werden. Denn die Modellrechnung zeigt: Bis mindestens 2024 ist mit einem weiteren Rückgang des Kabeljaubestand vor Ort zu rechnen. 

jmr

Cod is one of the most important and popular food fish in the North Atlantic. However, it has been swimming on the brink of overfishing for years due to its popularity as well as climate change. To protect against this, catch quotas have been established based on stock estimates by the International Council for the Exploration of the Sea (ICES). The Council's forecasts are based, among other things, on biological knowledge about fish species, salinity or water temperature and the human influence of fishing, and must be recalculated and updated every three years at the least. Coastal researchers at the Helmholtz Centre Geesthacht, together with a Norwegian team of scientists, have now developed a new method for calculating cod stocks that enables faster and more accurate predictions.

Accurate forecast for seven years ahead

The team led by Corinna Schrum, director of the Institute for Coastal Research at the Helmholtz Centre in Geesthacht, has for the first time succeeded in calculating a long-term forecast. As outlined in the scientific journal "PLOS ONE", their method makes it possible to predict cod stocks for up to seven years in advance and is much more accurate than ICES forecasts from the second year onwards. "We took a different approach in our forecasts and devoted ourselves solely to statistics in the Barents Sea," explains Schrum.

In order to determine cod stocks so accurately and far in advance, the Helmholtz researchers, together with their Norwegian colleagues, statistically compared the biomass of cod stocks in the Barents Sea between 1957 and 2017 with observational data on temperature and salinity in the North Atlantic. The result: These fluctuations show a clear correlation with the future cod stocks in the Barents Sea and have a lasting influence on them. "We suspect that more warm and nutrient-rich water in the Barents Sea from the North Atlantic leads to increased food production for cod and thus increase the biomass of the stock in warm years," said Schrum.

Cod stocks continue to dwindle

The aim of the researchers is to use their work to help ensure that cod stocks in the Barents Sea are treated and caught more sustainably. However, according to their new model, cod biomass in the Barents Sea will continue to decline at least until 2024.

jmr

Brennstoffzellenfahrzeuge gelten neben Elektrofahrzeugen als die Mobilitätslösung der Zukunft. Eine wesentliche Herausforderung besteht dabei darin, den notwendigen Treibstoff Wasserstoff sicher zu speichern. Bislang erfolgt das in Behältern, in denen das Gas einem Druck von mehreren Hundert Bar ausgesetzt ist. Bioökonomieforscher der Universität Hohenheim haben jetzt ein Material entwickelt, das auch bei Normaldruck große Mengen Wasserstoff speichern kann. Dadurch seien die Speicher wesentlich weniger gefährlich, betont Projektleiterin Andrea Kruse.

Regenerativer Rohstoff als Ausgangsmaterial

Bewusst haben die Forschenden als Ausgangsmaterial den nachwachsenden Rohstoff Bambus gewählt. Mit zwei gängigen chemischen Verfahren haben sie das pflanzliche Material in Aktivkohlepulver verwandelt. Als besonders geeignet erwies sich die hydrothermale Karbonisierung: Sie ermöglicht es, die grünen Blätter der Pflanze mitzuverwerten.

Unabhängig davon, welches Verfahren zum Einsatz kommt, wird die entstehende Aktivkohle anschließend in einem speziellen Prozess mit Kalilauge und Stickstoff auf 600 Grad Celsius erhitzt. Dabei erzeugen die Kaliumionen winzige Löcher in der Aktivkohle, sogenannte Mikroporen. Wird die Kalilauge ausgespült, bleiben unzählige Hohlräume zurück, in die sich nach dem Trocknen der Kohle der Wasserstoff einlagern kann.

Bislang extreme Kälte erforderlich

„Mit den neuen Speichern können wir die dreifache Gasmenge des Filtergewichts speichern“, erläutert Kruse. Ein Kilogramm der Aktivkohle könnte bis zu 32 Gramm Wasserstoff fassen, kalkuliert das Team im Fachjournal „Biomass Conversion and Biorefinery“. Ein heutiger Brennstoffzellen-Pkw könnte demnach mit einem 100 Kilogramm schweren Aktivkohlespeicher etwa 400 Kilometer weit fahren.

Die größte Hürde für den Praxiseinsatz liegt aber noch in den Speicherbedingungen: Sie müssen derzeit minus 196 Grad Celsius betragen. „Die tiefe Temperatur schränkt die Anwendungsbreite zwar ein, aber die Ergebnisse machen uns sehr optimistisch in Hinblick auf neue Materialien für die Wasserstoff-Wirtschaft“, gibt sich Kruse optimistisch – vielleicht ja zunächst für stationäre Zwecke. „Wir hoffen, dass wir zusammen mit unserem Industriepartner HTCycle in wenigen Jahren ein wirtschaftliches Verfahren daraus entwickeln können.“

bl

Schon seit Jahren setzt sich Evonik für eine ausgewogene und gesunde Fütterung von Hühnern ein. Nun baut der Essener Spezialchemiekonzern die automatisierte Geflügelproduktion weiter aus und investiert in das in Chesterfield ansässige britische Start-up OPTIfarm in Form einer Minderheitsbeteiligung. 

Digitalisierung spart Kosten und verbessert Produktion

OPTIfarm ermöglicht die digitale Überwachung von Geflügelställen und der gesamten Produktion – und das rund um die Uhr. Dadurch will das britische Start-up zu einem verbesserten Tierwohl, einer erhöhten Produktivität sowie zu störungsfreien Betriebsabläufen beitragen. Zu diesem Zweck verwendet OPTIfarm bildgebende Verfahren und Sensoren zur Überprüfung von Wasser, Futter und Temperatur. Durch eine digitale Infrastruktur können die Werte auch aus der Ferne überprüft werden. So werden Probleme frühzeitig erkannt und schnell behoben. Das wiederum spart den Landwirten Zeit und Geld. Mit seinem Konzept generierte das britische Start-up bereits erste Gewinne. „Wir sind beeindruckt vom kommerziellen Erfolg, den OPTIfarm weltweit schon jetzt hat“, sagt Bernhard Mohr, Leiter von Evonik Venture Capital. „Evonik verfügt über die ideale Erfahrung und Kompetenz, um OPTIfarm durch das weitere Wachstum zu begleiten.“

Insgesamt 100 Mio. Euro für Start-ups

Evonik hat über seinen Venture-Capital-Arm und im Zusammenhang mit einem Spin-out von OPTIfarm aus der Applied Group in das britische Start-up investiert. Über die Höhe der Investition wurde Stillschweigen vereinbart. Evonik plant jedoch, im Rahmen seiner Venture-Capital-Aktivitäten insgesamt 100 Mio. Euro in Start-ups mit innovativen Technologien und in führende spezialisierte Venture Capital-Fonds zu investieren. Der Fokus liegt dabei auf Health & Care, Smart Materials, Animal Nutrition und Specialty Additives – sowie auf der Digitalisierung. Evonik hält derzeit Beteiligungen an mehr als zwanzig Start-ups und Venture Capital Fonds.

jmr

Evonik has been committed to the balanced and healthy feeding of poultry for years. The Essen-based specialty chemicals company is now expanding its investment in precision livestock farming and in particular automated poultry production by investing in the Chesterfield-based British start-up OPTIfarm.

Digitisation saves costs and improves production

OPTIfarm enables digital monitoring of poultry houses and the entire production process – around the clock. By doing so, the British start-up aims to contribute to improving animal welfare, increasing productivity and enabling trouble-free operations. To this end, OPTIfarm uses imaging techniques and sensors to monitor water, feed, and temperature. These values can also be checked remotely using a digital infrastructure, thus allowing problems to be detected at an early stage and remedied quickly. This in turn saves farmers time and money. The British start-up has already generated initial profits with its concept. "We are impressed with the global commercial success that OPTIfarm has already achieved," says Bernhard Mohr, head of Venture Capital at Evonik. "Evonik possesses the ideal experience and expertise to support OPTIfarm through further growth."

A total of 100 million euros for start-ups

Evonik invested in the British start-up through its venture capital arm and in the context of a spinout of OPTIfarm from the Applied Group. The parties have agreed not to disclose the amount of the investment. However, Evonik plans to invest a total of €100 million in promising and innovative technology start-ups and in leading specialized venture capital funds as part of its venture capital activities. The focus here is on Evonik's Health & Care, Smart Materials, Animal Nutrition and Specialty Additives as well as on digitisation. Evonik currently holds investments in more than twenty start-ups and venture capital funds.

jmr

Mehr als 400 Experten kamen am 5. November auf dem EUREF-Campus in Berlin Schöneberg zusammen, um den Stand der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung auf internationaler Ebene zu diskutieren und zu vergleichen. Drei Jahre nach der Verabschiedung der Agenda gibt es deutliche Fortschritte bei der Umsetzung. Um die Ziele jedoch zu erreichen, müssen die Anstrengungen noch verstärkt werden. Organisiert wurde die Veranstaltung vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) und dem Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ). Das BMZ unterstützt Entwicklungs- und Schwellenländer bei der Umsetzung der Agenda 2030. Das BMU trägt mit seiner internationalen Klimaschutzinitiative zu den SDGs (Sustainable Development Goals)bei.

Ökologischer Wandel als gesellschaftliche Aufgabe

Umweltministerin Svenja Schulze eröffnete die Veranstaltung und betonte, dass die Umsetzung der in der Agenda 2030 festgeschriebenen 17 Nachhaltigkeitsziele (SGD) von entscheidender Bedeutung sei, damit es Mensch und Natur im Jahr 2030 besser gehe. „Eine ehrgeizige Nachhaltigkeitspolitik ist unser gemeinsames Ziel, und die Agenda 2030 ist unser Kompass", betonte Schulze und hob einige Punkte besonders hervor: So muss eine moderne Wirtschaftspolitik auf Nachhaltigkeit ausgerichtet sein und Unternehmen müssen ökologische Verantwortung tragen. Auch besteht ein klarer Bedarf an mehr Investitionen in nachhaltige und soziale Innovationen, insbesondere bei der Marktakzeptanz, hieß es. „Die ökologische Transformation zu verwirklichen, ist auch ein gesellschaftliches Projekt", betonte Schulze. Das BMU bereitet derzeit ein Klimaschutzgesetz mit konkreten Zielen und Vorgaben für Verkehr, Gebäude, Industrie und Landwirtschaft vor. Es soll 2019 verabschiedet werden.

Mehr Aufmerksamkeit für SDGs

Trotz positiver Trends und globaler Anstrengungen sind die Fortschritte bei der Umsetzung der SDGs nach wie vor unzureichend: Obwohl der Anteil der Armen weltweit von 26,9% im Jahr 2002 auf 9,2% im Jahr 2017 gesunken ist, stieg die Anzahl der Hungernden in den letzten drei Jahren vor allem in der Subsahara-Region Afrikas und in Südasien wieder an. Auch die Wahrscheinlichkeit, die globale Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen, sinkt, und weiterhin gelangen jedes Jahr mehr als acht Millionen Tonnen Kunststoffabfälle in die Ozeane.

Norbert Barthle, Parlamentarischer Staatssekretär im BMZ, wies darauf hin, dass nur 12% der deutschen Öffentlichkeit die SDGs überhaupt kennen. „Wir müssen das Bewusstsein für diese Ziele schärfen, wir müssen sie zu den Leitprinzipien unserer Politik machen", sagte Barthle. Sowohl das BMU als auch das BMZ streben für ihre Ministerien bis 2020 die Klimaneutralität an.

SDGs als Einheit sehen

Während der Podiumsdiskussion teilten sich Politik- und Klimaexperten aus Ghana, Kolumbien und Deutschland die Bühne. Dabei wurden zwei Schlüsselpunkte besonders deutlich: Alle 17 SDGs müssen als Einheit betrachtet werden, um die Kohärenz der Politik zu gewährleisten. Außerdem ist die Stärkung der Frauen für die Umsetzung der Ziele essenziell. Paula Caballero, ehemalige Chefunterhändlerin für die SDGs aus Kolumbien, kritisierte, dass die globale Gemeinschaft derzeit nicht dem Potenzial der SDGs gerecht wird. „Wir müssen sie uns zu eigen machen, wir brauchen mehr Menschen, die sich mit den SDGs identifizieren - schließlich sind sie eine universelle Agenda für die Gesellschaft", betonte Caballero. Hajia Alima Mahama, Ministerin für lokale Verwaltung und ländliche Entwicklung aus Ghana, sieht die Stärkung von Frauen als entscheidenden Faktor für eine erfolgreiche Umsetzung der SDGs.

Bestandsaufnahme der Umsetzung

Auf dem nächsten UN-Gipfel zum Thema nachhaltige Entwicklung im September 2019 in New York wollen die Staats- und Regierungschefs eine erste Bilanz der Umsetzung der Agenda 2030 ziehen. Dieser Gipfel wird entscheidend für die zukünftige Entwicklung sein und sollte daher ein starkes politisches Signal für einen beschleunigten wirtschaftlichen und sozialen Wandel senden.

lg

More than 400 experts gathered at the EUREF campus in Berlin Schöneberg on 5 November to discuss and compare the state of the Agenda 2030 for sustainable development on an international level. Three years after the approval of the agenda, there is clear progress regarding implementation. However, in order to fully realize and achieve these goals, the respective efforts will have to be increased. The event was hosted by the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety (BMU) and the Federal Ministry for Economic Cooperation and Development (BMZ). The BMZ supports developing and emerging countries in implementing the Agenda 2030 and the BMU is contributing to the SDGs via its international climate protection initiative.

Ecological transformation is a societal project

Environment minister Svenja Schulze opened the event, stressing that implementing the Agenda 2030 and its 17 Sustainable Development Goals (SDGs) is vital “for people and nature to be better off in 2030. An ambitious sustainability policy is our common goal and the Agenda 2030 is our compass.” She highlighted several key messages for the audience: a modern economic policy needs to be sustainability-focused, companies have an ecological responsibility, and there is a clear need for more investment in sustainable and social innovation, especially during market uptake. And most importantly: achieving this ecological transformation is a societal project. Schulze’s BMU is currently preparing a climate protection law with concrete objectives and targets for transport, buildings, industry and agriculture. The aim is to adopt the law in 2019.

Public needs to be made aware of SDGs

According to the BMZ, despite positive trends and global efforts, progress towards achieving the SDGs is still inadequate: although the proportion of the world's absolute poor has fallen from 26.9% in 2000 to 9.2%, at the same time, the number of starving people has risen again in the last three years, especially in sub-Saharan Africa and South Asia. The likelihood of limiting global warming to 1.5 degrees Celsius is diminishing, and more than eight million tonnes of plastic waste continue to enter the oceans every year. Norbert Barthle, parliamentary state secretary at the BMZ pointed out that only 12% of the German public are aware of the SDGs. “We need to raise awareness for these goals, we need to make them the guiding principles of our policies”, said Barthle. Both BMU and BMZ strive to achieve climate neutrality for their ministries by 2020. 

Holistic view of SDGs and empowerment of women are crucial

During the panel discussion, policy officials and climate experts from Ghana, Colombia, and Germany shared the stage. The discussions revealed two main issues: all 17 SDGs have to be thought of as a unit to ensure policy coherence, and the empowerment of women is essential to achieving the goals. Paula Caballero, Former Chief Negotiator for the SDGs from Colombia criticized that the global community is currently not living up to the potential of the SDGs. “We need to embrace them, we need more people to ‘own’ the SDGs – they are a universal agenda for the people”, stressed Caballero. Hajia Alima Mahama, Minister of Local Government and Rural Development from Ghana identified leadership and the empowerment of women as critical factor for a successful implementation of the SDGs. 

Taking stock of the implementation

At the next UN Summit on Sustainable Development in New York in September 2019, Heads of State and Government will meet for the first time to take stock of the implementation of Agenda 2030. This Summit will have a crucial role to play and should send the strongest possible political signal from Heads of State and Government for accelerated economic and social change.

lg

Sand, Wasser und fossile Rohstoffe werden knapp. Gleichzeitig zieht es immer mehr Menschen in die Städte, die sich durch den Klimawandel immer weiter aufheizen. Beides stellt das Bauwesen vor neue Herausforderungen: Die Städte von morgen müssen neu gedacht werden. Dazu braucht es neue Materialien. 

Roboter steuern Pflanzenwachstum

Pflanzen bieten hierfür optimale Bedingungen: sie sind nachhaltig, wirken kühlend und isolierend auf Gebäudestrukturen und reagieren flexibel auf Umwelteinflüsse. Im EU-Projekt „Flora Robotica“ untersuchen Wissenschaftler deshalb, wie sich Pflanzen formen und als Baumaterial einsetzen lassen. Dafür werden spezielle bio-hybride Roboter entwickelt, die mit Pflanzen kooperieren, um deren Formung während des Wachstums zu automatisieren. Die natürlichen Fähigkeiten der Pflanzen zu entscheiden, ob und wann sie in welche Richtung wachsen, können dadurch erweitert und gezielt gesteuert werden.

Neue architektonische Gebilde wachsen lassen

Wie das Team um Hamann im Fachjournal „Royal Society Open Science” berichtet, konnte mithilfe spezieller Lichtreize ein bestimmtes Wachstumsmuster in Kletterpflanzen bereits induziert werden. Diese Lichtreize werden von stationären Robotern ausgesendet, die sich die natürliche Reaktion der Pflanzen auf ihre Umwelt zunutze machen. Das Ziel der Forschenden ist es dabei, das Pflanzenwachstum so zu beeinflussen, dass neuartige architektonische Gebilde entstehen. 

Nachhaltige Städte und Lebenswelten schaffen

In Zukunft soll das Roboter-Pflanzen-Gespann dabei helfen, nachhaltige Städte und Lebenswelten aufzubauen. Die Einsatzmöglichkeiten der neuen Pflanzen-Architekten sind äußerst vielfältig. Mit ihrer Hilfe könnten sogenannte lebendige Mauern entstehen, aber auch Möbel und Häuser. Dabei spielt auch die architektonische Ästhetik eine wichtige Rolle. Im Ergebnis wollen die Forschenden ein Rundumpaket neuer flexibler und ressourcenschonender architektonischer Systeme entwickeln.

„Flora Robotica“ wird seit 2015 von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 gefördert und von Heiko Hamann vom Institut für Technische Informatik der Universität zu Lübeck geleitet. In dem interdisziplinären Projekt arbeiten Informatiker, Robotiker, Zoologen, Zellbiologen, Mechatroniker und Architekten aus Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen zusammen.

jmr

Ungiftig für Mensch und Umwelt, das waren in der Vergangenheit die zentralen Anforderungen für einen Klebstoff. Heute sind diese Eigenschaften selbstverständlich und Klebstoffe für unzählige Anwendungssituationen verfügbar. Um dennoch ein Alleinstellungsmerkmal vorweisen zu können, setzen viele Hersteller darauf, ihre Rohstoffe nachhaltig zu beschaffen. In dem vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderten Projekt „ThermoBIK“ haben drei Industriepartner einen Polyurethan-Dispersionsklebstoff entwickelt, dessen Rezeptur zu mehr als der Hälfte aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. In allen wichtigen technischen Kennwerten liegt er nah beim Marktstandard.

CO₂-Fußabdruck ein Viertel geringer

Polyurethan-Dispersionsklebstoffe bestehen aus einer Urethan- und einer Polyesterpolyol-Komponente. Sie sind lösemittelfrei und wasserlöslich und kommen in der Industrie umfangreich zum Einsatz – bei Möbeln ebenso wie im Automobilbau. Die Covestro Deutschland AG hat in Kooperation mit den Klebstoffherstellern Jowat SE und Henkel AG & Co. KGaA die Polyesterpolyol-Komponente auf Basis von Bernsteinsäure, Sebacinsäure, 1,3-Propandiol und 1,4-Butandiol hergestellt. Alle dazu genutzten Biochemikalien lassen sich – zum Teil biotechnologisch – aus den nachwachsenden Rohstoffen Lignocellulose, Stärke, Saccharose, Rizinusöl und Glycerin erzeugen. Sie können zudem – mit Ausnahme des Rizinusöls – aus europäischen Pflanzen gewonnen werden. Der CO₂-Fußabdruck des Klebstoffs verringert sich dadurch gegenüber einer Herstellung aus petrochemischen Rohstoffen um rund ein Viertel, wie das Fraunhofer UMSICHT-Institut errechnet hat.

Rohstoffkosten bremsen Kommerzialisierung

Weil der neue Klebstoff technisch den herkömmlichen Klebstoffen ähnelt, kann er problemlos in vorhandene Industrieprozesse integriert werden. Lediglich für den Einsatz in der Schuhindustrie seien noch Optimierungen nötig, schränken die Projektpartner ein. Für Holz, Möbel und Automobil stünden einer kommerziellen Umsetzung eigentlich nur noch die Rohstoffkosten im Weg. „Sie sind bei den biobasierten Chemikalien aktuell noch höher als bei den fossilen Pendants“, erklärt Projektleiter Dr. Martin Melchiors von Covestro. „Mittelfristig können sich diese Preise jedoch angleichen.“

bl

Schimmelpilze befallen Lebensmittel und machen sie ungenießbar, daher sind sie im Haushalt nicht besonders beliebt. Obst oder Brot mit einem grün-blauen Film landen deshalb im Mülleimer, weil darin auch Krankheitserreger enthalten sein können. Im Labor hingegen sind diese fäulnisbildenden Pilze seit längerem begehrte Forschungsobjekte. So auch im Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Hier nehmen Biotechnologen gezielt Schimmelpilze der Gattung Aspergillus oder Hefe- und Braunpilze ins Visier, um sie in Chemiefabriken umzuwandeln.

Chemikalien CO₂-neutral produzieren 

„Bei der Herstellung von Antibiotika oder in der Lebensmittelbranche sind Pilze ja schon lange unverzichtbar. Mit den von uns verwendeten Pilzen können wir verschiedene Chemikalien auf CO₂-neutralem Wege produzieren: Diese dienen als Basis für Waschmittel, Emulgatoren, kosmetische und pharmazeutische Wirkstoffe, Pflanzenschutzmittel oder auch Kunststoffe“, sagt Steffen Rupp, stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer IGB und Leiter der Abteilung Molekulare Biotechnologie.


Nachhaltige Chemikalien aus Pilzen haben das Potenzial, erdölbasierte Grundstoffe zu ersetzen. Anders als fossile Rohstoffe sind diese Organismen zudem ausreichend verfügbar. Das Besondere: Aufgrund vielfältiger Stoffwechselwege können sie verschiedene nachwachsende Rohstoffe umsetzen, die wiederum für zahlreiche Anwendungen geeignet sind.

Apfelsäure und Biotenside aus Pilzen 

Den Beweis liefert das Stuttgarter Team. Mithilfe von Aspergillus-Pilzen konnte es Apfelsäure und Biotenside herstellen. Apfelsäure ist aufgrund ihres sauren Geschmacks nicht nur bei der Marmeladenproduktion gefragt. Sie sorgt auch für eine längere Haltbarkeit bei Backwaren, und kann zudem als Baustein für biobasierte Polyester eingesetzt werden. Wie beim Bierbrauen, wo die Hefen den Malzzucker der Gerste fermentieren, verwerten bei der Apfelsäureherstellung die Schimmelpilze Zucker oder Pflanzenöle.

Holzbasierte Zuckerlösung als Pilznahrung

Um die gewünschte Apfelsäure herzustellen, wurden die Pilze beispielsweise mit einer Zuckerlösung auf Holzbasis gefüttert. Nach dem gleichen Prinzip ließen sich auch Biotenside produzieren, aus denen Waschmittel, Emulgatoren, kosmetische und pharmazeutische Wirkstoffe sowie Pflanzenschutzmittel hergestellt werden können. Hier nutzen die Stuttgarter allerdings Brandpilze als Produktionsfabriken. 

Neue Kunststoffe aus Hefepilzen

Auch Hefen haben sich in Stuttgart als zuverlässige Produzenten erwiesen. So konnten aus speziellen Hefen auch Moleküle hergestellt werden, die für die Produktion von neuartigen Kunststoffen benötigt werden. Dabei handelt es sich um langkettige Carbonsäuren. Hier gelang es dem Stuttgarter Team, ein Verfahren für die Herstellung von langkettigen Dicarbonsäuren aus einem Stamm des Hefepilzes Candida zu etablieren.

Nach dem Erfolg im Labor müssen die Herstellungsverfahren nun im großen Maßstab umgesetzt werden. „Um die Prozesse vom Kilogramm-Maßstab auf den Tonnen-Maßstab zu skalieren, ist viel Ingenieurskunst und Rechenarbeit nötig“, so Susanne Zibek, Leiterin der Gruppe Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer IGB. Die Hochskalierung erfolgt in der Lignozellulose-Bioraffinerie-Pilotanlage des Fraunhofer-Zentrums für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna. Hier können die Prozesse bis zu zehn Kubikmeter Fermentationsvolumen produzieren. 

bb

Noch immer werden die meisten Fahrzeuge über Verbrennungsmotoren betrieben. Diese wiederum benötigen Treibstoff, meist Benzin, dessen Herstellung und Verbrennung extrem umweltschädlich sind. Deshalb arbeiten Forschende am Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM in Mainz zusammen mit zwölf Forschungsgruppen aus sieben Ländern im EU-Projekt BIOGO an einer Technologie zur Erzeugung eines ökologisch unbedenklichen Biosprits.

Treibstoff aus Holzabfällen

Als Rohmaterial verwenden sie Holzabfälle und Baumrinden. Beides ist in großen Mengen verfügbar. Auch ist die Nutzung klimaneutral, da nicht mehr Kohlendioxid freigesetzt wird, als die Bäume zuvor bei ihrem Wachstum aufgenommen haben. Ein weiterer Vorteil: Der Treibstoff aus Holzabfällen kann fast überall hergestellt werden. „Ein wichtiger Baustein des BIOGO-Konzepts ist eine dezentrale Produktion“, betont Gunther Kolb vom Fraunhofer IMM, der das EU-Projekt koordiniert hat. „Um dies zu realisieren, haben wir mobile Produktionseinheiten entwickelt, die sich in Containern unterbringen und dort installieren lassen, wo sie gerade gebraucht werden.“

Mobile Produktionseinheiten

Der Prototyp der neuen Anlage, die Abfallprodukte der Holzindustrie in hochwertiges Benzin verwandelt, steht in Mainz: „Ziel des BIOGO-Projekts war es, eine Anlage zu entwickeln, die sich in einen 40-Fuß-Container mit den Standardmaßen 12 mal 3 mal 3 Metern unterbringen lässt, der alle Verfahrens- und Prozessschritte beinhaltet“, erläutert Kolb.

Bevor die Holzabfälle die Mainzer Anlage erreichen, werden sie erhitzt, bis sich ein dunkles, zähflüssiges Pyrolyseöl bildet. Diese Prozessstufe wurde von dem italienischen Unternehmen Spike Renewables entwickelt. Das zähflüssige Öl wird dann in der mobilen Anlage weiterverarbeitet. Die Reaktionskammern hierfür haben die Fraunhofer-Forscher entwickelt. Der erste Reaktor verwandelt das Pyrolyseöl unter Zufuhr von Wärme, Luft und Wasserdampf in Synthesegas. Daraus wird im zweiten Schritt Methanol gewonnen. „Die Herausforderung lag darin, den Prozess so zu optimieren, dass am Ende ein Treibstoff herauskommt, der sich chemisch nicht von Normalbenzin unterscheidet“, so Kolb.

Effizienz und Sicherheit auf kleinstem Raum

Damit der komplizierte Prozess trotz begrenztem Raum effizient stattfinden kann, haben Wissenschaftler der Firma Teer Coatings eine Methode entwickelt, mit der sich winzige Cluster von katalytisch aktiven Substanzen auf Oberflächen aufbringen lassen. Dadurch entstehen sogenannte Nanokatalysatoren.

Schließlich musste die mobile Produktionsanlage nicht nur räumlich in den Container passen, sondern auch alle Anforderungen an Sicherheit und Brandschutz erfüllen. Das Know-how hierfür steuerten Fraunhofer-Forschende und die Microinnova Engineering aus Österreich bei. Die Containertechnik stammt von der Firma Evonik. Der Prototyp ist bereits so konzipiert, dass auch größere Reaktoren darin Platz finden.

Ob es das sogenannte Holzbenzin in naher Zukunft auf den Markt schafft, hängt Kolb zufolge von den politischen Rahmenbedingungen ab. Unabhängig davon will das BIOGO-Team die Anlage weiterentwickeln. Das Ziel: Pro Tag sollen bis zu 1.000 Liter Ökotreibstoff produziert werden.

jmr

Mit 810 Stundenkilometern donnert der Airbus A310 „Zero-G“ der Firma Novespace über die Startbahn in Bordeaux, steigt in einem Winkel von 47 Grad steil an, um kurz darauf ebenso steil in die Tiefe zu fallen: Der Sturz im freien Fall dauert 22 Sekunden und sorgt für pure Schwerelosigkeit. Dieses waghalsige Manöver findet während eines sogenannten Parabelfluges statt und ist nicht nur bei Abenteuersuchenden beliebt. Vor allem Forscher schätzen das Manöver als Härtetest, um neue Techniken, Materialien, Therapien und Pflanzen im schwerelosen Zustand zu untersuchen. Unter der Leitung von Maik Böhmer vom ZERO-G-Labor der Goethe-Universität in Frankfurt am Main wurden Anfang November etwa 60.000 Pflanzen in einer Serie von Parabelflügen diesem Stresstest ausgesetzt.

Pflanzenforschung unter Schwerelosigkeit

Das Experiment findet an Bord der ehemaligen Kanzlermaschine „Konrad Adenauer" statt, die zu Forschungszwecken umgebaut wurde und seit 2015 bei der französischen Firma Novespace im Namen der Wissenschaft unterwegs ist. Im Fokus der Untersuchung: Arabidopsis thaliana. Die Pflanze, auch unter dem Namen Ackerschmalwand bekannt, ist in der Gravitationsbiologie ein beliebtes Modellsystem. Das Team um Böhmer will mithilfe der Parabelflüge herausfinden, wie diese Pflanzen auf Schwerelosigkeit reagieren. „Obwohl die Zeit der Schwerelosigkeit mit 22 Sekunden noch recht kurz ist, erwarten wir aufgrund von Vorversuchen im Fallturm bereits erste Erkenntnisse über entsprechend schnelle Primärprozesse bei der Schwerkraftwahrnehmung“, so Maik Böhmer.

Molekulare Prozesse im freien Fall messen 

Unter dem Einfluss der Gravitationskräfte wachsen Pflanzenorgane sehr verschieden: Während die Wurzel zum Erdmittelpunkt wächst, bewegt sich die Sprossachse davon weg. Verantwortlich dafür sind Zellen, die mit einem Stärkekörper ausgestattet sind, sogenannten Statolithen. Mithilfe der Parabelflüge wollen die Forscher nun klären, welche molekularen Prozesse in der Schwerelosigkeit gesteuert werden. Sie wollen wissen, was in diesen Zellen passiert, und ob es einen Rezeptor in Pflanzen gibt, der bei Gravitation wirkt. Dafür haben die Frankfurter eigens eine Hardware entwickelt, welche die Pflanzen während des Parabelfluges in verschiedenen Phasen fixiert, sowohl bei einfacher und doppelter Schwerkraft als auch unter Mikrogravitation. Im Labor werden später die aktiven Signalprozesse mit moderner Massenspektrometrie sichtbar gemacht. 

Grundlage für Züchtung neuer Pflanzen 

Die achterbahnartigen Flugmanöver finden im Rahmen des Projektes IMPACT statt, das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) als Projektträger des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) für drei Jahre mit 350.000 Euro gefördert wird. Projektleiter Enrico Schleiff und seine Arbeitsgruppe an der Goethe-Universität haben bereits mehrfach Arabidopsispflanzen veränderten Gravitationsbedingungen ausgesetzt. Neben Parabelflügen kann das Verhalten unter Schwerelosigkeit auch im Fallturm gemessen werden. Hier dauert der freie Fall etwa 4,7 Sekunden. Voruntersuchungen mit Arabidopsis thaliana im Fallturm zeigten bereits nach 2,7 Sekunden erste messbare Veränderungen in den frühen Signalprozessen. „Mit einem längeren Zeitfenster und mehr Messpunkten hoffen wir, nun ein Modell der pflanzlichen Schwerkraftperzeption und frühen Signaltransduktion aufstellen zu können“, sagt Schleiff. Das Team ist zuversichtlich, dass mithilfe eines besseren Verständnisses der molekularen Prozesse unter Schwerelosigkeit, die Züchtung neuer kompakter und ertragreicher Pflanzen möglich wird.

bb

Enzyme sind die Chemiefabriken der Zellen. Sie binden Ausgangsmoleküle und katalysieren deren Umsetzung in benötigte Produkte. Entscheidend dafür, welche Ausgangsstoffe ein Enzym verwerten kann, ist die Struktur seines sogenannten aktiven Zentrums. Biotechnologen experimentieren daher mit dem Aufbau der Enzyme, um die chemischen Gruppen in ihrem aktiven Zentrum zu verändern. Dadurch sollen die Enzyme nicht mehr ihre natürlichen Substrate, sondern die für einen industriellen Prozess gewünschten Moleküle binden. Bei dem Enzym Nitrilase war es der Forschung zwar gelungen, chemische Gruppen in deren aktivem Zentrum zu verändern, nicht aber dessen Substratspezifität. Eine deutsch-südafrikanische Kooperation hat nun einen anderen Ansatz erfolgreich umgesetzt.

Oberfläche beeinflusst das Zentrum

Das Team um Markus Piotrowski von der Ruhr-Universität Bochum hat zwei sehr eng miteinander verwandte Nitrilasen genommen, die unterschiedliche Substrate binden. Wie die Biotechnologen im Fachjournal „Communications Biology“ berichten, haben sie die Bausteine dieser Nitrilasen Schritt für Schritt ausgetauscht, um herauszufinden, was den Unterschied in der Substratspezifität erzeugt. Überraschenderweise fanden sie die Antwort nicht im Zentrum, sondern an der Außenseite des Enzyms: „Wir haben festgestellt, dass es ausreicht, einen einzelnen Baustein an der Oberfläche auszutauschen, um dafür zu sorgen, dass das eine Enzym jeweils das Substrat des anderen umsetzt“, erklärt Piotrowski.

Mit elektronenmikroskopischen Methoden analysierten die Forscher, welche Folgen diese kleine Veränderung für die Raumstruktur des Enzyms hat. „So konnten wir sehen, dass die Veränderung an der Oberfläche zu unterschiedlich dichten Packungen der Enzymmoleküle in der Spirale führt“, beschreibt Piotrowski. Mit der Spirale meint der Forscher die sogenannte Quartärstruktur, zu der sich mehrere Nitrilasen zusammenschließen. Je nachdem, welchen der beiden Bausteine die Nitrilasen besaßen, verlief diese Spirale in engeren oder weiteren Bindungen. „Das führt vermutlich dazu, dass die Substratbindestelle unterschiedlich stark zusammengedrückt wird“, interpretiert der Projektleiter.

Enzymfunktion ändern, ohne das Enzym zu ändern

Für biotechnologische Anwendungen hat das wichtige Implikationen. So könnte sich die Funktion eines Enzyms gezielt beeinflussen lassen, ohne das Enzym selbst in seinem Aufbau zu verändern. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass man auf die sogenannte Quartärstruktur achten muss, also die Art, wie sich die einzelnen Enzymmoleküle zusammenlagern“, resümiert Piotrowski. Im Fall der in der pharmazeutischen und chemischen Industrie bereits als Katalysatoren genutzten Nitrilasen würde das bedeuten, die Enzyme in verschieden dichte Spiralstrukturen zu zwängen. Seinen Weg in die Praxis dürfte dieses Forschungsergebnis daher schnell finden.

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Pflanzenforschern des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben ist ein wichtiger Fortschritt beim Verständnis epigenetischer Mechanismen gelungen. Während sich die Genetik mit den Genen befasst, beschreibt die Epigenetik jene ebenfalls erblichen Zusammenhänge, die die Aktivität der Gene beeinflussen. So kann eine Pflanze beispielsweise als Reaktion auf Trockenstress bestimmte Gene und damit Stoffwechselprozesse aktivieren, die sie vor dem Vertrocknen schützen.

Hochdurchsatzsequenzierung lieferte die Antwort

Ein solches epigenetisches Element ist der „Effektor der Transkription“ (ET). Bereits vor 20 Jahren entdeckt, ist es erst jetzt gelungen, seine Funktion in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) aufzuklären. Mit der sogenannten Hochdurchsatzsequenzierung konnte das Team um die IPK-Forscher nachweisen, dass „ET“ das Methylierungsmuster der Pflanzen verändert. Wie die Forscher im Fachjournal „New Phytologist Trust“ berichten, hat diese Veränderung die frühe Entwicklung der Ackerschmalwand beeinflusst, so dass sie zu früh keimte.

Schutzfunktion für wichtige Gene

Unter Methylierung verstehen Molekularbiologen das Anbringen einer Methylgruppe an eine Base der DNA. Häufig wird dadurch ein Gen inaktiviert oder – zumindest in Bakterien – ein DNA-Abschnitt vor dem Abbau durch zelleigene Enzyme geschützt. ET kann an die DNA binden und eben diese Methyl-Markierungen entfernen. Dabei scheint es sich um den gleichen Mechanismus zu handeln, der das Erbgut von Pflanzen vor UV-Schäden schützt. Die Pflanzenforscher um Markus Kuhlmann vermuten nun aufgrund der betroffenen Bereiche des Erbguts, dass ET eine besondere Schutzfunktion für bestimmte Gene der Ackerschmalwand hat.

Potenzial für die Pflanzenzüchtung

Für die Pflanzenzüchtung eröffnet die Entdeckung mittelfristig die Möglichkeit, landwirtschaftlich wichtigen Pflanzen wie Gerste oder Weizen neue Eigenschaften zu verleihen, ohne deren DNA zu verändern. Stattdessen könnte gezielt ihr Methylierungsmuster beeinflusst werden, damit die Pflanzen sich besser an variable Umweltbedingungen anpassen können.

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Die Speicherung von überflüssigem grünem Strom ist eine Voraussetzung für die Energiewende. Das Power-to-Gas-Verfahren hat dieses Potenzial. Es kann Strom aus Sonne und Windkraft in Gas verwandeln, das langfristrig gespeichert und so bei Lieferengpässen abrufbar ist.  Ein Team der Electrochaea GmbH um Francesco di Bari hat diese vielversprechende Technologie noch effizienter gemacht: Milliarden Jahre alte Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, agieren bei der Umwandlung von Strom in Gas als Katalysator und recyceln dabei gleichzeitig Kohlendioxid. Die Mikroben arbeiten nicht nur zuverlässiger, sondern sind auch kostengünstiger als chemische Katalysatoren.