Aktuelle Veranstaltungen

When a crop shows symptoms of pest infestation or nutrient deficiencies, it is often too late to prevent yield losses. However, the earlier a problem is detected, the more effectively farmers can intervene. Digital sensors can be an important tool for this. The "FarmerSpace" research project is investigating which methods are suitable, what they can do, and also how they can interact. The German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) is funding the project from February 2020 to February 2023.

Which method is more accurate?

Sensor and data transmission systems, radio sensor networks, optical and machine-based sensors, drone technology, robotics and machine learning are all competing for their place in agriculture. On a five-acre test tiller, they have to prove themselves. What surveys the field better - laser scanners, drones or moving robots? "First and foremost, we want to find out which method delivers the more precise geodata," says André Weiskopf, a scientist at Fraunhofer IOSB-AST.

Response and prevention

Other systems record the health status of individual plants. In addition to timely treatment, this also enables more cost-effective and often ecologically beneficial treatment: "If, for example, the weevil only attacks ten square meters of the entire field, the farmer can disregard the remaining area," Weiskopf describes. In this way, the groundwater is less polluted. Water protection in particular is already benefiting from the precise surveying of the field: Because of possible inputs into the groundwater, the slope, among other things, determines where crop protection products may be sprayed. Until now, this topological data was often quite inaccurate.

Besides reacting quickly to problems in the field, digital sensors even enable precisely tailored preventive measures. For example, microclimate sensors record soil temperature and moisture and can trigger a warning when conditions are favorable for infectious diseases.

What is suitable and economical?

The comparison of the available methods is intended to identify the most functional as well as the most economical method. "We derive a recommendation for action as to which technology is suitable for which problem and inform the farmer about the type and number of sensors and measurements required," sums up Fraunhofer researcher Norbert Fränzel.

Bauen mit Holz liegt im Trend und ist nachhaltig. Doch der begehrte Rohstoff hat einen Nachteil: Er ist von Natur aus brennbar. Herkömmliche Brandschutzbeschichtungen sind jedoch wenig umweltfreundlich, weil sie überwiegend aus fossilen Rohstoffen bestehen. Bei der Entwicklung einer biobasierten feuerhemmenden Beschichtung für Holzbauten soll nun die Natur Pate stehen. Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) wollen Forschende gemeinsam mit Partnern aus Finnland und Norwegen eine Holzbrandschutzbeschichtung auf der Basis von mikrofibrillierter Cellulose (MFC) entwickeln. Das Projekt FireCellCoat wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Bioeconomy in the North“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung von 2020 bis 2022 mit 450.000 Euro gefördert.

Borke der Kanarischen Kiefer als Vorbild

Als Vorbild dienen hier die Architektur und chemische Zusammensetzung der Rinde der Kanarischen Kiefer. Projektleiterin Claudia Schirp erläutert: „Die Kiefer brennt zwar, lebt aber nach dem Brand weiter, weil sie so eine beeindruckende Borke hat, die das Feuer übersteht. Diese Borke hat eine besondere Struktur: Sie ist relativ dick und besitzt Inhaltsstoffe, die sie widerstandsfähig gegen Feuer macht." Das Besondere der Kiefernrindenstruktur ist Schirp zufolge ihre Mehrschichtigkeit. Diese makroskalige Mehrschichtstruktur wollen die Forschenden nachahmen und Holzbeschichtungen auf Basis von MFC – die aus Cellulose, einem Hauptbestandteil des Holzes, gewonnen wird – entwickeln. Mithilfe der bioinspirierten Lacke soll die Brandschutzwirkung von Holzbauten verbessert werden. Daher werden Produkte sowohl für den Innen- als auch für den Außenbereich entwickelt.

Neue Schutzlacke auf Basis von Nanocellulose

Forschende vom VTT Technical Research Centre of Finland werden im Rahmen des Projektes diese Mehrschichtstruktur aufbauen und die MFC mithilfe eines neuartigen enzymatischen Verfahrens so modifizieren, dass die brandhemmende Wirkung im Lack verbessert wird. Ähnlich wie die Jahresringe eines Baumes werden Schirp zufolge dafür abwechselnd Lagen aus mikrofibrillierter Cellulose und anorganischem Material übereinandergeschichtet.

Diese neuartige Nanocellulose ist wiederum Grundlage für die Arbeit des Fraunhofer WKI-Teams um Claudia Schirp, deren Aufgabe es ist, die MFC in klassische Beschichtungen wie transparente Lacke oder pigmentierte Farben einzuarbeiten. „Ich nutze hier zum einen die Cellulose direkt bei der Synthese des Polymers von dem Bindemittel, das die Basis für den Lack darstellt“, erklärt Schirp. Dieser Lösungsansatz hat durchaus seine Tücke, da Holz ein Stoff ist, der normalerweise den Polymerisationsprozess im Reaktor stört und die Bindemittelherstellung behindert, weil die Emulsion klumpt, koaguliert oder gar zerbricht. „Die Herausforderung ist, dass ich hier die Prozessführung so steuere, dass ich die Nanocellulose stabilisiere, damit eine gute Dispersion entsteht und ich das Bindemittel für meinen Lack auch nutzen kann“, erklärt Schirp. Der zweite Ansatz scheint einfacher zu sein: Dafür will die Forscherin die modifizierte Nanocellulose direkt in ein herkömmliches Lackbindemittel einformulieren, um den Brandschutzeffekt zu erzielen.

Building with wood is trendy and sustainable. But the popular material has one drawback: It is inherently flammable. However, conventional fire-retardant coatings are rarely environmentally friendly because they are mostly made from fossil raw materials. Nature is now becoming the inspiration for the development of a biobased fire-retardant coating for wooden buildings. Under the leadership of the Fraunhofer Institute for Wood Research, the Wilhelm Klauditz Institute (WKI), researchers are working with partners from Finland and Norway to develop a wood fire-retardant coating based on microfibrillated cellulose (MFC). The FireCellCoat project is funded by the German Federal Ministry of Education and Research with 450,000 euros from 2020 to 2022 as part of the "Bioeconomy in the North" funding measure.

Canary Island pine bark as inspiration

The architecture and chemical composition of the bark of the Canary Island pine serve as a model here. Project manager Claudia Schirp explains: "Although the pine burns, it doesn't die, because its impressive bark survives the fire. This is due to its special structure: It is relatively thick and has ingredients that make it resistant to fire." According to Schirp, what makes pine bark structure special is its multilayered nature. The researchers want to mimic this macroscale multilayer structure and develop wood coatings based on MFC - which is derived from cellulose, a major component of wood. With the help of the bio-inspired coatings, the fire protection performance of wooden buildings is to be improved. Products are therefore being developed for both interior and exterior use.

New protective coatings based on nanocellulose

Researchers from the VTT Technical Research Centre of Finland will build this multilayer structure as part of the project. Using a novel enzymatic process, they will modify the MFC in such a way that the fire-retardant effect in the coating is improved. Similar to the annual rings of a tree, Schirp says, layers of microfibrillated cellulose and inorganic material are alternately layered on top of each other.

This novel nanocellulose is in turn the basis for the work of the Fraunhofer WKI team led by Claudia Schirp, whose task is to incorporate the MFC into classic coatings such as transparent lacquers or pigmented paints. "Here, I use the cellulose directly in the synthesis of the polymer from the binder that forms the basis for the coating," Schirp explains. This approach certainly has its pitfalls, as wood is a substance that normally interferes with the polymerization process in the reactor and hinders binder production because the emulsion clumps, coagulates or even breaks. "The challenge here is to control the process control in such a way that I stabilize the nanocellulose so that a good dispersion is produced and I can also use the binder for my coating," Schirp explains. Another approach seems simpler: The researcher wants to formulate the modified nanocellulose directly into a conventional paint binder in order to achieve the fire protection effect.

Wie können wir unsere Zukunft nachhaltig und umweltgerecht gestalten? Welche Innovationen, Trends und Ideen können helfen, unsere Erde auch für die kommenden Generationen lebenswert zu erhalten? Die Woche der Umwelt am 10. und 11. Juni im Schloss Bellevue gibt Antworten. Unter dem Motto „So geht Zukunft!“ laden Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier und die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) Akteure aus Wissenschaft, Wirtschaft, Gesellschaft und Politik zum sechsten Mal in den Park von Schloss Bellevue, um über drängende Fragen der Zukunft zu diskutieren.

Umweltfest im Hybrid-Format mit hochkarätigen Gästen

Pandemiebedingt findet die Veranstaltung teils im Park, teils auch digital statt. Neben Gesprächsrunden auf der Hauptbühne am Sitz des Bundespräsidenten, die im Live-Stream mitverfolgt werden können, haben Interessierte die Gelegenheit, Webinare und Fachforen zu besuchen. Bei der hybriden Veranstaltung wird unter anderem über Themen wie Mobilität, Nachhaltigkeit in der Finanzwelt und Biodiversität diskutiert. Begleitet wird die Woche der Umwelt von einer Ausstellung, in der rund 150 Akteure ihre Ideen und Projekte digital präsentieren – darunter auch zur Bioökonomie.

Eröffnet wird die Woche der Umwelt am 10. Juni durch den Gastgeber, Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier. Mit der EU-Kommissionspräsidentin Ursula von der Leyen sowie dem US-Klimaschutzbeauftragten und früheren US-Außenminister John Kerry nehmen zudem zwei hochkarätige Politiker an der diesjährigen Veranstaltung teil. „Die Impulse von Ursula von der Leyen und John Kerry sind zugleich eine Würdigung aller Bemühungen, die Vielfalt und Ressourcen des Planeten künftig zu bewahren“, so DBU-Generalsekretär Alexander Bonde. Denn es gehe „nicht nur um eine Generationenfrage, sondern um die notwendige Debatte über einen Umwelt-Gesellschaftsvertrag – weltweit“. Um die im Klimaschutz-Paket der Europäischen Kommission geplante Reduktion des Treibhausgases Kohlendioxid um 55% bis 2030 zu verwirklichen, sind weltweit wirtschaftliche und gesellschaftliche Veränderungen erforderlich. „Wir Menschen müssen zusammenhalten. Und mit Innovation und Wachstum den Klimaschutz weltweit vorantreiben“, so Bonde.

How can we shape our future in a sustainable and environmentally friendly way? Which innovations, trends and ideas can help to keep our earth livable for future generations? The Week of the Environment on June 10 and 11 in Bellevue Palace will provide answers. For the sixth time, German President Frank-Walter Steinmeier and the German Federal Foundation for the Environment (DBU) are inviting representatives from science, business, society and politics to the park at Bellevue Palace to discuss pressing issues of the future.

Environmental event in hybrid format with high-caliber guests

Due to the pandemic, the event will take place partly in the park and partly digitally. In addition to discussion rounds on the main stage at the residence of the Federal President, which can be followed in a live stream, interested parties will have the opportunity to attend webinars and expert forums. The hybrid event will feature discussions on topics such as mobility, sustainability in the financial world and biodiversity. The Week of the Environment will be accompanied by an exhibition where around 150 stakeholders will present their ideas and projects - also on the bioeconomy - digitally.

The Week of the Environment will be opened on June 10 by the host, German President Frank-Walter Steinmeier. With EU Commission President Ursula von der Leyen and U.S. Climate Change Representative and former U.S. Secretary of State John Kerry, two high-profile politicians will also take part in this year's event. "The impulses from Ursula von der Leyen and John Kerry are a tribute to all efforts to preserve the diversity and resources of the planet in the future," said DBU Secretary General Alexander Bonde. For it is "not only a question of generations, but also the necessary debate about an environmental social contract - worldwide." In order to realize the 55% reduction in the greenhouse gas carbon dioxide by 2030 planned in the European Commission's climate protection package, economic and social changes are needed globally. "We the people must stick together. And drive climate protection worldwide with innovation and growth," Bonde said.

Klimawandel und eine stetig wachsende Weltbevölkerung stellen die Ernährungswirtschaft vor große Herausforderungen. Es geht nicht mehr nur um schmackhafte und gesunde Lebensmittel, sondern vor allem um Produkte, die umweltfreundlich und ressourcenschonend hergestellt werden. Wie Lebensmittelunternehmen diesen Herausforderungen begegnen und welchen Beitrag sie zur Umsetzung der UN-Nachhaltigkeitsziele (Sustainable Development Goals – SDGs) leisten, beleuchtet die Roadshow „Zukunft schmeckt“. Die Deutschlandtour zur Ernährung der Zukunft ist eine gemeinsame Aktion der Bundesvereinigung der Deutschen Ernährungsindustrie (BVE) und des Lebensmittelverbands Deutschland. Am 8. und 9. Juni machte die Expedition Station in Hamburg.

Nachhaltigkeit in der Lebensmittelbranche

Christoph Minhoff, Hauptgeschäftsführer des BVE und des Lebensmittelverbands Deutschland, hatte Vertreter der Wirtschaft, Politik und Forschung zum Talk in die historische Fischauktionshalle nach Hamburg- Altona geladen. Im Fokus der Debatte stand das Thema pflanzliche Ernährung und welchen Beitrag Unternehmen wie Unilever und GoodMills für mehr Nachhaltigkeit konkret leisten.

Peter Dekkers, Deutschland-Geschäftsführer von Unilever, ist überzeugt: „Das heutige Food-System wird keinen Bestand haben. Daher brauchen wir eine Änderung des Ernährungssystems.“ Das Nahrungsmittelunternehmen setzt Dekkers zufolge daher verstärkt auf „pflanzliche Lösungen und Produkte“ wie natürliche Zutaten in Instant-Suppen oder Linsen statt Hackfleisch in Bolognese. „Mit Future50.Foods wollen wir auf die Vielfalt essbarer Pflanzen aufmerksam machen. Und davon gibt es viele. Hier geht es auch um den nachhaltigen Anbau“, so Dekkers. Bei den Future50Foods handelt es sich um gesunde Lebensmittel wie Linsen, Quinoa oder Algen, die gesund, lecker und nachhaltig zugleich sind.

Kohlendioxid (CO₂) hat als Treibhausgas einen schlechten Ruf. Der darin enthaltene Kohlenstoff ist jedoch zugleich die Basis für große Teile unserer Wirtschaft. Nachhaltige und innovative Wege der CO₂-Nutzung könnten also das Klima entlasten und zugleich der Industrie nutzen. Genau das ist das Ziel der Fördermaßnahme „CO₂ as a sustainable source of carbon – Pathways to industrial applications – CO₂-WIN“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Auf einer ersten Statuskonferenz am 8. und 9. Juni 2021 gab es nun einen Überblick über Anwendungen und Forschungsprojekte im Bereich der CO₂-Nutzung.

15 geförderte Forschungsprojekte

In ihrem Grußwort betonte Vera Grimm vom BMBF, der Kampf gegen den Klimawandel sei die größte Herausforderung unserer Zeit. Das Ziel Deutschlands sei es daher, bis 2045 klimaneutral zu werden. Als wichtige Maßnahmen benannte sie unter anderem die Nationale Wasserstoffstrategie und die Nutzung von CO₂ als Ressource, die die Bundesregierung vorantreibe, indem sie aktuell 15 Forschungsprojekte dazu fördere.

Claudia Kemfert vom Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung gab in ihrer Keynote einen Überblick über den Stand der Dinge. Darin stellte sie heraus, dass die aktuellen Ziele Deutschlands nicht im Einklang mit dem 1,5-Grad-Ziel seien, sondern voraussichtlich zu einer Erwärmung von 2,1 Grad im Jahr 2100 führen würden. Die Industrie müsse daher noch schneller defossilisiert werden, CO₂ dürfe nicht mehr in die Atmosphäre gelangen, sondern müsse als Rohstoff genutzt werden. Letzteres sei auch deshalb wichtig, weil andere Optionen zu „negativen Emissionen“ zwar ebenfalls wichtig seien, aber oft überschätzt würden. So müsse man beispielsweise bei der Pflanzung von Wäldern diese auch schützen und erhalten. Bioenergie und Kohlenstoffspeicherung (CCS) hätten den Nachteil, kostenintensiv zu sein oder im Konflikt mit der Nahrungsproduktion zu stehen. Die effizienteste Lösung zum Klimaschutz in allen Sektoren seien zweifellos erneuerbare Energien. Nicht zuletzt attestierte Kemfert der deutschen Industrie im Vergleich mit anderen europäischen Ländern eine Investitionslücke und einen Rückstand beim Wissenskapital.

Besser CO₂ nutzen als vergraben

Sophia Hamblin Wang von der australischen Firma Mineral Carbonation International betonte den Unterschied zwischen Kohlenstoffspeicherung (CCS) und Kohlenstoffnutzung (CCU). Zwar sei heute die Größenordnung von CCS der von CCU weit voraus. Doch CCS sei ein lineares Verfahren, bei dem das CO₂ vergraben würde und auf ewig bewacht werden müsse – also ein Prozess, der lediglich Kosten erzeuge. CCU hingegen sei ein zirkulärer Ansatz, der aus einem Abfallstoff Wert schöpfe. „CO₂ kann aufgewertet und zu Materialien recycelt werden, die mit Gewinn verkauft werden können“, warb Wang. Besondere Unterstützung, CO₂-neutral zu werden, bräuchten dabei Branchen wie Stahl, Zement, Chemie und Bergbau.

Mit Jan Skocek von HeidelbergCement stellte ein Vertreter einer dieser Branchen Herausforderungen und Ansätze vor. Calciumoxid (CaO) sei essenziell für die Betonherstellung und liege in stabiler Form in der Natur als Calciumcarbonat (CaCO₃) vor. Damit entstehe im Prozess automatisch in großer Menge CO₂ – etwa eine halbe Tonne je verarbeiteter Tonne Schlacke. Zum einen binde Beton im Laufe seines Lebens aber auch wieder etwas CO₂, insbesondere nach dem Abriss. Skocek erläuterte, wie während des anschließenden Recyclings weiteres CO₂ gebunden werden kann. Das Ziel müsse ein geschlossener Kreislauf von Calciumcarbonat, Kohlendioxid und Sand sein, der auch finanziell wettbewerbsfähig ist. Noch seien die nötigen Technologien jedoch nicht alle verfügbar und auch die so erzeugten Stoffe müssten erst noch Sicherheitstests und Zulassungen durchlaufen. Das Forschungsprojekt C²inCO₂ verfolge diese Ziele.

Recycling in unterirdischen Reservoirs

Weitere vorgestellte Forschungsprojekte waren NuKos mit dem Ziel der Nutzung von CO₂ aus Hochofenschlacke in der Metallherstellung, CO₂LiPriSek mit dem Ziel der Karbonisierung lithiumhaltiger Rohstoffe durch CO₂ sowie eine Reihe von Ansätzen, um CO₂ als Ausgangsstoff in der chemischen Synthese zu nutzen.

Die Bioökonomie stand dann wieder im Vordergrund, als es um biotechnologische Ansätze ging, Kohlendioxid zu nutzen. Ungewöhnlich mutete dabei der Ansatz der DBI Gas- und Umwelttechnik an, die Hagen Bültemeier vorstellte. Das Unternehmen möchte Kohlendioxid und Wasserstoff in porösen unterirdischen Speichern zusammenführen und dort durch mikrobielle Reaktionen zu Methan verwandeln, das dann extrahiert und genutzt werden kann. Auf diese Weise ließe sich ein Recycling von CO₂ mit der Nutzung von Wasserstoff als Energiespeicher verbinden, so Bültemeier. Wie geologische, lithologische und mikrobielle Faktoren dort hineinspielen, untersucht das Projekt Bio-UGS ebenso wie mögliche Korrosion an den technischen Vorrichtungen und die unterschiedlichen Löslichkeiten der Gase. Ziel ist schließlich die praktische Anwendung. Ein erstes Zwischenfazit: Je tiefer das Reservoir, desto homogener die Bedingungen.

Elektrosynthese und Biotechnologie

Elektrochemie und Biotechnologie verbindet das Projekt TRANSFORMATE, das Frank Kensy von b.fab präsentierte. Aus Wasser, CO₂ und Strom aus erneuerbaren Quellen soll elektrochemisch Ameisensäure entstehen. „Ameisensäure ist der energetisch günstigste Weg, um CO₂ und Wasserstoff in einer Flüssigkeit zu speichern, die vollständig wasserlöslich ist“, erläuterte Kensy. Die Ameisensäure dient dann mittels der synthetischen Biologie optimierten Mikroorganismen als Nahrung, um daraus Polyhydroxybuttersäure für Biopolymere und Crotonsäure für Polymethylmethacrylat herzustellen. Am Ende des Projekts sollen die Prozesse von Elektrolyseur und Bioreaktor in einer Anlage im Labormaßstab kombiniert werden.

Dirk Holtmann von der TH Mittelhessen erläuterte dazu passend den Stand der mikrobiellen Elektrosynthese. Der seit mehr als zehn Jahren untersuchte Ansatz ist vielversprechend, doch bislang sehr ineffizient. „Da der Elektronentransport lange nicht verstanden wurde, konnte er jedoch nicht optimiert werden“, erklärte Holtmann. Im Projekt GAMES soll sich das nun ändern. Darin sollen auch der Prozess optimiert und weitere Mikroorganismen identifiziert werden, die diese Fähigkeit auch bei höheren Salzkonzentrationen besitzen. Am Ende soll ein vollständig modellierter Herstellungsprozess stehen.

Den abschließenden Schwerpunkt der Konferenz bildeten die künstliche Photosynthese und andere photokatalytische Ansätze, um aus Sonnenlicht und CO₂ nachhaltige Chemikalien und Treibstoffe herzustellen.

Die optimale und nachhaltige Nutzung von Rohstoffen im Sinne der Kreislaufwirtschaft ist ein Schwerpunkt der deutschen Nachhaltigkeitsstrategie. Dazu gehört die Rückgewinnung von Kunststoffen, die aus fossilen Rohstoffen wie Polypropylen (PP) bestehen. Polypropylen enthält die endliche Ressource Erdöl und ist der zweitwichtigste Kunststoff überhaupt. Er wird vor allem für Verpackungen, aber auch in der Elektronik und im Automobilbau verwendet. PP ist aber auch Bestandteil von Produkten wie Teppichen, die aus Verbundwerkstoffen hergestellt und nur schwer recycelbar sind. Im Rahmen des EU-Projektes ISOPREP hat ein Konsortium unter Mitwirkung von Forschenden am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP ein innovatives Verfahren zum Recycling von PP entwickelt. Die Arbeit der Forschenden wurde im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 von der Europäischen Union gefördert.

Ionisches Liquid selektiert Polypropylen

Rund 1,6 Millionen Tonnen Teppichabfälle fallen allein in der Europäischen Union jedes Jahr an. Sie werden zum Großteil verbrannt, da Teppiche aus Verbundstoffen bestehen – darunter Polypropylen. In dem EU-Projekt wurden Teppichreste verwendet, die zu einem Viertel aus PP bestehen. Kern des neuartigen Verfahrens ist ein spezielles Lösungsmittel – ein ionisches Liquid, das Polypropylen aus den vorbehandelten Teppichresten herauslösen kann. „Mit diesem lässt sich erstmals Polypropylen aus Teppichabfällen zurückgewinnen – und zwar in Primärqualität“, sagt Maike Illner, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IBP. In einem Reaktor wurden die zuvor zerkleinerten und gereinigten Teppichabfälle mit dem Lösungsmittel behandelt und so die PP-Partikel von den anderen Bestandteilen wie Farb- oder Zusatzstoffen abgetrennt.

Pilotanlage geplant

Im größeren Labormaßstab funktioniert das PP-Recycling bereits. Bis Ende März 2022 soll nun eine Pilotanlage errichtet werden, die täglich eine Tonne Teppichabfälle recycelt. Das Besondere: Das wiedergewonnene Polypropylen kann qualitativ mit dem fossilen Vorbild mithalten und ist daher auch für hochwertige Anwendungen geeignet. Fakt ist jedoch auch: Um mit dem Original in puncto Kosten konkurrieren zu können, muss das noch recht teure ionische Liquid möglichst vollständig im Kreislauf geführt werden. Die Ökologie des Teppich-Recyclings steht am Fraunhofer IBP im Fokus. Das Team hat errechnet, welche Mengen an Material und Energie für den Prozess benötigt werden und wie viel Produkt wieder herauskommt. „Liegen die Verlustraten bei einem Prozent oder darunter, hat der Prozess das Potenzial, hinsichtlich der Kosten mit der Neuherstellung von Polypropylen zu konkurrieren“, fasst Illner zusammen.

Mit dem neuen Verfahren lässt sich das Polypropylen nicht nur von anderen Materialien, sondern auch von zugesetzten Farbstoffen und Additiven trennen und könnte somit auch anderen hochwertigen Anwendungen zur Verfügung stehen.

One focus of the German sustainability strategy is the optimal use of raw materials in the sense of the circular economy. This includes the recovery of plastics made from fossil raw materials such as polypropylene (PP). Polypropylene contains the finite resource petroleum and is the second most important plastic of all. It is used primarily for packaging, but also in electronics and automotive engineering. However, PP is also a component of products such as carpets, which are made of composite materials and are difficult to recycle. As part of the EU project ISOPREP, a consortium including researchers at the Fraunhofer Institute for Building Physics IBP has developed an innovative process for recycling PP. The researchers' work was funded by the European Union as part of the Horizon 2020 research and innovation program.

Ionic liquid selects polypropylene

Around 1.6 million tons of carpet waste are generated each year in the European Union alone. Most of it is burned because carpets are made of composite materials - including polypropylene. In the EU project, carpet scraps were used that are one-quarter PP. At the core of the novel process is a special solvent - an ionic liquid that can dissolve polypropylene out of the pre-treated carpet remnants. "With this, polypropylene can be recovered from carpet waste for the first time - and in primary quality," says Maike Illner, a scientist at Fraunhofer IBP. In a reactor, the previously shredded and cleaned carpet waste was treated with the solvent, separating the PP particles from other components such as dyes or additives.

Pilot plant planned

PP recycling is already working on a larger laboratory scale. A pilot plant is now to be built by the end of March 2022, which will recycle one ton of carpet waste per day. What's special: The recovered polypropylene can compete in quality with the fossil raw material and is therefore also suitable for high-value applications. However, in order to compete with the original in terms of cost, the ionic liquid, which is still quite expensive, must be recycled to the greatest possible extent.

Fraunhofer IBP is focusing on the ecology of carpet recycling. The team has calculated the amounts of material and energy needed for the process and how much product comes out again. "If the loss rates are one percent or less, the process has the potential to compete with new polypropylene production in terms of costs," Illner summarizes.

The new process allows the polypropylene to be separated not only from other materials, but also from added dyes and additives, and could thus be available for other high-value applications.

Mehr als 70 Prozent der deutschen Bevölkerung ist überzeugt: Wir werden mithilfe der Biotechnologie nachhaltiger leben (können). Das ergab eine repräsentative Umfrage, die das Meinungsforschungsunternehmen Civey im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2020/21 durchgeführt hat.

Biotechnologie nutzt die Werkzeugkiste der Natur in technischen Anwendungen, um interessante Produkte herzustellen. Eine Schlüsselrolle übernehmen hierbei Enzyme: Diese Proteine sind in Zellen und Organismen für die Steuerung sowie Beschleunigung biochemischer Reaktionen zuständig. Und auch in der industriellen Anwendung sind Enzyme als Spezialwerkzeuge zu unverzichtbaren Helfern geworden. In der Lebensmittelindustrie, der Futtermittel- und der Konsumgüterindustrie sind die Biokatalysatoren als „Produktionsassistenten“ heute nicht mehr wegzudenken. Kleine Helfer, die viel können, aber noch nicht jedem bekannt sind: Mehr als ein Drittel der Befragten gab in der Civey-Umfrage an, die Funktionen von Enzymen nicht zu kennen.

Enzyme im Rampenlicht

Beim mittlerweile dritten Termin der Wissenschaftsjahr-Diskussionsreihe „Karliczek. Impulse.“ rücken Enzyme ins Rampenlicht. Der Talk mit dem Titel „Biotechnologie macht‘s möglich – Innovationen für mehr Nachhaltigkeit“ findet als kostenloses Online-Event am Mittwoch, 16. Juni 2021 (ab 16.45 Uhr) statt. Die Bedeutung von Enzymen für die Bioökonomie erörtert Bundesforschungsministern Anja Karliczek gemeinsam mit drei Fachleuten aus Forschung und Praxis.

„Ein wichtiger Weg zu mehr Nachhaltigkeit führt über Enzyme, sie sind quasi die Arbeitspferde der Biotechnologie.“ sagt Karliczek. „Ihr vielseitiger Einsatz in verschiedensten Industriezweigen besitzt enormes Innovationspotenzial und befördert den Wandel zu einer biobasierten Wirtschaft. Bei der Veranstaltung werden die Teilnehmenden mehr über die konkreten Einsatzmöglichkeiten von Enzymen erfahren. Ich freue mich auf eine lebhafte Diskussion darüber.“

Leinen Los heißt es seit Anfang Juni wieder für die Mitmach-Ausstellung zur Bioökonomie an Bord der MS Wissenschaft. Im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wird das umgebaute Frachtschiff bis 26. Oktober an insgesamt 30 Orten in Deutschland und Österreich Station machen. Nach achtmonatiger Pause ging das Schiff am 5. Juni als erste Station der zweiten Tour in Hamburg vor Anker. Nach Glückstadt und Rendsburg wird das Ausstellungs-Schiff im Juni auch Kiel und Hildesheim anlaufen. Die schwimmende Ausstellung, organisiert von Wissenschaft im Dialog (WiD), ist ein Highlight im Wissenschaftsjahr Bioökonomie. Ziel ist es, die vielseitigen Facetten der Bioökonomie einem breiten Publikum über viele unterschiedliche Exponate und Mitmach-Aktionen näher zu bringen.

Einblicke in die Bioökonomie-Forschung

Rund 30 Exponate laden zwischen Bug und Heck des Ausstellungsschiffes zum Ausprobieren, Entdecken und Staunen ein. Hochschulen, Forschungsinstitute und andere Einrichtungen geben hier Einblicke in das weite Feld der bioökonomischen Forschung und Entwicklung. Die Bioökonomie-Ausstellung auf der MS-Wissenschaft greift auch ethische und politische Fragen auf, die mit dem Wandel hin zu einer biobasierten und nachhaltigen Wirtschaft einhergehen. Hinterfragt wird die Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen ebenso wie die Chancen und Risiken neuer Pflanzenzüchtungsmethoden oder die Herausforderung der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung. Die einzelnen Themen wurden von Forschenden so aufbereitet, dass sie für Kinder und Erwachsene gleichermaßen verständlich sind.

Staunen und Mitmachen

Die Bandbreite der bioökonomischen Innovationen reicht von T-Shirts aus Holz bis hin zu Burger aus Insekten. Zu bestaunen ist aber auch eine interaktive Waschmaschine. Hier wird gezeigt, wie biobasierte Tenside für Wasch- und Reinigungsmittel, Medikamente und Kosmetika effektiv und umweltschonend aus Pilzen hergestellt werden können. Darüber hinaus ist zu sehen, wie der Brandpilz Ustilago maydis Biotenside produziert. Die ovalen Pilzzellen können von Besuchern unter einem Mikroskop inspiziert werden. „Neues aus Biomüll“ liefert hingegen ein Erklärspiel zum Mitmachen. Auf spielerische Weise wird hier verdeutlicht, wie Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden können, ohne dem Nahrungsmittelanbau Konkurrenz zu machen.

Eine „Bioraffinerie auf dem Bauernhof“ demonstriert, wie aus pflanzlichen Reststoffen wie Chicorée, Kaffeesatz oder Stroh wichtige Basischemikalien entstehen, die wiederum für die Herstellung von Nylonstrümpfen oder Plastikflaschen genutzt werden können. Auch die „kleinen Alltagshelden“ der Bioökonomie sind mit an Bord: Ein sogenannter Algenflipper zeigt, wie Abwasser mithilfe von Algen auf ökologische Weise gereinigt und gleichzeitig wertvolle Biomasse erzeugt werden kann.

Kostenlose Tickets vorab buchen

Der Besuch der Bioökonomie-Ausstellung ist kostenfrei. Es muss jedoch vorab ein Ticket gebucht werden. Dieses kann 5 Tage vor Ankunft des Schiffes in einer Stadt über das Ticketing-System erfolgen. Der Tourenplan verrät, wo die MS Wissenschaft vor Anker geht.

Since the beginning of June, it's been time to cast off again for the hands-on exhibition on the bioeconomy aboard the MS Wissenschaft (MS Science). Commissioned by the German Federal Ministry of Education and Research, the converted cargo ship will stop at a total of 30 locations in Germany and Austria between now and October 26. After an eight-month break, the ship dropped anchor in Hamburg on June 5 as the first stop on the second tour. After Glückstadt and Rendsburg, the exhibition ship will also call at Kiel and Hildesheim in June. The floating exhibition, organized by Wissenschaft im Dialog (WiD), is a highlight of the Bioeconomy Science Year. The aim is to bring the many facets of the bioeconomy closer to a broad audience via many different exhibits and hands-on activities.

Insights into bioeconomy research

Around 30 exhibits invite visitors to try out, discover and marvel. Universities, research institutes and other institutions provide insights into the broad field of bioeconomy research and development. The bioeconomy exhibition on the MS Wissenschaft also addresses ethical and political issues associated with the shift toward a biobased and sustainable economy. The sustainability of biofuels is questioned, as are the opportunities and risks of new plant breeding methods or the challenge of feeding a growing world population. The individual topics have been prepared by researchers in such a way that they can be understood by children and adults alike.

Enthusiasm and involvement

The spectrum of bioeconomic innovations ranges from T-shirts made of wood to burgers made of insects. But there is also an interactive washing machine to marvel at, for example. It will be shown how bio-based surfactants for detergents, medicines and cosmetics can be produced effectively and in an environmentally friendly way from fungi. In addition, it can be seen how the blight fungus Ustilago maydis produces biosurfactants. Visitors can inspect the oval fungal cells under a microscope.

"News from biowaste", on the other hand, provides an explanatory game for visitors to participate in. In a playful way, it shows how products can be made from renewable raw materials without competing with food crops.

A "biorefinery on the farm" demonstrates how important basic chemicals are produced from plant residues such as chicory, coffee grounds or straw, which in turn can be used to manufacture nylon stockings or plastic bottles. The "little everyday heroes" of the bioeconomy are also on board: a so-called algae flipper shows how wastewater can be cleaned in an ecological way with the help of algae, generating valuable biomass in the process.

Book free tickets in advance

The visit of the bioeconomy exhibition is free of charge. However, a ticket must be booked in advance. This can be done 5 days before the ship arrives in a city via the ticketing system. The tour schedule reveals where the MS Wissenschaft will drop anchor.

Ob zum Frühstück, nach dem Essen oder einfach zwischendurch: Kaffee ist das beliebteste Heißgetränk der Deutschen. Für 72% der Bundesbürger gehört der belebende braune Trunk zum Alltag. 165 Liter Kaffee werden im Schnitt pro Jahr von jedem Einzelnen konsumiert. Der Kaffeesatz, der dabei übrigbleibt, landet jedoch für gewöhnlich im Abfall. Diesen Reststoff als Rohstoffquelle für neue biobasierte Materialien und Produkte zu nutzen, ist mittlerweile zu einem spannenden Forschungsfeld geworden.

So stand die Entwicklung hochwertiger biobasierter Verbundwerkstoffe auf Basis von Kaffeesatz auch im Fokus des Projektes BioKaVe. Das Vorhaben wurde von der abc GmbH in Köln koordiniert und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Ideenwettbewerbes „Neue Produkte für die Bioökonomie“ von Juni 2017 bis Dezember 2019 mit rund 675.700 Euro gefördert. In gleicher Höhe stellten die vier Projektpartner eigene Finanzmittel für das Vorhaben zur Verfügung.

Erdölpolymere durch Kaffeesatz ersetzen

In den vergangenen Jahren entwickelte das Team um abc-Geschäftsführer und Projektkoordinator Alexander Schank ein Aufbereitungsverfahren, um Kaffeesatz zu recyceln und für eine breite Palette von Verbundwerkstoffen nutzbar zu machen. „Kunststoffe sind recht teuer und wir wollten Teile der konventionellen Erdölpolymere durch etwas Günstigeres und Biobasiertes ersetzen", so Schank. Im Visier stand daher die Entwicklung von Füll- und Farbstoffen, mit denen der Anteil fossiler Kunststoffe im Verbundwerkstoff reduziert werden kann.

So vielfältig das Kaffeeangebot, so breit ist auch das Spektrum der Kaffeesatzsorten, die dem Projektteam als Ausgangsstoff zur Verfügung standen. „Ob Espresso, Filter- oder Instantkaffee: Da haben wir nicht unterschieden", so Schank. Zum Einsatz kamen sowohl Reststoffe, die in Kaffeehausketten übrigblieben als auch Reststoffe eines großen Instantkaffeeherstellers.

Vom inhomogenen Reststoff zum homogenen Industriestoff

Doch ohne Weiteres ließ sich der Kaffeesatz nicht verarbeiten. „Die Herausforderung bestand darin, diesen inhomogenen Reststoff technisch so aufzubereiten, dass ein homogener Industriestoff daraus entsteht", sagt Schank. Daher musste das Team zunächst all jene Inhaltsstoffe aus dem Kaffeesatz eliminieren, die den späteren Verarbeitungsprozess behindern könnten. Dazu zählten insbesondere Öle, die beispielsweise dem Kaffee das Aroma geben. „Diese Öle stören bei der Kunststoffverarbeitung, weil dann keine richtige Bindung zwischen dem Kunststoffmatrixpolymer und dem Kaffeesatz als Füll- und Farbstoff hergestellt werden kann", erläutert Schank. Erschwerend kam hinzu, dass auch der Ölgehalt der einzelnen Kaffeesorten wie Arabica oder Robusta in Abhängigkeit von deren Herkunft verschieden ist. Schank zufolge war es daher kaum möglich, einheitliche und konstante Prozessparameter bei den Aufbereitungsaggregaten zu nutzen.

For breakfast, after dinner or just in between: coffee is the most popular hot drink in Germany. For 72% of Germans, the energizing brown drink is part of everyday life. As a result, the average person consumes 165 litres of coffee per year. However, the leftover coffee grounds usually end up in the waste. Using this waste material as a resource for new bio-based materials and products has become an exciting field of research.

That is also how BioKaVe's focus on development of high-quality bio-based composites based on coffee grounds came about. The project was coordinated by abc GmbH in Cologne and funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with about 675,700 euros from June 2017 to December 2019 as part of the "New products for the bioeconomy" ideas competition. The four project partners provided the same amount of funding for the project.

Replacing petroleum polymers with coffee grounds

In recent years, the team around abc managing director and project coordinator Alexander Schank has developed a processing method to recycle coffee grounds and make them usable for a wide range of composite materials. "Plastics are quite expensive, so we wanted to replace parts of conventional petroleum polymers with something less expensive and bio-based," says Schank. Therefore, the focus was on the development of fillers and colorants that could reduce the proportion of fossil-based plastics in the composite material.

As wide as the range of coffees, as wide was the range of coffee grounds that were available as a resource to the project team. "Espresso, filter or instant coffee: there was no need to differentiate between the different types of coffee," says Schank. Both residues left over from coffee house chains and from a large instant coffee producer were used.

From inhomogeneous residues to homogeneous industrial material

The coffee grounds could not be processed without further ado. "The challenge was to process this inhomogeneous waste material in a way that a homogeneous industrial material was created from it," says Schank. Therefore, the team first had to eliminate ingredients from the coffee grounds that could hinder subsequent processing. These included, for instance, oils that give coffee its aroma. "The oils interfere with processing of plastics by preventing the correct binding between the plastic matrix polymer and the coffee grounds as filler and colorant," explains Schank. To make matters even more difficult, the oil content of the individual types of coffee such as Arabica or Robusta varies depending on their origin. According to Schank, it was therefore hardly possible to use standardized and steady process parameters for the preparation aggregates.

Diese Mikroben wissen immer, wo es langgeht: Bakterien der Spezies Magnetospirillum gryphiswaldense besitzen einen Magnetsinn und richten sich an den Magnetfeldlinien der Erde aus. Das gelingt ihnen, weil sie in ihrem Inneren Ketten sogenannter Magnetosome besitzen, wenige Dutzend Nanometer kleine Körper aus Fetten und Eiweißen, in deren Kern sich magnetisches Eisenoxid befindet. Forschern der Universität Bayreuth ist es nun gelungen, daran bestimmte funktionelle Gruppen zu binden, die potenzielle Anwendungen in der Medizin denkbar machen.

Zuckersensor und Farbsignale

Mit gentechnischen Methoden haben die Forscher das Bakterium dazu gebracht, an die Hüllen der Magnetosome bestimmte Moleküle zu koppeln. Dazu gehören das Enzym Glukose-Oxidase, das als Zuckersensor bei Diabetes eingesetzt wird, sowie ein grünfluoreszierendes Protein, das Molekularbiologen nutzen, um Komponenten von Zellen zu Forschungszwecken leichter zu identifizieren. Ebenfalls gelang die Koppelung für ein farbstoffbildendes Enzym, dessen Aktivität leicht zu messen ist und für ein Antikörperfragment. Details präsentieren die Forscher in der Fachzeitschrift Small.

Baukastensystem eröffnet Optionen

„Mit dieser genetischen Umprogrammierung haben wir die Bakterien dazu gebracht, Magnetosomen zu produzieren, die bei einer Bestrahlung mit UV-Licht grün leuchten und zugleich biokatalytische Funktionen haben. Auf ihren Oberflächen können zielgenau verschiedene biochemische Funktionen installiert werden“, fasst Dirk Schüler von der Universität Bayreuth zusammen. Mit der Methode lassen sich dank eines Baukastensystems weitere multifunktionale Nanopartikel erzeugen, die aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaft auch noch leicht aus den Bakterien isoliert werden können.

Mit dem Kopf durch die Wand zu wollen, ist auch für Moleküle keine gute Idee – so könnte man die Ergebnisse einer Studie von Physikern der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) zusammenfassen. Die Forscher haben die Interaktion des Vitamins Biotin mit dem Protein Streptavidin untersucht. „Dieses Rezeptor-Liganden-System ist quasi der Fischer-Dübel der Biophysik“, erklärt LMU-Forscher Steffen Sedlak. Mit ihm testen Wissenschaftler, wie Biomoleküle auf mechanische Kräfte reagieren. Doch bislang sorgten widersprüchliche Daten zu diesem System für Verwirrung. Das Münchener Team liefert im Fachjournal „Science Advances“ nun die Auflösung.

Identische Taschen, andere Ergebnisse

Bei der sogenannten Einzelmolekül-Kraftspektroskopie wird das Biomolekül zwischen zwei anderen Molekülen befestigt und dann langsam auseinandergezogen. Zur Befestigung dient oft die Kombination aus Biotin und Streptavidin: Das Biotin steckt in einer von vier identischen Taschen des größeren Moleküls Streptavidin. Die Tasche schließt sich durch eine Art Deckel, sodass nur ein kleiner Teil des Biotins herausschaut. Daran wird das Testmolekül verankert. Welche Kraft nun benötigt wird, um das Biotin herauszuziehen, darüber herrschte Uneinigkeit.

Das LMU-Team testete deshalb jede Tasche einzeln mit genau einem Biotinmolekül, um die Stabilität der jeweiligen Verbindung zu untersuchen. „Dabei haben wir entdeckt, dass unterschiedlich viel Kraft benötigt wird, je nachdem, aus welchem der vier Fässer Biotin herausgezogen wird – und das obwohl die vier Bindungstaschen exakt gleich sind“, berichtet Physiker Hermann Gaub. Was biomechanisch dahinter steckt, wurde bisher nicht berücksichtigt.

Winkel der Zugbelastung entscheidend

Doch auch das konnten die Forscher nun aufklären, indem sie den Ablauf im Computer detailliert simulierten: Je nachdem, an welchem Punkt die Zugbelastung ansetzt, nehmen die Bindungstaschen andere Positionen ein. Dadurch erfolgt der Zug auf das Biotin in unterschiedlichen Winkeln innerhalb der Taschen. In Fällen, in denen das Molekül direkt in Richtung des Taschendeckels gezogen wird, lässt es sich am leichtesten herausziehen. Erfolgt der Zug in Richtung Seitenwand der Tasche, ist entsprechend mehr Kraft nötig, das Biotin herauszulösen.

Sedlak resümiert daher: „Wie auch Diogenes gewiss schon festgestellt hat, ist es eben wesentlich leichter, ein Fass durch den Deckel zu verlassen als durch die Wand.“ Dass dies auch bei mechanischen Kräften zwischen einzelnen Biomolekülen gelte, sei allerdings alles andere als trivial. Mit dem neuen Wissen könne der molekulare „Dübel“ endlich optimal eingesetzt werden.

Eine abgeerntete Paprika-Pflanze ist bis zu drei Meter groß. Aus dieser umfangreichen Biomasse lassen sich in einer Bioraffinerie Basischemikalien wie verschiedene Zucker oder Polyphenole gewinnen. Doch in einem Zwischenschritt lässt sich noch weit mehr aus der Pflanze herausholen: Wertvolle bioaktive Substanzen stehen dabei im Fokus. Unter dem Dach der Förderinitiative „Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie“ des BMBF strebt ein Forschungsprojekt eine Kaskadennutzung der Pflanze an.

Diese weitere Nutzung ist besonders nachhaltig und ressourcenschonend, denn wie die Wissenschaftlerin Anika Wiese-Klinkenberg erklärt: „Wir haben die Pflanze für das Hauptprodukt Paprikafrucht bereits im Gewächshaus aufgezogen, sie gegen Schädlinge geschützt und ernährt“. Die Pflanzenphysiologin am Forschungszentrum Jülich entwickelt mit Kollegen der RWTH Aachen und der Universität Bonn Technologien, um zusätzlich auch die Blätter und Stängel der Pflanze zu verwerten.

Interessante Stoffe für Medizin und Kosmetik

Die Pflanzenphysiologin will dabei sogenannte sekundäre Pflanzenstoffe gewinnen. Die Wissenschaft kennt rund 100.000 dieser Sekundärmetabolite. Vielfach handelt es sich um Farb-, Duft- und Aromastoffe, aber auch Gift- und Bitterstoffe, die nur in bestimmten Organismen, Geweben oder Zellen vorkommen. Anders als Primärmetabolite sind sie nicht zwingend für das Wachstum und Überleben erforderlich. „Sie dienen der Interaktion mit der Umwelt“, erklärt Alexandra Wormit, die Projektkoordinatorin von der RWTH Aachen. Damit schützt sich die Pflanze vor den Auswirkungen von Umweltstressen, und wehrt zum Beispiel Schädlinge ab oder lockt nützliche Insekten an.

Derzeit sieht man vor allem für zwei sekundäre Pflanzenstoffe wirtschaftliches Potenzial: das Flavonoid Cynarosid und Graveobiosid A. Cynarosid, auch als Inhaltsstoff von Artischockenblättern bekannt, ist für die Kosmetik-, Lebensmittel- und pharmazeutische Industrie von Interesse. Graveobiosid A wirkt gegen einen Pflanzenschädling, die Florida-Minierfliege. „Die Forschung arbeitet an diesen Stoffen“, betont Wormit. Im Verbundprojekt TaReCa wollen die Forscherinnen und Forscher der RWTH Aachen, des Forschungszentrums Jülich und der Universität Bonn die interessanten Substanzen gewinnen.

TaReCa steht für "Maßschneidern des Sekundärmetabolismus in gartenbaulicher Restbiomasse und Kaskadennutzung für eine ressourceneffiziente Produktion von wertvollen bioaktiven Substanzen“. Das Verbundvorhaben ging im November 2017 an den Start, vorerst für drei Jahre, wobei das BMBF insgesamt eine Fördersumme von mehr als 1,2 Mio. Euro bereitstellt. Eine zweite Förderphase wurde beantragt.

So manche Feinchemikalie haben Wissenschaftler sich in der Natur abgeschaut. Auch Phenylglycin ist eine Substanz, die von Bakterien hergestellt wird. Allerdings gibt es von ihr zwei spiegelbildliche Formen – L-Phenylglycin und D-Phenylglycin. Ersteres ist das Produkt der Mikroorganismen, letzteres eine medizinisch hoch interessante Verbindung, die jedoch nur auf konventionelle Weise in einem petrochemischen Prozess hergestellt werden kann – bis jetzt.

Nur eine von zwei Formen interessant

Eigentlich bildet das Bakterium Streptomyces pristinaespiralis L-Phenylglycin, um dieses zum Antibiotikum Pristinamycin weiterzuverarbeiten. Forschern des Leibniz-Instituts DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen) ist es gelungen, die Bakterien der Gattung Actinomycetes mit Methoden der Synthetischen Biologie so zu verändern, dass sie D-Phenylglycin produzieren. Im Fachjournal „Applied Microbiology and Biotechnology“ beschreibt das DSMZ-Team den veränderten Syntheseweg.

Vorteile der fermentativen Herstellung

Die fermentative Herstellung des D-Phenylglycin hat gegenüber der petrochemischen Variante einige Vorteile. Da sind zum einen Nachhaltigkeit und Klimaschutz: Die Herstellung erfordert als Rohstoff in erster Linie Glukose, die sich problemlos aus erneuerbaren Rohstoffen gewinnen lässt. Darüber hinaus erzeugen Bakterien ihr Produkt mit einer besonders hohen optischen Reinheit.

Produktionsraten weiter steigern

„Die Produktionsraten sind zwar noch gering“, räumt DSMZ-Forscherin Yvonne Mast ein. „Wir haben aber die Möglichkeiten des sogenannten Genetic Engineering noch nicht voll ausgeschöpft und forschen aktuell an einer Steigerung der Produktionsrate.“ Nur so sei die nachhaltige Produktion von solch vielfältig einsetzbaren Bausteinen wie D-Phenylglycin auch für die Industrie wirklich interessant. Darüber hinaus ließe sich der neue Syntheseweg in andere Bakterienstämme als Produktionsorganismen übertragen.

Das Marktpotenzial ist da: Derzeit werden jährlich mehr als 5.000 Tonnen D-Phenylglycin auf konventionelle Weise hergestellt, um daraus Antibiotika wie Ampicillin zu erzeugen.

Scientists have copied many a fine chemical from nature. Phenylglycine is also a substance produced by bacteria. However, there are two mirror-image forms of it - L-phenylglycine and D-phenylglycine. The former is the product of microorganisms, the latter is a medically highly interesting compound, which as yet can only be produced conventionally in a petrochemical process - until now.

Only one of two forms interesting

The bacterium Streptomyces pristinaespiralis produces L-phenylglycine in order to process it into the antibiotic pristinamycin. Researchers at the Leibniz Institute DSMZ (German Collection of Microorganisms and Cell Cultures) have succeeded in using synthetic biology methods to modify bacteria of the genus Actinomycetes in such a way that they produce D-phenylglycine. In the journal "Applied Microbiology and Biotechnology", the DSMZ team describes the modified synthesis pathway.

Advantages of fermentative production

The fermentative production of D-phenylglycine has several advantages over the petrochemical variant. First, in terms of sustainability and climate protection: The production primarily requires glucose as a raw material, which can be easily obtained from renewable ressources. Furthermore, bacteria produce their product with a particularly high optical purity.

Further increase in production rates

"Although the production rates are still low," admits DSMZ researcher Yvonne Mast. "we have not yet fully exploited the possibilities of genetic engineering and are currently exploring ways to increase the production rate." This is the only way that the sustainable production of such versatile building blocks as D-phenylglycine can be of real interest to industry. In addition, the new synthesis pathway could be transferred to other bacterial strains as production organisms.

The market potential is given: Currently, more than 5,000 tons of D-phenylglycine are produced annually by conventional means to produce antibiotics such as ampicillin.