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Viele Lebensmittel enthalten Farbstoffe, um sie attraktiver aussehen zu lassen. Selten sind es natürliche Zusätze wie etwa das orangefarbene Carotin der Möhre, das Getränken und Speisen die gewünschte Farbe gibt. In der Regel werden Lebensmittelzusätze verwendet, die in ihrer chemischen Struktur dem natürlichen Vorbild gleichen, aber synthetisch hergestellt wurden. Die Lebensmittelindustrie drängt daher auf Alternativen. Denn auch der Ruf der Verbraucher nach natürlichen Farbstoffen wird lauter.

Reststoffe der Apfelsaft-Produktion nutzen

Im Projekt „APPO“ wollen die ASA Spezialenzyme GmbH und das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV nun natürliche Farbextrakte für Lebensmittel entwickeln. Konkret geht es dabei um Brauntöne, wie sie beispielsweise in Cola-Getränken genutzt werden. Das Team will dafür Reststoffe verwenden, die bei der Herstellung von Apfelsaft als Pressrückstände anfallen.

Farbsubstanz enzymatisch aufbereiten

„In Äpfeln sind sogenannte Polyphenole enthalten, die für die Braunfärbung verantwortlich sind. Diese Inhaltsstoffe möchten wir extrahieren und enzymatisch oxidieren, um so einen färbenden Lebensmittelzusatz zu erhalten“, erklärt ASA-Chef und Enzymexperte Arno Cordes. Das Team greift hier auf ein bekanntes Phenomen zurück: Wenn Äpfel gestückelt werden, kommen sie mit Sauerstoff in Kontakt und werden schnell braun.

Verfahren zur industriellen Nutzung 

In den kommenden drei Jahren will das APPO-Team ein Verfahren entwickeln, um diese farbgebende Substanz aus dem Apfel industriell verwenden zu können. „Unser Ziel ist ein großtechnisch realisierbares Verfahren, das industrielle Reststoffe verwendet und einen gesunden natürlichen Farbextrakt für alltägliche Lebensmittel liefert“, sagt Cordes. Das Projekt wird im Rahmen des ZIM-Kooperationsnetzwerks „Waste2Value“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) mit 320.000 Euro unterstützt.

bb

Der viele Regen in diesem Jahr hat Landwirte bundesweit um ihre Ernte bangen lassen. Felder standen unter Wasser und setzten Nutzpflanzen wie Raps und Weizen zu. Experten fürchten, dass solche Wetterextreme in Zukunft noch häufiger auftreten werden. Forscher der Christian-Albrechts-Universität Kiel haben untersucht, wie der Klimawandel das Wachstum der Pflanzen beeinflusst. Im Fokus der aktuellen Studie stand die Frage, wie Pflanzen auf vorübergehenden Nässestress reagieren. Wie das Kieler Team im Fachjournal „Plant Physiology“ berichtet, weichen die Wurzeln besonders nassen und sauerstoffarmen Bodenbereichen horizontal aus, statt weiter in die Tiefe zu wachsen.

Folgen und Anpassungsverhalten bei Staunässe untersucht

Dafür haben Entwicklungsbiologin Emese Eysholdt-Derzsó und Kollegen sieben Tage alte Keimlinge der bekannten Modellpflanze Ackerschmalwand abwechselnd mit nassen und sauerstoffarmen oder aber normalen Wachstumsbedingungen konfrontiert. „In ihrer Arbeit beschreibt Eysholdt-Derzsó erstmals im Detail, welche Auswirkungen Staunässe und der damit verbundene Sauerstoffmangel auf das Wachstum der Acker-Schmalwand-Wurzeln hat und welche genetischen Mechanismen die Anpassung der Pflanze steuern“, erklärt die Leiterin der Forschungsgruppe, Margret Sauter.

Wurzeln meiden Nässe

Die Versuche zeigten: Wurzeln versuchen besonders nassen und sauerstoffarmen Böden auszuweichen. Die Forscher identifizierten einen genetisch festgelegten Regelmechanismus der dafür sorgt, dass die Wurzeln nicht wie üblich nach unten wachsen, sondern eine Biegung machen. Die Wurzeln weichen stattdessen horizontal in Richtung trockenerer und damit sauerstoffreicherer Böden aus. „Wir konnten zeigen, dass dieser Ablauf reversibel ist. Sobald ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, wachsen die Wurzeln wieder wie üblich nach unten“, sagt die Erstautorin Eysholdt-Derzsó.

Die Genomverdopplung ist ein Phänomen, das vor allem bei Pflanzen weit verbreitet ist. Eine Vervielfachung des Erbguts beider Eltern hat das Überleben vieler Pflanzen im Laufe der Evolution erst möglich gemacht. Durch die Vervielfachung der Chromosomensätze in einer Zelle, auch Polyploidisierung genannt, können sich Eigenschaften bei Pflanzen schneller ausprägen. Das Anpassungspotenzial der Pflanzen an Klimaveränderungen scheint für Forscher daher vielversprechend, auch hinsichtlich der Züchtung neuer Nutzpflanzen.

Schneller Ausstieg aus Zellteilung

„Die Pflanzenzüchtung nutzt die Genomverdoppelung, etwa um robustere oder ertragreichere Pflanzen zu erzeugen“, erklärt Arp Schnittger von der Universität Hamburg. Gemeinsam mit seinem Team hat der Entwicklungsbiologe den Mechanismus der Genomverdopplung in Wurzeln der Modelpflanze Arabidopsis thaliana untersucht und den Auslöser des Prozesses gefunden. Wie die Gruppe im Fachjournal „Developmental Cell“ berichtet, kommt es zur Genomverdopplung, wenn die Zellteilungsmaschinerie gestört wird.

Wie auch bei Tieren koordiniert in den Pflanzen ein sogenannter Spindelapparat-Checkpoint, dass die für die Kernteilung verdoppelte DNA des Zellkerns auf zwei Tochterzellen aufgeteilt werden kann. Wird die Ausbildung der Spindelfasern gestört, werden die weiteren Abläufe der nun folgenden Zellteilung erst mal gestoppt. Wie die Hamburger entdeckten, dauert diese Phase bei den Pflanzen aber nur etwa zwei Stunden lang. Dann startet die Zelle einen neuen Zellzyklus mit Kern- und Zellteilung. Das Erbgut hat sich damit verdoppelt. „Der schnelle und aktive Ausstieg aus der Zellteilung hat uns sehr erstaunt. Möglicherweise hat er sich als großer Gewinn in der Evolution der Pflanzen erwiesen“, sagt Schnittger. Bei Tieren kann die Wartephase durch einen gestörten Spindelapparat-Aufbau mehr als 20 Stunden dauern. Dabei sterben die meisten Zellen ab.

Forschungsverbund nimmt Hybride ins Visier

Die neuen Erkenntnisse will das Team um Schnittger im Forschungsverbund „Hybride – Chancen und Herausforderungen von neuen genomischen Kombinationen“, weiter verfolgen. Hier soll geklärt werden, ob Genomänderungen bei der Hybridbildung, also der Kreuzung zweier Arten, bestimmten Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Forscher hoffen über diesen Weg zu erfahren, ob die genomischen Veränderungen der Pflanze etwa Vorteile bei der Anpassung an den Klimawandel verschaffen und ob diese für die biotechnologische Nutzung geeignet sind.

Hybridforschung umfasst Pflanzen- und Tierarten

Im Fokus der Untersuchung steht nicht nur die Modellpflanze Ackerschmalwand. Auch Pappel- und Schlickgras sowie Schnecken-, Fisch- und Lemuren-Arten nimmt das Hybride-Team ins Visier. „Die Organismen sind so ausgewählt, dass wir zentrale Fragen der Hybridforschung an je einer Pflanzen- und einer Tierart untersuchen können. Ausgehend von der Hybridverbreitung und einer Untersuchung der genomischen Bedingungen für wichtige biologische Funktionen sollen die Grundlagen für die Leistungsfähigkeit von Hybriden und schließlich die Genome selbst analysiert werden“, erklärt Schnittger. An dem bis 2020 laufenden  Projekt sind neben der Universität Hamburg, das Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin (BNI) und des Climate Service Center Germany (GERICS) beteiligt.

bb/pg

Ob Antibiotika oder Krebsmedikamente: Viele Mikroorganismen wie Bakterien produzieren Naturstoffe, die für die Medizin interessant sind. Meist sind es Stoffwechselprodukte, die für das Zusammenleben der Organismen mit anderen Lebewesen überlebenswichtig sind. Forscher der Goethe-Universität Frankfurt am Main haben sich daher auf die Suche nach neuen natürlichen Vorbildern für Arzneimittel begeben.

Naturstoffe bedienen wichtige Funktionen

„Wir vermuten, dass die Produktion von Naturstoffen für das Leben von Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzen wichtige Funktionen besitzt. Wenn wir diese verstehen würden, gelänge es vermutlich häufiger, eine verwandte Anwendung für diese Substanzen zu finden", erläutert der Frankfurter MIkrobiologe Helge Bode. Der Merck-Stiftungsprofessor für Molekulare Biotechnologie untersucht seit Jahren die Stoffgemische der beiden verwandten Bakteriengattungen Photorhabdus und Xenorhabdus. Diese Gattungen produzieren nicht nur viele verschiedene Naturstoffe. Sie leben als Symbionten im Darm von Fadenwürmern und fördern deren Wachstum. Zum anderen verbünden sie sich mit den Würmern, um sie vor Insektenlarven zu schützen und töten die Angreifer.  

Neue Analysemethode beschleunigt Suche

Um die Funktionen der Naturstoffe und deren Entwicklung zu verstehen, nahm das Team um Bode gemeinsam mit Bioinformatikern Genome von insgesamt 30 Bakterienarten ins Visier. Wie die Forscher im Fachjournal „Nature Microbiology“ berichten, war es dank der Kombination bioinformatischer Methoden und modernster chemischer Analytik möglich, neue Naturstoffe schneller als üblich in den Bakteriengattungen Photorhabdus und Xenorhabdus zu finden. Gleichfalls war somit eine Identifizierung von Naturstoffen möglich, die in Untergruppen oder in fast allen Bakterienarten vorkommen. Die Forscher vermuten, dass Naturstoffe eine wichtige Rolle im Lebenszyklus der Bakterienarten spielen. „Die in unserer Publikation genutzten Technologien erlauben zwar die Identifizierung von biologisch relevanten Mustern, diese in ihrer Bedeutung im Detail zu verstehen, ist jedoch noch ein Stück Arbeit“, sagt Bode.

bb

Die Luftverschmutzung ist in Großstädten bekanntermaßen besonders schlimm. Straßenverkehr, Heizkraftwerke, Müllverbrennungsanlagen sowie Öfen und Heizungen treiben die Feinstaubbelastung in die Höhe und stellen ein Gesundheitsrisiko dar. Doch auch die frische Luft auf dem Land ist durch Feinstaub belastet, wie eine internationale Studie unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz zeigt.

Feinstaub-Konzentration durch weniger Dünger drosseln

Landwirtschaftliche Ammoniakemissionen, die durch Düngung und Viehhaltung verursacht werden, sind demnach ein wichtiger, bislang aber unterschätzter Treiber für die Luftbelastung, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Atmospheric Chemistry and Physics“ berichten. Ihre Berechnungen ergaben: Besonders in Europa und Nordamerika könnte durch die Verringerung von Ammoniak-Emissionen aus Düngung und Viehhaltung die Feinstaub-Konzentration stark gedrosselt werden.

Weniger Todesfälle durch Luftverschmutzung

Eine Reduzierung um 50% würde die Zahl der jährlichen Todesfälle, die auf Luftverschmutzung zurückzuführen sind, weltweit bereits um 250.000 senken. Ein genereller Stopp von Ammoniakemissionen würde sogar 800.000 Menschen vor den tödlichen Folgen der Luftverschmutzung bewahren. „Eine effiziente Luftverbesserung setzt erst ab einem bestimmten Reduktionswert ein“, erläutert Andrea Pozzer, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie und Hauptautor der Studie. Eine Verringerung der Ammoniakemissionen von über 50% wäre Pozzer zufolge daher besonders effektiv und wünschenswert.

Mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern ist der unsichtbare Feinstaub laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) besonders gefährlich. Diese mikrometerkleinen Partikel gelangen mit jedem Atemzug in die Lunge und können Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen verursachen. In einer früheren Studie hatten Max-Planck-Forscher errechnet, dass im Jahr 2010 weltweit 3,3 Millionen Menschen vorzeitig an den Folgen von Luftverschmutzung starben. Schon damals hatten die Mainzer auf die Rolle der Landwirtschaft bei der Feinstaubbelastung hingewiesen. Im Rahmen der aktuellen Studie hatte sich das Team  auf Regionen konzentriert, in denen die Grenzwerte der Luftverschmutzung besonders häufig überschritten wurden: Nordamerika, Europa, Süd- und Ostasien.

Landwirtschaft als Feinstaubquelle vernachlässigt

“Öffentlich wird derzeit vor allem die Feinstaubbelastung durch den Verkehr diskutiert, andere Quellen wie etwa die Landwirtschaft werden dabei vernachlässigt“, sagt Jos Lelieveld, Direktor der Abteilung Atmosphärenchemie am Max-Planck-Institut für Chemie. Lelieveld verweist drauf, dass der meiste Feinstaub jedoch erst durch chemische Prozesse in der Atmosphäre während des Windtransports entsteht: Durch die Zersetzung von Gülle und durch die Düngung von Nutzpflanzen entweicht Ammoniak in die Atmosphäre. Hier reagiert der Stoff mit anorganischen Stoffen, wie Schwefel- und Salpetersäure zu Ammoniumsulfat und Nitratsalzen, woraus wiederum Feinstaubpartikel entstehen. „Daher könnte die Konzentration der Feinstaubteilchen in der Atmosphäre deutlich sinken, wenn Ammoniakemissionen in der Landwirtschaft vermieden würden“, so Lelieveld.

Grenzwerte für Ammoniak

Die Forscher appellieren: Maßnahmen zur Reduktion von Schwefeldioxid und Stickoxiden sollten mit einer Reduzierung von Ammoniak in der Landwirtschaft einher gehen. „Emissionsregelungen sollten insbesondere in Nordamerika und Europa striktere Grenzwerte für Ammoniak festlegen, um die Feinstaubkonzentrationen effektiv zu reduzieren“, sagt Lelieveld.

bb

Air pollution is most commonly associated with traffic and car emissions. However, there are a number of other sources for pollution, such as agricultural emissions due to fertiliser use. According to researchers at the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, Germany, reducing ammonia (NH₃) emissions by 50% could avoid the deaths of more than 250,000 people each year that are caused by air pollution worldwide. The results are published in Atmospheric Chemistry and Physics, a journal of the European Geosciences Union.

Fine particulate matter particularly harmful

According to the World Health Organization (WHO), fine particulate matter with a diameter less than 2.5 micrometers is particularly harmful to health, because the particles penetrate deep into the lungs and can cause cardiovascular and respiratory diseases. The “Global Burden of Disease” listed outdoor air pollution as the fifth-highest risk factor of global total mortality. “Currently, the public debate primarily focusses on the particulate load from traffic, while other sources such as agriculture are neglected”, says Jos Lelieveld, Director of the Atmospheric Chemistry Department at the Institute in Mainz. In fact, most fine particulates are the result of chemical processes in the air during transport by the wind. “The concentration of fine particulates in the atmosphere could be drastically reduced by preventing the release of ammonia from agriculture”, says Lelieveld.

Ammonia reacts to form the salts that make particulates

In an earlier study, the Max Planck researchers pointed out that 3.3 million people around the globe died in the year 2010 as a consequence of air pollution. And in many regions of the world industry and traffic are in fact not the leading sources of air pollution and instead agriculture can play an important role. The scientists identified the release of ammonia from animal husbandry and fertiliser use as a leading cause of air pollution, especially in large parts of Europe. Ammonia contains nitrogen which is an important nutrient for plants, but it escapes to the atmosphere from manure and by fertilising agricultural crops.

50% less ammonia emissions could save 250,000 lives

In their present study, the scientists concentrated on North America, Europe, South and East Asia as the four regions frequently exceed particulate air quality limits. The scientists determined mortality rates in two stages: first, they calculated how strongly fine particulates would be reduced by decreasing ammonia emissions. Their calculations show that a 50% reduction of agricultural emissions would lead to 8% or 250,000 fewer deaths attributable to air pollution. If ammonia emissions could be fully excluded, about 800,000 deaths from air pollution related diseases would be avoided globally.

Based on an additional model, which describes the public health impacts that occur for a given particulate exposure, the researchers calculated the influence on mortality by lung cancer, cardiovascular and respiratory diseases. In particular Europe would profit from a reduction in ammonia emissions and the consequent decrease of fine particulates: for example, a Europe-wide NH₃ reduction of 50% would decrease mortality by almost 20%, meaning that about 50,000 deaths per year could be avoided.

As the effect of ammonia reduction on particulate formation is non-linear, a reduction of ammonia emissions of more than 50% would be most effective and desirable.

jmr

Vor 10.000 Jahren hat der Mensch begonnen, Wildpflanzen auszuwählen und sie nutzbar zu machen und anzubauen. Systematisch und gezielt gehen Pflanzenzüchter erst seit rund einhundert Jahren vor. Am Grundprinzip hat sich dabei nicht viel geändert: Der Mensch greift in die Evolution der Pflanzen ein, beschleunigt sie und richtet sie für seine Zwecke aus.

Um zu neuen Sorten zu gelangen, sind dafür drei Schritte zentral: zunächst geht es darum, die genetische Vielfalt zu erhöhen (Variation) – zum Beispiel durch Kreuzen und künstlich ausgelöste Veränderungen im Erbgut. Unter den Nachkommen werden dann diejenigen mit gewünschten Eigenschaften ausgewählt (Selektion). Die so per Auslese gewonnenen Pflanzen werden dann weiter vermehrt und auf zuverlässige Eigenschaften geprüft – am Ende steht eine neue Sorte. Auf dem Weg dahin verwenden Pflanzenzüchter heute meist einen Mix aus Methoden und Techniken. Dieses Dossier gibt einen Überblick über Klassiker und vielversprechende Neuzugänge in der Werkzeugkiste.

Ein internationales Forscherteam und die hessische Biotechnologiefirma Brain AG haben zusammen ein Biolaugungsverfahren entwickelt, das eine fast vollständige Kupfer-Extraktion aus Schiefervorkommen ermöglicht. Ende September wurde der sogenannte BioXtractor vorgestellt: Es handelt sich hierbei um eine mobile und in sich geschlossene Anlage im Technikumsmaßstab. Laut Brain liegt das System, ausgestattet mit 200-Liter-Fermentern, schon sehr nahe am industriellen Größenmaßstab. Mit dem BioXtractor können die drei Verfahrenstypen Bioadhäsion, Biosorption und Biolaugung zum Einsatz kommen. Das System ist so konzipiert, dass es schnell gebaut und angepasst werden kann, um dann bei Kunden und Partnern vor Ort getestet werden zu können. Zudem bietet der BioXtractor auch verschiedene biobasierte Lösungen zur Anreicherung von Edelmetallen wie Gold und Silber im Sinne einer effizienten Kreislaufwirtschaft.

Schonende Kupfergewinnung durch Biolaugung

Den Biotechnologen ist es gelungen, mithilfe von Mikroorganismen Kupfer fast vollständig aus heimischen Schiefervorkommen zu extrahieren. Die Forschungsergebnisse wurden Ende September 2017 im Rahmen des „22. International Biohydrometallurgy Symposium“ an der TU Bergakademie Freiberg vorgestellt: Für das Verfahren wurden Bakterien verwendet, die im Laufe des Extraktionsprozesses zunächst unlösliche Erzminerale in wasserlösliche Salze umwandeln. Durch eine biologisch-chemische Ausfällung können im Anschluss bis zu 97% des gelösten Kupfers zurückgewonnen werden.

Das Unternehmen Brain brachte dabei sein Know-how auf dem Gebiet der carbonatlösenden, metallresistenten Mikroorganismen in das Projekt ein. Guido Meurer, der bei Brain für die Stammentwicklung von Produktionsorganismen zuständig ist, beschreibt das Projekt so: „Ein Fokus liegt auf der schonenden und effizienten Gewinnung von Edelmetallen wie Gold, Silber und anderen Technologiemetallen aus Erzen und Abfallströmen. Als Ausgangsmaterial arbeiten wir beispielsweise auch mit Elektronikschrott, Müllverbrennungsaschen und metallurgischen Schlacken.“

Nachhaltige Metallgewinnung für moderne Technik

Die neue Rückgewinnungsmethode unterstreiche zudem die wachsende Bedeutung der Themengebiete Green Mining und Urban Mining. Vor allem in rohstoffarmen Regionen wie Deutschland sei die nachhaltige Metallgewinnung und –verwertung enorm wichtig. Esther Gabor, Program Manager Green & Urban Mining bei der Brain AG, sagt: „Es besteht eine wachsende Nachfrage nach Edelmetallen, denen eine Schlüsselfunktion in vielen Hightech-Anwendungen zukommt." Brain habe biotechnologischen Verfahren für das Green und Urban Mining im Sinne einer effizienten Kreislaufwirtschaft entwickelt.

International geförderte Kooperation

Das deutsch-französischen Forschungsvorhabens zur Entwicklung umweltverträglicher, energie- und rohstoffeffizienter Aufbereitungsprozesse stand unter der Leitung des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem französischen Büro für Geologie- und Bergbauforschung (Bureau de recherches géologiques et minières, BRGM). Das Forschungsvorhaben war Bestandteil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der „Agence Nationale de la Recherche“ (ANR) bilateral geförderten Projekts EcoMetals.

jmr

An international research team involving scientists from Brain AG has succeeded in extracting nearly the entire copper content from local shale deposits by applying a novel bio-leaching process. In the early extraction phase, microbes that are used for the bio-leaching process first convert insoluble ore minerals into water-soluble salts. Downstream, a bio-chemical precipitation process then recovers up to 97% of the dissolved copper. A recently finalised demonstration unit, the Brain BioXtractor, offers biological process solutions to extract and recover precious metals from side and waste streams as well as from primary resources. The unit is a self-contained system equipped with fermenters close to industry scale. The system is built to be easily disassembled and adjusted to customer requirements on-site. Currently, the BioXtractor can be explored by enterprises interested in a test phase prior to joint further development and commercialization or licensing the technology.

Growing significance of Green Mining

For the new bio-leaching process Brain helped identify carbonate-dissolving, metal-resistant micro-organisms from their proprietary BioArchive, which contains more than 53,000 micro-organisms. In addition, Brain also provided their expertise regarding physiological and genetic micro-organism characterization. “This successful research project underscores the increasing significance of Green Mining and Urban Mining, both of which are areas in which we conduct intense research. We focus on the low-impact and efficient extraction and recovery of precious metals, such as gold, silver and other technology metals, from ores and waste streams. Source materials include electronic scrap, incineration bottom ashes and metallurgical slags,” says Guido Meurer, Member of the Management Board and Unit Head Producer Strain Development at Brain.

Where raw materials are scarce, new extraction methods are needed

Especially for regions such as Germany, where raw materials are scarce, new processes that allow for the sustainable extraction and recovery of metals are an increasingly important field of research and development. Esther Gabor, Program Manager Green & Urban Mining at Brain, says: “There is an increasing demand in precious metals, which play a key role in many high-tech applications. Based on biotechnological processes, Brain has developed various bio-based solutions for Green and Urban Mining as they are essential for an efficient circular economy.”

A Franco-German cooperation

The research project was co-managed by the French Geology and Mining Research Bureau (Bureau de recherches géologiques et minières, BRGM) and the German Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). The goal was to develop an energy and raw material efficient recovery process with a small ecological footprint that utilises local primary resources.

The copper recovery through bio-leaching research project was part of the EcoMetals scheme co-funded by the German Federal Ministry of Education and Research (Bundesministerium für Bildung und Forschung) and the French National Research Agency (Agence Nationale de la Recherche, ANR). The research results were presented on the occasion of the 22nd International Biohydrometallurgy Symposium held at Freiberg Technical University for Mining (TU Bergakademie Freiberg) in late September 2017.

jmr

Sei es im Lebensmittelbereich, bei Möbeln oder Baumaterial: Viele Kunden achten immer mehr auf Nachhaltigkeit bei neuen Produkten. Und tatsächlich stehen biobasierte Materialien den Eigenschaften erdölbasierter Kunststoffe in kaum noch etwas nach. Dafür sorgen unter anderem Patrick Hirsch und Kollegen am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle. Zusammen mit weiteren Kooperationspartnern aus Forschung und Industrie haben sie ein auf Buchenholz basierendes Biopolymer entwickelt, das sowohl in der Automobilindustrie als auch bei Kinderspielzeug zum Einsatz kommen könnte.

Kiefer und Fichte werden durch Buche ersetzt

Das IMWS in Halle ist Teil des Spitzenclusters „BioEconomy“ und ist hier für das  Verbundprojekt „Polymere Materialien und Bauteile aus Biomasse“ zuständig. Das Großprojekt wurde zwischen September 2012 und Juni 2016 mit insgesamt knapp 754.000 Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Der promovierte Wirtschaftsingenieur Patrick Hirsch leitete dabei das Teilprojekt BioWPC. Das Kürzel WPC steht für wood plastic composites – Verbundwerkstoffe aus Holz und Kunststoffen. Als Rohstoff diente den Forschern das Holz der Buche. Der Laubbaum ist in den deutschen Wäldern auf dem Vormarsch und löst zunehmend die Fichte ab. „In unserem Teilprojekt wollten wir die molekulare Ebene erkunden und herausfinden, wie man Lignin und Cellulose der Buche nutzen und daraus möglicherweise sogar neue Werkstoffe kreieren kann“, sagt Hirsch.

Neues Co-Biopolymer senkt Schmelztemperatur

Tatsächlich wird Holz schon seit vielen Jahren als Verstärkung in Kunststoffmaterialien eingesetzt, und auch viele Biopolymere wurden bereits aus sogenanntem Matrixmaterial hergestellt. „Der Vorteil von Biopolymeren ist, dass sie eine sehr gute Bindung mit den Verstärkungsfasern eingehen und dadurch für bessere mechanische Eigenschaften im Endprodukt sorgen“, erklärt Hirsch. Allerdings lag genau hier auch einer der Knackpunkte des Projekts: „Die Schmelztemperaturen und Verarbeitungstemperaturen der von uns favorisierten Biopolymere liegen bei etwa 240 bis 250 Grad Celsius. Bei diesen hohen Temperaturen degradieren jedoch die meisten eingesetzten Holzfasern.“

In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam kreierten die Hallenser Forscher ein völlig neues und komplett biobasiertes Co-Polymer aus zwei verschiedenen Biopolyamiden. „Dadurch konnte die Verarbeitungstemperatur gesenkt werden und in die niedrigschmelzenden Bio-Polyamide konnten dann die Holzfasern eingebaut werden, ohne dass diese durch die Hitze geschädigt wurden“, erklärt Hirsch.

Biobasiert, aber nicht biologisch abbaubar

Zwar lag der Fokus des Projektes auf der biobasierten Herkunft des Materials, nicht aber auf einer biologischen Abbaubarkeit der Produkte. Hirsch und seine Kooperationspartner arbeiteten anfangs eng mit der Automobilindustrie zusammen. Seitens der Autobauer bestand großes Interesse, Teile des Innenraums, der Türen oder der Sitzstrukturen aus Biokunststoff zu fertigen, denn die biobasierten Bauteile sind oft wesentlich leichter. Für potenzielle Kunden ist es jedoch enorm wichtig, dass der Autoinnenraum auch nach mehreren Jahren noch „wie neu“ aussieht und funktioniert, und sich nicht etwa nach 10 bis 15 Jahren selbst abbaut.

Ohne Hemicellulose steigt thermische Beständigkeit

In einem weiteren Teilprojekt haben Hirsch und seine Kollegen zudem untersucht, warum die Buchenholzfasern so anfällig für Hitze sind, und welche Bestandteile am empfindlichsten reagieren. „Wir haben die Mikrostrukturen der Fasern chemisch und molekularbiologisch sehr genau untersucht und konnten gut zeigen, dass es an der Hemicellulose, also dem Kleber zwischen Lignin und Cellulose, liegt.“

Anschließend haben die Wissenschaftler chemische Prozesse entwickelt, wie man diese Hemicellulose-Bestandteile an der Oberfläche und einige Mikrometer darunter entfernen, und somit die thermische Beständigkeit verbessern kann. „Durch diese Problemlösung von zwei Seiten – mit niedrigerem Schmelzpunkt und weniger Hemicellulose – konnten wir das Prozessfenster für unsere neuen Biopolymere immer mehr vergrößern“, sagt Hirsch. Diese könnten jetzt mit Standardmaschinen und herkömmlichen Spritzgussmaschinen verarbeitet werden, so der Wirtschaftsingenieur.

Industriereife Produktion

Tatsächlich gab es im Projekt auch eine Großproduktionsphase, in der die Partner an einem Tag etwa 500 Kilogramm Material hergestellt haben. Dabei wurden pro Stunde 80 bis 90 Kilogramm Material zu Granulat verarbeitet, aus dem sich dann mittels herkömmlicher Spritzgussverfahren Bauteile fertigen ließen.

Prozessseitig stünde einer großflächigen Anwendung also nichts mehr im Weg. „Allerdings sind die fertigen biobasierten Stücke noch immer teurer als herkömmlich produzierte Materialien.“ So liegen Biopolyamide derzeit bei etwa 8 bis 10 Euro pro Kilogramm, während erdölbasierte Kunststoffe nur mit etwa 2 bis 3 Euro pro Kilogramm zu Buche schlagen. „Die Kosten können vermutlich nie ganz angeglichen werden“, so Hirsch. „Vielmehr muss bei den Verbrauchern der Wille und die Einsicht entstehen, dass biobasierte Materialien mehr wert sind, weil sie hochwertiger sind, durch bessere Eigenschaften lange halten und gut für die Umwelt sind.“ Der Nachhaltigkeitsaspekt müsse positiv in den Köpfen ankommen und wertvoll erscheinen.

Know-how fließt in Fahrradsitze und Spielzeug

Während dieses BioWPC-Projektes lag der Fokus jedoch nicht auf Marketing und Marktplatzierung, sodass es trotz der vorhandenen technischen Möglichkeiten noch kein Produkt aus dem Forschungsvorhaben auf den freien Markt geschafft hat. Hirsch und Kollegen nutzen jedoch ihr gewonnenes Know-how für bereits gestartete Nachfolgeprojekte. „Wir arbeiten inzwischen an sogenannten Add-on-Lösungen wie Kindersitzen aus biobasiertem Material sowohl für das Fahrrad als auch das Auto. Zudem entwickeln wir auch noch nachhaltiges, biobasiertes Kinderspielzeug“, berichtet Hirsch. Sein Fazit: „Wir konnten in unserem Teilprojekt zeigen, dass alles, was bisher aus thermoplastischen Kunststoffen hergestellt wurde, jetzt aus Biopolymeren produziert werden könnte und die Technologie bereits dafür bereitsteht.“ Nun müsse nur noch das Verständnis und die Akzeptanz in der Bevölkerung weiter wachsen, damit sich solche Produkte für den Auftraggeber in Zukunft auch wirtschaftlich lohnen.

Autorin: Judith Reichel

Be it in the food industry, in furniture or construction materials, more customers than ever before are taking an interest in the sustainability of new products. In fact, in many instances biobased materials are now in a position to compete with the characteristics of petroleum-based plastics. Among others, Patrick Hirsch and his colleagues at the Halle-based Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems (IMWS) are working to make this an everyday reality. Together with partners in research and industry, they have developed a beech wood-based biopolymer that could one day find use in the automotive industry as well as in children’s toys.

Pine and spruce supplanted by beech

The IMWS in Halle is a member of the leading-edge ‘BioEconomy’ cluster and is responsible for the joint project ‘Polymere Materialien und Bauteile aus Biomasse’ (Polymer materials and components from biomass). Between September 2012 and June 2016, the large-scale project received funding of just under €754,000 from the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). The industrial engineer Patrick Hirsch is heading the sub-project BioWPC, whereby the abbreviation WPC stands for wood plastic composites. The researchers’ raw material of choice is beech wood. This broad-leafed tree is increasingly prevalent in Germany’s forests, and is taking the place of spruce as an industrial raw material. “Our sub-project focused on the molecular level, and was aimed at finding out how we could utilise lignin and cellulose derived from beech, and even use these to create new materials,” says Hirsch.

New co-biopolymer lowers melting point

Wood has been used as a reinforcement in synthetic materials for many years now, and numerous biopolymers are already manufactured using these so-called matrix materials. “The advantage of biopolymers is that they bond extremely well with the reinforcing fibres, and thus provide better mechanical properties in the end product,” explains Hirsch. Unfortunately, it was precisely this quality that represented one of the project’s difficulties: “The melting and processing temperatures of our favoured biopolymers are around 240 to 250 degrees Celsius. However, most of the wood fibres that we use will degrade at these high temperatures.”

In cooperation with the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP in Potsdam, the researchers in Halle used two different bio-polyamides in order to create an entirely new and completely biobased co-polymer. “This permitted a lower processing temperature, and the wood fibres could thus be incorporated with the low-melting bio-polyamides without being damaged by the heat,” explains Hirsch.

Bio-based but not biodegradable

While the focus of the project was on the bio-based origins of the material, it did not consider the biodegradability of the products. At the outset, Hirsch and his cooperation partners worked closely alongside the automotive industry. For the carmakers, the interest was primarily on the creation of bioplastic components for the interiors – for instance doors or seat structures, because bio-based parts are frequently much lighter. For potential customers, on the other hand, it is very important that the interior of the car looks and functions ‘as new’ even after several years, and does not begin to degrade after 10 to 15 years.

Without hemicellulose, thermal stability increases

In a different subproject, Hirsch and his colleagues also examined why beech wood fibres are so susceptible to heat, and which specific constituents are the most sensitive. “We studied the microstructures of the fibres in detail, both chemically as well as their molecular-biological basis, and were able to demonstrate that it is due to the hemicellulose, which is the glue between the lignin and the cellulose.”

In a subsequent phase, the scientists developed a series of chemical processes for removing these hemicellulose constituents on the surface as well as a few microns below, which had the effect of improving thermal stability. “By solving this problem from two sides – with a lower melting point and less hemicellulose – we were able to increase the process window for our new biopolymers by ever-increasing amounts,” says Hirsch. According to the industrial engineer, the materials can now be processed with conventional machines and standard injection moulding technology.

Industry-ready production

To underline the effectiveness of their new developments, the project undertook a phase of large-scale production, during which the partners produced around 500 kilograms of material in a single day. This involved the processing of 80 to 90 kilograms of material per hour into granules, from which components could be produced using conventional injection moulding.

On the process side, there is now little standing in the way of a large-scale application. “Despite our successes, the finished biobased objects are still more expensive than conventionally produced materials.” Biopolyamides are currently around €8 to €10 per kilogram, while petroleum-based plastics are around €2 to €3 per kilogram. “The costs are unlikely to be fully brought into line,” thinks Hirsch. “Rather, we need the willingness and understanding on the side of consumers that these bio-based materials are of greater worth because they are higher-quality, last longer due to better properties, and are good for the environment.” In short, the aspect of sustainability has to catch on in people’s minds and be perceived as valuable.

Know-how being put to use for bicycle seats and toys

There was little emphasis on marketing and market placement during the BioWPC project, meaning that despite the technical possibilities now available, no product from the research project has made it onto the free market. Nevertheless, Hirsch and his colleagues have already begun to apply their expertise in a number of follow-up projects. “We’re now working on so-called add-on solutions, such as child seats made of biobased material, both for bikes and cars. We’re also developing sustainable, biobased children’s toys,” reports Hirsch. His conclusion: “In our subproject, we were able to demonstrate that everything previously made of thermoplastics can now be manufactured using biopolymers, and the technology needed to do this is already available.” What is needed now is for this appreciation and acceptance to take hold among the general public, so that in the future these kinds of products also make economic sense for industry and manufacturers.

Author: Judith Reichel