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Wilder Emmer (Triticum dicoccum) ist die Ursprungsart fast aller Kulturweizensorten in der Welt, einschließlich des für die Nudelherstellung verwendeten Hart- als auch des Brotweizens. Aufgrund seiner brüchigen Ähren ist er für die Landwirtschaft uninteressant, jedoch weist er einzelne Merkmale auf, die für die Züchtung verbesserter Weizensorten von großem Interesse sind. Außerdem offenbart das Wissen um die Erbgut-Sequenz wichtige Erkenntnisse, welche Veränderungen im Genom aus der Wildpflanze eine unserer wichtigsten Getreidearten hervorgebracht haben.

Getreide-Genomforscher aus Gatersleben und München dabei

Die Studie wurde im Rahmen einer internationalen Kooperation mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Forschungseinrichtungen, von Assaf Distelfeld geleitet, einem Pflanzenwissenschaftler der israelischen Universität Tel Aviv. Neben dem Team um Nils Stein vom IPK in Gatersleben und Klaus Mayer vom Helmholtz-Zentrum München war auch die israelische Firma NRGene beteiligt, welche die für die Entschlüsselung des Genoms notwendigen bioinformatischen Methoden entwickelte. Die Forscher berichten im Fachjournal „Science“ über ihre Analyse.

Die Zusammenarbeit lieferte Resultate, die zukünftig einen wesentlichen Beitrag zur globalen Ernährungssicherung leisten könnten, so Daniel Chamovitz, der ebenfalls an der Universität Tel Aviv an der Studie arbeitete, „Immerhin werden etwa 20% der weltweit konsumierten Kalorien in Form von Weizen produziert.“

Einblick in 10.000 Jahre Domestikation von Nutzpflanzen

Ein Vergleich der Genome moderner Weizensorten mit dem Genom des Wilden Emmers erlaubt es nicht nur, neue Gene zu identifizieren, welche die Züchtung stressresistenter und ertragreicherer Weizensorten ermöglichen werden, sondern gewährt auch einen Einblick in die Schritte der etwa 10.000 Jahre währenden Domestikationsgeschichte dieser wichtigen Kulturart.

Die Sequenzierung der sehr komplexen Weizengenome ist eine besondere Herausforderung, denn sie sind mehr als dreimal so groß wie das menschliche Genom. „Innovative Technologien erlaubten es uns, die Sequenz des Wilden Emmers und anderer Weizengenome in hoher Qualität zu erarbeiten, “ erläutert Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomik Genetischer Ressourcen am IPK in Gatersleben. Unter anderem haben die Forscher die Chromosome-Conformation-Capture-Sequenzierung (Hi-C) eingesetzt, die auf der 3D-Architektur des Genoms aufbaut. Auch bei der Sequenzierung des Gerste-Genoms hatte das Team um Stein dieses Verfahren kürzlich eingesetzt.

Wichtige Ressource für Pflanzenzüchter

Damit stehen der Wissenschaft nun die Werkzeuge zur Verfügung, die Genomsequenzen wichtiger Kulturpflanzen und deren verwandten Wildarten effizient und schnell zu entschlüsseln und damit die Grundlage für Erkenntnisgewinn und Entdeckungen für deren wissensbasierte Verbesserung im Sinne der globalen Ernährungssicherung und einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Praxis zur Verfügung zu stellen.

Mikroorganismen sind die unsichtbaren Helfer in der Landwirtschaft. Sie versorgen Boden und Pflanze mit wichtigen Nährstoffen und leisten damit einen enormen Beitrag zum Erhalt des Ökosystems. Doch welchen Einfluss hat die intensive Landnutzung auf die Arbeit der Mikroben und auf den Stickstoffkreislauf in den Böden? Diese Frage wollen Forscher vom Institut für Mikrobiologie der Leibniz Universität Hannover im Projekt „BE-Cult“ nun beantworten. Das Vorhaben wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Forschungsschwerpunkts „Biodiversitätsexploration“ in den kommenden drei Jahren mit 212.000 Euro gefördert.

In einem Gramm Boden tummeln sich rund 1 Million verschiedene Bakterien. Bisher ist jedoch wenig bekannt, welche Mikroben den Ton angeben, wie sie agieren oder welche Zusammenhänge und Interaktionen mit der Pflanzenphysiologie bestehen. Gemeinsam mit Wissenschaftler vom Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) wollen die Hannoveraner daher die Biodiversität Nitrate-reduzierender Mikroben in Grünlandböden genauer untersuchen, wobei die mikrobielle Umwandlung von Nitrat (NO₃^-) zu Ammonium (NH₄⁺) bzw. gasförmigen Stickstoffverbindungen (N₂O, N₂) in den Fokus rückt.

DNRA-Bakterien im Blick

Der Grund: Bei der Umwandlung von Nitrat zu gasförmigen Stickstoffverbindungen wird das potente Treibhausgas Lachgas (N₂O) freigesetzt, das zur globalen Erwärmung beiträgt. Dadurch geht dem Boden Stickstoff verloren. Wird Nitrat aber zu Ammonium umgesetzt, entsteht dabei ein wichtiger Pflanzennährstoff, der im Boden gespeichert wird. Diese Umwandlung wird von sogenannten nitratammonifizierenden (DNRA) Bakterien durchgeführt, die gleichzeitig die Lachgasbildung und -freisetzung reduzieren. Hinzukommt, dass diese Mikroben sowohl auf Brachland als auch stark bewirtschafteten GRünflächen wie Weiden zu finden sind.

Mikroben auf Fingerabdruck geprüft

Aus Bodenproben, die den drei verschiedenen exemplarischen Landnutzungstypen in Schorfheide-Chorin, Hainrich-Dün und Schwäbische Alb entnommen wurden, wollen die Forscher etwa 10.000 Reinkulturen charakterisieren und sie mit Hilfe einer Art Fingerabdruck-Verfahren entsprechend ihrer physiologischen Fähigkeiten wie pH-Wert oder Temperatur in Gruppen zusammenfassen. Ziel ist es, 100 solcher Isolate aus der Stammsammlung zu DNA-sequenzieren, um die Verteilungsmuster von DNRA-Bakterien in Böden zu erklären und ihre ökologischen Nischen besser definieren zu können. So soll sichtbar gemacht werden, wie die intensive Landwirtschaft auf die Bodenmikroben wirkt und wie sich die Biodiversität auf verschiedene Ökosystemprozesse auswirkt.

Wild Emmer wheat (Triticum dicoccum) is the wild form of nearly all the domesticated wheat in the world, including both durum (pasta) and bread wheat. Wild emmer is too low-yielding to be of use to farmers today but it contains several attractive characteristics that could be used by plant breeders.

The wild emmer genome analysis study was led by Assaf Distelfeld of Tel Aviv University’s School of Plant Sciences and Food Security and Institute for Cereal Crops Improvement, in collaboration with scientists from several dozen institutions around the world and Israeli based company - NRGene, who developed the bioinformatics technology. Two German research teams were involved in the work, the team of Nils Stein at the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben and the team of Klaus Mayer at the Helmholtz Zentrum München. The wild emmer genome analysis was published in “Science”. It provides not only interesting insights in the genetic repertoire of a wild relative of a high impact crop but also uncovers molecular details of what happened during domestication.

Time tunnel to the origins of agriculture

“Our ability to generate the wild emmer wheat genome sequence so rapidly is a huge step forward in genomic research,” said Curtis Pozniak, University of Saskatchewan (Canada), and a project team member. “Wheat accounts for almost 20% of the calories humans consume worldwide, so a strong focus on improving the yield and quality of wheat is essential for our future food supply.”

“From a biological and historical viewpoint, we have created a ‘time tunnel’ that we can use to examine wheat from before the origins of agriculture,” said Distelfeld. “Our comparison to modern wheat has enabled us to identify the precise genes that allowed domestication – the transition from wheat grown in the wild to modern day varieties. While the seeds of wild wheat readily fall off the plant and scatter, a change in two genes meant that in domesticated wheat, the seeds remained attached to the stalk, and it is this trait that enabled humans to harvest wheat.”

New genomic tools

“This new resource allowed us to identify a number of other genes that control main traits that were selected by early humans during wheat domestication and that served as foundation for developing modern wheat cultivars” said Eduard Akhunov of Kansas State University. “These genes provide invaluable resource for empowering future breeding efforts. Wild emmer is known as a source of novel variation that can help to improve the nutritional quality of grain, and tolerance to diseases and water-limiting conditions”

The new genomic tools are already being implemented to identify new genes for wheat production improvement under changing environment, explains Zvi Peleg of the Hebrew University of Jerusalem, Israel. “While many modern wheat cultivars are susceptible to water stress, wild emmer has undergone long evolutionary history under the drought-prone Mediterranean climate. Thus, utilization of the wild genes in wheat breeding programs will promote producing more yield for less drop.”

3D conformation sequencing

“The wild emmer wheat genome is much more complex than most of the other crops and has a genome which is more than three times the size of a human genome.” said Gil Ronen, NRGene’s CEO. “Still, the computational technology we have developed has for the first time allowed us to assemble a large and complex genome to a standard never achieved before”. For the first time, the sequences of the 14 chromosomes of wild emmer wheat are collapsed into a refined order, thanks in part to 3D conformation capture sequencing, a technology originally tested in humans and recently demonstrated in barley, both of which have smaller genomes than wild emmer wheat. “These innovative technologies have changed the game in assembling the large cereal genomes, if not in general”, says Nils Stein, Head of the research group Genomics of Genetic Resources at Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), Germany.

“This sequencing approach used for wild emmer wheat is unprecedented, and has paved the way to sequence durum wheat (the cultivated form of wild emmer). Now we can better understand how humanity was able to transform this wild plant into a modern high yielding durum wheat” said Luigi Cattivelli, co-author of the work and coordinator of the International Durum Wheat Genome Sequencing Consortium.

Die globale Produktion von Holzpellets ist in den vergangenen zehn Jahren um das Vierfache gestiegen – von geschätzten 6-7 Megatonnen (Mt) im Jahr 2006 auf mehr als 26 Mt in 2015/16.

Eine steigende Nachfrage wird erwartet. Zertifizierte Holzpellets werden nicht nur in Kohle-Kraftwerken mitverbrannt, sondern auch zur Einzelfeuerung in umgewandelten Kohle-Kraftwerken zur Verringerung der Treibhausgasemissionen bei der Stromerzeugung eingesetzt. Auch im häuslichen Bereich kommen Holzpellets als fester Brennstoff zum Einsatz. Zukünftig, so die Einschätzung der Autoren, könnten sie außerdem eine erneuerbare Ressource für "grüne Chemie" und biobasierte Materialien darstellen.

Noch mangelt es allerdings in vielen Produktionsländern an einer nachhaltigen Infrastruktur in Hinsicht auf Biomassebereitstellung sowie Lagerung, Verladung, Handhabung von Kapazitäten in den Produktionsregionen und in kommerziellen Bereichen. Zusätzlich zu den bereits erreichten Standards, der Entwicklung von Nachhaltigkeitskriterien für Holz, erfolgreichen Zertifizierungen und Technologien für die Bereitstellung von Pellets aus anspruchsvolleren Rohstoffen (z.B. Torrefizierung von Rohstoffen auf Strohbasis) zeigt die Studie, dass insgesamt noch immer viel Optimierungspotenzial für die erzielbaren Klimagaseinsparungen durch Holzpellets besteht.

The global production of wood pellets has increased four-fold over the past ten years - from an estimated 6-7 megatons (Mt) in 2006 to more than 26 Mt in 2015/16.

An increasing demand is expected. Certified wood pellets are not only co-incinerated in coal-fired power plants, but are also used for single burning in converted coal-fired power plants to reduce greenhouse gas emissions during power generation. Wood pellets are also used as solid fuel in the domestic sector. In the future, according to the authors, they could also be a renewable resource for "green chemistry" and biobased materials.

However, in many countries of production there is still a lack of sustainable infrastructure with regard to biomass supply, storage, loading, as well as handling of capacities in the production regions and in commercial areas. In addition to the already achieved standards, such as the development of sustainability criteria for wood, successful certifications and technologies for the supply of pellets from more sophisticated raw materials (for instance, the fermentation of raw materials on a straw basis), the study shows that there is still a lot of potential regarding the optimisation of achievable greenhouse emissions savings via wood pellets.

Viele Aromastoffe und funktionellen Inhaltsstoffe stammen von Pflanzen und sind wegen ihrer gesundheitsfördernden Substanzen fester Bestandteil in Kosmetikprodukten, Arznei- und Lebensmitteln. Die Trauben der Schwarzen Johannisbeere werden beispielsweise neben ihren gesundheitsfördernden Polyphenolen auch wegen ihrer Aromen und ätherische Öle geschätzt. Im Projekt „AROMAplus“ – wollen Forscher unter der Leitung der Hochschule Geisenheim diese sekundären pflanzlichen Stoffwechselprodukte nun biotechnologisch mithilfe von Enzymen und Mikroorganismen gewinnen oder veredeln. Beim Anbau der Schwarzen Johannisbeere als auch von Wein fallen Pflanzenreste an, die in dem Projekt als biologischer Rohstoff genutzt werden sollen.

AROMAplus ist einer von sieben neuen Förderschwerpunkten, die im Rahmen der Hessischen Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz (LOEWE) ab Januar 2018 für vier Jahre unterstützt werden. Knapp 4,4 Mio. Euro stehen der Hochschule Geisenheim für das Vorhaben „AROMAplus – Von pflanzlichen Rohstoffen zur mikrobiologischen Produktion – Aroma und funktionelle Inhaltsstoffe aus Reben und Obst“ zur Verfügung.

Schlüsselenzymen auf der Spur

In dem über vier Jahre dauernden Projekt wollen Wissenschaftler vor allem ihre Kenntnisse über die Regulation von Schlüsselenzymen der Synthesewege von Mikroorganismen vertiefen, um das Wissen für die Herstellung neuer gewünschten Naturstoffe nutzen zu können. Dabei soll auch geklärt werden, wie der Schutzmechanismen der Zellen gegenüber ihren eigenen Stoffwechselzwischenprodukten verstärkt wird, da dieser häufig zellschädigend wirkt.

Tinkturen aus Lavendel, Kamille und Arnika sind längst nicht mehr Heilmedizin und Wellness vorbehalten. Auch Lebensmittel- und Kosmetikindustrie sowie Pharmaunternehmen und Agrarchemie-Hersteller setzen auf die Vielfalt der Pflanzenextrakte. Doch das Potenzial der pflanzlichen Extrakte könnte noch besser genutzt werden. Denn die Nachfrage wächst stetig. Das zeigt die ein aktuelles Positionspapier der ProcessNet-Initiative von DECHEMA und VDI.

Enormes Potenzial für neue innovative Produkte

Als Nachfolge einer Untersuchung im Jahr 2012, in der die Autoren den deutschen Markt analysiert hatten, gibt das nun vorliegende Positionspapier der Fachgemeinschaft "Phytoextrakte - Produkte und Prozesse" einen Überblick über den europäischen Markt. Die Autoren kommen zu den Ergebnis: Das Potenzial der Phytoextrakte sowohl für neue und innovative Produkte als auch die ökonomische und ökologische Zukunft Europas ist enorm.

Wachstumsraten steigen

Das weltweite Handelsvolumen für Pflanzenextrakte wurde von der Welthandelsorganisation FAO bereits in den Jahren 2003 und 2004 auf etwa 1 Billion US-Dollar geschätzt. Die jährlichen Wachstumsraten legten seither zu und liegen heute bei bis zu 15%.

2011 teilten sich die für Phytoextrakte relevanten Marktsegmente wie folgt auf: Phytopharmaka machten ein Viertel des Gesamt-Pharma-Marktes aus und erwirtschafteten einen Umsatz von 100 Mrd. US-Dollar. Mit Lebensmittelzusätzen und den sogenannten Nutraceuticals wurde etwa 500 Mrd. US-Dollar umgesetzt. Die Kosmetik-Branche setzte etwa 200 Mrd. US-Dollar um. Aromen- und Parfumhersteller generierten 10 Mrd. US-Dollar Umsatz. Mit Agrarchemikalien wurden etwa 1 Mrd. US-Dollar umgesetzt.

Den Autoren zufolge wird der Einsatz pflanzlicher Lösungen vor allem durch die hohe Akzeptanz der Verbraucher und das Potenzial der Pflanzenextrakte für die nachhaltige Produktion begünstigt. Aufgund der Analyse der Einsatzmöglichkeiten für Phytoextrakte und pflanzenbasierte Naturstoffe wurden Forschungsziele für die Bereiche Rohstoffe, Desintegration und Vorbehandlung, Extraktion, Prozessentwicklung und Modellierung sowie Formulierung und Verpackung in einer Roadmap zusammengestellt.

Forschung durch Finanzierung ausbauen

Bei der Forschung - insbesondere der Prozesstechnik – sehen die Experten aber noch Nachholbedarf. Vor allem der interdisziplinäre Austausch sei auf diesem Gebiet „nicht besonders ausgeprägt“, heißt es in dem Positionspapier. Viele Forschungsaktivitäten würden sich zudem auf spezielle Materialien oder Technologien konzentrieren, sodass die Wechselwirkungen entlang der Wertschöpfungskette keine Beachtung finden würden. Die Experten von DECHEMA und VDI fordern daher, interdisziplinäre Aktivitäten und gemeinsame Forschungsinitiativen durch eine öffentliche Förderung stärker zu unterstützen. Als beispielhaft beschreiben die Autoren die Situation in Frankreich - hier würden in den Wachstumsregionen der pflanzlichen Ressourcen mit Erfolg auch Zentren für die Extraktion und Weiterverarbeitung aufgebaut.

bb/pg

What do Antarctica and space have in common? Nothing can grow there. Except, that is exactly the goal of a new long-term experiment as part of the EDEN-ISS project. The EDEN-ISS project aims to develop plant cultivation technologies that can be used for safe food production in space in so-called closed-loop systems or closed greenhouses. Eventually, the goal is to employ these new methods on-board the International Space Station (ISS) or for future human space exploration vehicles and planetary outposts.

A system independent of weather, sun, and seasons

A closed greenhouse is exceptionally well suited to grow food under inhospitable environmental conditions: it permits harvesting regardless of the weather, the sun, and specific seasons. In a closed greenhouse, water consumption is immensely reduced and there is no need for pesticides and insecticides. Truly one-of-a-kind, a greenhouse like that was presented to the public for the first time at the Bremen site of the German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR) on July 7. As part of the EDEN-ISS project, it will set off for the Antarctic at the end of 2017 for a year of long-term testing under extreme conditions. "DLR is pursuing application-oriented research within the EDEN-ISS project. Its purpose is to bring fresh impetus to food production on Earth and for human space flight," says Hansjörg Dittus, DLR Executive Board Member for Space Research and Technology. "In doing so, we are advancing the cause of a key technology that will provide a fresh diet to inhabitants of climatically harsh regions – in our case the Antarctic – as well as to astronauts on future long-term missions."

In December 2017, together with the greenhouse, the DLR scientist Paul Zabel will also relocate to the Antarctic. He will remain there for one year, during which he will be a member of the winter crew of the Neumayer III Antarctic station, which is operated by the Alfred Wegener Institute (AWI). "Cucumbers, radishes, peppers, lettuce and herbs are already growing in the test run being conducted in Bremen," says Project Coordinator Daniel Schubert from the DLR Institute of Space Systems.

Growing vegetables without soil: Aeroponics

Zabel, himself an engineer by vocation, was trained in vegetable gardening in the Netherlands. Europe’s foremost research institute related to food production is located in Wageningen, in the Netherlands. Experts of the field briefed Zabel on the basics of farming. Moreover, he was trained by nutrition experts on the requirements of minerals and trace elements for tomatoes and strawberries: the plants will not grow on earth, but will have to be cared for via nutrient solutions – a system called Aeroponics. Aeroponics is a technique used to cultivate plants in a sterile environment without soil by spraying them with a water/nutrient blend. "By providing special artificial light, an ideal temperature, and selected nutrients entirely without soil, we are able to grow our plants more quickly and with a higher yield than in their natural environment", says Schubert. Additionally, Zabel was taught to recognize pests early on and how to counteract them successfully. The researchers also adjust the atmosphere in the greenhouse to best suit the needs of the plants. "We increase the carbon dioxide content, use special filters to clean the air of any fungal spores and bacteria, and sterilise the air with UV radiation," says Schubert. "This enables entirely organic cultivation without insecticides and pesticides." Like on a space station, the greenhouse has an airtight circulation system, including an airlock that Paul Zabel will use as his daily entrance. Moreover, the closed circuit will make it possible to recapture all of the water that the plants release into the air and reuse it.

The goal for the Antarctic vegetable farm will be a weekly harvest of 1.3 kilogramme of salad, 1.1 kilogramme of cucumbers, and 250 gram of spinach. Until the move to Antarctica in the fall of 2017, the greenhouse will be continuously tested Germany. In particular the intricate circulation system managing light and the air, as well as the specific nutrient solutions are still being tested.

A year in Antarctica

The Neumayer III station is manned by scientists all year round. Located on the Eckström Ice Shelf in the Atlantic sector of Antarctica, the station is the base for German Antarctic research. Up to 50 people live in the station during the Antarctic summer – but only nine people remain at the base: one cook, three engineers, one doctor and four scientists. Zabel will be the tenth member of the upcoming winter crew. "Provisions are delivered by ship once a year around Christmas – six containers filled with approximately 60 tons of food and drink. Fruits and vegetables are stored as frozen to make them last during the long winter isolation phase," says long-standing station director Eberhard Kohlberg. Fresh fruit, vegetables and lettuce from South Africa are sent by air freight every three to four weeks in the summer season from November to February. The last rations of fresh produce arrive at the station in late February. The following months are spent without fresh lettuce, tomatoes and cucumbers. There are only a few types of fruit that keep for longer and will last until May. Potatoes and onions are the only items that can be stored for extended periods. "So the first delivery of fresh lettuce and tomatoes in November is highly anticipated," says Kohlberg. Therefore, the new closed-loop greenhouse vegetables are not only a test-run for future space explorations, but will also benefit the current staff in Antarctica: "In addition to testing plant cultivation, we are also excited to find out how the station team responds to the fresh additions to their menu," Daniel Schubert says. "I am sure the strawberries will be a particular delight."

jmr

Der Zustand der Ökosysteme an Küsten und in den Gewässern der Ostsee hat sich in den vergangenen 25 Jahren deutlich verbessert. Trotz des positiven Trends: Zufrieden sind Meeresforscher noch nicht. Gemeinsam mit Kollegen aus Greifswald und Kiel hat der Biologe Hendrik Schubert von der Universität Rostock in den vergangenen Jahren die inneren Küstengewässer der Ostsee, die Bodden, genauer unter die Lupe genommen. Ein Ergebnis: Verglichen mit dem Jahr 1870 – vor Beginn der industriellen Entwicklung- ist die Situation des Küsten- und Meeressystems heute noch weit entfernt. Weil es für den Ostseeraum keine durch den Menschen unbeeinflussten Gebiete gibt, musste als Referenz der historische Zustand der Ostsee vor Einsetzen der Industrialisierung rekonstruiert werden. „Das wäre ohne die vielen Sammlungen und aktive Hilfe aus den Museen nicht möglich gewesen“, sagt Schubert.

Entscheidungshilfe für die Politik

Um den ökologischen Zustand genauer bewerten zu können, sucht das Team nun nach geeigneten Organismen als Indikatoren. „Damit soll die Politik ein Hilfsmittel in die Hand bekommen, um bei Nutzungskonflikten, wie sie zwischen Tourismus, Schifffahrt und Fischerei zwangsläufig auftreten, eine belastbare Abwägung der Folgen und Risiken raumplanerischer Entscheidungen vornehmen zu können“, erläutert Hendrik Schubert. Sowohl die Wasserrahmenrichtlinie als auch die aktuelle Meeresstrategie-Richtlinie der Europäischen Union (EU) verlangen, dass der ökologische Zustand der Küsten-und Meeresgebiete bewertet wird.

Ob Handy, Laptop oder Kamera: Lithium-Ionen-Batterien sind in fast allen technischen Geräten zu finden. Der Grund für diese Dominanz: Der elektrische Energiespeicher ist im Vergleich zu früheren Batterien aus Nickel-Cadmium wiederaufladbar und in der Anwendung wesentlich komfortabler. Doch ist der Akku einmal leer, dauert es oft Stunden, ehe Handy oder Laptop wieder genutzt werden können.

Die Ladegeschwindigkeit deutlich zu beschleunigen ist ein Ziel, an dem Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und vom Helmholtz-Institut Ulm – Batterieforschungszentrum seit geraumer Zeit arbeiten. Im Fachjournal „Angewandte Chemie“ stellt das Team nun erstmals das Ergebnis vor. Dabei handelt es sich um ein neues biologisches Speichermaterial, das eine sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithium-Ionen erlaubt und so den Akku in Turbogeschwindigkeit lädt.

Akku laden in 60 Sekunden

Diese Höchstleistung geht auf ein Molekül namens Porphyrin zurück, dass in der Natur weit verbreitet ist. „Porphyrine kommen in der Natur sehr häufig vor und bilden das Grundgerüst des Blattgrüns (Chlorophyll), des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren (Hämoglobin) oder von Vitamin B12“, erklärt der Ulmer Wissenschaftler Maximilian Fichtner. Mithilfe dieses Biomoleküls konnten die Forscher im Labor Speicherkapazitäten von 130-170 Milli-Amperestunden pro Gramm (mAh/g) bei einer mittleren Spannung von 3 Volt messen und die Be- und Entladungsdauer auf nur ein Minute drosseln. „Die Speichereigenschaften sind außergewöhnlich, weil das Material eine Speicherkapazität wie ein Batteriematerial besitzt – aber so schnell arbeitet wie ein Superkondensator“, so Fichtner.

Die Nachfrage steigt rasant, und auch die globale Produktion von Holzpellets nahm in den vergangenen zehn Jahren um das Vierfache zu, wie eine neue Studie vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) im Auftrag der Internationalen Energieagentur (IEA) zeigt: die geschätzte Produktionsmenge lag 2006 noch bei 6 bis 7 Megatonnen (Mt), 2015/2016 war sie hingegen bereits auf mehr als 26 Mt gestiegen. Durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten in konventionellen und umgewandelten Kohlekraftwerken, sowie im privaten Bereich als fester Brennstoff, wird der Markt für Holzpellets vermutlich auch in den kommenden Jahren weiter rasant wachsen. Insbesondere, da die Pellets in naher Zukunft zusätzlich auch Verwendung als erneuerbare Ressource für die „grüne Chemie“ und biobasierte Materialien finden könnten.

Produktion wächst auch auf neuen Märkten

Aber nicht nur die Nachfrage wächst weltweit, auch die Produktion nimmt zu. Im Jahr 2015 war die EU als Region mit 54% der weltgrößte Produzent von Holzpellets, gefolgt von Nordamerika mit 35%, wobei die USA auf Länderebene die Pelletproduktion anführen. Neben den aktuellen Marktführern wie den USA, Deutschland und Schweden, wachsen aber auch die Produktionen der Regionen und Länder, die in der Holzpelletproduktion bisher kaum aktiv waren: Asien, Russland, Lateinamerika und Australien. Hinsichtlich des jährlichen Verbrauchs führt Großbritannien, gefolgt von den USA und Italien.

Die Studie zeigt aber auch: das enorme Wachstum der Branche birgt Schwierigkeiten. Eine nachhaltige Infrastruktur bezüglich der Biomassebereitstellung sowie der Pelletlagerung, Verladung, und der Handhabung von Kapazitäten muss in vielen Produktionsländern und –regionen erst noch entwickelt und aufgebaut werden.

Obwohl bereits viel erreicht worden ist bei der Entwicklung von Nachhaltigkeitskriterien für Holz, erfolgreichen Zertifizierungen und Technologien für die Bereitstellung von Pellets aus anspruchsvolleren Rohstoffen, beispielsweise auf Strohbasis, verdeutlicht die Studie, dass insgesamt noch immer viel Optimierungspotenzial für die erzielbaren Klimagaseinsparungen durch Holzpellets besteht.

Dringend benötigt: ein nachhaltiger, globaler Klimaschutzfahrplan

Verfasst wurde die Studie von Daniela Thrän, Professorin am DBFZ und dem Helmholz-Zentrum für Umweltforschung. Die Bioenergie-Expertin ist Mitglied des Deutschen Bioökonomierates. Ihr Fazit: „Ein ganz wesentlicher Faktor für die Entwicklung eines globalen Industriemarkts für Holzpellets ist die Einführung (politischer) Rahmenbedingungen, die Schaffung von Märkten und Standards sowie die Durchsetzung eines nachhaltigen Klimaschutzfahrplans in den Ländern. Dieser wird in Europa zwar schon ambitioniert umgesetzt, wir sehen aber, dass beispielweise auch die Länder in Südostasien dieses Thema jetzt verstärkt auf die Agenda setzen. Mit der Studie liegen uns nun analysierte Kennzahlen zum Pelletmarkt aus über 30 Ländern vor, das macht die Arbeit der letzten zwölf Monate extrem wertvoll für alle beteiligten Akteure."

jmr

In line with the increasing demand the production of wood pellets also increased dramatically over the last ten years. A new study by the German Centre for Biomass Research (DBFZ) for the International Energy Agency (IEA) illustrates the four-fold increase: the estimated production volume in 2006 was at at 6-7 megatons (Mt), but exceeded 26 Mt in 2015/2016. Due to its broad and varied usage as burning material for conventional and converted coal-fired power stations as well as a solid fuel for automated furnaces and boilers on the domestic side, the market is expected to expand even further. Furthermore, in the near future wood pellets could also represent a renewable resource for "green chemistry" and biobased materials.

Growing demand increases global production

In response to the growing the demand the production of wood pellets is growing as well. In 2015 the EU as a region was the largest producer with 54%, followed by North America with 35%. On a country-by-country basis the US is leading the market on wood pellet production. Next to the main producers USA, Germany, and Sweden, the production sites of countries and regions thus far hardly involved in the wood pellet production are also growing: Asia, Russia, Latin America, and Australia. In terms of national pellet consumption, the United Kingdom are at the lead, followed by the US and Italy.

The study also demonstrates: the huge growth of the sector comes with inherent difficulties and challenges. A sustainable infrastructure concerning biomass supply, pellet storage, loading, and handling of capacities in the production regions, has yet to be developed and established. Although several regulatory measures have already been implemented and huge progress has been made, the developments differ drastically between countries. Thus the study shows that despite the already achieved standards and the development of sustainability criteria for wood, as well as successful certifications and technologies for the provision of pellets from more sophisticated raw materials; there is still a lot of potential for optimisation regarding production procedures as well as environmental benefits.

Step one: a sustainable climate protection plan

Daniela Thrän, Professor at the DBFZ and Helmholtz Centre for Environmental Research, authored the study. She is not only an expert for bioenergy, but also a member of the German Bioeconomy Council. Her conclusion:"A key factor in the development of a global industrial market for wood pellets is the introduction of (political) framework, the creation of markets and standards and the implementation of a sustainable climate protection plan in the countries. This is already ambitiously implemented in Europe, but we see that, for example, the countries in Southeast Asia are on the way to put this issue on the agenda. With the study, we have analysed key indicators on the pellet market from more than 30 countries, which makes the work of the last twelve months extremely valuable for all relevant stakeholders."

jmr

Im August des vergangenen Jahres wurde die Allianz namens „DOLCE“ aus der Taufe gehoben: Das börsennotierte Bioökonomie-Unternehmen BRAIN AG aus Zwingenberg, die 2014 von BRAIN übernommene AnalytiCon Discovery GmbH und der französische Speziallebensmittelhersteller Roquette hatten sich zusammengefunden, um Konsumgüterherstellern eine Plattform mit Expertenwissen zur Entwicklung und Produktion von natürlichen Süßungsmitteln zur Verfügung zu stellen. Das Ziel des Forschungstrios: neuartige, natürliche Süßstoffe und Süßgeschmacksverstärker entwickeln, um in Nahrungsmitteln und Getränken den Zucker- und Kalorienanteil zu reduzieren.

Partner haben schneller Zugriff auf Innovationen

Partner der DOLCE-Allianz haben frühzeitig Zugang zu den entwickelten Zuckerersatz-Formulierungen. Sie werden frühzeitig über die Entwicklungen der natürlichen Süßungsmittel informiert, können bereits vor der Zulassung mit den Wirkstoffkandidaten arbeiten und Lizenzen für ausgewählte Kandidaten erwerben. Im Gegenzug leisten die Mitglieder Finanzierungsbeiträge in Form von Vorab-, Meilenstein-, Erfolgs- und Lizenzzahlungen. Nach den Angaben von BRAIN gab es bereits mit zahlreichen globalen Konsumgüterunternehmen Gespräche, die hinter den größten Marken der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie stehen.

Nun hat sich ein global operierender US-Getränkehersteller, der jedoch nicht namentlich genannt wurde, einen weltweit exklusiven Zugang zu DOLCE-Süßungsmitteln in der Kategorie „nicht-alkoholische Getränke“ sowie einen nicht-exklusiven, weltweiten Zugang in den Kategorien „Milch- und Joghurtgetränke“ und „Ginger-Ale und Tonic“ gesichert.

Nach Informationen von Transparency Market Research belief sich der Weltmarkt für nicht-alkoholische Getränke im Jahr 2013 auf ein Volumen von 1,4 Billionen US-Dollar. Der Teilmarkt für kohlensäurehaltige Getränke wurde vom Marktanalysten Grand View Research im Jahr 2014 auf 340 Mrd. US-Dollar geschätzt.

Branche unter Druck

Derzeit steigt der Druck auf die Lebensmittel- und Getränkebranche, den Zuckergehalt ihrer Produkte zu senken. In den USA und in Großbritannien wird über eine Zuckersteuer nachgedacht. Im Februar 2017 willigte der Lobbyverband der Softdrink-Hersteller Unesda nach harter Diskussion mit der EU-Kommission ein, bis zum Jahr 2020 auf zehn Prozent Zucker zu verzichten. Kürzlich gab auch der Getränkekonzern Coca-Cola im Gespräch mit der Welt am Sonntag bekannt, in seinen Getränken den Zuckeranteil entsprechend senken zu wollen.

Angesichts des Trends zum verstärkten Einsatz natürlicher und gesunder Inhaltsstoffe bergen natürliche hochintensive Süßstoffe oder Süßgeschmackverstärker das Potenzial, den kalorienreichen Zucker sowie chemische Zuckerersatzstoffe zu ersetzen. Dies betrifft Produktkategorien wie Getränke, Backwaren, Milchprodukte, Cerealien und Konfekt. Laut Lux Research machen Zuckerersatzstoffe heute bereits 22% des gesamten Süßstoffmarktes aus, natürliche Süßstoffalternativen repräsentieren gerade einmal 1% davon.

Mit Kaffee wollte Florian Hammerstein lange nichts zu tun haben. Zu geschlossen war der Markt, in dem nur wenige das Sagen haben, zu verkrustet die Strukturen. Dass er mit seiner Firma „Original Food“ heute im Kaffeegeschäft tatkräftig mitmischt, ist seiner Begeisterung und dem Mut für ein ungewöhnliches Projekt geschuldet. „Wenn keiner anfängt, ändert sich nie etwas“, sagt Hammerstein. Sein „Wildkaffee-Projekt“ wurde bereits mehrfach ausgezeichnet und schreibt nach 14 Jahren eine schwarze Null. Mit der kompostierbaren Kaffeekapsel sorgt der sozialökologisch engagierte Unternehmer erneut für frischen Wind in der Kaffeewelt.

In Freiburg aufgewachsen und zur Schule gegangen, studierte Hammerstein ab 1976 zunächst Biologie, wechselt dann aber recht schnell zur Betriebswirtschaft. Nach Studien in Zürich, München und Köln arbeitete er mehr als ein Jahrzehnt im Bereich Kommunikation großer Pharma- und Chemiekonzerne. „Der ökologische Gedanke war für mich schon damals tragend. Denn die Konzerne wollten umweltfreundlicher werden.“ 1995 gründete der Freiburger in seiner Heimatstadt seine eigene Marketing- und Kommunikationsagentur, die sich im Laufe der Jahre zunehmend auf Lebensmittel fokussierte.

Über 6.000 wilde Arabica-Sorten identifiziert

Ein Telefonat mit einem Redakteur der Zeitschrift GEO im Jahr 2003 sollte dem Wirtschaftswissenschaftler den Impuls für sein heute erfolgreiches Kaffeegeschäft geben. In dem Gespräch erfuhr der Marketingexperte von der faszinierenden Vielfalt des Kaffees in der Bergregion Kaffa im Regenwald Äthiopiens. Von Hammerstein begleitete Forschungsprojekte sollten später 6.000 verschiedene Sorten Arabica-Bohnen ans Licht bringen. Doch die Heimat des Kaffees war durch Rodung stark bedroht. „Der Wald stand unter Druck, auch durch die wachsende Bevölkerung. Daher wollten wir den Bauern eine Alternative bieten, um Geld mit dem Wald zu verdienen und ihn so aus eigenem Interesse zu schützen“. Das „Schutz- und Nutzungsprojekt auf Basis des Wildkaffees“ war geboren und ist heute eine Erfolgsgeschichte.

Hohe Qualität und fairer Lohn für Kaffeebauern

Nicht das Geschäft mit den Arabica-Bohnen gab den Anstoß für die Gründung von Original Food im Jahr 2003. Hammerstein sah darin vor allem die Chance, seinem bis daher ehrenamtlichen Engagement für Schwellenländer eine neue Dimension zu geben. Mit der Flexibilität eines kleinen Unternehmens konnte sich der Kaufmann erfolgreich in der Nische eines großen Marktes etablieren. „Wir haben von vornherein gesagt, wir machen keine Preisführerschaft, sondern wollen die Besten werden. Und dann ist auch der Preis nicht mehr alles entscheidend.“ Hierfür konnte Hammerstein Gesellschafter gewinnen, die seine Vorstellungen von einem sozialen Unternehmen teilten. „Wir wollen keine Dividende sehen, sondern die Sache nach vorn treiben. Die Bauern in der Region wurden von Anfang an hoch entlohnt und können davon leben.“ Heute kooperiert Original Food mit Partnern aus Wirtschaft, Politik und Umweltverbänden.

Natürliche Resistenz gegen Schädlinge

Die Kaffa-Region ist heute ein UNESCO-Biosphärenreservat und bietet 10.000 Kleinbauern mit der Kaffeeernte eine Lebensgrundlage. Die Bohnen werden von den Farmern handverlesen und vor Ort in der Sonne getrocknet, bevor sie in einer Manufaktur-Rösterei schonend verarbeitet werden und in den Handel kommen. Doch bis dahin war es ein weiter Weg. Das Ergebnis der ersten Teströstung war nicht nur positiv, konnte Hammerstein aber nicht abschrecken. „Die Bohnen waren schwierig, aber hatten Potenzial“, erinnert sich der Geschäftsmann.

Dafür besaß der Wildkaffee andere Vorteile. Im Vergleich zu Kaffeesorten, die in Monokulturen angebaut werden, besitzen diese wild wachsenden Bohnen eine größere Resistenz gegen Schädlinge. „Hier funktioniert das natürliche Gleichgewicht. Da geht mal eine Pflanze ein und wird durch andere ersetzt. Deshalb müssen wir jedes Jahr jedes Waldgebiet wieder probieren und verkosten.“

Kaffeekapseln zu 100% kompostierbar

Doch Geduld und Engagement haben sich gelohnt. Seinem Motto „Wenn ich was ändern kann, muss ich es tun“, ist Hammerstein treu geblieben. Mit der kompostierbaren Kaffeekapsel hat der Original Food-Gründer erneut das scheinbar Unmögliche möglich gemacht. Die Kapsel besteht aus Maisstärke, Zuckerrohr und Polymilchsäure (PLA), der Deckel aus Papier. Ein Zertifikat – nach aufwendigen Prüfverfahren - bescheinigt, dass die Materialien der EU-Norm entsprechen und tatsächlich in 12 Wochen bereits zu 90 Prozent, industriell und auch im Schnellkomposter abgebaut werden. „Die restlichen 10% verschwinden später. Im Hauskompost dauert der Abbau etwas länger“, berichtet Hammerstein voller Stolz.

Vorhandenes Wissen bündeln

Biobasierte Rohstoffe statt Aluminium und erdölbasiertem Kunststoff: Florian Hammerstein zeigt, es geht. Seit einem Jahr sind die kompostierbaren Kaffeekapseln auf dem Markt. Partner für diese Idee zu begeistern, war eine Sache. Das vorhandene Wissen zu bündeln, sollte rückblickend eine der größten Herausforderungen werden. Die Kaffeekapseln sind das Ergebnis einer dreijährigen Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten, Universitäten sowie Granulat- und Folienherstellern. „Es gab Materialien, doch die waren dem hohen Druck und den hohen Temperaturen einer Espressomaschine nicht gewachsen. Wir haben lange gebraucht, um die verschiedenen Wissens- und Entwicklungsstellen so zu verknüpfen, bis wir ein fertiges Produkt hatten, das gleichzeitig ein optimales Ergebnis in der Tasse erzielt.“

Noch sorgt eine biobasierte, ebenfalls kompostierbare Folie um die Kapsel für den Erhalt des Kaffeegeschmacks. Doch die nächste Generation ohne Folie ist schon in der Entwicklung. Hammerstein: „Es ist natürlich auch ein großer Ansporn, als Kleiner was hinzubekommen, was die Großen im Markt nicht schaffen“.

Autorin: Beatrix Boldt

For much of his career, Florian Hammerstein wanted nothing to do with coffee. The market is too closed off, the structures too immobile, and only a few high-ranking players have a real say in the future of the industry. It is thanks to his enthusiasm and courage to pursue unusual projects that Hammerstein and his company, Original Food, remain actively involved in the coffee business. “If nobody starts anything, then nothing ever changes,” says Hammerstein. His ‘Wild Coffee’ project has already garnered numerous awards, and after 14 years is now at the break-even point. And with his newly-developed compostable coffee capsule, the socioecologically-committed entrepreneur is once again bringing a breath of fresh air to the world of coffee.

Born and raised in Freiburg, Hammerstein began his studies in biology in 1976, but soon switched courses to business administration. After studying in Zurich, Munich, and Cologne, he worked for more than a decade in the area of communications at major pharmaceutical and chemical companies. “Ecological principles were important for me already back then. Also, corporations were trying to become more environmentally friendly.” In 1995, Hammerstein founded his own marketing and communication agency in his hometown of Freiburg. Over the years that followed, the focus moved increasingly towards foods.

More than 6,000 wild Arabica varieties identified

In 2003, a telephone conversation with an editor at GEO magazine is said to have given the economist the first impetus for his now successful coffee business. In the course of this conversation, the marketing expert learned of the fascinating varieties of coffee that were to be found in the mountainous region of Kaffa in the Ethiopian rainforests. Later, research projects accompanied by Hammerstein would uncover 6,000 different varieties of Arabica beans. But this home of coffee was facing the threat of deforestation. “The forest was under pressure, also as a consequence of the growing population. Against this backdrop, our idea was to offer the farmers an alternative that would earn them money from the forest as well as protect it in their own interests.” Thus, the ‘Conservation and exploitation project on the basis of wild coffee’ was born. Today, it is an original success story.

High quality and fair income for coffee farmers

Arabica beans did not feature a lot when Original Food was founded in 2003. Hammerstein viewed his company above all as an opportunity to give new dimensions to his work for emerging countries, which up to then had been entirely voluntary. With the flexibility that was possible with a small company, the businessman successfully established himself in a niche of an otherwise vast market. “From the outset, we said that we wouldn’t aim for price leadership. Instead, we would be the best. Thereupon, the price is no longer all-decisive.” On this basis, Hammerstein succeeded in bringing partners on board who shared his vision of a social enterprise. “We don’t want to see dividends; we want to push things forward. From the very beginning, the farmers in the region have received a generous income that provides them with a good quality of life.” Today, Original Food cooperates with partners in the areas of business and politics, as well as with environmental associations.

Natural resistance to pests

The Kaffa region is now a UNESCO Biosphere Reserve, with coffee harvests that provide a livelihood for 10,000 small farmers. The beans are handpicked by the farmers and sun-dried on site, then carefully processed in a roasting manufactory before being packaged for retail. It has taken many years of work to reach this point. The results of the first test roasting were not entirely positive, but this was not enough to deter Hammerstein. “The beans were tough, but they had potential,” the businessman recalls.

Indeed, the wild coffee came with a number of other advantages. In contrast to coffees grown in monocultures, these wild-growing beans have greater resistance to pests. “Here, the natural balance still works. One plant may wither, but then will be replaced by another. For this reason, we have to retest and resample all the different forest areas every single year.”

100% compostable coffee capsules

The patience and dedication has paid off. Hammerstein’s motto is “If I can change something, then I have to do it,” and he has remained faithful to this principle throughout. With the compostable coffee capsule, the founder of Original Food has once again achieved the seemingly impossible. The capsule is manufactured using corn starch, sugarcane and polylactic acid (PLA), with a lid that is made of paper. After exhaustive testing procedures, a certificate confirms that the materials comply with EU standards and degrade by 90 percent in 12 weeks, both industrially and in drum composters. “The remaining 10% will disappear later. In household compost, degradation will take a bit longer,” says a proud Hammerstein.

Consolidating the existing know-how

Biobased raw materials instead of aluminium and oil-based plastics: Florian Hammerstein shows how it can be done. The compostable coffee capsules have been on the market for a year now. Inspiring potential partners with the idea was one thing, but in retrospect, the greatest challenge was to bring together all the existing knowledge. The coffee capsules are the result of a three-year collaboration with research institutes and universities, as well as manufacturers of granulates and films. “There were potential materials, but they were not up to the high pressure and temperatures of an espresso machine. It took us a long time to combine the various points of expertise and development until we had a finished product that also achieved the best possible result in the cup.”

A biobased and likewise compostable film around the capsule ensures the preservation of the all-important coffee flavour. In the meantime, the next generation of capsules without the additional foil is already in development. Hammerstein: “Of course, as a small company it’s a huge incentive if we can achieve something that has evaded the major players in the market.”

Author: bb

1997 zwang der IBM-Computer „Deep Blue“ Schachweltmeister Garri Kasparow zur Aufgabe. 2011 war es das IBM-Computerprogramm „Watson“, das in einer US-Quizshow seinen menschlichen Gegenspieler besiegte. Mittlerweile hat der Vorreiter in Sachen künstliche Intelligenz seine Fähigkeiten um ein Vielfaches erweitert und wird von Unternehmen weltweit genutzt. Vor allem die Gesundheits- und Versicherungsbranche schätzt das Potenzial von „Watson“, vorhandene meist unstrukturierte Informationen zu bündeln, analysieren, auszuwerten und so Vorhersagen treffen zu können. Mithilfe dieser sogenannten kognitiven Assistenz „Watson“ will nun auch Evonik die Digitalisierung vorantreiben. „Für uns als Spezialchemie-Unternehmen bringt die Digitalisierung eine Fülle von Möglichkeiten. Es geht jetzt darum, sie zu erkennen, zu erproben und dann sinnvoll nutzen zu können“, sagt Christian Kullmann, Vorsitzender des Vorstandes der Evonik Industries AG.

Millionen für kreative Geschäftsideen und Technik

Mit der Gründung einer eigenen Digital-Firma hat das Essener Unternehmen im Februar den digitalen Weg geebnet. Neben viel Freiraum für kreative Ideen erhalten die Mitarbeiter der neu gegründeten Evonik Digital GmbH nun die entsprechenden finanziellen Mittel. Wie das Unternehmen mitteilt, sollen 100 Mio. Euro bis 2020 in die Entwicklung und Erprobung digitaler Technologien und den Kompetenzaufbau fließen. „Es geht nicht allein um Daten und Technik, sondern insbesondere um neue Geschäftsmodelle, Lösungen und Service für Kunden sowie die Qualifizierung von Mitarbeitern“, erklärt Henrik Hahn, der als Chief Digital Officer (CDO) für den Konzern die Digitalisierungsaktivitäten koordiniert.

Mit Watson vorhandenes Wissen klug nutzen

Auf Grund der Kooperation mit IBM kann Evonik hierbei von den neuesten Technologien und Projekten des Konzerns, wie dem Computersystem „Watson“ profitieren. Konkret sollen der Watson Explorer als kognitive Such- und Analyse-Plattform sowie das Watson Knowledge Studio als Cloud-basierte Anwendung, das Entwicklern hilft, Beziehungen und Korrelationen in unstrukturierten Daten zu identifizieren, zum Einsatz kommen. Die Ergebnisse, die Watson liefert, will Evonik sowohl als digitale Beratungsleistung anbieten als auch zur Effizienzsteigerung im eigenen Unternehmen nutzen. Martina Koederitz von IBM-Deutschland ist überzeugt: “Wer zukünftig erfolgreich sein will, kommt an künstlicher Intelligenz nicht vorbei. IBM schafft mit Watson die Grundlage dafür, dass Unternehmen vorhandenes Wissen klug nutzen und im Sinne einer lernenden Organisation weiterentwickeln können.“ Darüberhinaus arbeitet Evonik mit der Universität Duisburg-Essen (UDE) zusammen, um beispielsweise interaktive Wissensvermittlung und individuell Schulungskonzepte in der Praxis des Konzerns zu etablieren.

Until now, converting organic waste into fuel has not been economically viable. Excessively high temperatures and too much energy were required. Researchers at the Technical University of Munich (TUM) managed to significantly reduce the temperature and energy requirements for an integral step of the chemical process by using a novel catalyst concept: they confined the reaction to small spaces inside zeolite crystals. They published their findings about enhancing the effectiveness of their reaction and the restraint space where the reaction occurs in two papers of the journal "Nature Communications".

New process allows or decentralised chemical production

Today, electricity can be produced almost everywhere – using wind, water, and solar power plants. Therefore, chemical production should be decentraliced as well, reasons Johannes Lercher, who heads the Chair of Technical Chemistry II at TU Munich. However, thus far chemical processes require a lot of energy, which cannot always be provided everywhere. Therefore, Lercher and his team set out to develop new possibilities and processes for the distributed production of chemicals. And they succeeded: the scientists demonstrated that the temperature required for splitting carbon-oxygen bonds in acidic aqueous solution can be drastically reduced using zeolite crystals. The process also ran much faster than without the zeolite catalysts.

Nature as a role model

To find this mechanism, the scientists looked at nature as a role model: In biological systems, enzymes with small pockets in their surface accelerate chemical processes. Lercher explains: “While searching for suitable catalysts that accelerate the reaction, we stumbled upon zeolites – crystals with small cavities in which the reactions take place under cramped conditions comparable to those in enzyme pockets.” In order to test their theory, the researchers compared the reactions of carbon compounds with acids in a beaker to the same reactions in zeolites. The result: In the crystal cavities, where the reacting molecules meet upon the hydronium ions of the acids, reactions run up to 100 times faster and at temperatures just over 100 °C. “Our experiments demonstrate that zeolites as catalysts are similarly effective as enzymes: Both significantly reduce the energy levels required by the reactions,” reports Lercher. “The smaller the cavity, the larger the catalytic effect. We achieved the best results with diameters far below one nanometer.”

Less space equals higher chances for reaction

The principle behind this improved reaction is the same as the one that allows geckos to walk on ceilings, Lercher continues: “The more contact points there are between two surfaces, the larger the adhesion. In our experiments, the organic molecules, which are in an aqueous solution, are literally attracted to the pores in the zeolites.”

Thus, the hydronium ions within the cavities have a significantly greater likelihood of bumping into a reaction partner than those outside. The result is an acid catalyzed chemical reaction that takes place faster and with lower energy input.

Of course, it will take some time before the new process can be deployed as a garbage-to-fuel transformer in the field: “We are still working on the fundamentals,” emphasizes Lercher. “We hope to use these to create the conditions required for new, decentral chemical production processes that no longer require large-scale facilities.”

jmr

Rizinus für festen Halt

Normalerweise werden Dübel aus besonders belastbaren und beständigen Kunststoffen wie Nylon hergestellt. Das in Baden-Württemberg angesiedelte Unternehmen Fischer setzt stattdessen auf ein Polymer, das zum Teil aus Rizinusöl besteht. Das Öl wird aus den Samen des Wunderbaums gewonnen und steht damit nicht in Konkurrenz zu Nahrungs- und Futtermitteln bzw. den entsprechenden Anbauflächen.

So wird der Dübel grün

Das Ausgangsmaterial für die nachhaltigen Dübel liefert der Chemiekonzern DuPont. Er gewinnt aus dem Rizinusöl den chemische Synthesebaustein Sebacinsäure. Zusammen mit weiteren – konventionell aus Erdöl gewonnenen – Komponenten entsteht der technische Kunststoff Polyamid. Dieses Polymer ist zu 58% biobasiert und wird bei Fischer zu Dübeln verarbeitet.

Marktreife

Die Dübel aus nachwachsenden Rohstoffen sind in der Herstellung zwar etwas teurer, aber ebenso belastungsfähig wie herkömmliche Dübel aus Nylon. Nach Auskunft des Herstellers werden die Biodübel von den Baumarktkunden gut angenommen.

Castor for firm hold

Normally, dowels are made from highly robust and resistant plastics such as nylon. The Baden-Württemberg-based construction company Fischer relies on a polymer that is partly based on castor oil as a raw material. The oil is extracted from the seeds of the castor oil plant Ricinus communis, which belongs to the spurge plant genus.

How the dowel gets biobased

The US chemical company Dupont extracts sebacic acid, a chemical synthetic building block, from castor oil. The synthetic polymer polyamide is produced together with other petroleum-derived building blocks. This new polymer is 58% biobased. Subsequently, Fischer processes the plastic granules into plugs.

Ready for the market

The bio-based dowels may be slightly more expensive; however, they are as robust as traditional nylon plugs. According to the manufacturer, the biobased dowels are well accepted by DIY market customers.