The oil and fishing industries in particular increase export revenues, the aquaculture sector is a major aspect of the latter. The wood, paper and food industries are among the main economic sectors in the country, which are also highly relevant for the development of a bioeconomy. In spring 2015, the government decided to develop a national bioeconomy strategy.
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Die Vielfalt der Arten, Gene und Lebensräume macht die Biodiversität auf unserem Planeten aus. Die biologische Vielfalt sichert nicht nur existenzielle Lebensgrundlagen, sie ist auch unerlässliche Ressource für die biobasierte Wirtschaft. Das Dossier beleuchtet, wie sich Biodiversität erfassen, wertschätzen, schützen und nutzen lässt. Dazu gibt es einen Überblick über aktuelle Themen aus Forschung und Anwendung sowie über relevante Strategien der Biodiversitätspolitik auf globaler und nationaler Ebene. Ein Trend geht hin zur ökonomischen Bewertung von Leistungen der Natur. Mit dem ab Juli 2016 auch in Deutschland umgesetzten Nagoya-Protokoll wird der Umgang mit genetischen Ressourcen gesetzlich geregelt.
Biomasse ist ein komplexer Rohstoff, aus dem sich nicht nur verschiedene Materialien, Werkstoffe und Energieträger, sondern auch viele Bausteine für Chemikalien gewinnen lassen. Bioraffinerien sind technische Anlagen für die vielseitige Verwertung der Biomasse: Hier wird darauf abgezielt, nachwachsende Ressourcen im Industriemaßstab möglichst vollständig und nachhaltig zu nutzen und zu veredeln. Erste Pilot- und Demonstrationsanlagen gibt es hierzulande bereits. Das Dossier beleuchtet die wichtigsten Konzepte und gibt einen Überblick über den Stand der Forschung.
Im Zuge technologischer Fortschritte ist ein neuer biotechnologischer Forschungszweig entstanden: die Synthetische Biologie. Wissenschaftler wollen hierbei komplexe biologische Prozesse nicht mehr bloß analysieren, sondern im Labor gezielt entwerfen, nachbauen oder verändern. Wie Ingenieure gehen sie daran, Zellen und biologische Systeme umzuprogrammieren oder von Grund auf neu zu gestalten. Synthetische Biologie ist heute im Wesentlichen noch Grundlagenforschung. Allerdings eröffnet sie mittelfristig auch Möglichkeiten für biotechnologische Anwendungen – von Diagnostika, Impfstoffen und Medikamenten über Biosensoren bis hin zu Biokraftstoffen. Dieses Dossier gibt einen Überblick über aktuelle Konzepte und mögliche Anwendungen, über die gesellschaftliche Debatte und wie sich die Synthetische Biologie derzeit fortentwickelt.
The government fosters application-oriented research with a strong focus on the country’s natural resources and modern life sciences. These technologies are widely used in the agricultural industry. Biorefineries are also growing. In terms of politics, the topics of environmental protection and sustainability are highly valued. New Zealand doesn’t have a dedicated bioeconomy strategy.
Additionally, there is strong involvement in the fields of green chemistry and biorefinery. Supported by an innovation policy based on economics and attractive tax policy, there is a growing innovative middle class. There is no bioeconomy strategy, but numerous measures with a thematic focus on the bioeconomy.
In 1998, Tecnaro GmbH was set up in Pfinztal as a spin-off from the Frauenhofer Institute for Chemical Technology (ICT) with the aim of bringing a new kind of medium to market. Since its foundation, it has been developing, producing and selling premium thermoplastic materials made from liquid wood. Together with Helmut Nägele, Jürgen Pfitzer has been managing the company in Ilsfeld-Auenstein, Baden-Württemberg, since 1998.
Erdöl ist die Grundlage vieler Chemikalien. Und es wird knapp. Auf der Suche nach Alternativen treten nachwachsende Rohstoffe ins Rampenlicht. In Bioraffinierien sollen aus biologischem Material verschiedenste Produkte von Polymeren bis Pharmazeutika entstehen. Eine Schlüsselrolle spielen dabei optimierte Enzyme. Um die besten Konzepte zu erproben, unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „BioEnergie2021" ein deutschlandweites Verbundprojekt mit 7 Industrieunternehmen und 9 Forschungsinstituten. Bis 2014 wird das fünfjährige Projekt "Bioraffinerie2021", das von der Technischen Universität Hamburg-Harburg koordiniert wird, mit vier Millionen Euro gefördert.
Es ist eine erstaunlich kleine Palette von Grundchemikalien, aus denen die chemische Industrie von Polymeren bis Pharmazeutika alle Notwendigkeiten und Annehmlichkeiten der modernen Industriegesellschaft befriedigt. Jede einzelne von ihnen, ob Butadien, Xylol oder Toluol, stammt aus Erdöl. Und Erdöl wird knapp: Seit einem halben Jahrhundert schon gehen die jährlichen Ölfunde kontinuierlich zurück. Stattdessen soll Biomasse in Zukunft die Rolle des Schwarzen Goldes übernehmen. Bereits heute gewinnt man aus Pflanzenmaterialien unter anderem Ethanol und Biogas.
Unendliche Vielfalt an Molekülen
Aber viele der heute marktgängigen Biomassekonversionsverfahren sind – im Verlauf der gesamten Bereitstellungskette – hoffnungslos ineffizient; bei einigen Ketten wird beispielsweise nur ein kleiner Teil der insgesamt vorhandenen Biomasse genutzt. Zusätzlich können die Biomasseausgangsmaterialien für bestimmte Verfahren in direkter Konkurrenz stehen mit den Menschen, die diese Pflanzenteile für ihre Ernährung benötigen. Dringend sucht man daher nach Methoden, die gesamte Pflanze und insbesondere organische Abfallstoffströme möglichst effektiv zu verwerten. Großes Vorbild dabei ist die Petrochemie, die über die Jahrzehnte ihre Prozesse perfektioniert hat: Eine moderne Raffinerie macht aus dem hochkomplexen Chemikaliengemisch Rohöl in einer Abfolge von Trennstufen, Reaktoren und Destillationstürmen eine Vielzahl hoch spezialisierter Produkte für die chemische Industrie. Gesucht wird eine Anlage, die das gleiche Kunststück mit Biomasse vollführt – die Bioraffinerie.
Doch die Hindernisse auf diesem Weg sind ungleich größer als beim Vorbild. Zwar war auch Öl einst belebte Materie, aber nach Millionen von Jahren im Gestein ist ein Großteil der Komplexität verloren gegangen. Öl ist kaum mehr als ein Kohlenwasserstoffgemisch, das es zu trennen gilt. Biomasse dagegen enthält nicht nur eine unendlich größere Vielfalt an Molekülen, sondern auch zum Teil sehr komplexe Strukturen, welche die Verwertung zusätzlich erschweren. Deswegen ist Biomasse nicht gleich Biomasse, und statt „der" Bioraffinerie peilen Wissenschaftler verschiedene Typen unterschiedlich komplexer Bioraffinerien an, die jeweils für die Verwertung bestimmter Rohmaterialien wie Holz, Getreide oder Pflanzenöle optimiert sind. Solche Anlagen sollen ganz nach dem Vorbild der Ölraffinerien durch ausgeklügelte Verfahrenstechnik alle Bestandteile des Ausgangsmaterials zu hochwertigen Produkten veredeln.
It also benefits from being a leading biotechnology nation. Many US chemical companies rely on bio-based production processes. The construction of biorefineries and biofuel production are generously promoted. The USA is a heavyweight in the field of green genetic engineering, too: 40% of the global cultivation area of genetically modified crops is located in the USA.
Als studierter Bauingenieur und KIT-Professor ist Thomas Lützkendorf inzwischen ein Experte auf dem Gebiet des ökologischen Bauens. Vor diesem Hintergrund ist er auch als Obmann bei der Normungsorganisation DIN gefragt und arbeitet an der Entwicklung und Erprobung von Nachhaltigkeitsbewertungssystemen intensiv mit. Für sein Engagement auf dem Gebiet des nachhaltigen Bauens wurde er 2016 mit dem Bundesverdienstkreuz ausgezeichnet.
Wie Erdgas besteht Biogas zum Großteil aus Methan. Trotzdem wird bisher nur ein kleiner Teil des in Deutschland erzeugten Biogases in das Erdgas-Leitungsnetz eingespeist. Das liegt vor allem daran, dass Biogas vor der Einspeisung aufwändig gereinigt und verdichtet werden muss. Wissenschaftler der Universität Hohenheim haben diese beiden Hürden jetzt umschifft, indem sie bei der Produktion Bedingungen wie in der Tiefsee simulieren. Die Methanbakterien fühlen sich unter hohem Druck wohl – und stellen das Gas in bester Qualität her. Das Verfahren soll nach Angaben der Forscher bis zu 40 Prozent der Energiekosten einsparen. Im nächsten Schritt soll ein Prototyp der neuen Anlage in Hohenheim entstehen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Hohenheimer Forschung bis Ende 2013 mit 681.000 Euro.
Noch sind sie ein exotischer Anblick: In Deutschland gibt es bisher nur rund 50 Biomethan-Anlagen, die Biogas ins Erdgasnetz einspeisen. Dabei plant die Bundesregierung, bis zum Jahr 2020 etwa sechs Milliarden Kubikmeter Biomethan pro Jahr zu erzeugen und ins Netz zu leiten. Dafür wären etwa 1.500 Anlagen nötig. Das Biogas muss vor der Einleitung nicht nur von Wasser, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid gereinigt, sondern auch in einem separaten Verfahren mit hohem Energieaufwand verdichtet werden. Das alles rechnet sich bisher nur in einigen wenigen großen Betrieben. Der weitaus größte Teil des in Deutschland von mittlerweile mehr als 7.000 Anlagen erzeugten Biogases wird heute am Produktionsort in Blockheizkraftwerken verbrannt, um Wärme und Elektrizität zur Einspeisung in das Stromnetz zu produzieren. Dabei wird die anfallende Wärme häufig nur teilweise genutzt.
Keine Aufbereitung nötig
An der Universität Hohenheim arbeiten Forscher daran, die Einspeisung wirtschaftlicher zu machen. Der Trick: Die Bakterien bauen durch ihre Methanausscheidungen den Druck selbst auf. Damit fallen auch viele unerwünschte Nebenprodukte weg. „Druck und Reinheit werden schon während der Fermentation der Biomasse gewahrleistet und müssen nicht in nachgeschalteten Verfahren technisch aufwändig erzeugt werden", sagt Andreas Lemmer, der das Forschungsprojekt an der Universität Hohenheim leitet.
Das Herzstück der neuen Methode ist ein völlig neuartiger Fermenter, in dem sich die Methanbakterien besonders wohlfühlen. Die Wohnstube der Bakterien entspricht mit einem Druck von zehn bar ihrem natürlichen Lebensmilieu in der Tiefsee. Zu einer der technischen Herausforderungen des neuen Methanreaktors gehört, den Druck exakt konstant zu halten. Dafür entwickeln die Hohenheimer Forscher eine spezielle Steuerungs- und Regelungstechnik. Bald wollen sie einen Prototyp der neuen Anlage bauen.
Investitionsaufwand deutlich geringer
Die Forschungsarbeiten in Hohenheim sind Teil des Verbundvorhabens „Innovative Erzeugung von gasförmigen Brennstoffen aus Biomasse", an dem neben der Universität Hohenheim auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Stuttgart, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), sowie zahlreiche Industriepartner beteiligt sind. Das BMBF fördert den Zusammenschluss im Rahmen der Initiative Bioenergie 2021 mit insgesamt 2,6 Mio. Euro. 618.000 Euro erhält Hohenheim für die Entwicklung des Verfahrens, das die Biogasherstellung und dessen Aufbereitung zu Bioerdgas in einem Verfahren vereinen soll. Die Wissenschaftler schätzen, dass sich bis zu 40 Prozent der Energiekosten einsparen lassen. Zudem ist der Gesamtinvestitionsaufwand deutlich geringer, da keine Extrastufe zur Aufbereitung des Gases notwendig ist. Damit werden die Anlagen auch deutlich kleiner, meinen die Forscher.
Lemmer und seine Kollegen glauben, dass in ihrem Projekt auch ein großes wirtschaftliches Potenzial steckt. „Beim Thema Bioerdgaserzeugung passiert derzeit sehr viel", sagt Lemmer. Einige Firmen haben nach Aussage der Hohenheimer schon angefragt.
Knapp 2,5 Millionen Tonnen Käse wurden 2015 nach Angaben des statistischen Bundesamtes in Deutschland produziert. Mehr als die Hälfte der Produkte wurde exportiert. Damit gehört Deutschland innerhalb der Europäischen Union zu den führenden Käseexporteuren. Doch auch unter den bundesdeutschen Hersteller von Gouda und Co. wächst der Konkurrenzdruck. Neue Geschmacksrichtungen sind gefragt, Produktionsprozesse müssen optimiert werden. Allein die Rohstoffkosten in der Käseproduktion machen 87 Prozent aus.
Mit einer neuen Technologie-Plattform wollen Ernährungsforscher der Universität Hohenheim nun die Ära „Käse 4.0“ vorantreiben. Das neue Verfahren soll vor allem die Schnittkäseproduktion, die einen Marktanteil von 30 Prozent innehat, vereinfachen und für mehr Vielfalt sorgen. „Wir haben für zwei Prozessschritte der traditionellen Käseproduktion einen völlig neuen Ansatz: Wir vereinfachen das langwierige Ausformen und Pressen der Käse und schaffen die Möglichkeit, neue aromagebende Mikroorganismen zu einem späteren Zeitpunkt zuzugeben“, erläutert der Milchwissenschaftler Jörg Hinrichs.
Käseproduktion flexibel gestalten
Mithilfe des Verfahrens sollen Käsehersteller in die Lage versetzt werden, sowohl die Geschmacksrichtung als auch die Form des Milchprodukts ohne zusätzlichen Aufwand flexibel gestalten zu können. Der aufwendigste und kostenintensivste Teil der Käseproduktion liegt danach im Formen und Pressen, wie Hinrichs erläutert. „Nach dem Abtrennen der Molke müssen die Bruchstücke bis zu mehrere Stunden in der Form gepresst werden und wieder zusammenwachsen. Diese Formen müssen zudem aufwändig gereinigt werden“, erklärt Hinrichs.
Extruder bringt Käse schneller in Form
Die Hohenheimer Forscher nutzen hierfür einen sogenannten Extruder. Hierbei werden die einzelnen Käsebruchstücke in einem Schritt unter Druck und Temperatur zu einer Käsemasse wieder zusammengefügt. „Wenn man diese nun kurz in eine vorgegebene Schablone presst, erhält man bereits den Rohkäse mit seiner endgültigen Form – rund, eckig, oval oder auch herzförmig. Das braucht weniger Zeit und Platz – und das ohne Qualitätsverlust“, betont Hinrichs.
Mehr Geschmack durch veränderte Aromainjektion
Für den Geschmack im Käse sorgen Mikroorganismen, die normalerweise gleich am Anfang, noch vor dem Formen und Pressen, mit Milch vermischt werden. Auch hier verfolgen die Forscher einen neuen Ansatz. „Wenn man die aromabildenden Mikroorganismen erst nach dem Ausformen injiziert, könnte man jeden Laib zu einem individuellen Aroma ausreifen lassen“, erklärt Hinrichs. Auf diese Weise könnten nicht nur verschiedene Mikroorganismen schnell getestet, sondern auch Geschmacksrichtungen schneller entwickelt werden.
An dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) bis 2017 geförderten Projekt sind neben Ernährungsforschern auch Mathematiker der Hohenheimer Universität beteiligt. Ihre Aufgabe ist es, mithilfe sogenannter Differentialgleichungen die optimale Stelle im Käse zur Injektion der Mikroorganismen zu finden, damit sich die Aromastoffe während der sechswöchigen Reifung gleichmäßig verteilen.
bb