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Foodstuffs packaging has a variety of functions: The product has to be protected against humidity and oxidation, but also against mechanical stresses. Therefore containers or bags – whether of plastic or paper – are often coated with a special material consisting of several thin layers of different glued plastics to form a durable protection against external influences. To ensure that neither water vapour nor oxygen impair the quality of meat or cheese, up to seven layers are needed. The problem: The adhesives used to keep these layers together, such as polyurethane, are generally mineral oil based and do not make a good barrier against oxygen. Researchers from the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging (Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, IVV) in Freising have now discovered a plant-based alternative – that actually performs better.

The discovery that proteins stick

As part of the 'Barrier adhesive for foodstuffs packaging based on vegetable micelle proteins' joint project, Andreas Stäbler and his team selected residual matter from agriculture as a potential source of raw materials. For it has been known for some time that proteins form effective barriers against oxygen. But the Fraunhofer researchers happened upon their adhesive properties more or less by chance. "Following precipitation of extracted proteins, the technicians who had to clean the apparatus kept complaining how sticky the stuff is," reports project manager Andreas Stäbler. This irritating secondary effect was to prove highly useful, however. The idea of developing a plant-based adhesive with a barrier function was born.

Testing agricultural raw materials as protein sources

The three-year research programme has been supported by the Federal Ministry for Education and Research (Bundesministerium für Bildung und Forschung) with a total of 300,000 euros since 2014 as part of the 'New products for bio-economics' idea competition. In the pilot phase from August 2014 to April 2015 the work was concentrated on testing an existing protein production method on a range of raw materials. After this, the product that was developed could be used as a basis for an initial adhesive formula.

Lupin proteins as forerunners

The starting point for the research work was a method for producing micelle proteins from lupins that had been optimized in previous projects.  This involves sudden dilution of proteins that have been extracted with the aid of a saline solution. "The resulting ionic shock causes a change in the protein structure. It accumulates to spherical aggregates – so-called micelles. This structural refolding is what causes the stickiness," explains Stäbler.

In investigating agricultural residues, the researchers concentrated their attention especially on oil production waste, such as press cakes from sunflower and rapeseed oil production. At the same time, the new precipitation method was tested on bitter lupins. As a result, however, the researchers found that the protein production method could not be applied as effectively on other raw materials without modification. Thus the sunflower and rapeseed press cakes produced considerably lower yields than the lupins at first. In the meantime, the researchers believe they have found the reason for this. "We think the differing results from the extraction process can be put down to the amino acid structures specific to the raw materials, which lead to individual spatial arrangement patterns," explains project participant and bio-engineer Daniela von der Haar.

Increased micelle yield for rapeseed and sunflowers

"We are now able to achieve high quantities of micelle proteins from rapeseed and sunflower press cakes as well," says project manager Andreas Stäbler. So it proved to be possible to adapt the production process to cater for various raw materials as early as the current feasibility study.

Improving the adhesive properties of the lupin

Regarding the adhesive formula, there is still some work to be done. For instance, the micelle proteins from lupins showed good oxygen barrier values, but their adhesive effect was not as good as that of mineral oil based polyurethane systems. The researchers are now concentrating their efforts on improving the adhesive effect. In this respect, softeners such as glycerine or sorbitol show some promise. "By now we have been able to achieve a very good bond between paper and plastic. So far, though, when it comes to sticking plastic to plastic the residual water does not dry off sufficiently – we need to optimize this more," reports Stäbler.

The researchers hope that by the end of the two-year feasibility study in the coming year they will have solved this problem as well. "We have a functioning water-based system. But in the end we want to develop an adhesive system that can be used in other packaging systems as well," says von der Haar. To this end, the Fraunhofer team is working together with the Technical University of Munich and the Detmold adhesives manufacturer Jowat SE.

Reducing adhesive layers and costs

As well as the participating adhesives manufacturer from Detmold, other companies in that sector as well as firms from the packaging and film treatment industry are showing interest in the plant-based barrier adhesive. But the bio-adhesive would be suitable for more than just the protection of foodstuffs.  It would also provide a natural means of protecting electronic components from oxidation. "We want to combine the properties of barrier adhesive, bonding agent and oxygen barrier in a single material. This would allow us to reduce the number of layers needed from currently seven to three, namely paper, barrier adhesive and plastic layers. That would amount to cost savings of up to 40 percent," explains Andreas Stäbler.

Author: Beatrix Boldt

Um die Bioökonomie dauerhaft als zukünftige Wirtschaftsform zu etablieren, müssen nicht nur technologische Innovationen entwickelt werden, sondern auch geeignete Voraussetzungen auf politischer, wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Ebene geschaffen werden. Dieser Anforderung widmet sich der Förderschwerpunkt „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“.  In der ihm zugehörigen Fördermaßnahme „Neue Formate der Kommunikation und Partizipation in der Bioökonomie“ geht es darum, die Gesellschaft aktiv in die Gestaltung der Bioökonomie miteinzubeziehen und sich somit noch stärker mit den aus gesellschaftlicher Perspektive als relevant betrachteten Aspekten der Bioökonomie auseinanderzusetzen.

Es sollen neuartige Formate, Instrumente und Methoden entwickelt und erprobt werden, die dazu beitragen, eine fundierte öffentliche Debatte über die Ziele und die Ausgestaltung der Bioökonomie zu fördern und damit möglichst breite Teile der Gesellschaft stärker einzubinden und/oder bürgerschaftliches Engagement zu stärken. Eine besondere Herausforderung liegt dabei im Umgang mit der Vielschichtigkeit, der Abstraktheit, der Offenheit der Entwicklung und dem teilweise kontroversen Charakter der Bioökonomie. Die durchgeführten Maßnahmen sollen gleichzeitig wissenschaftlich evaluiert werden, um zusätzlich – auch in andere Themenbereiche übertragbares – Wissen bezüglich der Erfolgsfaktoren von innovativen Kommunikations- und Partizipationskonzepten zu generieren.

Um ein möglichst breites – und interdisziplinäres – Spektrum von Sichtweisen aufzugreifen, sollten sich dazu Akteure aus unterschiedlichen Tätigkeitsfeldern zu Verbünden zusammenschließen. Idealerweise sollten WissenschaftlerInnen (bspw. aus den Sozial-, Politik-, Geistes-, Wirtschafts- und/oder Naturwissenschaften) mit VertreterInnen der organisierten Öffentlichkeit (bspw. Verbänden, NGOs) und AkteurInnen mit besonderen Vermittlungs- bzw. Kommunikationskompetenzen (bspw. aus den Bereichen Medien, Ausstellungswesen, Kunst/Design) zusammenarbeiten.

Italy is the second most important industrial country in the EU after Germany. The north is mainly industrialised, the south predominantly agricultural. The food sector, with its typical offerings such as olive oil, wine and pasta, is regarded as a supporting pillar of the country's economy. However, chemical exports contribute much toward its economic power. Therefore, future opportunities for the bioeconomy exist in the chemical industry in particular. To this end, the companies already modify former petrochemical plants. Italy does not have a national bioeconomy strategy. Rather, developments in this field are driven by industry.

Innovationen sind der Treiber auf dem Weg in eine biobasierte Wirtschaft. Ideen gibt es viele, doch nicht immer finden kreative Köpfe auch die passenden Partner in Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft, um diese auch umsetzen zu können. Mit dem neuen Förderkonzept „Innovationsräume Bioökonomie“ will das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) den Strukturwandel von einer erdölbasierten hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft beschleunigen.

Innovationsbündnisse zur Bioökonomie schmieden

Im Rahmen eines Wettbewerbs werden Innovationsbündnisse gesucht, in denen Partner aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft Ideen für die Bioökonomie branchenübergreifend entwickeln und umsetzen. Innovationsraum-Konzepten, die in einem mehrstufigen Auswahlprozess punkten können, winkt ein Förderbudget von bis zu 20 Millionen Euro über fünf Jahre. Der Umfang der Förderung hängt jedoch von der Höhe der von den Projektpartnern aus der Privatwirtschaft aufgewendeten Mitteln ab.

Mit dem neu aufgelegten Förderformat soll eine Innovationskultur geschafften werden, die neue Formen der Zusammenarbeit auf dem Feld der biobasierten Wirtschaft definiert, gestaltet und aufgebaut. Die „Innovationsräume“ sollen allen Akteuren Freiräume schaffen, um Ideen und Vorhaben leichter anzukurbeln und umzusetzen. Hier könnten Partner von Hochschulen und Universitäten leichter mit Vertretern der Wirtschaft in Kontakt treten, um Ideen zu präsentieren. Im Gegenzug erhalten Unternehmen die Chance, frühzeitig einen Einblick in neue wissenschaftlich-technologische Entwicklungen zu nehmen.

Allianzen thematisch offen

Die Einbindung von Mittelstand und Großindustrie spielt in dieser neuen Innovationskultur eine entscheidende Rolle. „Denn für einen Wandel zur biobasierten Wirtschaft müsse die Bioökonomie eine breitere Palette von Verfahren, Produkten und Dienstleistungen entwickeln und Unterstützer und Anwender derselben finden“, heißt es im Ausschreibungstext der Fördermaßnahme. Eine Besonderheit: Thematisch gibt es für die Innovationsräume keine Vorgaben. Inhaltliche Leitplanken sind allenfalls die Handlungsfelder der "Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030", das Konzept "Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel" und der "Wegweiser Bioökonomie".

Mit dem Wettbewerb „Innovationsräume Bioökonomie“ werden die besten Ideen ausgewählt und gefördert. Der Weg zur Förderung umfasst mehrere Schritte:

  • Die Ideen müssen zunächst nur kurz skizziert werden (Skizzenphase)
  • Erst in der nächsten Phase erfolgt eine detaillierte Ausarbeitung der Konzeptideen (Konzeptionsphase)
  • In der zweiten Phase der Förderung werden von den Partnern des Innovationsraums bis zu fünf Jahre lang Forschungs- und Entwicklungsvorhaben durchgeführt (Umsetzungsphase)

Bis zu 20 Mio. Euro Förderbudget

In der Umsetzungsphase stehen je Innovationsraum bis zu 20 Mio. Euro zur Verfügung. Die Einzel- oder Verbundprojekte können dabei über einen Zeitraum von fünf Jahren gefördert werden. Projekte von Hochschulen und Forschungseinrichtungen werden mit bis zu 100 Prozent, die von Unternehmen bis zu 50 Prozent von BMBF gefördert. Die unternehmerische Förderung ist jedoch an einen Eigenanteil von mindestens 50 Prozent der Kosten gebunden. In diesem Fall werden für jeden Euro Eigenmittel Fördergelder in Höhe von 1,50 Euro gewährt.

Mit der Administration der Fördermaßnahme „Innovationsräume Bioökonomie“ hat das BMBF den Projektträger Jülich (PtJ) betraut. Projektskizzen können bis zum 17. Februar 2017 beim Projektträger Jülich eingereicht werden.

Leichte Fahrzeuge, die im Verbrauch sparsam sind und so die Umwelt weniger belasten – so sollen die Autos der Zukunft aussehen. In der Autostadt Wolfsburg wurde jetzt der Grundstein für die übernächste Generation der Fahrzeugtechnik gelegt. Im Beisein von Bundesforschungsministerin Johanna Wanka wurde in Nähe des VW-Stammsitzes der LeichtbauCampus Open Hybrid LabFactory eingeweiht. Die Forschungsfabrik ist ein Aushängeschild privat-öffentlicher Investitionen. Rund 60 Mio. Euro haben das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Land Niedersachsen, die Stadt Wolfsburg sowie die Industriepartnern, allen voran die Volkswagen AG, bisher in Bau und Ausstattung des viergeschossigen Neubaus in der Hermann-Münch-Straße investiert.

200 Mio. Euro für die Leichtbauforschung

Der erste Spatenstich erfolgte im Dezember 2014. Auf knapp 5.200 Quadratmetern entstanden nun für knapp 200 Mitarbeiter und 150 Studenten neue Büros, Labore und ein Technikum. In den kommenden 15 Jahren sollen weitere 200 Mio. Euro in Forschungsprojekte am Leichtbaucampus fließen. 30 Mio. Euro stellt dabei das BMBF im Rahmen der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“ bereit. „Die Forschungsfabrik ist das weit über Wolfsburg hinaus beachtete Ergebnis einer fruchtbaren Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft. Hier wird das Auto der Zukunft entwickelt“, äußerte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei der feierlichen Eröffnung am 22. September in Wolfsburg. Die Forschungsfabrik ermögliche, neue Produkte, Verfahren und Dienstleistungen schneller umzusetzen, so Wanka weiter.

Kompetenzen bündeln

Der LeichtbauCampus demonstriert eine neue Art der Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft. Hier werden Experten aus Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industrie gleichberechtigt zusammenarbeiten und ihre Kompetenzen auf dem Feld der Leichtbauforschung bündeln. Unter der Federführung des Niedersächsischen Forschungszentrums für Fahrzeugtechnik der TU Braunschweig werden neben Volkswagen, die Fraunhofer-Gesellschaft, sowie sieben weitere international tätige Unternehmen und zahlreiche Projektmitglieder unter dem Dach zusammenarbeiten. In der Open Hybrid LabFactory sollen Schlüsseltechnologien für Fahrzeugkarossen und Antriebsysteme der neuen Autogeneration entstehen, die auch kostengünstig in größeren Stückzahlen produziert werden können. „Dieser Campus soll Maßstäbe setzen bei der Entwicklung von emissionsärmeren, sicheren und gleichzeitig kostengünstigeren Fahrzeugen. Er soll wegweisend sein für die Forschung auf dem Gebiet des automobilen Leichtbaus“, erklärte der Vorstandsvorsitzende der Volkswagen AG, Matthias Müller.

Auf dem Weg zur nachhaltigen Automobilindustrie

Bisherige Leichtbaulösungen sind noch teuer und ineffizient in der Ressourcennutzung und daher noch ein Nischenprodukt. Der neu eröffnete Forschungscampus soll das ändern. Dafür wollen die Partner auch die so genannte Hybridbauweise weiter vorantreiben. Dabei soll die gesamte Wertschöpfungskette für hybride Bauteile abgebildet, von der Konzeption über die Herstellung, den Fertigungsprozessen bis hin zum Recycling abgebildet werden. Ziel ist es, verschiedene Werkstoffe wie Metall, Kunststoff und textile Strukturen möglichst zu leichten Bauteilen zusammenzufügen, so dass die neuen Konstruktionen auch in Punkto Sicherheit und Leistung mit den konventionellen Autos mithalten können. „Leichter und dennoch sicher – das sind wichtige Parameter auf dem Weg zu einer nachhaltigen Automobilindustrie“, betonte auch Niedersachsens Ministerpräsident Stephan Weil.

Unter dem Dach der Forschungsfabrik werden gleich drei Fraunhofer-Einrichtungen- das Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und das Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, ihre Kompetenzen im Bereich Leichtbau und Elektromobilität einbringen. Von der gebündelten Kompetenz sollen auch Studenten und Nachwuchsforscher profitieren.

bb

Bioökonomie.de ist eine Internetseite auf Initiative
des Bundes-Ministeriums für Bildung und Forschung.

Die Abkürzung für Bundes-Ministerium für Bildung und Forschung ist BMBF.

Ein Bundes-Ministerium ist eine Behörde.
Das ist eine Einrichtung vom Staat. Sie ist dafür zuständig,
dass bestimmte Aufgaben für die Bürgerinnen und Bürger erledigt werden.

Es gibt viele verschiedene Bundes-Ministerien, die sich um verschiedene Bereiche kümmern.
Das Bundes-Ministerium für Bildung und Forschung kümmert sich um die Bereiche Bildung und Forschung in Deutschland.

Das BMBF kümmert sich um verschiedene Themen.
Die Bioökonomie ist ein Thema vom BMBF.

Bei bioökonomie.de geht es um „Bio-Ökonomie“.

Bio heißt:
Es geht um die Natur und die Umwelt

Ökonomie heißt:
Alles, was Menschen mit Geld machen.
Es geht darum, Produkte anzubieten und kaufen zu können.

Bio-Ökonomie heißt:
Ich kann die Natur und die Umwelt nutzen
und achte gleichzeitig darauf, mit Natur und Umwelt nachhaltig umzugehen.

  • Dafür müssen wir Kohle und Öl ersetzen.
  • Wir müssen Dinge besser gebrauchen und sparsamer sein.
  • Und wir brauchen nachhaltige Innovationen wie Werkstoffe und Verfahren.

Nachhaltig heißt:
Wenn wir etwas aus der Natur nehmen,
müssen wir der Natur wieder etwas geben.
Wir müssen dafür sorgen, dass es nachwachsen kann.

Zum Beispiel:

  • Wir nutzen das Holz aus dem Wald.
  • Wir fällen Bäume und pflanzen dafür neue Bäume an.


Innovationen sind neue Produkte oder Dinge,
mit denen man etwas verändert, etwas moderner macht oder etwas neu macht.

Zum Beispiel:

  • Das Handy ist eine Innovation. Es wurde neu erfunden.
  • Und es wird immer verändert und moderner gemacht

Werkstoffe sind Dinge, mit denen man etwas bauen
oder etwas herstellen kann.

Zum Beispiel:

  • Das kann Plastik sein, das sich selbst zersetzt.
  • Das kann Kraftstoff für Autos aus Pflanzen sein.

Verfahren sind Methoden mit denen neue Dinge hergestellt werden.

[Langtext]

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In der Studie wurde untersucht, inwieweit die Eishersteller beim Einsatz von Pflanzenölen und -fetten auf Nachhaltigkeitskriterien setzen. Hauptaugenmerk lag auf Kokosöl, eines der beliebten Ersatzöle für Palmöl.

Befragt wurden die größten Eisproduzenten mit Produktion oder Hauptsitz in Deutschland sowie die Top 5 des Lebensmitteleinzelhandels mit ihren Handels- bzw. Eigenmarken für Speiseeis.

Zwölf von 17 Unternehmen gaben Auskunft. Einige Hersteller haben das im Fokus der öffentlichen Debatte stehende Palmöl durch Kokosnussöl ersetzt. Bei den meisten Befragten fehlt jedoch eine Substitutionsstrategie, die ökologische und soziale Kriterien berücksichtigt.

Palmöl benötigt deutlich weniger Anbaufläche als Kokosöl, da der Ertrag der Ölpalme mit durchschnittlich etwa 3,8 Tonnen Öl pro Hektar weit über dem von Kokosöl (0,7 Tonnen Öl pro Hektar) liegt, teilt der WWF mit. Um einen Stopp der Regenwaldrodungen zu erwirken, fordert die Organisation daher ein Lieferkettengesetz, das Unternehmen dazu verpflichtet, Umweltstandards und Menschenrechte in ihren Produktionsketten zu achten.

Escherichia coli, Bacillus subtilis oder Saccharomyces cerevisiae – die Namen mancher industriell genutzten Mikroorganismen sind selbst Laien schon einmal begegnet. Doch diese Arbeitspferde der industriellen Biotechnologie verbindet, dass sie eher milde Wachstums- beziehungsweise Reaktionsbedingungen bevorzugen. Für Prozesse oder Produkte, die erhöhte Temperaturen oder besondere pH-Werte erfordern, sind sie meist ungeeignet. Anders ist das bei sogenannten thermoacidophilen Archaeen, zu denen auch Sulfolobus acidocaldarius gehört. Bei 75 bis 80° C und in sauren Milieus fühlen sie sich erst richtig wohl.

Einfach zu kultivieren

Dass Archaeen bislang dennoch nur vereinzelt für Industrieprozesse genutzt werden, liegt unter anderem daran, dass grundlegende Kenntnisse des Stoffwechsels beziehungsweise der Physiologie sowie die genetischen Werkzeuge, um diese Mikroorganismen zu bearbeiten und zu optimieren, in der Regel fehlen. Das Projekt „HotAcidFACTORY“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Programm „Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie − Neuartige Plattformorganismen für innovative Produkte und nachhaltige Bioprozesse“ von 1.2.2020 bis 31.1.2023 mit 2,2 Mio. Euro gefördert wird, ist angetreten, das zu ändern. Beteiligt sind neben der federführenden Universität Duisburg-Essen die Universitäten Freiburg und Bielefeld sowie die TU Wien.

Bettina Siebers, Mikrobiologin der Universität Duisburg-Essen, arbeitet schon lange mit Archaeen und hat für das Projekt sofort an S. acidocaldarius gedacht. Der Mikroorganismus lässt sich recht einfach auf Komplex- oder Minimalmedien unter aeroben Bedingungen in einem Schüttler bei hoher Temperatur kultivieren. Siebers‘ Arbeitsgruppe hat in den vergangenen Jahren schon manches über den Stoffwechsel der Archaee herausgefunden. Das neue Projekt will dieses Wissen weiter vergrößern und vertiefen, um den komplexen Kohlenhydratstoffwechsel praktisch zu entschlüsseln.

Genetische Werkzeuge etablieren

Auch Methoden, um den Einzeller genetisch zu verändern, hat das Team schon vor Projektbeginn entwickelt. „Bislang haben wir dafür aber nur ein kleines Repertoire“, schildert die Projektkoordinatorin, „jetzt wollen wir das genetische System verbessern und auch CRISPR-Cas etablieren.“ Mit der als Genschere bezeichneten Methode der Genom-Editierung ließen sich Änderungen an einzelnen Genen schnell und verlässlich durchführen.

Die genetischen Methoden sind jedoch nur das eine. Vor allem wird die Frage spannend sein, ob S. acidocaldarius sowohl mit CO2 als auch mit Rohglycerin als Nährstoff wachsen kann. Letzteres fällt beispielsweise bei der Herstellung von Biodiesel an, enthält oft aber toxische Verunreinigungen, die das Wachstum von Mikroorganismen hemmen. Weil das Archaeon natürlicherweise mit recht widrigen Bedingungen zurechtkommt, hoffen die Forscher, dass das auch hier der Fall sein könnte.

Punktmutation reaktiviert Glycerinstoffwechsel

„Wir wussten, dass unser Mikroorganismus auf Fettsäuren und Lipiden wächst, und da beim Lipidabbau Glycerin als Kopfgruppe entsteht, lag die Frage nahe, ob er auch Glycerin nutzen kann.“ Einen Monat lang ließen die Forscher die Archaeen auf reinem Glycerin wachsen – und dann auf einmal geschah es: Die Einzeller ernährten sich von Glycerin. „Die Rückmutation einer Punktmutation in einem für den Abbau wichtigen Gen war entscheidend“, fasst Siebers das Ergebnis der genetischen Analysen zusammen. „Punktmutationen können sich bei Genen aus nicht benötigten Stoffwechselwegen anhäufen, da diese bei der Anzucht auf komplexen Medien nicht benötigt werden beziehungsweise nicht essenziell sind.“ Inzwischen sind sie und ihr Team recht weit dabei vorangekommen, auch die zugrundeliegenden Stoffwechselwege des Glycerinabbaus aufzuklären. „Dabei gehört für uns immer auch dazu, die beteiligten Enzyme zu charakterisieren“, betont die Mikrobiologin.

Schwieriger gestaltet sich die Situation beim Kohlendioxid. Der Literatur zufolge sollte S. acidocaldarius das Gas verstoffwechseln können. „In der Praxis hat das aber schon lange kein Labor mehr beobachtet“, berichtet Siebers. Allerdings gibt es einen nah verwandten Stamm, der die Fähigkeit nachweislich besitzt. „Es kursiert deshalb das Gerücht, dass irgendwann einmal die Stämme verwechselt worden sind oder keine Reinkultur verwendet wurde“, erzählt die Mikrobiologin. Deshalb wird im Projekt zunächst analysiert, welche Enzyme das Archaeon besitzt, die für die CO2-Fixierung notwendig sind, und „was noch fehlt, um mittels Metabolic Engineering die CO2-Fixierung zu etablieren“.

Viele Ideen für den industriellen Einsatz

Was genau S. acidocaldarius später einmal produzieren könnte, steht nicht im Fokus des Forschungsprojekts. Denkbar wären eine Reihe von Enzymen, denn so mancher Prozess erfordert heiße oder saure Prozessbedingungen – beispielsweise die Lignocellulose-Aufbereitung. Was heute einige physikochemische und enzymatische Vorbehandlung erfordert, bevor Mikroorganismen schließlich aktiv werden können, könnte mit dem thermoacidophilen Archaeon und extremophilen Enzymen als wirtschaftlich attraktive Ein-Topf-Reaktion funktionieren. Und auch in Prozessen, bei denen Bioalkohole oder flüchtige Verbindungen entstehen, könnte die Mikrobe attraktiv sein: Die für viele Organismen toxischen Chemikalien verdampfen in einem bei 80° C geführten Prozess und könnten so leicht entfernt werden. Zudem kann auf den Einsatz von Antibiotika bei der Kultivierung verzichtet werden, da verunreinigende Organismen unter diesen extremen Bedingungen nicht wachsen.

Ob alle Ziele des Projekts innerhalb der Laufzeit erreicht werden können, ist nicht zuletzt durch die Arbeitsbedingungen in der Pandemiesituation fraglich. Ideen für die Zukunft hat Siebers dennoch schon genug: „Man könnte zum Beispiel auch Bioalkohole oder Säuren mit unserem Mikroorganismus produzieren“, erwartet Siebers mit Blick auf die Eigenschaften des Archaeons. Und auch eine kontinuierliche Prozessführung mit S. acidocaldarius scheint in Sichtweite zu sein: Der österreichische Projektpartner an der TU Wien hat schon einige Erfolge darin erzielt, eine entsprechend hohe Zelldichte in industriell relevantem Maßstab zu entwickeln. Denn am Ende der vielen Forschungsarbeit soll schließlich eine neuartige mikrobielle Biofabrik stehen.

Autor: Björn Lohmann

Escherichia coli, Bacillus subtilis oder Saccharomyces cerevisiae – the names of some industrially used microorganisms have been encountered even by laymen. What these three have in common is that they prefer rather mild growth or reaction conditions. They are usually unsuitable for processes or products that require elevated temperatures or special pH values. The situation is different with so-called thermoacidophilic archaeae, to which Sulfolobus acidocaldarius belongs. They only really feel comfortable at 75 to 80°C and in acidic environments.

Easy to cultivate

The fact that archaeae have so far only been used sporadically for industrial processes is partly due to the fact that fundamental knowledge of metabolism or physiology as well as the genetic tools to process and optimize these microorganisms are generally lacking. The project "HotAcidFACTORY", which is funded by the Federal Ministry of Education and Research with 2.2 million euros from February 1, 2020 to January 31, 2023 as part of the program "Microbial Biomaterials for the Industrial Bioeconomy - Novel Platform Organisms for Innovative Products and Sustainable Bioprocesses", has set out to change this. Next to the leading University of Duisburg-Essen, the Universities of Freiburg and Bielefeld and the Vienna University of Technology are involved.

Bettina Siebers, microbiologist at the University of Duisburg-Essen, has been working with archaeae for a long time and immediately thought of S. acidocaldarius for the project. The microorganism can be cultivated quite easily on complex or minimal media under aerobic conditions in a shaker at high temperature. Siebers' research group has already discovered a lot about the metabolism of the archaeaon in recent years. The new project aims to further expand and deepen this knowledge in order to decipher the complex carbohydrate metabolism in a practical way.

Establishing genetic tools

The team has also developed methods to genetically modify the unicellular organism even before the project started. "So far, however, we only have a small repertoire for this," says the project coordinator, "now we want to improve the genetic system and also establish CRISPR-Cas. With the method of genome editing, known as gene scissors, changes to individual genes could be made quickly and reliably.

However, genetic methods are only one thing. Above all, the question of whether S. acidocaldarius can grow with CO2 as well as with raw glycerine as a nutrient will be exciting. The latter is produced, for example, in the production of biodiesel, but often contains toxic impurities that inhibit the growth of microorganisms. Because the archaeon naturally copes with quite adverse conditions, the researchers hope that this could also be the case here.

Point mutation reactivates glycerol metabolism

"We knew that our microorganism grows on fatty acids and lipids, and since the lipid breakdown process produces glycerol as a head group, the question of whether it can also use glycerol was obvious. For one month, the researchers allowed the archaeae to grow on pure glycerine - and then it happened: The unicellular organisms fed on glycerine. "The reverse mutation of a point mutation in a gene that is important for degradation was crucial," says Siebers, summarizing the results of the genetic analyses. "Point mutations can accumulate in genes from unneeded metabolic pathways, since these are not needed when growing on complex media.” In the meantime, she and her team have made considerable progress in elucidating the underlying metabolic pathways of glycerol degradation. "For us, this always includes characterizing the enzymes involved," the microbiologist emphasizes.

The situation is more difficult with carbon dioxide. According to the literature S. acidocaldarius should be able to metabolize the gas. "In practice, however, no laboratory has observed this for a long time," reports Siebers. However, there is a closely related strain that has been proven to have the ability. "There is a rumor that at some point in time the strains were mixed up or that no pure culture was used," the microbiologist says. For this reason, the project will first analyze which enzymes the archaeon possesses that are necessary for CO2 fixation and "what is still missing to establish CO2 fixation by means of metabolic engineering".

Many ideas for industrial use

What exactly S. acidocaldarius might produce later is not the focus of the research project. A number of enzymes would be conceivable, since many processes require hot or acidic process conditions - for example, lignocellulose preparation. What today requires some physicochemical and enzymatic pretreatment before microorganisms can finally become active could function as an economically attractive one-pot reaction with the thermoacidophilic archaeon and extremophilic enzymes. And the microbe could also be attractive in processes that produce bioalcohols or volatile compounds: The chemicals, which are toxic to many organisms, evaporate in a process carried out at 80°C and could thus be easily removed. In addition, the use of antibiotics during cultivation can be dispensed with, since contaminating organisms do not grow under these extreme conditions.

Whether all project goals can be achieved within the project period is questionable, not least because of the working conditions in the pandemic situation. Nevertheless, Siebers already has enough ideas for the future: "For example, we could also produce bioalcohols or acids with our microorganism," expects Siebers with regard to the properties of the archaeon. And continuous process management with S. acidocaldarius also seems to be in sight: The Austrian project partner at the Vienna University of Technology has already achieved some success in developing a correspondingly high cell density on an industrially relevant scale. Because at the end of the research project, a new type of microbial biofactory is to be developed.

Author: Björn Lohmann

Plastikreste gelangen mehr und mehr in unsere Ackerböden. Vielfach durch untergepflügte Folien aus dem Obst- und Gemüseanbau oder durch achtlos weggeworfenen Müll. Eine weitere Quelle sind Klärschlamm und Kompost, die in der Landwirtschaft als Dünger dienen. Diese enthalten zum Beispiel Mikroplastik aus Kosmetika, Reinigungsmitteln und Faserabrieb, der beim Waschen von synthetischen Textilien entsteht. Hinzu kommt der Reifenabrieb von Fahrzeugen. Von Mikroplastik spricht man, wenn die Teilchen kleiner als fünf Millimeter sind.

„Das Mikroplastik im Boden müssen wir heute als einen Faktor des globalen Wandels begreifen“, beschreibt Matthias Rillig, der das Forschungsprojekt µPlastic leitet. Lange Zeit habe man das Thema lediglich vom Blickwinkel der Ökotoxikologie angegangen. Dabei steht die Frage im Zentrum, wie giftig ein Stoff etwa für eine bestimmte Pflanze ist. Doch um Schaden für die Umwelt und die menschliche Gesundheit abzuwenden, müssen sehr viel komplexere Zusammenhänge erforscht werden.

Bodenstruktur beeinflusst Pflanzenwachstum

Projektleiter Rillig erklärt in einem jüngst erschienenen Artikel der renommierten Fachzeitschrift Science, inwiefern sich Mikroplastik von andern Umweltverschmutzungen unterscheidet. Plastik in Reinform ist im direkten, im chemischen Sinne, nicht besonders giftig. Allerdings können Zusatzstoffe wie etwa Weichmacher negative Auswirkungen haben. Doch Mikroplastik verändert über physikalische Parameter die Böden, insbesondere die Größe und Form der Erdkrümel. „Die Bodenstruktur beeinflusst alles“, betont der Professor für Ökologie der Pflanzen an der Freien Universität Berlin, insbesondere auch im Hinblick auf die Landwirtschaft.

Es gibt Hinweise darauf, wie Mikroplastik Bodenprozesse oder Bodenbewohner wie zum Beispiel Regenwürmer beeinflusst. Nahezu unbekannt ist allerdings der Einfluss auf die sogenannte Rhizosphäre, dem Lebensraum rund um eine Pflanzenwurzel mit seinen vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Boden, Wurzel und Bodenlebewesen. Die enorm umfang- und artenreiche Lebenswelt umfasst Bakterien, Pilze, Rädertierchen, Fadenwürmer, Asseln, Springschwänze und vieles andere mehr. In unmittelbarer Nähe der Wurzel unterscheidet sich vor allem die mikrobielle Flora vom umliegenden Boden. Ein einziges Gramm Erde aus der Rhizosphäre enthält rund eine Milliarde Bakterien. Die verschiedenen Bakterienarten beeinflussen direkt Wachstum und Gesundheit der Pflanzen.

Der mikrobiell hoch aktive Wurzel-Lebensraum steht im Fokus des Projektes µPlastic, das vom Bundesforschungsministerium seit Beginn des Jahres gefördert wird. „Das Projekt zielt darauf ab, diesen blinden Fleck anzugehen, indem wir ein grundlegendes Konzept von Auswirkungen auf Rhizosphärenfunktionen und -interaktionen testen“, lautet die Beschreibung. Das Verbundprojekt µPlastic – Verständnis der Effekte von Mikroplastik auf Rhizosphärenprozesse und -wechselwirkungen in landwirtschaftlichen Böden – ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme „Pflanzenwurzeln und Bodenökosysteme: Bedeutung der Rhizosphäre für die Bioökonomie (Rhizo4Bio)“. Es erstreckt sich von 2020 bis 2024 und wird vom Bundesforschungsministerium mit rund 1,1 Mio. Euro gefördert.

Im Rahmen des Projekts Innoredux, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), startete das Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) eine Online-Umfrage zum Thema Verpackungsmüll. Ziel war herauszufinden, inwiefern ein Verzicht auf Verpackungen akzeptiert wird und welches Potenzial unverpackte Produkte haben.

Mehr als tausend Freiwillige haben an der nicht repräsentativen Befragung teilgenommen. Fast alle Teilnehmer sind der Meinung, dass bei vielen Produkten weniger Verpackungsmaterial ausreichen würde. Die Mehrheit fühlt sich zudem unzureichend über die Produktverpackungen informiert.

Die Befragten (99%) sind sich einig, dass viele Produkte mit weniger Verpackungsmaterial auskommen würden. 80 Prozent erklärten, auf den Kauf von Produkten mit starkem Verpackungsaufkommen zu verzichten. Viele wünschen sich von Unternehmen mehr Informationen über Art, Menge und Recyclingfähigkeit der anfallenden Verpackungen. 97 Prozent befürworten zudem Abteilungen mit unverpackten Lebensmitteln in Geschäften, wobei Unverpackt-Läden wegen der großen Entfernung, einer geringen Produktauswahl und hohen Preisen oft noch gemieden werden.

 

 

As part of the Innoredux project, which is funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), the Institute for Ecological Economy Research (IÖW) launched an online survey on packaging waste. The aim was to find out to what extent it is accepted to abstain packaging and what potential unpackaged products have.

More than a thousand volunteers took part in the non-representative survey. Almost all participants thought that for many products less packaging material would be sufficient. The majority also consider themselves insufficiently informed about product packaging.

The respondents (99%) agree that many products would require less packaging material. 80 percent declared that they would avoid buying products with heavy packaging. Many would like companies to provide more information about the type, quantity and recyclability of the packaging they use. 97 percent also approve of departments with unpackaged food in stores, although unpackaged stores are often avoided due to the long distance, a limited product selection and high prices.

Der Kohleausstieg ist beschlossen. Für Regionen wie das Rheinland heißt es nun umdenken und neue Perspektiven schaffen. Mit dem Ziel, weg von Braunkohle, hin zu einer biobasierten Zukunft, wurde vor einem Jahr das BioökonomieREVIER Rheinland gegründet, das vom Bundesforschungsministerium über das Sofortprogramm „Strukturwandel" mit mehreren Millionen Euro gefördert wird. Koordiniert wird das ambitionierte Vorhaben vom Leiter des Instituts für Pflanzenwissenschaften am Forschungszentrum Jülich, Ulrich Schurr. Der promovierte Biologe ist überzeugt, dass das einstige Kohlerevier die besten Voraussetzungen hat, um das Rheinische Revier zu einer Modellregion für eine nachhaltige Bioökonomie zu machen. Um Forschungsansätze schneller in die Wirtschaft zu bringen, wurden erst kürzlich 15 Innovationslabore eingerichtet.