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Kunststoffe verschmutzen nicht nur die Gewässer und das Land. Die winzigen Nano- und Mikroplastikpartikel (NMP) werden auch zunehmend für die Ökosysteme zu einer Gefahr. Welche negativen Folgen Mikroplastik für die marinen Ökosysteme und einzelne Meeresbewohner hat, ist bereits durch zahlreiche Studien belegt. Welche Folgen die Verschmutzung auf Agrarökosysteme hat, ist hingegen wenig untersucht. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Universität Tübingen sowie chinesischer Forschender liefert dazu nun erstmals Daten.

Folgen der Plastikverschmutzung für Insekten und Landwirtschaft

Im Rahmen einer sogenannten Übersichtsstudie hat das Forschungsteam insgesamt 21 bereits veröffentlichte Einzeluntersuchungen zusammengefasst. Dabei konzentrierten sich die Forschenden darauf, wie Bestäuberinsekten und andere Nützlinge mit den Nano- und Mikroplastikpartikeln in Kontakt kommen und welche Folgen die Plastikaufnahme für Insekten sowie für die von ihnen abhängigen Ökosysteme und die landwirtschaftliche Produktion hat.

Wie das Team in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichtet, konnten verschiedene Quellen identifiziert werden, die zur Plastikverschmutzung beitragen. Dazu zählen unter anderem Plastikfolien, Düngemittel, verschmutztes Wasser, aber auch atmosphärische Ablagerungen – also Partikel, die über die Luft verbreitet werden.

Bestäuberleistung der Bienen und Ertrag gefährdet

Das Problem: Die Plastikpartikel reichern sich in den Böden an und werden dann von Bestäubern und Nutzinsekten, die wichtige Gehilfen bei der Schädlingsbekämpfung sind, über die Luft und die Nahrung aufgenommen oder sogar im Nestbau verwendet. Den Forschenden zufolge kann die Aufnahme der NMP bei Bienen beispielsweise zu Verdauungsproblemen und Verhaltensänderungen führen und das Immunsystem schwächen. Dadurch würden die Bienen beispielsweise anfälliger für Krankheiten und könnten Pflanzen möglicherweise weniger effektiv bestäuben, schreiben die Forschenden.

„Wir finden Mikroplastik im Darm von Bienen und sehen, wie Wildbienen Plastik zum Nestbau nutzen. Wir müssen daher dringend erforschen, welche Wechselwirkung dies mit anderen Stressoren, wie dem Klimawandel, für die Bienen und ihre Bestäubungsleistungen hat“, sagt Alexandra-Maria Klein, Ko-Autorin der Studie und Professorin für Naturschutz und Landschaftsökologie an der Universität Freiburg.

Wenn die natürlichen Bestäuber kränkeln oder gar ganz ausfallen, hätte das fatale Folgen für die landwirtschaftliche Produktion. „Eine sinkende Bestäubungsleistung wirkt sich nachteilig auf den Ertrag von Nutzpflanzen aus. Die Plastikverschmutzung könne so bestehende Unsicherheiten bei der globalen Nahrungsmittelversorgung weiter verschärfen“, warnen die Forschenden.

Hotspots für Wechselwirkung von Plastikpartikeln und Viren identifiziert

Aber nicht nur das: Die Verschmutzung durch Nano- und Mikroplastikpartikel kann der Studie zufolge die negativen Effekte von anderen Umweltstressoren wie Pestiziden, chemische Verschmutzung, Pilzen und Krankheitserregern noch verstärken. So konnten die Forschenden „Hotspots“ identifizieren, an denen es eine Wechselwirkung zwischen Plastikpartikeln und schädlichen Viren gab. Solche Interaktionen könnten „zu besonders gravierenderen Effekten von NMP auf Bestäuber und damit auf die Stabilität des Nahrungsmittelsystems führen“, schreiben die Forschenden.

In der Studie wird erstmals systematisch aufgezeigt, wie sich die Plastikverschmutzung auf Bienen auswirkt und welche Folgen das für die Landwirtschaft hat. Weitere Forschungen seien jedoch dringend nötig, da die Datenlage zu einigen Bestäubern und Nützlingen wie Hummeln und Marienkäfern mitunter unzureichend war und sich daher die Wirkung verschiedener NMP-Größen und -Mengen nicht differenziert beschreiben ließen. Für die Freiburger Forscherin Alexandra-Maria Klein steht jedoch fest: „Die Plastikverschmutzung muss dringend politisch gesteuert werden.“ 

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Plastics are not only polluting the water and land. The tiny nano- and microplastic particles (NMP) are also increasingly becoming a threat to ecosystems. The negative consequences of microplastics for marine ecosystems and individual sea creatures have already been documented by numerous studies. However, the consequences of pollution on agricultural ecosystems have been investigated very little. An international research team involving the University of Freiburg, the University of Tübingen and Chinese researchers is now providing data on this for the first time.

Consequences of plastic pollution for insects and agriculture

As part of a so-called review study, the research team summarised a total of 21 previously published individual studies. The researchers focussed on how pollinator insects and other beneficial insects come into contact with nano- and microplastic particles and what consequences plastic ingestion has for insects as well as for the ecosystems and agricultural production that depend on them.

As the team reports in the scientific journal "Nature Communications", they were able to identify various sources that contribute to plastic pollution. These include plastic films, fertilisers, polluted water, but also atmospheric deposition - i.e. particles that are spread through the air.

Pollinator performance of bees and yield endangered

The problem: the plastic particles accumulate in the soil and are then ingested by pollinators and beneficial insects, which are important helpers in pest control, via the air and food or even used in nest building. According to the researchers, the ingestion of NMPs can lead to digestive problems and behavioural changes in bees and weaken the immune system. This would make the bees more susceptible to diseases, for example, and possibly less effective at pollinating plants, the researchers write.

‘We find microplastics in the gut of bees and see how wild bees use plastic to build nests. We therefore urgently need to investigate how this interacts with other stressors, such as climate change, for bees and their pollination services,’ says Alexandra-Maria Klein, co-author of the study and Professor of Nature Conservation and Landscape Ecology at the University of Freiburg.

If the natural pollinators fall ill or even fail completely, this would have fatal consequences for agricultural production. ‘A decline in pollination performance has a detrimental effect on crop yields. Plastic pollution could thus further exacerbate existing uncertainties in the global food supply,’ the researchers warn.

Hotspots for interaction between plastic particles and viruses identified

But that's not all: according to the study, pollution from nano- and microplastic particles can intensify the negative effects of other environmental stressors such as pesticides, chemical pollution, fungi and pathogens. The researchers were able to identify ‘hotspots’ where there was an interaction between plastic particles and harmful viruses. Such interactions could ‘lead to particularly serious effects of NMP on pollinators and thus on the stability of the food system’, the researchers write.

The study is the first to systematically show how plastic pollution affects bees and what consequences this has for agriculture. However, further research is urgently needed, as the data available on some pollinators and beneficial insects such as bumblebees and ladybirds was sometimes inadequate and it was therefore not possible to differentiate between the effects of different NMP sizes and quantities. For Freiburg researcher Alexandra-Maria Klein, however, one thing is certain: ‘Plastic pollution must urgently be controlled politically.'

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Ob Holzreste, Weizenstroh, Molkereste oder Mikroalgen: Bei der Herstellung wichtiger Chemikalien werden immer öfter fossile Rohstoffe durch biobasierte Roh- und Reststoffe ersetzt. Vor allem die Nutzung industrieller Rest- und Abfallstoffe bietet ein enormes Potenzial, um Ressourcen im Kreislauf zu führen und damit die Umwelt zu schonen. Eine vielversprechende Rohstoffquelle ist altes Speiseöl, das in Gewerbeküchen und Restaurants in großen Mengen anfällt. Bisher wird das gebrauchte Altöl vorwiegend zu Biokraftstoffen verarbeitet. Nun haben Forschende vom Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock einen Weg gefunden, um aus altem Frittieröl neue biobasierte Chemikalien herzustellen.

Amine aus altem Speiseöl synthetisiert

„Unser Ziel ist es, gebrauchtes Speiseöl als nützliches chemisches Ausgangsmaterial zur Herstellung wertvoller Produkte zu erschließen. Amine waren eine naheliegende Wahl“, sagt Fairoosa Poovan, Doktorandin vom LIKAT.

Amine sind organische Verbindungen, die vom Ammoniak abgeleitet sind. Diese sogenannten Derivate werden in der organischen Chemie als Ausgangsstoff zu Herstellung verschiedener Produkte wie Arznei-, Wasch- und Reinigungs- oder Desinfektionsmittel.

Kobalt-basierter Katalysator entwickelt

In der Forschungsgruppe von Matthias Beller am LIKAT entwickelte Fairoosa Poovan einen Kobalt-basierten Katalysator, der gebrauchtes Speiseöl effizient in primäre Fettsäurenamine umwandeln kann. Ziel war es, einen Katalysator zu entwickeln, der diese primären Amine aus Bioabfällen kostengünstig und effizient herstellen kann. Bisher erfolgt die Herstellung von Fettsäureaminen über den sogenannten Nitrilweg in drei Schritten. Dafür sind nicht nur „harte Reaktionsbedingungen“ wie hohe Temperaturen erforderlich. Am Ende entsteht ein Produktgemisch aus verschiedenen Aminen, die sich strukturell sehr ähneln und daher nur schwer zu trennen sind.

Biobasierte Amine in einem Schritt produziert

Der am LIKAT entwickelte Katalysator kann hingegen die Amine aus altem Speiseöl bei moderaten Temperaturen und in nur einem Schritt synthetisieren. Das primäre Amin werde aufgrund der hohen Effizienz des Katalysators mit „hervorragender Selektivität“ und zudem kosteneffizient durch den Einsatz von Kobalt als unedles Metall produziert, berichtet die Forscherin. In Laborversuchen wurde hierfür handelsübliches Sonnenblumenöl verwendet.

„Es war unser Ziel, den Prozess so einfach wie möglich zu halten und ein Ein-Topf-System zu entwickeln, mit dem wir alle Substanzen samt Katalysator als Lösung in einem Gefäß kombinieren. Dies verbessert die Ressourcen-, Atom- und Reaktionseffizienz signifikant“, sagt Fairoosa.

Sonnenblumenöl besteht, wie auch andere Speiseöle, aus verschiedenen Fettsäurekomponenten, die unterschiedlich lange Ketten von 16 bis 18 Kohlenstoffatomen besitzen. Poovan zufolge ist es wichtig, das Verhältnis der verschiedenen Fettsäuren im gebrauchten Speiseöl zu kennen, um Reaktion sowie Funktion und Effizienz des Katalysators beurteilen zu können.

Kohlenstoff im Kreislauf nutzen

Mithilfe des neuen Katalysators können demnach nicht nur Rohstoffe im Kreislauf geführt werden. Durch die Weiternutzung des Abfallstoffs wird auch verhindert, dass der im alten Speiseöl enthaltene atomare Kohlenstoff bei der Herstellung von Biospirit verbrannt wird und in die Umwelt gelangt. Den Forschenden zufolge kann der gleiche Prozess auch für das Upcycling von Kunststoffen verwendet werden.

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Whether wood residues, wheat straw, dairy residues or microalgae: In the production of important chemicals, fossil raw materials are increasingly being replaced by bio-based raw and residual materials. The utilisation of industrial residues and waste materials in particular offers enormous potential for recycling resources and thus protecting the environment. One promising source of raw materials is used cooking oil, which is produced in large quantities in commercial kitchens and restaurants. Until now, used cooking oil has mainly been processed into biofuels. Researchers from the Leibniz Institute for Catalysis (LIKAT) in Rostock have now found a way to produce new bio-based chemicals from used frying oil.

Amines synthesised from used cooking oil

‘Our aim is to utilise used cooking oil as a useful chemical starting material for the manufacture of valuable products. Amines were an obvious choice,’ says Fairoosa Poovan, PhD student at LIKAT.

Amines are organic compounds derived from ammonia. These so-called derivatives are used in organic chemistry as starting materials for the manufacture of various products such as pharmaceuticals, detergents, cleaning agents and disinfectants.

Kobalt-basierter Katalysator entwickelt

In Matthias Beller's research group at LIKAT, Fairoosa Poovan developed a cobalt-based catalyser that can efficiently convert used cooking oil into primary fatty acid amines. The aim was to develop a catalyser that can produce these primary amines from biowaste cost-effectively and efficiently. Until now, fatty acid amines have been produced in three steps via the so-called nitrile pathway. This not only requires ‘harsh reaction conditions’ such as high temperatures. The end result is a product mixture of different amines that are structurally very similar and therefore difficult to separate.

Bio-based amines produced in one step

The catalyst developed at LIKAT, on the other hand, can synthesise the amines from used cooking oil at moderate temperatures and in just one step. The primary amine is produced with ‘excellent selectivity’ due to the high efficiency of the catalyst and also cost-effectively by using cobalt as a base metal, reports the researcher. Commercially available sunflower oil was used for this in laboratory tests.

‘Our aim was to keep the process as simple as possible and to develop a one-pot system in which we combine all substances including the catalyst as a solution in one vessel. This significantly improves resource, atomic and reaction efficiency,’ says Fairoosa.

Sunflower oil, like other edible oils, consists of various fatty acid components with chains of different lengths ranging from 16 to 18 carbon atoms. According to Poovan, it is important to know the ratio of the different fatty acids in the edible oil used in order to be able to assess the reaction as well as the function and efficiency of the catalyst.

Utilising carbon in the cycle

The new catalyst can therefore not only be used to recycle raw materials. The further utilisation of the waste material also prevents the atomic carbon contained in the old cooking oil from being burnt during the production of biospirit and being released into the environment. According to the researchers, the same process can also be used to upcycle plastics.

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Nutzpflanzen hinsichtlich ihrer Inhaltsstoffe zu optimieren, ist entscheidend für die Ernährung künftiger Generationen. Um besser nachzuvollziehen, welche Stoffwechselveränderungen etwa durch Züchtung oder Gentechnik in Kulturpflanzen bewirkt werden, wird in der Pflanzenbiologie schon länger nach bildgebenden Methoden gesucht. Forschende der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben haben nun eine Methode entwickelt, die ganz neue Einblicke in das Metabolom lebender Pflanzen ermöglicht.

Bildgebende Prozesse zur Analyse des Metaboloms

Als Metabolom bezeichnet man die Gesamtheit aller kleinen Moleküle, die in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Organismus zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden sind. Diese Moleküle, auch Metaboliten genannt, sind Zwischen- oder Endprodukte von biochemischen Reaktionen im Stoffwechsel und umfassen eine Vielzahl von Substanzen wie Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Vitamine.

In tierischem Gewebe kann die räumliche und zeitliche Verteilung von Metaboliten mittels Kernspintomografie (NMR) oder Magnetresonanztomografie (MRT) sichtbar gemacht werden. Bei Pflanzen funktioniert das bisher nicht, weil pflanzliche Gewebe deutlich mehr verschiedene Zelltypen und Metaboliten beinhalten, deren Signale von NMR und MRT nicht gut voneinander getrennt werden können.

Nicht-invasiver Zugang zum Stoffwechsel von Pflanzen

Für dieses Problem hat die Forschungsgruppe nun eine Lösung gefunden. In Kombination mit einem Chemical Exchange Saturation Transfer – kurz CEST – kann mittels MRT ein gut auflösendes Bild von Pflanzengewebe bewerkstelligt werden. Wie die Forschenden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, ermöglicht CEST „einen nicht-invasiven Zugang zum Stoffwechsel von Zuckern und Aminosäuren in sogenannten komplexen Speicherorganen wie Samen, Früchten, Pfahlwurzeln und Knollen, oder anderen wichtigen Nahrungspflanzen wie Mais, Gerste, Erbse, Kartoffel, Zuckerrübe und Zuckerrohr“.

Durch CEST wird „die winzige Magnetisierung der Metabolitmoleküle mehrfach auf die Wassermoleküle übertragen, sodass effektiv ein Verstärkungseffekt um den Faktor 10 bis 1000 auftritt, der mittels Wasser-MRT dann effizient beobachtet werden kann. Auf diese Weise ermöglicht CEST den Nachweis verschiedener Metaboliten aufgrund ihrer Fähigkeit, Protonen mit Wasser auszutauschen, und liefert so einen zusätzlichen MRT-Kontrast“, erklärt Simon Mayer, Erstautor der Studie und Forscher sowohl am IPK als auch an der JMU.

Leistungsfähige Pflanzen-MRT

In ihrer Studie untersuchte das Forschungsteam konkret die Dynamik von Metaboliten in sich entwickelnden Samen. „Unsere Studien zeigen, dass CEST ein leistungsfähiger MRT-Ansatz ist, der die In-vivo-Stoffwechselanalyse in Pflanzen erleichtert und trotz der magnetischen Heterogenität der Proben eine mikroskopische Auflösung und dynamische Bewertung der Zucker- und Aminosäureverteilung ermöglicht", sagt Mitautorin Ljudmilla Borisjuk vom IPK. Diese nichtinvasive Visualisierung von Metaboliten kann der Forscherin zufolge in unterschiedlichen Pflanzenarten, Pflanzensorten und zur diagnostischen Analyse von Organen genutzt werden, ohne dass eine vorherige Markierung oder aufwendige Probenaufbereitung erforderlich ist.

Möglicher Einsatz bei Kulturpflanzen

Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse hofft das Team, dass die durch CEST gewonnenen Erkenntnisse zukünftig genutzt werden, um Kulturpflanzen zu verbessern. „Die Visualisierung der Metabolitendynamik in lebenden Pflanzen ist ein hervorragendes Instrument, um strukturelle und metabolische Interaktionen bei der Reaktion von Pflanzen auf sich ständig verändernde Umweltbedingungen besser zu verstehen“, sagt Borisjuk. „Daher ist die Einführung von CEST, das die interne Gewebestruktur und die Metabolitendynamik sichtbar macht, ein wichtiger Meilenstein.“

am/bb

Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft, Papierindustrie oder Lebensmittelproduktion sind längst zu einer wertvollen Rohstoffquelle für neue biobasierte und nachhaltige Produkte geworden. Damit können nicht nur fossile Rohstoffe ersetzt, sondern auch Ressourcen und Umwelt geschont werden. Ein zentrales Anliegen der Bioökonomie ist es, Produkte zu entwickeln, deren Rohstoffe wiederverwendet und somit in den Kreislauf zurückgeführt werden.

Solche innovativen Ansätze werden von der Volkswagenstiftung im Rahmen der Förderinitiative „Zirkularität mit recycelten und biogenen Rohstoffen“ gefördert. Konkret wurden sechs praxisrelevante Forschungsansätze ausgewählt, die geschlossene Rohstoff-Produkt-Kreisläufe anstreben und mit insgesamt 7,8 Mio. Euro unterstützt werden. 6,6 Mio. Euro fließen davon allein in Innovationen zur Bioökonomie.

Lignin als Pflanzenschutz und PFAS-Absorber

So wird die Freie Universität Berlin bei gleich zwei Projekten von der Volkswagenstiftung gefördert. Im Projekt LignoCide wollen Forschende das pflanzliche Biopolymer Lignin nutzen, das bei der Papierproduktion als Reststoff anfällt. Daraus soll eine Sprühbeschichtung entwickelt werden, die Pflanzen vor mikrobiellen Schadorganismen wie Bakterien und Viren schützt und chemische Pestizide in der Landwirtschaft ersetzen kann. 

Lignin dient auch dem Projekt Sustainable Solutions for PFAS Removal als Rohstoff. Auf Basis des Biopolymers wollen die Berliner Forschenden mit Partnern funktionalisierte Adsorberperlen entwickeln, die per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen – kurz PFAS – effizient aus kontaminiertem Wasser entfernen können. PFAS sind sogenannte Ewigkeitschemikalien. Sie werden beispielsweise zur Beschichtung von Qutdoorkleidung eingesetzt, weil sie wasser-, fett- und schmutzabweisend und vor allem langlebig sind.

Mulchfolie aus pflanzlichen Proteinen 

Abfälle aus der Geflügelproduktion, Gärreste aus Biogasanlagen oder Raps stehen wiederum im Fokus des Projektes ReProFilm. Forschende der Technischen Universität Hamburg-Harburg wollen mit Partnern aus den Abfällen Proteine für gleich zwei Produkte gewinnen: Neben einer Sprühbeschichtung, die Obst und Gemüse länger haltbar macht, wird auf Basis der pflanzlichen Proteine eine funktionalisierte Mulchfolie für den Einsatz in der Landwirtschaft entwickelt.

Kunststoffrecycling mit Enzymen

Im Projekt BioLoop wollen Forschende der Universität Kassel gemeinsam Partnern das Recycling von Kunststofffolien durch mikrobielle Zersetzung verbessern. Mithilfe von Enzymen sollen hier Polymere aus Polyethylen – kurz PE – in kleinere Teile zerlegt und anschließend in hochwertige Produkte umgewandelt werden.

Die Entwicklung eines zirkulären Produktionsweges für biobasiertes PE steht wiederum im Fokus eines an der Technische Universität Clausthal etablierten Vorhabens. Ziel ist es, eine neuartige, molekular maßgeschneiderte verzweigte PE-Sorte einzuführen. Als Rohstoff dient Biobutadien, das aus Reststoffen aus der Landwirtschaft sowie Lebensmittelabfällen gewonnen wird.

Die Volkswagenstiftung ist eine eigenständige, gemeinnützige Stiftung privaten Rechts. Mit einem Fördervolumen von insgesamt 150 Mio. Euro pro Jahr ist sie eigenen Angaben nach die größte private wissenschaftsfördernde Stiftung in Deutschland. Seit ihrer Gründung vor mehr als 60 Jahren wurden rund 33.000 Projekte mit insgesamt mehr als 5,5 Mrd. Euro gefördert.

bb

Residual materials from agriculture, forestry, the paper industry and food production have long since become a valuable source of raw materials for new bio-based and sustainable products. Not only does this enable fossil raw materials to be replaced, it also conserves resources and protects the environment. A central concern of the bioeconomy is to develop products whose raw materials can be reused and thus fed back into the cycle.

Such innovative approaches are supported by the Volkswagen Foundation as part of the ‘Circularity with recycled and biogenic raw materials’ funding initiative. Specifically, six practice-relevant research approaches were selected that aim to achieve closed raw material-product cycles and are being supported with a total of 7.8 million euros. 6.6 million euros of this will be channelled into innovations for the bioeconomy alone.

Lignin as plant protection and PFAS absorber

For instance, Freie Universität Berlin is receiving funding from the Volkswagen Foundation for two projects. In the LignoCide project, researchers want to utilise the plant biopolymer lignin, which is a by-product of paper production. This will be used to develop a spray coating that protects plants from microbial harmful organisms such as bacteria and viruses and can replace chemical pesticides in agriculture.

Lignin also serves as a raw material for the Sustainable Solutions for PFAS Removal project. Based on the biopolymer, the Berlin researchers and their partners want to develop functionalised adsorber beads that can efficiently remove perfluorinated and polyfluorinated alkyl substances - PFAS for short - from contaminated water. PFAS are so-called perpetual chemicals. They are used, for example, to coat Outdoor clothing because they are water-, grease- and dirt-repellent and, above all, durable.

Mulch film made from plant proteins

Waste from poultry production, fermentation residues from biogas plants or rapeseed are once again the focus of the ReProFilm project. Researchers at the Hamburg University of Technology are working with partners to extract proteins from the waste for two products: In addition to a spray coating that makes fruit and vegetables last longer, a functionalised mulch film for use in agriculture is being developed based on the plant proteins.

Plastic recycling with enzymes

In the BioLoop project, researchers at the University of Kassel are working with partners to improve the recycling of plastic film through microbial decomposition. With the help of enzymes, polymers made of polyethylene - PE for short - are to be broken down into smaller parts and then converted into high-quality products.

The development of a circular production route for bio-based PE is once again the focus of a project established at Clausthal University of Technology. The aim is to introduce a novel, molecularly customised branched PE grade. The raw material used is biobutadiene, which is obtained from agricultural residues and food waste.

The Volkswagen Foundation is an independent, non-profit foundation under private law. With a funding volume totalling 150 million euros per year, it claims to be the largest private foundation promoting science in Germany. Since its establishment more than 60 years ago, it has funded around 33,000 projects totalling more than 5.5 billion euros.

bb

Die rasante Ausbreitung der Wasserhyazinthe ist in einigen Ländern bereits zu einer Gefahr für Ökosysteme geworden und bedroht zunehmend auch die Lebensqualität der Menschen. Besonders stark betroffen ist der afrikanische Victoriasee, wo Fische aufgrund von Sauerstoffmangel ersticken, Methangase durch die Verrottung freigesetzt werden und der Schiffsverkehr behindert wird. Nun haben Forschende einen Weg gefunden, diese zur Plage gewordene invasive Wasserpflanze sinnvoll als Biomasse zu nutzen.

Fasermaterial zu neuem Bio-Verbundstoff verarbeitet

Forschende vom Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung (DITF) in Denkendorf entwickelten gemeinsam mit dem Karlsruher Faserspezialisten Fiber Engineering GmbH ein Verfahren, um aus den Fasern der Wasserhyazinthe Pflanztöpfe herzustellen. Ziel war es, aus dem faserigen Pflanzenmaterial einen neuen, kostengünstigen Verbundwerkstoff herzustellen, der allen technischen Voraussetzungen entspricht, zugleich aber biologisch abbaubar und damit vollständig kompostierbar, aber auch einfach herzustellen ist.

Das zur Herstellung der Pflanztöpfe benötigte Biomaterial stammt den Forschenden zufolge aus Louisiana und wird dort direkt von der Firma In-Between International als aufbereitetes Fasermaterial vermarktet. Dieses zum Großteil aus Cellulose bestehende Rohmaterial wurde am DITF untersucht und modifiziert. Anschließend sei es mit einem Hydrophobierungsmittel behandelt worden, um die Pflanztöpfe gegen Feuchtigkeit zu schützen. Die Kombination mit einem Binder verklebt die Pflanzenfasern und sorgt für Formbeständigkeit. Ein biologisch abbaubares Bindemittel aus Thermoplast, das in einer Heißpresse einfach zu verarbeiten ist, brachte in Laborversuchen die besten Ergebnisse.

Kompostierbar und günstig

Den Forschenden zufolge überzeugt das pflanzliche Fasermaterial nicht nur in puncto Festigkeit und Feuchtigkeitsresistenz. Versuche in industriellen Kompostieranlagen bestätigten, dass sich es sich, „in angemessener Zeit“ innerhalb von vier bis sechs Wochen vollständig biologisch abbaut.

Beim Karlsruher Projektpartner Fiber Engineering wurden bereits erste Pflanztopf-Prototypen aus dem Fasermaterial hergestellt. Wie das Team berichtet, wurde dafür das bestehende Verfahren für die Bearbeitung des Wasserhyazinthen-Fasermaterials optimiert. Das Team ist überzeugt, dass Gärtnereien die neuen Pflanztöpfe aus Wasserhyazinthen schätzen werden – zumal auch der Preis stimmt. „Eine Kostenrechnung unter Einbezug aller verwendeten Materialien und Verfahren bestätigte, dass sich die Pflanztöpfe mit einem Herstellungspreis von unter fünf Cent pro Topf äußerst günstig und damit marktfähig herstellen lassen“, schreiben die Forschenden.

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Es ist der erfolgreiche Abschluss eines Projektes, in dem Partner aus Forschung und Wirtschaft an einem optimierten und wirtschaftlichen Produktionssystem für eine Insekten-Bioraffinerie arbeiteten: Nach drei Jahren Forschung unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Verfahrenstechnik (IGB) ist der Bau der Pilotanlage nun fertiggestellt. Anlässlich der Abschlusskonferenz zum Projekt InBiRa am 21. Oktober konnten sich Vertreterinnen und Vertreter aus Politik und Wirtschaft in Stuttgart, über die neue Insekten-Bioraffinerie informieren und sie besichtigen.

Der Bau der InBiRa-Anlage wurde mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) über das EFRE-Programm „Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling“ gefördert.

Insekten veredeln biogene Reststoffe

„Mit unserer Insekten-Bioraffinerie können wir überlagerte Lebensmittel und Bioabfälle als Rohstoff für hochwertige technische Produkte nutzen und damit erstmals eine heimische Quelle für kurzkettige Fette erschließen, die tropische Fette in vielen Anwendungen ersetzen könnten“, resümiert Projektleiterin Susanne Zibek vom Fraunhofer IGB.

In der Insekten-Bioraffinerie in Stuttgart werden wie in einer klassischen Bioraffinerie alle Rohstoffe in ihre einzelnen Bestandteile aufgetrennt. Überlagerte Lebensmittel und Bioabfälle aus Einzelhandel oder Gastronomie dienen den Larven der schwarzen Soldatenfliege als Futter und verwandeln diese während ihres Wachstums in Proteine, Fette und Chitin um. Alle erforderlichen Prozessschritte – von der Mast der Larven über die Trennung der Fett- und Proteinfraktion bis hin zu deren Umwandlung in die gewünschten Zwischenprodukte – werden im Pilotmaßstab abgebildet.

Bis dahin war es jedoch ein langer Weg. „Dafür haben wir etwa 20 Prozesseinheiten definiert, verfahrenstechnisch für die vorhandenen Stoffströme ausgelegt und schließlich für die Pilotanlage am IGB angeschafft − daran zeigt sich schon die Komplexität des Verfahrens“, erläutert die Projektleiterin.

Enormes Potenzial für kreislaufbasierte Bioökonomie

Den Forschenden zufolge handelt es bei der Anlage um eine „einzigartige Plattform für innovative technische Produkte“. Künftig könnten hier Plattformchemikalien für Kraftstoffe, Kosmetika, Reinigungsmittel, Kunststoffe oder auch Pflanzendünger entstehen. Die Insekten-Bioraffinerie habe damit „ein enormes Potenzial für die erfolgreiche Transformation hin zu einer kreislaufbasierten Bioökonomie“, heißt es.

Davon ist auch Andre Baumann, Staatssekretär im Umweltministerium des Landes Baden-Württemberg überzeugt. „Ich habe dieses Projekt mit großem Interesse verfolgt und bin begeistert von den heute vorgestellten Forschungsergebnissen. Es zeigt deutlich: Eine Insekten-Bioraffinerie birgt ein großes Potenzial für die Herstellung vielfältiger und hochwertiger Produkte und bietet damit interessante Wertschöpfungsoptionen“, sagte Baumann.

Forschende hoffen auf baldiger Transfer in die Praxis

Projektleiterin Susanne Zibek ist optimistisch, dass die Insekten-Bioraffinerie bald schon in der Praxis Anwendung finden wird: „Ich bin zuversichtlich, dass wir demnächst einen Transfer in die Industrie umsetzen können, sodass wir mit den Larven eine sinnvolle Verwertung von überlagerten und sogar verdorbenen Lebensmitteln zu neuen Produkten für die chemische Industrie herstellen können.“ 

bb

Im Zuge immer häufigerer Hitze- und Trockenperioden wird daran geforscht, Kulturpflanzen resilienter zu machen und ihre Stoffwechselvorgänge besser zu verstehen. Forschende der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) berichten im Fachmagazin Current Biology über neue Einblicke in den Prozess, der bei Pflanzen das Öffnen und Schließen der Stomata und damit auch ihren Wasserverbrauch steuert.

Die sogenannten Stomata, die aus zwei Schließzellen bestehen, erlauben im geöffneten Zustand den Austausch von Kohlendioxid und Wasser mit der Umgebung. Bei ungünstigen Umweltbedingungen wie Dunkelheit, Parasitenbefall oder Wassermangel hingegen schließen sich die Poren. 

Optogenetisches Verfahren liefert Einblicke

Bekannt ist, dass solche ungünstigen Umweltreize für einen Anstieg der Kalziumkonzentration (Ca²⁺) in den Schließzellen sorgen. Dieser rasche, zeitlich begrenzte Ca²⁺-Anstieg, der dem Schließen der Pore stets vorausgeht, wird als Kalzium-Transient bezeichnet. Wie er erzeugt und in Stomabewegungen übersetzt wird, haben die Würzburger Forschenden nun herausgefunden. Dafür hat das Team um den Biophysiker Rainer Hedrich „ein optogenetisches Verfahren mit neuartigen Modellpflanzen angewendet“.

Indem sie Lichtimpulse auf einen speziellen, lichtempfindlichen Ionenkanal gaben, schleusten die Forschenden Kalzium in die Schließzellen ihrer Modellpflanzen ein. Dieses Kalzium-Signal wurde von einem Zellorganell, dem Endoplasmatischen Retikulum (ER), durch die Ausschüttung von weiterem Kalzium verstärkt. So entsteht der charakteristische Kalzium-Transient, der zu einer Kaskade weiterer Reaktionen im Zellinneren führt, an deren Ende sich die Schließzellen verformen und das Stoma geschlossen wird.

Zellantwort folgt Alles-oder-nichts-Prinzip

Die Forschenden stellten außerdem fest, dass der Kalzium-Transient einem Alles-oder-nichts-Prinzip folgt: „Wir waren nicht schlecht überrascht, dass Lichtpulse von 0,1, einer und zehn Sekunden Dauer annähernd gleiche Kalzium-Transienten erzeugten“, so Shouguang Huang, Erstautor der Studie. Die Kalziumkonzentration war, unabhängig von der Dauer des Lichtimpulses, etwa 30 Sekunden lang erhöht und ging erst nach weiteren 30 Sekunden langsam zurück.

Pflanzen zählen Umweltreize 

Ein einzelner Kalzium-Transient reicht nicht, um ein Stoma vollständig zu schließen. Nur wenn mehrere Lichtimpulse – also Umweltreize – auf ein Stoma trafen, schlossen sich die Poren vollständig. Die Forschenden stellten fest, dass Schließzellen sechs aufeinanderfolgende Kalzium-Transienten auflösen und in Stomabewegung umsetzen können. „Die Schließzellen können also bis sechs zählen“, sagt Rainer Hedrich, Professor für Biophysik an der JMU und Co-Autor der Studie. 

Hedrich forscht seit Jahrzehnten zum Wasserhaushalt von Pflanzen. So fand er heraus, dass Pflanzen bei Trockenheit ein Signalmolekül nutzen, das auch bei Menschen und Tieren vorkommt. Als Nächstes will die Forschungsgruppe mehr über die einzelnen Schritte der Reiz-Reaktionskette herausfinden und auch beantworten, wie lange sich die Schließzellen an die jeweiligen Umweltreize „erinnern“.

am/bb

In the wake of increasingly frequent periods of heat and drought, research is being carried out to make crop plants more resilient and to better understand their metabolic processes. Researchers at Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) report in the journal Current Biology on new insights into the process that controls the opening and closing of stomata in plants and thus also their water consumption.

The so-called stomata, which consist of two guard cells, allow the exchange of carbon dioxide and water with the environment when they are open. In unfavourable environmental conditions such as darkness, parasite infestation or lack of water, however, the pores close.

Optogenetic process provides insights

It is known that such unfavourable environmental stimuli cause an increase in the calcium concentration (Ca²⁺) in the guard cells. This rapid, time-limited increase in Ca²⁺, which always precedes the closing of the pore, is known as the calcium transient. The Würzburg researchers have now discovered how it is generated and translated into stomatal movements. To do so, the team led by biophysicist Rainer Hedrich ‘used an optogenetic method with novel model plants’.

By applying light pulses to a special, light-sensitive ion channel, the researchers channelled calcium into the guard cells of their model plants. This calcium signal was amplified by a cell organelle, the endoplasmic reticulum (ER), through the release of further calcium. This results in the characteristic calcium transient, which leads to a cascade of further reactions inside the cell, at the end of which the guard cells deform and the stoma is closed.

Cell response follows all-or-nothing principle

The researchers also discovered that the calcium transient follows an all-or-nothing principle: ‘We were not badly surprised that light pulses of 0.1, one and ten seconds duration produced approximately equal calcium transients,’ said Shouguang Huang, first author of the study. The calcium concentration was increased for around 30 seconds, regardless of the duration of the light pulse, and only slowly decreased after a further 30 seconds.

Plants count environmental stimuli

A single calcium transient is not enough to completely close a stoma. Only when several light pulses - i.e. environmental stimuli - hit a stoma did the pores close completely. The researchers found that closing cells can resolve six consecutive calcium transients and convert them into stoma movement. ‘The guard cells can therefore count to six,’ says Rainer Hedrich, Professor of Biophysics at JMU and co-author of the study.

Hedrich has been researching the water balance of plants for decades. He discovered that plants use a signalling molecule during drought that is also found in humans and animals. Next, the research group wants to find out more about the individual steps of the stimulus-response chain and also answer the question of how long the guard cells ‘remember’ the respective environmental stimuli.

am

Boden ist eine kostbare und knappe Ressource. Allein in Europa werden 80 % der Landfläche von Forst- und Landwirtschaft, Industrie und Siedlungen genutzt. Wie also kann die Bioökonomie, die ebenfalls auf den Anbau von Industriepflanzen setzt, nachhaltige Biomasse gewinnen, ohne in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu stehen? Mit diesem zentralen Problem befasst sich ein neues EU-Projekt, das im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont Europa von 2024 bis 2028 mit rund 5 Mio. Euro gefördert wird.

Anbau von Biomasse auf kontaminierten Böden 

Im Fokus des Vorhabens pHYBi steht das sogenannte Phytomanagement. Hier sollen Industriepflanzen wie Pappeln, Birken, Weiden, Hanf und Miscanthus auf degradierten, verschmutzten und versalzten Böden angebaut werden, um die Flächen zu sanieren. Das im Oktober gestartete Projekt mit dem vollständigen Titel „Phytomanagement als nachhaltige Rohstoffquelle für hochwertige Bio-basierte Produkte aus Lignocellulose für textile Anwendungen“ will durch die Verarbeitung von Biomasse, die auf kontaminierten Böden angebaut wird, umweltfreundliche Fasern und Pigmente für den nachhaltigen Einsatz in der Textilproduktion herstellen.

Neue Strategien zur Verbesserung von Pflanzenwachstum und Bodengesundheit

In den kommenden vier Jahren wollen die Projektpartner innovative Strategien entwickeln und testen, um das Pflanzenwachstum und die Bodengesundheit mithilfe organischer und anorganischer Zusätze sowie Pilzen und Bakterien zu verbessern. Darüber hinaus sollen bestehende und neue Phytomanagement-Pilotstandorte untersucht, entsprechende Strategien zur Bodenverbesserung optimiert und ein virtuelles Replikationstool zur Simulation des Prozesses in verschiedenen Regionen Europas entwickelt werden. Zudem wollen die Partner demonstrieren, ob diese Praktiken wirtschaftlich, sozial und ökologisch machbar sind.  

In dem Konsortium arbeiten insgesamt elf Partner aus Spanien, Italien, Frankreich, Kroatien und Deutschland zusammen. Forschende vom Steinbeis Europa Zentrum sind im Rahmen des Projektes für die Kommunikation, Verbreitung und Verwertung der Erkenntnisse zuständig.

Neue Maßstäbe für Produktion von Industriepflanzen setzen

Mit dem Projekt will das Team eigenen Angaben nach „neue Maßstäbe für die nachhaltige Produktion von Industriepflanzen setzen“. Durch den Anbau von Biomasse auf kontaminierten Böden würde auch der ökologische Fußabdruck der EU für die nachhaltige Produktion von Industriepflanzen verringert, heißt es. „Der Erfolg von pHYBi könnte den Weg für eine breitere Einführung von Phytomanagement-Praktiken ebnen, nicht nur in der europäischen Textilindustrie, sondern auch in anderen Sektoren, die auf nachhaltige biobasierte Rohstoffe angewiesen sind“, schreiben die Forschenden.

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Soil is a precious and scarce resource. In Europe alone, 80 % of the land area is used for forestry, agriculture, industry and settlements. So how can the bioeconomy, which also relies on the cultivation of industrial crops, obtain sustainable biomass without competing with food production? This central problem is being addressed by a new EU project, which is being funded with around 5 million euros from 2024 to 2028 as part of the Horizon Europe research and innovation programme.

Cultivation of biomass on contaminated soils

The pHYBi project focuses on phytomanagement. Here, industrial plants such as poplars, birches, willows, hemp and miscanthus are to be cultivated on degraded, polluted and salinised soils in order to rehabilitate the land. The project, which was launched in October with the full title ‘Phytomanagement as a sustainable raw material source for high-quality bio-based products from lignocellulose for textile applications’, aims to produce environmentally friendly fibres and pigments for sustainable use in textile production by processing biomass grown on contaminated soils.

New strategies to improve plant growth and soil health

Over the next four years, the project partners want to develop and test innovative strategies to improve plant growth and soil health using organic and inorganic additives as well as fungi and bacteria. In addition, existing and new phytomanagement pilot sites will be investigated, corresponding soil improvement strategies optimised and a virtual replication tool developed to simulate the process in different regions of Europe. The partners also want to demonstrate whether these practices are economically, socially and ecologically feasible.

A total of eleven partners from Spain, Italy, France, Croatia and Germany are working together in the consortium. Researchers from the Steinbeis Europa Zentrum are responsible for communicating, disseminating and utilising the findings as part of the project.

Setting new standards for the production of industrial plants

According to the team, the project aims to ‘set new standards for the sustainable production of industrial crops’. The cultivation of biomass on contaminated soils would also reduce the EU's ecological footprint for the sustainable production of industrial crops, they say. ‘The success of pHYBi could pave the way for a wider adoption of phytomanagement practices, not only in the European textile industry, but also in other sectors that rely on sustainable bio-based raw materials,’ the researchers write.

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In Europa landen jedes Jahr 7,5 Millionen Tonnen gebrauchter Kleidungsstücke im Müll. Das zeigt eine Studie der Unternehmensberatung McKinsey & Company. Demnach werden höchstens 30-35 % der Textilabfälle recycelt. Das Gros wird ins Ausland exportiert, wo es verbrannt wird oder auf Deponien landet. Ein Grund für diese Ressourcenverschwendung ist das Fehlen geeigneter Recyclingverfahren, etwa um Mischgewebe aus Baumwolle und Polyesterfasern zu trennen und wiederverwerten zu können.

Sport-T-Shirt aus enzymatisch recycelten Textilabfällen

Ein Industriekonsortium um das französische Biotechnologie-Unternehmen Carbios zeigt nun anhand eines weißen Sport-T-Shirts, dass Kreislaufwirtschaft auch in der Textilindustrie möglich ist. Zu der im Juli 2022 gegründeten Industriepartnerschaft gehören der deutsche Sportartikelhersteller PUMA, der Schweizer Laufschuhhersteller On, der französische Sport-Ausrüster Salomon sowie der US-amerikanische Hersteller von Outdoor-Kleidung Patagonia.

Das Kleidungsstück ist alles andere als ein normales T-Shirt. Es wurde aus enzymatisch recyceltem Abfall hergestellt, der nach Angaben von Carbios „der Qualität von neuen Fasern entspricht“. „Es mag wie ein gewöhnliches T-Shirt aussehen, aber das Verfahren, das hinter der Herstellung steckt, ist außergewöhnlich“, so Emmanuel Ladent, Geschäftsführer bei Carbios. „Das Faser-zu-Faser-Recycling ist eine technologische Meisterleistung. Dank der Zusammenarbeit von Carbios und aller Konsortium-Partner haben wir gemeinsam technische Hürden überwunden, und das weltweit erste enzymatisch recycelte T-Shirt hergestellt, das vollständig aus biologisch verarbeiteten Fasern besteht.“

Die Partner des Konsortiums haben sich Carbios zufolge bewusst für ein schlichtes weißes T-Shirt entschieden, da damit die Leistungsfähigkeit der Technologie, die die Produktion aus gemischten und farbigen Textilabfällen ermöglicht hat, am überzeugendsten dargestellt wird. 

Kleidungsstück aus recyceltem Material kann wieder recycelt werden

Die Herstellung des T-Shirts basiert auf einem von Carbios entwickelten enzymatischen Verfahren. Dabei wird Polyester mithilfe von Enzymen in seine Grundbausteine zerlegt und anschließend zur Herstellung von biologisch recyceltem Polyester wieder eingesetzt. Die daraus hergestellten Kleidungsstücke können dem Biotechnologie-Unternehmen zufolge nach ihrer Nutzung wieder als Rohstoff für das Recycling verwendet werden.

Für das Faserrecycling lieferten die Konsortium-Partner Textilreste sowie Produktionsverschnitte. Bei den sogenannten Textilabfällen handelte es sich Carbios zufolge um Materialien, die mit herkömmlichen Recyclingverfahren nur sehr schwer wiederverwertet werden können – darunter Mischgewebe aus Baumwolle und Elastan, aber auch gefärbte Textilien.

Das enzymatische Recycling fand in der 2021 eröffneten Pilotanlage von Carbios in Clermont-Ferrand statt. Hier wurden die Alttextilien mithilfe der Biorecycling-Technologie in ihre ursprünglichen Monomere zerlegt, repolymerisiert, zu Garn gesponnen und später von externen Partnern zu einem neuen Stoff verwebt. „Das zeigt, wie nahtlos das Verfahren von Carbios in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden kann“, so das Unternehmen. Das zu 100% aus Textilabfällen hergestellte Sport-T-Shirt erfülle zudem die Qualitätsstandards und die Nachhaltigkeitsansprüche der im Faser-zu-Faser-Konsortium vertretenden Markenhersteller.

Erste industrielle enzymatische PET-Recyclinganlage im Bau

„Wir freuen uns, Teil dieses Durchbruchs zu sein und neue Maßstäbe für das Faser-zu-Faser-Recycling zu setzen“, sagt Anne-Laure Descours, Leiterin für Produktentwicklung und Beschaffung bei PUMA. „PUMA hat es sich zum Ziel gesetzt, sein benötigtes Polyester zu 100 % aus Textilabfällen zu gewinnen. Die heutige Bekanntmachung ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu diesem Ziel und um unsere gesamte Industrie kreislauffähiger zu gestalten. Wir müssen jetzt weiterhin zusammenarbeiten und sicherstellen, dass wir diese Technologie skalieren können, um die größtmögliche Wirkung zu erzielen.“

Im französischen Longlaville baut Carbios derzeit die weltweit erste industrielle enzymatische PET-Recyclinganlage. 

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In Europe, 7.5 million tonnes of used clothing end up in the bin every year. This is according to a study by management consultants McKinsey & Company. According to the study, a maximum of 30-35% of textile waste is recycled. The majority is exported abroad, where it is incinerated or ends up in landfill sites. One reason for this waste of resources is the lack of suitable recycling processes, for example to separate and recycle mixed fabrics made of cotton and polyester fibres.

Sports T-shirt made from enzymatically recycled textile waste

An industrial consortium led by the French biotechnology company Carbios is now using a white sports T-shirt to show that a circular economy is also possible in the textile industry. The industrial partnership founded in July 2022 includes the German sporting goods manufacturer PUMA, the Swiss running shoe manufacturer On, the French sports equipment supplier Salomon and the US outdoor clothing manufacturer Patagonia.

The garment is anything but a normal T-shirt. It was made from enzymatically recycled waste, which, according to Carbios, ‘corresponds to the quality of new fibres’. ‘It may look like an ordinary T-shirt, but the process behind its manufacture is extraordinary,’ says Emmanuel Ladent, Managing Director at Carbios. ‘Fibre-to-fibre recycling is a technological tour de force. Thanks to the collaboration between Carbios and all the consortium partners, we have overcome technical hurdles together to produce the world's first enzymatically recycled T-shirt made entirely from bio-processed fibres.’

According to Carbios, the consortium partners deliberately opted for a plain white T-shirt, as this is the most convincing way of demonstrating the performance of the technology that has made production from mixed and coloured textile waste possible.

Garment made from recycled material can be recycled again

The production of the T-shirt is based on an enzymatic process developed by Carbios. In this process, polyester is broken down into its basic building blocks using enzymes and then reused to produce biologically recycled polyester. According to the biotechnology company, the resulting garments can be reused as a raw material for recycling.

The consortium partners supplied textile remnants and production offcuts for fibre recycling. According to Carbios, the so-called textile waste consisted of materials that are very difficult to recycle using conventional recycling processes - including blended fabrics made from cotton and elastane, as well as dyed textiles.

The enzymatic recycling took place in the Carbios pilot plant in Clermont-Ferrand, which opened in 2021. Here, the used textiles were broken down into their original monomers using biorecycling technology, repolymerised, spun into yarn and later woven into a new fabric by external partners. ‘This shows how seamlessly the Carbios process can be integrated into existing manufacturing processes,’ says the company. The sports T-shirt made from 100% textile waste also meets the quality standards and sustainability requirements of the brand manufacturers represented in the fibre-to-fibre consortium.

First industrial enzymatic PET recycling plant under construction

‘We are delighted to be part of this breakthrough and to set new standards for fibre-to-fibre recycling,’ says Anne-Laure Descours, Head of Product Development and Sourcing at PUMA. ’PUMA has set itself the goal of obtaining 100% of the polyester it needs from textile waste. Today's announcement is an important milestone towards achieving this goal and making our entire industry more circular. We must now continue to work together and ensure that we can scale this technology to maximise its impact.’

Carbios is currently building the world's first industrial enzymatic PET recycling plant in Longlaville, France.

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Synthesegas ist ein wichtiger Rohstoff, um chemische Grundstoffe wie etwa Methanol zu erzeugen, das wiederum zur Herstellung von Farben oder Lacken benötigt wird. Zur Herstellung von Synthesegas – ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) – werden vorwiegend fossile Rohstoffe wie Kohle und Öl unter geringer Sauerstoffzufuhr und hohen Temperaturen vergast. Im Projekt SYNELGAS wollen Forschende der Technischen Hochschule (TH) Köln gemeinsam mit Industriepartnern nun ein Verfahren entwickeln, das biogene Roh- und Reststoffe nutzt, um grüne Synthesegase zu erzeugen. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über viereinhalb Jahre mit rund 1,4 Mio. Euro gefördert.

Synthesegaserzeugung aus biogenen Roh- und Reststoffe

Die Nutzung landwirtschaftliche Reststoffe für die Synthesegasproduktion bringt einige Herausforderungen mit sich. Den Forschenden zufolge ist die Zusammensetzung der biogenen Ausgangsstoffe wie Ernterückstände deutlich heterogener als bei traditionellen Rohstoffen wie Öl, was die Produktion gleichbleibend hochwertiger Gase erschwert. Andererseits muss bei der herkömmlichen Vergasung der über die Umgebungsluft zugeführte Stickstoff aufwendig aus dem erzeugten Synthesegas entfernt werden. 

Synergien der Elektrolyse nutzen

Daher wollen die Forschenden Elektrolyse und Vergasung koppeln. „Wir setzen auf Synergien mit der Elektrolyse“, sagt Peter Stenzel von der TH Köln und erklärt: „Dabei wird Wasser in Wasserstoff und reinen Sauerstoff aufgespalten. Den Sauerstoff, der bei den meisten Anwendungen als Abfallprodukt in die Atmosphäre entlassen wird, nutzen wir als idealen Eingangsstoff für die Vergasung und stellen so reinere Gase her.“ Auch das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffdioxid im Synthesegas kann den Forschenden zufolge durch die Beimischung von Elektrolyse-Wasserstoff flexibel eingestellt werden, was die Bandbreite der Gase, die zur Herstellung chemischer Grundstoffe und Energieträger geeignet sind, erweitert.

Der Schwerpunkt des Projektes liegt jedoch auf dem Umgang mit den biogenen Rest- und Rohstoffen sowie auf der experimentellen Erforschung der nachhaltigen Gasproduktion. „Wenn wir mit Ernterückständen oder Bambus als Ausgangsmaterial arbeiten, stellt dies völlig andere Anforderungen an das Verfahren als bei den erprobten fossilen Brennstoffen. Uns stehen sehr viele Stellschrauben und Spezifikationen in der eigentlichen Produktion und den nachgeschalteten Prozessen zur Verfügung, um ein ideales Verhältnis der Gaskomponenten zu erreichen“, sagt Christian Malek von der TH Köln.

Entwicklung eines Wassergas-Shift-Reaktors

Neben der Regulierung wichtiger Prozessparameter wie Temperatur oder Sauerstoffkonzentration wird das Gas mehrfach gereinigt und den Forschenden zufolge dann „durch einen im Projekt zu entwickelnden Wassergas-Shift-Reaktor geleitet, in dem zusätzlicher Wasserdampf über eine chemische Reaktion die Wasserstoffkonzentration im Synthesegas erhöht“. Daraus ergibt sich eine weitere Synergie der beiden Teilprozesse, schreiben die Forschenden, weil der in der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff dem Prozess selbst zugeführt werden kann.

Grüne Kraftwerke für Unternehmen

Im Laufe des Projektes will das Team beweisen, dass mit diesem Verfahren qualitativ hochwertiges, grünes Synthesegas hergestellt werden kann und dass dies auch wirtschaftlich und nachhaltig ist. Dafür wird das Verfahren zunächst im Labormaßstab aufgebaut und später auf einen halbtechnischen Industriestandard skaliert und erprobt. „Unser Ziel ist das Konzept für ein integriertes Gesamtsystem, das interessierte Unternehmen später von unseren Industriepartnern von der Stange kaufen können. Denkbar ist etwa, dass Unternehmen damit grüne Kraftstoffe für ihren Fuhrpark herstellen“, sagt Stenzel.

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