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The decision to phase out coal has been made. From 2030, no more coal is to be mined in Germany. Regions like the Rhineland must therefore rethink. With the BioeconomyREVIER, the NRW state government has already set the course for a bio-based and sustainable economy in 2020. However, in order to drive structural change forward, corresponding innovations from research and development must be put into practice as quickly as possible. A pyrolysis plant developed by the Fraunhofer Institute UMSICHT for the recovery of sustainable hydrocarbons from biomass has now gone into operation on the research site of the energy company RWE in Niederaussem.

Test run for Fraunhofer pyrolysis plant

The basis of the research reactor developed by the Fraunhofer Institute is the so-called TCR process - a pyrolysis process that works on the principle of thermocatalytic reforming and includes a downstream reforming step. "The TCR process is a process that has a lot of potential to produce synthetic fuels. That's why we're testing this technology in Niederaussem to make it even more efficient and cost-effective," says RWE project manager Natividad Jordan Escalona.

Sewage sludge as a source of hydrocarbons

In Niederaussem, the pilot plant will convert sewage sludge into a hydrogen-rich gas, carbonate and oil. These can later be processed into low-CO2 fuels or other chemical products. The oil phase of the process, for example, will be used to produce high-value liquid hydrocarbons and fuels. The solid carbonisate, also known as sewage sludge coal, is in turn used on an experimental basis in a high-temperature conversion plant to recover the phosphorus content from sewage sludge. The plant was also built by RWE as part of the Innovation and Technology Center Carbon Conversion (ITZ CC) project. However, the carbonizate could also be used to produce activated carbon or hydrogen.

Potential for recycling other residual and waste materials

Other biogenic residues such as fermentation residues from biogas plants could also serve here as a raw material base and thus sustainable hydrocarbon source, as Johannes Neidel, project manager at Fraunhofer, explains. "We aim to recycle biogenic residues and waste materials across a broad spectrum, which will result in high-quality products. A particular focus is on the liquid hydrocarbons produced, which are in the form of oil with comparable properties to fossil crude oil, and on stable long-term operation." In addition, the Fraunhofer researchers want to further optimize and automate the pyrolysis plant.

The pilot plant was developed as part of the joint project ITZ CC and funded by the state of NRW. In addition to the Fraunhofer researchers, RWE Power AG and the Ruhr University Bochum are involved in the project.

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Sie alle hatten eine sogenannten Plan B für eine von fossilen Rohstoffen freie Welt parat – und kamen ins Finale des Gründerwettbewerbs „PlanB – Biobasiert.Business.Bayern.“. Mit innovativen Energienutzungstechnologien, neuen Biowerk- und Verpackungsstoffen sowie Recycling und Applikationen für eine nachhaltigere Landwirtschaft war in diesem Jahr das gesamte Bioökonomie-Spektrum vertreten. Doch nur drei der sechs Finalisten konnten gewinnen. Die Sieger wurden nun am 14. Februar bei einer Veranstaltung in der Sennebogen-Akademie in Straubing ausgezeichnet. Zuvor mussten die sechs Teams ihre innovativen Geschäftsideen bei einem dreiminütigen Pitch vor einer Experten-Jury und 160 geladenen Gästen präsentieren.

Sieg für Brennstoffzellen-Anlage für Biogasanlagen

Sieger des diesjährigen Wettbewerbs mit einem Preisgeld von 6.000 Euro ist das Bioenergie-Start-up Reverion aus Eresing. Das Team will mit seiner „Bioenergie mit CCS“-Technologie die nächste Generation von Kraftwerken bauen und klimapositive Energieproduktion möglich machen. Das Team überzeugte die Jury „mit dem schnellen Wachstum in den letzten Monaten und den vielen Vorbestellungen ihrer Brennstoffzellen-Anlage, die die Effizienz von Biogasanlagen deutlich erhöht und die Energieerzeugung klimapositiv gestallten soll“.

Verpackungen aus Dinkelspelzen statt Styropor

Zweitplatzierter ist Proservation aus Stuttgart. Das Start-up nutzt Agrarreststoffe zur Herstellung nachhaltiger Verpackungen. „Das Team trägt mit seinem ökologischen Verpackungsmaterial aus Getreidespelzen und biogenen Bindemitteln, das Styropor ersetzen kann, dazu bei, Verpackungsmüll zu reduzieren“, hieß es in der Begründung der Jury. Neben dem Preisgeld von 4.000 Euro konnte Geschäftsführer Henning Tschunt für seine Präsentation auch den Publikumsaward mit nach Hause nehmen.

Ein Biosensor für die Präzisionslandwirtschaft

Den dritten Platz und 3.000 Euro konnte sich das Start-up LiveSen sichern, eine Ausgründung der Uni Bochum und des Campus Straubing der Technischen Universität München. Das Start-up hat ein biotechnologisches Verfahren zur Präzisionsdüngung in der Landwirtschaft entwickelt. Die Biosensor-Technologie des Start-ups ermöglich eine laborgenaue und intelligente Düngung und damit eine effiziente und nachhaltigere Präzisionslandwirtschaft durch Biotechnologie, heißt es zur Begründung.

„Start-ups aus der immer weiterwachsenden Bioökonomieszene, wie wir sie beim Gründerwettbewerb PlanB auszeichnen, treiben mit ihren kreativen Ideen grüne Innovationen voran und verleihen dieser Entwicklung die entscheidende Schubkraft“, sagte Manfred Wolter, Abteilungsleiter für Technologie und Innovation im bayerischen Wirtschaftsministerium, in seinem Grußwort.

Anilin ist ein wichtiger Ausgangsstoff zur Herstellung des Kunststoffes Polyurethan, der für zahlreiche Alltagsprodukte wie Matratzen oder Dämmstoffe benötigt wird. Bislang wird die Chemikalie vorwiegend auf Basis von Erdöl hergestellt. Covestro, als einer der führenden Anilinproduzenten der Welt, geht hier neue Wege. Künftig will der Leverkusener Werkstoffhersteller die wichtige Chemikalie aus pflanzlicher Biomasse gewinnen. Die Grundlage dafür wurde in den vergangenen Jahren im Rahmen der Projekte Bio4PUR und Bio4PURPro gelegt. Nun geht die nachhaltige Anilinproduktion in die nächste Phase: Im kürzlich gestarteten Nachfolgeprojekt Bio4PURDemo will Covestro das Verfahren nun in den großtechnischen Maßstab überführen.

Anilin aus Biomasse hergestellt

Seit 2016 ist Covestro bereits dabei, gemeinsam mit Partnern biobasiertes Anilin aus pflanzlichen Rohstoffen wie Stroh oder Zuckerrüben herzustellen. Bei dem Verfahren kommen Mikroorganismen zum Einsatz, die die Biomasse zu einem zentralen Anilin-Vorprodukt verarbeiten und anschließend unter Hitzeeinwirkung zu Anilin umsetzen.

Zentrales Anilin-Vorprodukt im Tonnenmaßstab produziert

Im Rahmen des Vorgängerprojektes Bio4PURPro konnten sowohl die Ausbeuten als auch die Konzentrationen der mikrobiologischen Umsetzung deutlich verbessert und die Prozessschritte zur Fermentation und Aufreinigung im industriellen Maßstab durchgeführt werden. Im Ergebnis wurde ein zentrales Anilin-Vorprodukt im Tonnen-Maßstab produziert, das schließlich zu dem Polyurethan-Vorprodukt Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) sowie zu Polyurethan selbst weiterverarbeitet wurde.

Erste Testprodukte bewähren sich

Aus dem biobasierten Anilin wurden bereits erfolgreich erste Testprodukte gefertigt. So wurde beispielsweise das daraus erzeugte MDI in typischen Polyurethan-Anwendungen wie in Isolier-Dämmstoff, viskoelastischem Schaum oder als Betonbeschichtung eingesetzt. Diese Produkte konnten mit den erdölbasierten Pendants problemlos mithalten.

Gegenwärtig ist das Forschungsteam um Covestro dabei, die chemische Umwandlung des Vorproduktes zu Anilin vom Labor- in den Pilotmaßstab zu überführen. Damit sollen die letzten Wissenslücken zum Aufbau einer Demonstrationsanlage geschlossen werden. Das Vorhaben Bio4PURDemo wird von Covestro koordiniert und vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert.

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Aniline is an important component in the production of the plastic polyurethane, which is used for numerous everyday products such as mattresses or insulating materials. Until now, the chemical has been produced mainly on the basis of petroleum. Covestro, as one of the world's leading aniline producers, is breaking new ground. The Leverkusen-based materials manufacturer wants to produce the important chemical from plant biomass. The foundations for this were laid in recent years as part of the Bio4PUR and Bio4PURPro projects. In the recently launched follow-up project Bio4PURDemo, Covestro now wants to transfer the process to industrial scale.

Aniline produced from biomass

Since 2016, Covestro has been working with partners to produce biobased aniline from plant-based raw materials such as straw or sugar beet. The process uses microorganisms that process the biomass into a central aniline precursor and then convert it to aniline under the action of heat.

Central aniline precursor produced on a ton scale

As part of the Bio4PURPro project, both the yields and the concentrations of the microbiological conversion were significantly improved and the process steps for fermentation and purification were carried out on an industrial scale. As a result, a central aniline precursor was produced on a ton scale, which was ultimately further processed into the polyurethane precursor methylene diphenyl diisocyanate (MDI) as well as polyurethane itself.

First test products prove their worth

The first test products have already been successfully manufactured from the bio-based aniline. For example, the MDI produced from it was used in typical polyurethane applications such as insulating insulation, viscoelastic foam or as a concrete coating, and could easily compete with its petroleum-based counterparts.

The Covestro research team is now taking the chemical conversion of the precursor to aniline from laboratory to pilot scale. The goal is to close the last gaps in knowledge for the construction of a demonstration plant. The Bio4PURDemo project is coordinated by Covestro and funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture.

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Was ist Bioökonomie? In welchen Branchen ist biobasiertes Wirtschaften hierzulande bereits Realität? Und wie unterstützt die Bundesregierung diese Strategie für ein nachhaltiges Wirtschaftswachstum? Diese Fragen beantwortet die Broschüre „Bioökonomie in Deutschland“, die gemeinsam vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) herausgegeben wird.

Im vergangenen Jahr erschien die vom Redaktionsteam der vom BMBF initiierten Informationsplattform bioökonomie.de grundlegend überarbeitete und aktualisierte Version der Broschüre auf Deutsch. Die 90-seitige Publikation im DINA4-Format geht in sieben Kapiteln auf wichtige Aspekte der Bioökonomie ein – darunter sind neben einer Einführung ins Thema auch Schlaglichter auf das Thema nachhaltige Entwicklung, auf die Rohstoffquellen der Bioökonomie sowie das Konzept der kreislaufbasierten Bioproduktion. Zudem sind dem gesellschaftlichen Dialog und dem Thema Karriere in der Bioökonomie eigene Kapitel gewidmet.

In „Bioeconomy in Germany“ können jetzt auch Interessierte aus aller Welt nachlesen, wo Deutschland auf dem Weg in eine nachhaltige Bioökonomie steht und welche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten es gibt. Die Übersetzung in britisches Englisch hat das Übersetzungsbüro Peschel Communications angefertigt.

What is the bioeconomy? In which sectors is biobased economic activity already a reality in this country? And how does the German government support this strategy for sustainable economic growth? These questions are answered in the brochure "Bioeconomy in Germany", published jointly by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL).

Last year, the fundamentally revised and updated version of the brochure was published in German by the editorial team of the bioökonomie.de information platform initiated by the BMBF. The 90-page publication in DINA4 format addresses important aspects of the bioeconomy in seven chapters – including an introduction to the topic as well as spotlights on the issue of sustainable development, the raw material sources of the bioeconomy and the concept of cycle-based bioproduction. In addition, separate chapters are devoted to social dialogue and careers in the bioeconomy.

Now interested people from all over the world can also read about where Germany stands on the path to a sustainable bioeconomy and what research and development activities are underway. The translation into British English was done by Peschel Communications GmbH.

Mit der ersten Auflage der Hightech-Strategie im Jahr 2006 hat die Bundesregierung erstmals die Schwerpunkte der Forschungs- und Innovationspolitik Deutschlands für die Zukunft festgeschrieben. In der Folgezeit wurde die Stategie regelmäßig den neuen Entwicklungen angepasst – zuletzt im September 2018. Mit der "Zukunftsstrategie Forschung und Innovation" hat die Bundesregierung unter Federführung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) Anfang Februar nun einen Nachfolger veröffentlicht. Ressortübergreifend werden hiermit die Ziele, Schwerpunkte und Meilensteine der Forschungs- und Innovationspolitik der kommenden Jahre formuliert.

„Die Zukunftsstrategie bildet das ressortübergreifende Fundament für die Forschungs- und Innovationspolitik der Bundesregierung", so Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger. "Sie dient dazu, unsere Anstrengungen und Ressourcen zu bündeln und auf die großen Herausforderungen auszurichten. Sie trägt dazu bei, die Forschungs- und Innovationspolitik weiterzuentwickeln, die natürlichen Lebensgrundlagen zu schützen, die internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands zu sichern, die Resilienz der Gesellschaft zu stärken und die eigene Wirtschaftskraft zu gewährleisten.“

Sechs Missionen, um Transformationsprozesse aktiv zu gestalten

Die Zukunftsstrategie Forschung und Innovation formuliert ressortübergreifend Ziele, Schwerpunkte und Meilensteine der Forschungs- und Innovationspolitik der kommenden Jahre. Um ihren Erfolg beobachten und steuern zu können, definiert die Bundesregierung 17 Indikatoren für die ganzheitliche Weiterentwicklung des Innovationssystems bis 2025. Ziel ist es, die Rahmenbedingungen für ein leistungsfähiges Wissenschaftssystem zu verbessern, den Transfer zu beschleunigen, die europäische und internationale Zusammenarbeit in der Wissenschaft zu intensivieren, die Beteiligung an Forschung, Entwicklung und Innovation zu erhöhen, die Fachkräftebasis zu stärken und die Gesellschaft stärker ins Forschungs- und Innovationsgeschehen einzubinden.

Feldroboter, die Unkraut jäten und den Nährstoffgehalt im Boden ermitteln, oder Drohnen, die Pflanzenkrankheiten aufspüren: Moderne Feldtechnik mit hochsensiblen Sensoren und Kameras haben die Arbeit in der Landwirtschaft vielerorts schon jetzt ein Stück effizienter und nachhaltiger gemacht. Die Technologien, die im sogenannten Präzisionspflanzenbau zum Einsatz kommen, arbeiten jedoch meist isoliert. Aufgrund solcher Insellösungen lässt sich der tatsächliche Nutzen nur schwer bewerten, da Daten fehlen. Hier setzt das Projekt DigiMax-PA an.

Präzisionspflanzenbau im Mischbetrieb

Ein Team um Cornelia Weltzien vom Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie in Potsdam will nun gemeinsam mit Partnern in einem brandenburgischen Mischbetrieb neben der bestehenden Tierhaltung eine durchgehend digitale Produktionskette im Präzisionspflanzenbau aufbauen, um den Nutzen eines systematischen Einsatzes präziser Pflanzenbautechniken zu belegen und Verfahren entsprechend optimieren zu können. Ziel ist eine vergleichende, ökonomische und ökologische Bewertung der präzisen Techniken im Praxisbetrieb.

Ungenutzte Potenziale heben

Zunächst wollen die Forschenden den Boden anhand seiner Eigenschaften kartieren und dann in kleine Parzellen aufteilen, um diesen je nach Bedarf sowohl mineralisch als auch organisch zu düngen. Mithilfe eines von ihnen entwickelten Netzwerkes aus Sensoren soll dann der Einfluss der Düngung unter anderem auf die Fruchtbarkeit des Bodens, auf das Pflanzenwachstum und die Emissionen ermittelt werden. „Am Beispiel einer präzisen, aufeinander abgestimmten organischen und mineralischen Düngung soll das bisher ungenutzte Potenzial zur Steigerung der Umwelt- und Klimaeffizienz in der konventionellen Landwirtschaft gehoben werden“, schreiben die Forschenden.

Mit Schulungen Kompetenzen steigern

Um die Potenziale der Techniken in der Praxis nutzbar zu machen, will das Projektteam Landwirtinnen und Landwirten auch beratend zur Seite stehen. Dafür sollen analoge und digitale Schulungsmethoden erarbeitet und damit die Kompetenzen in der Praxis gefördert werden.
 
Das Projekt DigiMax-PA ist im Dezember 2022 gestartet und wird für drei Jahre vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft mit insgesamt 2,9 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt sind neben dem ATB die TU Berlin, die Universität Potsdam und das Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ.

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Field robots that weed and determine the nutrient content in the soil, or drones that detect plant diseases: modern field technology with highly sensitive sensors and cameras have already made work in agriculture more efficient and sustainable. However, the technologies used in so-called precision crop farming usually operate in isolation. Due to such isolated solutions, data is lacking and the actual benefits are difficult to evaluate. The DigiMax-PA project aims to change this.

Precision mixed planting

A team led by Cornelia Weltzien from the Leibniz Institute of Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB) in Potsdam is working with partners to set up an end-to-end digital production chain in precision crop farming alongside existing animal husbandry on a mixed farm in Brandenburg. With this, they want to be able to prove the benefits of systematic use of precision crop production techniques and optimize processes accordingly. The aim is a comparative, economic and ecological evaluation of the precision techniques in the practical farm.

Leveraging unused potential

The researchers want to map the soil based on its properties and then divide it into small plots in order to fertilize them with both mineral and organic fertilizers as needed. They will then use a network of sensors they have developed to determine the impact of fertilization on soil fertility, plant growth and emissions. "The example of precise, coordinated organic and mineral fertilization will be used to raise the previously untapped potential for increasing environmental and climate efficiency in conventional agriculture," the researchers explain.

Increase competencies with training

To exploit the potential of the technologies in practice, the project team also wants to advise farmers. Analog and digital training methods will be developed to promote skills in practice.
 
The DigiMax-PA project started in December 2022 and is funded for three years by the Federal Ministry of Food and Agriculture with a total of 2.9 million euros. In addition to the ATB, the TU Berlin, the University of Potsdam and the Helmholtz Centre Potsdam - GFZ German Research Center for Geosciences are involved.

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Ob in Kosmetika, Wasch- oder Reinigungsmitteln: Tenside sind in vielen Produkten zu finden. Die oberflächenaktiven Moleküle sollen heute aber nicht nur wirksamer und zugleich hautverträglicher sein als früher. Sie sollen auch biologisch abbaubar sein und aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Diesen Herausforderungen haben sich Forschende im Verbundprojekt LipoPep gestellt. Unter der Leitung der TH Köln wurde in den vergangenen drei Jahren erforscht, wie sich nachwachsende Rohstoffe aus heimischen Pflanzen wie Lupinen, Sonnenblumen und Raps zur Herstellung von Tensiden nutzen lassen. Gleichzeitig sollten biokatalytische und chemische Syntheseverfahren etabliert werden, die den Prinzipien der „Grünen Chemie“ Rechnung tragen.

Enzym ersetzt Reaktion mit Säurechlorid

Im Fokus des Vorhabens standen Acylaminosäuren und Lipopeptide. Diese Tenside sind sehr mild und werden wegen ihrer guten Hautverträglichkeit bevorzugt in Babyshampoos eingesetzt. Ihre Kraft, Fett und Schmutz im Wasser zu lösen, verdanken auch diese Tenside entsprechenden chemischen Strukturen. „Die dafür klassischerweise verwendete chemische Reaktion mit Säurechlorid ist nicht besonders nachhaltig“, erklärt Projektleiter Ulrich Schörken von der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der TH Köln.

Im Projekt ist es den Forschenden gelungen, die Herstellung dieser Tenside nachhaltiger zu machen. „Unsere Partner*innen an der FH Aachen haben ein neues Enzym entwickelt, das Fettsäuren und Aminosäuren biokatalytisch verknüpft. Gemeinsam konnten wir zeigen, dass Acylaminosäuren auf diese Weise nachhaltig produziert werden können“, so der Projektleiter. Schörken zufolge soll das neue Verfahren nun patentiert werden.

Phosphorbasierte Reaktion fördert die Recyclingfähigkeit

Darüber hinaus zeigen die Forschenden, dass auch eine chemische Koppelung von wasserabweisenden und wasserliebenden Bestandteilen durchaus nachhaltig erfolgen kann. Alternativ wurde hier die üblicherweise chlorbasierte Reaktion durch eine phosphorbasierte ersetzt, was viele Stoffe recyclebar machte. „Unsere weiteren Arbeiten widmeten sich dem Design und der nachhaltigen Synthese neuer Tensidstrukturen auf Aminosäurebasis. Diese Ergebnisse wollen wir in Kürze publizieren“, berichtet Schörken.

Das Verbundprojekt „Neue biobasierte Lipopeptide aus nachhaltiger Produktion“ (LipoPep) wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderrichtlinie „Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen“ (FHprofUnt) von 2018 bis 2022 mit rund 600.000 Euro gefördert. Neben der TH Köln waren die FH Aachen – Campus Jülich, die BASF Personal Care and Nutrition GmbH, die Henkel AG & Co.KGaA, die DAKO AG, die Uniferm GmbH & Co. KG und der Pilot Pflanzenöltechnologie Magdeburg e.V. beteiligt.

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Whether in cosmetics, detergents or cleaning agents: Surfactants can be found in many products. Today, however, the molecules should not only be more effective and skin-friendly than in the past, but also biodegradable and produced from renewable raw materials. Researchers in the LipoPep joint project have taken up these challenges. Under the leadership of TH Köln, research has been conducted over the past three years into how renewable raw materials from native plants such as lupins, sunflowers and rapeseed can be used to produce surfactants. At the same time, biocatalytic and chemical synthesis processes were to be established that take account of the principles of "green chemistry".

Enzyme replaces reaction with acid chloride

The project focused on acylamino acids and lipopeptides. These surfactants are very mild and are used in baby shampoos, for example, because of their good skin compatibility. These surfactants owe their power to dissolve grease and dirt in water to corresponding chemical structures. "The chemical reaction with acid chloride classically used for this purpose is not particularly sustainable," explains project manager Ulrich Schörken from the Faculty of Applied Natural Sciences at TH Köln.

In the project, the researchers succeeded in making the production of these surfactants more sustainable. "Our partners from Aachen University of Applied Sciences have developed a new enzyme that biocatalytically links fatty acids and amino acids. Together, we were able to show that acylamino acids can be produced sustainably in this way," says the project leader. According to Schörken, the new process is now to be patented.

Phosphorus-based reaction promotes recyclability

The researchers show that a chemical coupling of water-repellent and water-loving components can also be carried out in a thoroughly sustainable manner. Alternatively, the usually chlorine-based reaction was replaced here by a phosphorus-based one, which made many substances recyclable. "Our further work was devoted to the design and sustainable synthesis of new amino acid-based surfactant structures. We plan to publish these results shortly," Schörken reports.

The joint project "New biobased lipopeptides from sustainable production" (LipoPep) was funded by the Federal Ministry of Education and Research within the framework of the funding guideline "Research at universities of applied sciences with companies" (FHprofUnt) from 2018 to 2022 with around 600,000 euros. In addition to the TH Köln, the FH Aachen - Campus Jülich, BASF Personal Care and Nutrition GmbH, Henkel AG & Co.KGaA, DAKO AG, Uniferm GmbH & Co. KG and Pilot Pflanzenöltechnologie Magdeburg e.V. were involved.

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Ob Kiefernnadeln, Bier oder Orangenlimo: Sie alle bekommen ihren jeweiligen Duft von Terpenen. Viele Lebewesen nutzen Terpene als Signalmoleküle, und auch im menschlichen Stoffwechsel spielen sie eine Rolle. Damit endet die Vielfalt dieser Naturstoffklasse jedoch nicht. Die Industrie nutzt Terpene für Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel, für Parfüms und Medikamente. Doch die Gewinnung von Terpenen ist problematisch.

Bisherige Optionen sind ineffektiv und umweltschädlich

Bislang gibt es zwei Wege: Terpene können aus ihren natürlichen Quellen extrahiert werden. Das ist jedoch weder effektiv noch naturfreundlich: „Man kann nicht alle pazifischen Eiben fällen, um Taxol für ein Krebsmedikament zu isolieren“, sagt Tanja Gulder, Chemikerin an der Universität Leipzig. „Man würde für ein Gramm des Wirkstoffes die Rinde von zwölf ausgewachsenen Bäumen dieser wenig verbreiteten Baumart benötigen.“ Die Alternative besteht darin, Terpene unter extremen Bedingungen zu synthetisieren. Das erfordert sehr saure Bedingungen und tiefe Temperaturen – was ebenfalls weder effektiv noch umweltfreundlich ist.

Das Team um Gulder hat daher geschaut, wie die Enzyme in der Natur Terpene produzieren. Die sogenannten Terpencyclasen pressen dazu Kohlenstoffketten in ihrem aktiven Zentrum in Form und entlassen das fertige Molekül, um mit dem nächsten fortzufahren. „Das kann man sich vorstellen wie eine rasante molekulare Fertigungsmaschine“, schildert Gulder. Allerdings gibt es Terpene, deren Art und Anzahl der Atomverbindungen identisch sind, deren räumliche Struktur sich jedoch unterscheidet. „Solche atomaren Unterschiede entscheiden im einfachen Falle, ob etwas nach Kümmel oder Orange schmeckt“, erläutert Gulder. Im schlimmsten Fall machen sie aus, ob ein Terpen als Medikament wirkt oder schadet.

Enzymähnliche Umgebung chemisch nachgebaut

Ihr Team schaffte es dennoch, aus leicht verfügbaren Substanzen eine enzymähnliche Umgebung zu bauen, um passgenau Terpene zu synthetisieren. „Im Grunde haben wir eine künstliche Enzymtasche in Form einer strukturierten Lösung nachgebaut, in welcher sich unser jeweiliges Startmaterial hineinfalten kann“, schildert die Chemikerin. „Wie auch in der Natur bleiben die Formen nach der Reaktion bestehen.“ Der Schlüssel dazu war fluorierter Alkohol: „Wir hatten festgestellt, dass, wenn man Wasserstoffatome in Alkoholen mit Fluor-Atomen ersetzt, der so entstandene fluorierte Alkohol extreme Bindungskräfte aufweist: Moleküle bilden in solchen Lösungen Helices oder Ringe, die sich zu Röhren stapeln.“ Computersimulationen halfen dabei, die richtigen Zusätze zu identifizieren, die zu den gewünschten Formen führten.

Das neue Verfahren benötigt weder Schwer- oder Edelmetalle noch extreme Reaktionsbedingungen. „Damit ist es breit anwendbar und nachhaltiger als bisherige Methoden“, resümiert Gulder. Chemielabore sollten es mit der bestehenden Ausrüstung leicht in die industrielle Fertigung überführen können. Details des Verfahrens hat das Forschungsteam im Fachjournal „Nature Communications“ publiziert.

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Vanillin ist der Hauptbestandteil der Vanilleschote und gehört zu den weltweit begehrtesten Aromastoffen. Aufgrund der hohen Nachfrage wird der Aromastoff seit langem chemisch aus Erdöl hergestellt – denn auch die Fermentation aus den Kapselfrüchten der Vanillepflanze ist aufwendig und teuer. Ein Team um den Mainzer Chemiker Siegfried Waldvogel forscht seit einigen Jahren an einer nachhaltigen Alternative zur Gewinnung von Vanillin. Als Rohstoffquelle dient ihm Lignin, ein Reststoff, der beispielsweise in der Zellstoffindustrie anfällt. Auf dem Weg zur nachhaltigen Vanillin-Produktion kann die Forschungsgruppe nun weitere Erfolge verzeichnen.  

Elektrischer Strom als Oxidationsmittel

„Mit dem elektrochemischen Verfahren, an dem wir seit fast 15 Jahren arbeiten, können wir qualitativ hochwertiges Vanillin umweltschonend aus der erneuerbaren Ressource Holz gewinnen“, sagt Siegfried Waldvogel. Wie das Team im Fachmagazin Angewandte Chemie nun berichtet, wurde bei der elektrochemischen Herstellung von Vanillin aus Lignin ein „grünes“ Oxidationsmittel eingesetzt, das den oxidativen Abbau des Kraft-Lignins – das maßgebliche Abfallprodukt – zu Vanillin bewerkstelligt. „Wir sind überzeugt, dass wir mit unserem nachhaltigen, umweltschonenden Prozess dazu beitragen können, dass Vanillin auch in größerem Maßstab hergestellt wird.“

Sicher, kostengünstig und abfallfrei

Bei der chemischen Herstellung des Aromastoffes Vanillin werden nicht nur fossile Rohstoffe eingesetzt. Es entstehen auch giftige Abfallprodukte. Mit dem Einsatz von Lignin sind diese Nachteile passé. Zwar wird Lignin seit langem zur Vanillingewinnung genutzt. Bei dem kommerziellen Verfahren kommt jedoch Kupfer als Katalysator zum Einsatz, der aufwendig aus dem Endprodukt wieder entfernt werden muss. Die direkte Verwendung von elektrischem Strom als Oxidationsmittel ist den Mainzern zufolge hingegen „inhärent sicher, kostengünstig und vermeidet die Entstehung von Abfall“.

Anbindung an Bioraffinerie möglich

Der Vorteil der Mainzer Methode: Mit Kraft-Lignin kommt ein Abfallstoff als Ausgangsstoff und als Lösungsmittel Natronlauge zum Einsatz. Als Oxidationsmittel dient demnach eine „frisch elektrolysierte Peroxodicarbonatlösung“, die der Ligninlösung zu Beginn der Reaktion zugesetzt wird. „Wir erreichen damit eine Ausbeute von bis zu 6,2 Gewichtsprozent, das ist ein hervorragendes Ergebnis“, sagt Waldvogel. Das hier verwendete Carbonat sei zudem der notwendige Zusatz für den industriellen Betrieb der Zellstoffanlage. Somit seien alle Wege offen, das Verfahren technisch mit einer Bioraffinerie zu kombinieren, schreiben die Forschenden.

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In der Definition der Bundesregierung umfasst die Bioökonomie die Erzeugung, Erschließung und Nutzung biologischer Ressourcen, Prozesse und Systeme, um Produkte, Verfahren und Dienstleistungen in allen wirtschaftlichen Sektoren für ein zukunftsfähiges Wirtschaftssystem bereitzustellen. Der Übergang zu einer biobasierten Wirtschaft setzt einen tiefgreifenden gesellschaftlichen Wandel voraus mit wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Dimensionen. Entsprechend breit aufgestellt ist die Forschungslandschaft. Das Spektrum erstreckt sich in den naturwissenschaftlichen Bereichen von den Agrarwissenschaften bis zur Chemie, von der  Biodiversitätsforschung bis zu den Ernährungswissenschaften, über die Biotechnologie, Materialwissenschaften sowie Umwelt- und Energietechnologien. Aber auch in den geisteswissenschaftlichen Disziplinen wie den Sozial-, Wirtschafts-, Politik- und Rechtswissenschaften gibt es relevante Forschungsaktivitäten.