The bioeconomy is a complex interdisciplinary subject with economic, social and ecological dimensions. Accordingly, research in this country is diversified. In the natural sciences, academic disciplines range from agricultural science, biotechnology, materials science and environmental technology to nutritional science. There are also research activities in the humanities such as the social sciences, economics, politics and law that are relevant to the bioeconomy.
Aktuelle Veranstaltungen
Polyester sind eine wichtige Kunststoffklasse für die Textilindustrie. Bislang benötigt die Herstellung jedoch meist fossile Rohstoffe. Im Verbundprojekt „Threading CO2“ haben sich nun 17 Partner aus sieben europäischen Ländern zusammengeschlossen, um eine Alternative zu schaffen. Sie wollen Monoethylenglycol, den Ausgangsstoff für den Polyester PET, herstellen, indem sie CO2 aus Industrieabgasen als Rohstoff nutzen.
Neuen Syntheseweg für PET zur Industriereife führen
Die französische Firma Fairbrics hat den grundlegenden Prozess entwickelt, um Monoethylenglycol auf diese Weise zu produzieren. Sie will damit nicht nur fossile Rohstoffe vermeiden, sondern auch Kohlendioxid, das ansonsten in der Atmosphäre landen würde, einer zusätzlichen Wertschöpfung zuführen. Das Verbundprojekt will dieses neue Herstellungsverfahren nun hochskalieren und eine Pilotanlage bauen, um es zur industriellen Reife zu führen. Gleichzeitig sollen offene Herausforderungen gelöst werden.
Polyesters are an important class of plastics for the textile industry. Until now, however, fossil raw materials were needed for their production. In the joint project "Threading CO2," 17 partners from seven European countries have joined forces to create an alternative. They want to produce monoethylene glycol, the starting material for polyester PET, using CO2 from industrial waste gases as a raw material.
Leading a new synthesis route for PET to industrial maturity
The French company Fairbrics has developed the process for producing monoethylene glycol in this way. The aim is not only to reduce the use of fossil raw materials, but also to recycle the carbon dioxide that would otherwise escape into the atmosphere. The joint project aims to use this new production process on a larger scale and build a pilot plant to bring it to industrial maturity.
Nicht nur Bundesligavereine setzen bei ihren Spielflächen meist auf Kunstrasen. Auch kleine Vereine bevorzugen das pflegeleichte und wetterunabhängigere Material und stemmen die nötigen Investitionen. Rund 9.000 Kunstrasenplätze existieren in Deutschland bereits. Doch Kunstrasenflächen basieren bislang auf fossilen Rohstoffen und tragen zudem dazu bei, dass Mikroplastik in die Umwelt gelangt. Die Europäische Chemieagentur ECHA hat errechnet, dass Kunstrasenplätze in Europa für jährlich 16.000 Tonnen Mikroplastikeintrag in die Natur verantwortlich sind.
Größter Mikroplastikaustrag durch Einstreugranulat
Die Stadt Ellwangen in Baden-Württemberg möchte nun eine nachhaltige und zukunftsfähige Alternative für ihre Sportplätze schaffen: Sie sollen einen biobasierten und bioabbaubaren Kunstrasen erhalten, der genauso spieltauglich ist wie bisher Kunstrasen. Unterstützt wird die Stadt Ellwangen von der Universität Stuttgart, die an der Kunststofftechnik forscht, vom Biopolymerhersteller Tecnaro, der das System zum Produkt entwickelt, sowie vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), das Finanzmittel beisteuert.
Der größte Mikroplastikaustrag erfolgt bei Kunstrasen aus dessen oberster Faserschicht. Darin befindet sich ein Einstreugranulat, das dem Rasen Stabilität und Elastizität verleiht. Ausgehend von Werkstoffen, die Tecnaro bereits entwickelt hat, soll ein verbessertes Einstreugranulat entstehen, das zu 90% biologisch abbaubar ist – im Erdreich innerhalb von zwei Jahren, im Wasser bereits innerhalb eines halben Jahres. Gleichzeitig muss das Granulat gegen einen Abbau beständig sein, solange es im Kunstrasen verweilt.
Einsatz von biobasierten Fasern und elastischem Kunststoffrezyklat
Auch für die Faserschicht selbst wollen die Projektbeteiligten biobasierte Alternativen finden. Dazu muss das Team geeignete Grundstoffe finden, die alle technischen Anforderungen erfüllen. Insbesondere müssen sie temperaturbeständig sein, da sie im Sommer starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Die Elastikschicht des Rasen wollen die Beteiligten aus Kunststoffrezyklat herstellen.
Auf dem Modellplatz in Ellwangen werden die Forschenden schließlich überprüfen, wie hoch der Kunststoffaustrag des biobasierten Kunstrasens in der Praxis ist und wie sich dies auf die Umwelt auswirkt. Seine Ökobilanz soll dann eines der Themen in Bürgerdialogen sein, in denen die Bevölkerung über die Hintergründe des neuen Kunstrasenplatzes informiert werden.
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It is not only Bundesliga clubs that rely on artificial turf for their playing surfaces. Smaller clubs also prefer the low-maintenance and weather-independent material and are making the necessary investments. There are already around 9,000 artificial turf pitches in Germany. But these have so far been based on fossil raw materials and contribute to microplastics entering the environment. The European Chemicals Agency (ECHA) has calculated that artificial turf pitches in Europe are responsible for 16,000 tons of microplastics in the environment every year.
Largest microplastic discharge through litter granules
The town of Ellwangen in Baden-Württemberg now wants to create a sustainable and future-proof alternative for its sports fields: they are to be given a biobased and biodegradable artificial turf that is just as suitable for playing on as artificial turf used to be. The city of Ellwangen is being supported by the University of Stuttgart, which is conducting research into plastics technology, by biopolymer manufacturer Tecnaro, which is developing the system into a product, and by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL), which is contributing funding.
In artificial turf, most of the microplastic comes from the top layer of fibers. This contains infill granules that give the turf stability and elasticity. Based on materials that Tecnaro has already developed, the aim is to create an improved infill granulate that is 90% biodegradable - within two years in the soil and even within just half a year in water. However, the granules must be resistant to degradation processes as long as they remain in the artificial turf.
Use of bio-based fibers and elastic plastic recyclate
The project team also wants to find bio-based alternatives for the fiber layer itself. To do this, the team needs to find suitable base materials that meet all the technical requirements. Above all, they must be temperature-resistant, as they are exposed to strong solar radiation in summer. The participants want to produce the elastic layer of the turf from plastic recyclate.
On the model pitch in Ellwangen, the researchers will finally check how high the plastic discharge of the biobased artificial turf is in practice and how this affects the environment. Its eco-balance is then to be one of the topics in citizens' dialogs in which the population will be informed about the background to the new artificial turf pitch.
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Die Nylon-Fäden und Einwegverpackungen für handelsübliche Zahnseide werden auf Basis von Erdöl hergestellt und landen nach Gebrauch zuhauf auf dem Müll. Auf der Suche nach nachhaltigeren und zugleich veganen Alternativen forschen Hersteller an Produkten aus Biokunststoff.
Rizinus- statt Erdöl
Ein Berliner Hersteller ersetzt Nylon-Fasern durch Biokunststoff auf Basis von Rizinusöl und bietet eine vegane, plastikfreie und recyclingfähige Zahnseide an.
Das Öl wird als Ausgangsstoff für die Herstellung von Polyamid verwendet. Gewonnen wird es aus den Samen des Wunderbaums (Ricinus communis), der vor allem in tropischen Zonen kultiviert wird. Der Baum benötigt nur wenig Wasser und Pflanzenschutzmittel und wird meist umweltfreundlich angebaut. Sowohl Rizinusöl als auch die Frucht des Wunderbaumes sind als Lebensmittel ungeeignet. Damit konkurriert die Verwendung von Rizinusöl nicht unmittelbar mit der Herstellung von Nahrungsmitteln.
Nachfüllen für mehr Nachhaltigkeit
Das Unternehmen verzichtet bewusst auf Einwegbehälter, um weiteren Abfall zu vermeiden. Der Zahnseiden-Spender ist nachfüllbar und recyclingfähig. Deckel und Unterteil bestehen aus Biokunststoff auf Basis von Kiefernöl, das in einem Nebenstrom der Holz- und Papierproduktion gewonnen wird. Der Spulenkern besteht aus Zuckerrohr-basiertem Biokunststoff und ist ebenfalls recyclingfähig.
Marktreife
Die Zahnseide und zahlreiche Zahnpflegeprodukte aus Biokunststoff, wie Zahnbürsten mit austauschbarem Kopf oder Reisekappen, sind in Onlineshops erhältlich.
The nylon threads and disposable packaging for commercially available dental floss are made from petroleum and usually end up in the trash after use. In the search for more sustainable, yet vegan alternatives, manufacturers are developing products made from bioplastics.
Castor oil instead of petroleum
A Berlin-based manufacturer replaces nylon threads with castor oil-based bioplastic and offers vegan and recyclable dental floss – free of fossil-based plastic. The castor oil is used as a starting material for the production of polyamide.
It is obtained from the seeds of castor bean, a tree which is cultivated mainly in tropical zones. It requires little water and pesticides and can be cultivated in an environmentally friendly way. Castor oil, as well as the fruit of the tree, are unsuitable for consumption. Therefore, the use of castor oil does not directly compete with the production of food.
Refill for more sustainability
The company deliberately forgoes the use of disposable containers to avoid further waste. The dental floss dispenser can be refilled and is recyclable. Lid and bottom are made of bioplastic based on pine tree oil which is obtained in a side stream of wood and paper production. The core of the reel is made from sugarcane-based bioplastic and is also recyclable.
Market readiness
The dental floss and numerous dental care products made of bioplastic, such as toothbrushes with replaceable heads or travel caps, are available in online stores.
Plastik ist überall. Weil Kunststoffe zahlreiche Vorzüge haben, vielseitig einsetzbar und darüber hinaus kostengünstig sind, lässt sich nur schwer auf sie verzichten. Hergestellt werden Kunststoffe heute vorwiegend aus Erdöl. Durch die energieintensive Herstellung von Kunststoffen und ihre Verbrennung, nachdem sie Ihren Dienst getan haben, gelangen große Mengen CO2 in die Atmosphäre. Damit tragen Plastikprodukte wesentlich zum Klimawandel bei.
Ein Ausweg wäre, auf nachhaltige Produktionsweisen wie etwa die Kreislaufwirtschaft zu setzen, bei der möglichst viel Plastik wiederverwertet wird. Hauptausgangsstoff für Plastikprodukte wäre dann nicht mehr Erdöl, sondern zerkleinerter Plastikabfall. In der in Nature Sustainability veröffentlichten Studie wurden die vollständigen Wertschöpfungsketten der 14 häufigsten Kunststoffarten, darunter Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid, untersucht. Erstmals wurde überprüft, ob sich die Planetaren Grenzen einhalten lassen. Die Planetaren Grenzen sind ein Maß für die umfassende Nachhaltigkeit von Prozessen. Sie gehen über die Energie- und Klimaproblematik hinaus und beinhalten beispielsweise auch Auswirkungen auf Land- und Wasserressourcen, die Ökosysteme und die Biodiversität. Prozesse, welche die Planetaren Grenzen einhalten, können somit langfristig aufrechterhalten werden, ohne dabei Raubbau am Planeten Erde zu betreiben.
Das Ergebnis der Studie: Kunststoffkreisläufe innerhalb der Planetaren Grenzen sind möglich. Dazu müssten mindestens 74% der verbrauchten Kunststoffe wiederverwertet werden. Zum Vergleich: Heute wird in Europa je nach Schätzung nur rund 15% rezykliert, in anderen Weltregionen dürfte die Quote weit geringer sein. Außerdem müssten laut der Studie die Recyclingprozesse verbessert werden.
Für die restlichen maximal 26% der Kunststoffe könnte der für die Herstellung benötigte Kohlenstoff laut der Studie aus zwei weiteren Technologien stammen: einerseits aus der CO2-Abscheidung von Verbrennungsprozessen oder aus der Atmosphäre (CCU, für englisch: Carbon Capture and Utilisation) und andererseits aus Biomasse.
Wissen Sie, wie Rapsfelder duften? Wenn Sie jetzt eine Vorstellung in der Nase haben, dann wissen Sie, wie Indol riecht. Doch nicht nur Raps produziert dieses charakteristisch riechende Molekül, auch viele Mikroorganismen nutzen es in ihrem Stoffwechsel. Damit die Mikroorganismen daraus wichtige Verbindungen bilden können, müssen sie das Indol zunächst aktivieren. Das geschieht durch ein Enzym namens Indol-Monooxygenase. Forschende der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Leipzig haben nun die Struktur und Interaktion dieses Enzyms mit seinem Substrat und dem für die Reaktion benötigten Cofaktor aufgeklärt.
Aufbau und Interaktion der Indol-Monooxygenase aufgeklärt
Damit legt das Bochumer Team die Grundlage, um diese Monooxygenase biotechnologisch einzusetzen und ausgehend von Indol und dem nah verwandten Molekül Inden medizinische Wirkstoffe herzustellen. Auf der chemischen Ebene kann das Enzym hoch selektiv Doppelbindungen oder Schwefelatome oxygenieren. Das ermöglicht es dem Indol, neue Bindungen einzugehen. Außerdem entsteht bei chemischen Reaktionen manchmal das Produkt in zwei spiegelbildlichen Formen, von denen nur eine die gewünschte biologische Wirkung hat, die andere manchmal sogar schadet. Abhängig vom Substrat stellt die Indol-Monooxygenase ausschließlich die gewünschte Form her. „Das ist besonders bei der Herstellung von Arzneimittelwirkstoffen essenziell“, betont Dirk Tischler von der Uni Bochum.
Das Forschungsteam hat die neuen Erkenntnisse direkt auf ein weiteres Molekül übertragen, auf das dem Indol sehr ähnliche Inden. „Kann man Inden selektiv epoxidieren, eröffnet man den Weg zu einem Wirkstoff gegen HIV-Proteasen“, erläutert Tischler. „Bisher fehlten uns aber die strukturellen und mechanistischen Details, um eine Indol-Monooxygenase dazu zu bringen, diese Reaktion effektiv zu katalysieren.“
Hochreines Indenoxid biotechnologisch hergestellt
Mit diesem neuen Wissen über die Enzymstruktur hat das Team eine Enzym-Untereinheit aus dem Bodenbakterium Variovorax paradoxus mittels gerichteter Evolution gentechnisch optimiert. Erzeugte das Enzym natürlicherweise zu 35 Prozent reines Indenoxid aus Inden, schafft das optimierte Enzym eine Reinheit von mehr als 99 Prozent. Das sogenannte 1S,2R-Indenoxid ist eine Vorstufe für einen HIV-Proteasehemmer.
„Dies zeigt die Bedeutung des molekularen Verständnisses von Proteinstrukturen für die Biokatalyse und auch die Möglichkeiten der gerichteten Evolution für die angewandte Forschung“, resümiert Tischler. Nicht zuletzt liegt ein Vorteil der Biokatalyse darin, dass sie bei milden Reaktionsbedingungen abläuft, also Energie spart, und keine oftmals problematischen Nebenprodukte erzeugt. Details ihrer Arbeit haben die Forschenden im Fachjournal „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht.
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Do you know the smell of rapeseed fields? If so, then you know what indole smells like. Not only rapeseed produces this characteristic smelling molecule, but many microorganisms use it in their metabolism. In order for the microorganisms to form important compounds from it, they must first activate the indole. This is done by an enzyme called indole monooxygenase. Researchers at the Ruhr-Universität Bochum and the University of Leipzig have now studied the structure and interaction of this enzyme with its substrate and the cofactor required for the reaction.
Structure and interaction of indole monooxygenase studied
The Bochum team has thus laid the foundation for the biotechnological application of this monooxygenase and the production of active medical ingredients from indole and the closely related molecule indene. At the chemical level, the enzyme can highly selectively enrich double bonds or sulfur atoms with oxygen. This enables the indole to form new bonds. In addition, chemical reactions sometimes produce two mirror-image forms of the product, only one of which has the desired biological effect, while the other is sometimes harmful. Depending on the substrate, indole monooxygenase produces only the desired form. "This is particularly important in the production of active pharmaceutical ingredients," emphasizes Dirk Tischler of the University of Bochum.
The research team has applied the new findings to another molecule, indene, which is very similar to indole. "If you can selectively epoxidize indene, you open the way to an active agent against HIV proteases," explains Tischler. "Until now, however, we lacked the structural and mechanistic details to get an indole monooxygenase to catalyze this reaction effectively."
High-purity indene oxide produced biotechnologically
With this new knowledge of enzyme structure, the team genetically optimized an enzyme subunit from the soil bacterium Variovorax paradoxus using directed evolution. Whereas the enzyme naturally produced 35 percent pure indene oxide from indene, the optimized enzyme achieves a purity of more than 99 percent. The so-called 1S,2R indene oxide is a precursor for an HIV protease inhibitor.
"This shows the importance of the molecular understanding of protein structures for biocatalysis and also the possibilities of directed evolution for applied research," summarizes Tischler. Last but not least, one advantage of biocatalysis is that it takes place under mild reaction conditions, thus saving energy, and does not produce any often problematic byproducts. The researchers have published details of their work in the journal Angewandte Chemie International Edition.
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Züchtung und Anbau von Weinreben haben die Entstehung der europäischen Zivilisationen stark geprägt, aber woher die Rebe stammt und wie sie sich verbreitete, ist bisher umstritten. In einem umfassenden Genomprojekt klärten Forschende der chinesischen Yunnan Agricultural University Ursprung und Weg des Weines von der Wildrebe zur heutigen Kulturform mithilfe Tausender Rebengenome, die entlang der Seidenstraße von China bis Westeuropa gesammelt und analysiert wurden. Die Wildrebensammlung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) spielte hier eine wichtige Rolle. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden im Fachjournal „Science“.
Die Weinrebe zählt zu den ältesten Kulturpflanzen, und Wein war eines der ersten globalen Handelsgüter, das den Austausch von Kulturen, Ideen und Religionen beförderte. Sie entstand am Ende der Eiszeit aus der Europäischen Wildrebe, die heute nur noch in wenigen Reliktpopulationen überlebt hat. Eine davon befindet sich auf der Halbinsel Ketsch in den Rheinauen zwischen Karlsruhe und Mannheim. Wann und wo genau Wildreben domestiziert wurden, ob Weintrauben und Tafeltrauben denselben Ursprung haben und wie Tausende von Rebsorten entstanden sind, ließ sich bislang nicht nachvollziehen.
Seidenstraße war früher eine Weinstraße
Klar war jedoch, dass die Weinrebe teilweise drastische Klimaänderungen erlebt und auch durch frühe menschliche Wanderungsbewegungen zahlreiche Gene aus Asien eingesammelt hat. „In der Tat weiß man seit einigen Jahren, dass die heutige Seidenstraße früher eine Weinstraße war. Sogar das chinesische Zeichen für Alkohol leitet sich von georgischen Weinkrügen, sogenannten Qevri, ab“, erläutert Peter Nick, Professor am Joseph Gottlieb Kölreuter Institut für Pflanzenwissenschaften (JKIP) des KIT. Nick, der bereits zuvor mit chinesischen Forschenden an einem Projekt zur Aufklärung von Rebengenomen gearbeitet hatte, schlug vor, entlang der früheren Seidenstraße Reben zu sammeln und deren Genom zu analysieren.
Wird die Ackerbohne die Sojabohne der gemäßigten Zone? Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung hat das Genom der Hülsenfrucht entschlüsselt und damit ganz neue Optionen für die Züchtung eröffnet. Über die Genomanalyse berichtet das Team in der Fachzeitschrift „Nature“.
Bislang ist die Sojabohne für Lebensmittel- und Viehwirtschaft von hoher Bedeutung: Sie enthält viel Protein und bringt es auf einen hohen Ertrag. Doch Soja ist für den Anbau in Deutschland wenig geeignet, und insbesondere der Anbau in Übersee geht mit Umweltproblemen einher. Anders die Ackerbohne: Sie gedeiht in unserer Region und hat ein hohes Ertragspotenzial, das bislang jedoch verschlossen blieb.
Züchtung für bessere Nährstoffqualität
Die Züchtung der Ackerbohne verfolgt mehrere Ziele: Die Früchte sollen möglichst geringe Mengen der Gerbstoffe Vicin und Convicin enthalten und auch wenig Phytase und Proteasehemmer. Sie alle wirken antinutritiv und behindern die Nährstoffaufnahme. Dafür soll die Ackerbohne um so mehr essentielle Aminosäuren bilden, die zum menschlichen Bedarf passen. All das möchte die Züchtung erreichen, ohne dass der Ertrag sinkt oder die Pflanzen anfälliger für Krankheiten, Schädlinge oder andere Stressfaktoren werden. Bislang ging das vor allem per Versuch und Irrtum.
Eine nachhaltige Bioökonomie verfolgt das Ziel, Biomasse möglichst vollständig zu verwerten und dabei möglichst viele stoffliche Nutzungen zu realisieren. Meist erfolgt das in mehreren aufeinanderfolgenden Prozessen, Bioraffinerien bündeln diese an einem Ort. Doch es geht auch anders: Die sogenannte Torrefizierung kann eine Vielzahl von Produkten aus Biomasse in nur einem Schritt erzeugen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) haben einen derartigen Prozess entwickelt. In Estland erprobt ein Start-up nun die Methode in einem ersten großtechnischen Prototypen.
Methan, Furfural und Biokohle
Bei einer Torrefizierung wird Biomasse ohne Luftzufuhr mit überhitztem Wasserdampf behandelt. Ähnlich wie bei der Herstellung von Koks aus Kohle werden dabei zum einen die flüchtigen Verbindungen freigesetzt, zum anderen wird im verbleibenden Reststoff die Energiedichte erhöht. In dem vom Fraunhofer IGB entwickelten Verfahren erfolgt die Torrefizierung unter normalem Atmosphärendruck bei 200 bis 300 Grad Celsius, also mit vergleichsweise wenig Energieaufwand. Dabei entstehen in der Gasphase chemische Grundstoffe wie Methanol und Furfural sowie Wasser und als feste Phase Biokohle.
„Wenn wir die Gasphase abkühlen, erhalten wir ein Kondensat, das wir mit anschließenden Trennverfahren wie Destillation, Extraktion oder Elektrodialyse zu verschiedenen chemischen Grundstoffen auftrennen können“, erläutert Antoine Dalibard vom Fraunhofer IGB. Die flüchtigen Stoffe der Gasphase stammen vor allem aus der Hemicellulose, die ein Hauptbestandteil der Biomasse ist. Die Biokohle kann zu Staub gemahlen oder zu Pellets verpresst werden. In thermischen Kraftwerken kann sie dann CO2-arm Kohle oder Erdgas ersetzen.
Prototyp verarbeitet 150 Kilo Biomasse pro Stunde
„Angesichts steigender Energiepreise und eines historischen Tiefstands bei der Energiesicherheit haben wir in dieses Verfahren investiert und wollen mit der Uniformer-Technologie, wie wir sie genannt haben, eine saubere und kohlenstoffneutrale Energieversorgung Wirklichkeit werden lassen“, sagt Sven Papp, einer der Mitbegründer des estnischen Start-ups New Standard Oil. Im Februar 2023 hat das Jungunternehmen seinen ersten großtechnischen Prototyp in Betrieb genommen. Pro Stunde verarbeitet die Anlage bis zu 150 Kilogramm Holzhackschnitzel oder Heu und erzeugt daraus zu 100% vermarktbare Produkte. Selbst das destillierte Wasser und die Prozesswärme lassen sich weiter verwerten.
Aufgrund dieser effizienten Verwertung der Biomasse hat das Gründungsteam große Träume: „Unseren Berechnungen zufolge könnte mithilfe dieses neuen innovativen Ansatzes der Preis für erneuerbaren Strom aus Biokohle sogar unter dem aus an Land erzeugter Windenergie liegen“, berichtet Papp. Das muss sich aber erst noch beweisen.
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A sustainable bioeconomy pursues the goal of utilizing biomass as completely as possible while realizing as many material uses as possible. Usually, this is done in several successive processes that are bundled in biorefineries. But there is another way: with so-called torrefaction, a variety of products can be generated from biomass in just one step. Researchers at the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) have developed such a process. In Estonia, a start-up now tests the process in a first industrial-scale prototype.
Methane, furfural and biochar
In torrefaction, biomass is treated with superheated steam without the addition of air. Similar to the production of coke from coal, this process releases the volatile components and increases the energy density in the remaining residual material. In the process developed by Fraunhofer IGB, torrefaction takes place under normal atmospheric pressure at 200 to 300 degrees Celsius, i.e. with comparatively low energy input. The process produces basic chemical substances such as methanol and furfural in the gas phase and water and biochar as the solid phase.
"When we cool the gas phase, we obtain a condensate that we can separate into various chemical base substances using subsequent separation processes such as distillation, extraction or electrodialysis," explains Antoine Dalibard from Fraunhofer IGB. The volatiles in the gas phase come mainly from hemicellulose, which is a major component of biomass. The biochar can be ground into dust or compressed into pellets. In thermal power plants, it can then replace coal or natural gas with low CO2 emissions.
Prototype processes 150 kilos of biomass per hour
"In the face of rising energy prices and a historic low in energy security, we want to make a clean and carbon-neutral energy supply a reality with the Uniformer technology, as we have named it," says Sven Papp, one of the co-founders of Estonian startup New Standard Oil. The startup unveiled its first commercial-scale prototype in February 2023. The plant processes up to 150 kilograms of wood chips or hay per hour and produces 100% marketable products. Even the distilled water and process heat can be recycled.
With this efficient utilization of biomass, the founding team has big dreams: "According to our calculations, with the help of this new innovative approach, the price of renewable electricity from biocoal could even be lower than that from onshore wind energy," reports Papp. But that has yet to be proven.
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Abgestorbene Blätter sind ein wichtiger Lebensraum und Nahrung für Millionen kleiner Lebewesen. Doch anders als bislang gedacht, sind sie für das Leben unterhalb der Oberfläche weitgehend bedeutungslos. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen konnte nachweisen, dass die Zahl der Bodenlebewesen entscheidend davon abhängt, ob es dort lebende Wurzeln und deren Stoffwechselprodukte gibt. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden im Fachjournal „Ecology Letters“ veröffentlicht.
Viele Bodenlebewesen zersetzen abgestorbene Biomasse
Regenwürmer, Springschwänze, Milben, Insekten und andere Gliederfüßer: Sie alle leben im Boden, zersetzen dort abgestorbene Biomasse und halten so den Boden gesund. Dementsprechend ging die Forschung lange davon aus, dass Laubstreu als abgestorbene Biomasse die wichtigste Ressource für die sogenannten Zersetzer sei. Doch das Forschungsteam konnte mit einer Studie auf Sumatra diese Annahme widerlegen. Dazu entfernte das Team in einem Experiment alles Laubstreu vom Boden, in einem zweiten trennten sie durch eine Plastikbarriere Baumwurzeln vom übrigen Bodenökosystem.
Die Experimente führte das Team an drei Orten durch: einmal im Regenwald, einmal auf einer Kautschukplantage und einmal auf einer Ölpalmenplantage. Erwartungsgemäß war der Effekt durch das entfernte Laubstreu auf letzterer klein, weil dort wenig Laubstreu existiert. Im Regenwald und auf der Kautschukplantage verringerte sich jedoch die Zahl der Tiere um 60 % – allerdings primär deshalb, weil viele Tiere direkt im Laub leben. Auf die Tiere im Boden wirkte sich die Laubentfernung praktisch nicht aus.
Ohne Pflanzenwurzeln gibt es deutlich weniger Zersetzer
Anders verhielt es sich nach dem sogenannten „root trenching“, mit dem die Forschenden Wurzeln von deren Umgebung isolierten. Ohne Kontakt zu lebenden Wurzeln ging im Regenwald die Zahl der im Boden lebenden Tiere um 42 % zurück, auf den Plantagen um 30 %.
„Die Studie bietet neue Perspektiven für die Bewirtschaftung von Pflanzenabfällen in tropischen Plantagen, aber auch für die Förderung der Artenvielfalt von Bodentieren tropischer Ökosysteme durch Einbeziehung von wurzelbasierten Ressourcen“, resümiert Stefan Schau von der Universität Göttingen. Dies sei wichtig, um nachhaltige Agrarlandschaften in den Tropen zu entwickeln. Einen weiteren Nutzen ergänzt Anton Potapov vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig: „Die Ergebnisse dieser Studie sind nicht nur für den Erhalt der tropischen Bodenbiodiversität von Bedeutung, sondern auch für die Entwicklung von globalen Ökosystemmodellen, die den Kohlenstoffkreislauf in den Tropen beschreiben.“
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Fallen leaves are an important habitat and food for millions of microorganisms. But contrary to previous assumptions, they are largely insignificant for life below the surface. An international team of researchers led by the University of Göttingen has now been able to show that the number of soil organisms depends crucially on whether there are living roots and their metabolic products. The researchers have published their findings in the journal „Ecology Letters“.
Soil organisms decompose dead biomass
Earthworms, springtails, mites, insects and other arthropods: they all live in the soil, decompose dead biomass and thus keep the soil healthy. Accordingly, research long assumed that leaf litter, as dead biomass, was the most important resource for the so-called decomposers. But a research team was able to disprove this assumption with a study on Sumatra. In one experiment, the team removed all leaf litter from the soil; in a second, they separated tree roots from the rest of the soil ecosystem using a plastic barrier.
The team conducted the experiments at three sites: one in a rainforest, one on a rubber plantation, and one on an oil palm plantation. As expected, the effect of removed leaf litter was small in the latter area, where there is little leaf litter. However, in the rainforest and on the rubber plantation, the number of animals decreased by 60% - but mainly because many animals live directly in the foliage. On the animals in the soil, the removal of the foliage had practically no effect.
Significantly fewer decomposers without plant roots
The situation was different after so-called "root trenching," with which the researchers isolated roots from their environment. Without contact with living roots, the number of animals living in the soil decreased by 42% in the rainforest and by 30% in the plantations.
"The study offers new perspectives for the management of plant waste in tropical plantations, but also for the promotion of biodiversity of soil animals of tropical ecosystems by incorporating root-based resources," summarizes Stefan Schau from the University of Göttingen. This is important for the development of sustainable agricultural landscapes in the tropics," he adds. Anton Potapov of the German Center for Integrative Biodiversity Research Halle-Jena-Leipzig adds another benefit: "The results of this study are not only important for the conservation of tropical soil biodiversity, but also for the development of global ecosystem models describing the carbon cycle in the tropics."
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