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Damit ein Laser Laserstrahlen - also gebündelte Lichtstrahlen - erzeugen kann, braucht es zwei Dinge: Ein Medium, welches angeregt wird und das Licht verstärkt. Und eine Struktur, die das Licht im Medium hält. Dafür werden klassischerweise Kristalle wie Rubin oder Gase wie Helium oder Stickstoff eingesetzt. Während ein konventioneller Laser über Spiegel geordnet zielgerichtet in eine Richtung leuchtet, strahlt ein sogenannter Zufallslaser durch seine unregelmäßige Mediumsstruktur in die verschiedensten Richtungen. „Die Voraussetzung für einen Zufallslaser ist ein definiertes Maß an struktureller Unordnung im Inneren“, erklärt Daniel Van Opdenbosch von Technischen Universität München.

Zellstoffpapier als natürliches Lichtmedium

Gemeinsam mit Physikern der Universität Rom haben die Münchner den ersten steuerbaren Zufallslaser basierend auf natürlichen Strukturen gebaut. Wie das Team im Fachjournal „Advanced Optical Materials“ berichtet, ist es ihnen erstmals gelungen, „eine biologische Struktur als Vorlage für einen technischen Zufallslaser zu verwenden". Als Lichtmedium nutzten die Forscher gewöhnliches Filterpapier aus Zellstoff, wie es in den Laboren zu finden ist. „Wegen seiner langen Fasern und der daraus resultierenden stabilen Struktur erschien es uns als geeignet“, sagt Van Opdenbosch.

Wirre Struktur lenkt Licht in alle Richtungen

Im Zufallslaser wird das Licht also entlang zufälliger Pfade entsprechend der unregelmäßigen Struktur im Inneren des Mediums gestreut. Das Zellstoffpapier bot diese chaotische innere Struktur. „Unser Laser ist insofern zufällig, weil das – über die biogene Struktur des Labor-Filterpapiers – in verschiedene Richtungen abgelenkte Licht auch in die Gegenrichtung gestreut werden kann“, beschreibt Daniel Van Opdenbosch das Prinzip.

Lichtstreuung wie in der Sonnencreme

Dafür wurde das Zellstoff-Papier im Labor mit Tetraethylorthotitanat, einer metallorganischen Verbindung, imprägniert und anschließend bei 500 Grad Celsius ausgebrannt. Zurück blieb der Keramikstoff Titandioxid. Das Material  wird auch in Sonnencremes als Lichtschutz verwendet. „Der Effekt in Sonnencremes basiert auf der starken Streuung von Licht an Titandioxid, was wir auch für unseren Zufallslaser brauchten“, erklärt Van Opdenbosch.

Zufälligkeit ist steuerbar

Dass auch ein Zufallslaser steuerbar ist, haben die Forscher der Universität Rom im Rahmen der Grundlagenstudie gezeigt. Mithilfe eines Spektrometers konnten sie verschiedene im Material entstehende Laserwellenlängen unterscheiden und getrennt voneinander lokalisieren. „Der Versuchsaufbau, mit dem die Proben kartiert wurden, bestand aus einem grünen Laser, dessen Energie verändert werden konnte, aus Mikroskopielinsen und einem mobilen Tisch, mit dem die Probe abgefahren werden konnte. Damit konnten die Kollegen herausfinden, dass bei verschiedenen Energielevels unterschiedliche Bereiche des Materials verschiedene Laserwellen ausstrahlen“, sagt Van Opdenbosch. Der Laser konnte somit nicht nur nach Belieben eingestellt werden. Auch Richtung und Helligkeit der Strahlung waren je nach Bedarf veränderbar.

Noch steht die Forschung bei der Entwicklung von Zufallslasern zwar am Anfang. Doch sein Potenzial ist sichtbar. "Solche Materialien können beispielsweise als Mikro-Schalter oder Detektoren für strukturelle Änderungen nützlich sein", sagt Van Opdenbosch. Auch die Produktionskosten könnten mithilfe von Zufallslasern gesenkt werden.

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Tassen, Kinderspielzeug oder Schuhe problemlos auf dem Kompost entsorgen: Dieses Ziel hat Thorsten Perl mit seinem neuen 3D-Druckmaterial. Mit seinem Eberswalder Start-up BioInspirations ist der Erfinder des nachhaltigen Druckfilaments dabei, gemeinsam mit Geschäftspartner Brian Cotty, nicht nur die 3D-Druck-Gemeinde für "WillowFlex" zu begeistern.

Simply dispose of cups, toys or shoes by throwing them onto the compost heap: That is what Thorsten Perl had in mind when developing his new 3D printer material. Together with his business partner Brian Cotty and their BioInspirations start-up based in the German city Eberswalde, the inventor of this sustainable printing filament is gaining enthusiasts for 'WillowFlex', and not just amongst 3D printer fans.

Die ersten toten Wildvögel wurden vor knapp zehn Tagen an drei Seen in der Nähe der schleswig-holsteinischen Stadt Plön gesichtet. Schnell stand fest: Vorallem Reiherenten, Schwäne und Gänse waren mit dem hochpathogenen Grippe-Erreger H5N8 infiziert. Erste Opfer der Vogelgrippe in Zuchtbetrieben folgten. In einer Hühnerfarm in Grumby im Kreis Schleswig-Flensburg mussten am Wochenende daher 30.000 Zuchthühner vorsorglich getötet, nachdem Tausende Tiere im Stall an dem Virus verendet waren. Auch hier konnten die Tierseuchenexperten von Friedrich-Loeffler-Institut (FLI) in Greifswald  das Virus nachweisen.

Noch ist unklar, wie der Erreger in die Ställe der modernen Zuchtfarm in Grumby gelangen konnte. Außer einer Lüftungsanlage, sind die Tiere von der Außenwelt komplett abgeschlossen. „Dass der Erreger einen solchen Betrieb erreicht, ist ungewöhnlich“, äußerte FLI-Präsident, Thomas Mettenleiter, gegenüber dem NDR.

Stallpflicht statt Freilauf

Die Wissenschaftler vom Nationalen Referenzlabor für aviäre Influenza am FLI sind seither dabei, die Ursache des Ausbruchs zu erforschen. Weitere Fälle wurden inzwischen auch aus Baden-Württemberg, Mecklenburg-Vorpommern und vom Bodensee gemeldet. Um die Ausbreitung der Geflügelpest einzudämmen, wurde in mehreren Bundesländern bereits Stallpflicht angeordnet.

Die Säulen der Food-Tech-Branche sind der Acker- und Pflanzenbau (Crop Science), die Agrartechnologie (AgTech), digitale Landwirtschaft (Digital Farming) und Lebensmittelverarbeitung (Food Processing). Junge Firmen drängen in diesen Bereichen auf den Markt und fordern traditionelle Produktionsmodelle heraus. Sie suchen Lösungen für mehr Nachhaltigkeit und Möglichkeiten, eine ständig wachsende Weltbevölkerung zu versorgen. In der Studie werden verschiedene Fragen diskutiert: Wer kümmert sich um das Essen von morgen? Vor welchen Herausforderungen steht die Landwirtschaft der Zukunft? Und welche Technologien machen sie zukunftsfähig?  Die Studie bietet Einsichten in Entwicklungen und Trends dieses Wirtschaftszweigs, dessen Investitionsvolumen 2015 auf 2 Milliarden Dollar stieg.

Sie haben einen Biosuperkondensator geschaffen: Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum und der schwedischen Universität Malmö präsentieren im Fachjournal „Angewandte Chemie“ eine Biobrennstoffzelle, die sowohl effektiv Energie erzeugen als auch speichern kann. „Eine solche Technik könnte zum Beispiel interessant sein für miniaturisierte Geräte, die sich selbst kabellos mit Energie versorgen sollen. Das ist insbesondere für implantierbare miniaturisierte Sensoren wichtig“, sagt Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Lehrstuhl für Analytische Chemie.

Polymergel sorgt für Energiefluss

Das Besondere: Der Biosuperkondensator nutzt an den beiden Elektroden Enzyme. So wird mithilfe eines Enzyms an einer Elektrode Glukose zu Treibstoff verbrannt, während an der anderen Elektrode ein Enzym Sauerstoff zu Wasser umsetzt. Um den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden herzustellen, sind die Enzyme in ein elektronenleitendes Gel, auch Redoxpolymer genannt, eingebettet. Beim Aufladen und Speichern der Energie gibt dieses Polymergel an einer Elektrode Elektronen ab und wird dabei positiv aufgeladen. An der anderen Elektrode nimmt es die Elektronen auf und wird so negativ geladen. „Beim Entladeprozess gleichen sich die Ladungen aus, und es fließt ein Strom“, erklärt Schuhmann.

Leichtgewicht mit hoher Kapazität

Mithilfe des enzymatischen Prozesses sind erstmals Energieerzeugung- und speicherung in einem System gekoppelt. Im Test erwies sich die Biobrennstoffzelle dann auch als äußerst stabile und dauerhafte Energiequelle. Sie ist leicht, hat aber eine hohe Kapazität und kann so große Ladungsmengen aufnehmen. Das Fazit der Forscher: „Wir sehen diese Arbeit als Startpunkt für zukünftige Strategien in der Entwicklung von neuen, hochfunktionalen und gleichzeitig kostengünstigen elektrischen Energiequellen auf Biobasis“.

bb

Insgesamt 18,3 Millionen Menschen arbeiteten laut dieser Studie im Jahr 2013 in der Bio-
ökonomie und erwirtschafteten 2,1 Billionen Euro Umsatz. Mehr als ein Viertel des Gesamt-
umsatzes, 600 Milliarden Euro, wurde im Bereich der biobasierten Industrien generiert. Hier waren 3,2 Millionen Menschen beschäftigt. Wichtigste Datenquelle für alle Bereiche der Bioökonomie war Eurostat. Die Studie wurde 2016 veröffentlicht und soll jährlich aktualisiert werden.

The primary biomass production, mainly agriculture plus forestry and fishery employs 58% of all employees but is responsible for a relatively low turnover (21%). More than a quarter of the total turnover, i. e. €600 billion, is achieved by the biobased sector.

Eurostat was used as the main source of data for all sectors of the bioeconomy. Some sectors, such as the forest-based industry, are fully bio-based and thus fully accounted to the bioeconomy. For other sectors such as the chemical industry, the bio-based shares were estimated and included in the data.

The data, generated by nova-Institute on behalf of the Bio-based Industries Consortium (BIC) will be updated annually.

Insekten sind nicht Jedermanns Sache. Forscher sehen Fliegenmade, Heuschrecke und Co. wegen ihres hohen Proteingehalts jedoch längst als alternative Nahrungsquelle für Mensch und Tier. Doch das Potenzial der Insekten geht weit über Teller und Trog hinaus. Auch bei der Suche nach neuen Wirkstoffen wie Antibiotika stehen die Tiere im Fokus der Wissenschaftler. Am künftigen Fraunhofer-Institut für Bioressourcen in Gießen sollen daher neben Bakterien und Pilzen vor allem Insekten als Nahrungs- und Wirkstoffquelle genauer erforscht werden.

Bund und Land tragen Baukosten

Der Bau des 30 Mio. Euro teuren Forschungsgebäudes ist mit dem symbolischen Spatenstich durch Hessens Ministerpräsident Volker Bouffier gestartet. Das Bauvorhaben wird jeweils zur Hälfte vom Land Hessen und dem Bund finanziert. 2019 soll das Forschungsgebäude fertig sein. „Insekten gehören zu den erfolgreichsten Tier- und Organismengruppen der Welt. Dieser relativ junge Forschungsbereich hat enorme Wachstumschancen und potenzielle Anwendungsbereiche. Deshalb fördert das Land Hessen die sogenannte Gelbe Biotechnologie mit einem beachtlichen Startkapital“, sagte Bouffier beim Spatenstich.

Auf dem knapp 4.000 m2 großen Gelände am Leihgesterner Weg/Ecke Ohlebergsweg entstehen bis 2019 auf drei Etagen ein abgegrenzter Labortrakt sowie ein öffentlicher Büro- und Foyerbereich. Herzstück des gläsernen Forschungsgebäudes ist ein überglastes Atrium, um das sich auf drei Seiten Büros im Obergeschoss ranken. Rund 100 Mitarbeiter der Fraunhofer-Projektgruppe Bioressourcen sollen hier künftig unter einem Dach mit Wissenschaftlern der Justus-Liebig-Universität (JLU) Gießen in Insekten, Bakterien und Pilzen nach neuen Wirkstoffen für Medizin, Pflanzenschutz und Industrie forschen.

Gießener Naturstoffforscher vereint

„Die JLU hat inzwischen deutschlandweit eine führende Rolle bei der Entwicklung von modernen biotechnologischen Methoden zur umweltschonenden und nachhaltigen Bekämpfung von Schad- und Vektorinsekten. Durch die Vernetzung mit starken Partnern im Fraunhofer-Verbund wird dieses innovative Forschungsgebiet am Standort Gießen weiter gestärkt“, sagte Andreas Vilcinskas, Koordinator des LOEWE-Zentrums für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen und Leiter der Projektgruppe Bioressourcen des Fraunhofer IME.

Mit dem Neubau gewinnt auch das 2014 gegründete Sanofi-Fraunhofer-Exzellenzzentrum für Naturstoffforschung an Bedeutung, das die weltgrößte industrielle Stammsammlung von Mikroben beherbergt. Hier suchen die Forscher unter anderem nach neuen Wirkstoffen für Antibiotika. Bisher sind Insekten als Naturstoffbibliothek aber auch hinsichtlich möglicher gesundheitlicher Risiken als Nahrungs- und Futtermittel weitestgehend unerforscht. Um Vorbehalte abzubauen, hatte das Bundesamt für Risikobewertung (BfR) erst kürzlich gefordert, Insekten stärker auf toxikologische und mikrobiologische Sicherheitsaspekte zu untersuchen.

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Wissenschaftler des Lehrstuhls Biomaterialien der Universität Bayreuth haben ein neues, in der Natur von Florfliegen abgesondertes Seidenprotein erfolgreich im Labor hergestellt. Felix Bauer und Thomas Scheibel waren zunächst von den Eigenschaften dieses Naturproduktes fasziniert: Das Proteinsekret wird von den Fliegen nach dem Absondern in die Länge gezogen. Anders als bei den von Spinnen hergestellten, dehnbaren Fasern, entsteht nach dem Aushärten ein zugfester und biegesteifer Stab. Die im Labor erzeugte Kopie einer solchen Struktur erreichte 90 Prozent der Stabilität des Vorbilds aus der Natur, berichten die beiden Forscher in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

Gemeine oder auch Grüne Florfliegen haben eine besondere Strategie entwickelt, um ihre Eier vor Fressfeinden zu schützen. Statt sie zu verstecken, werden sie sichtbar unter einem Blatt an einem Stiel hängend präsentiert. Der ausgehärtete Seidenstiel hat einen Durchmesser von nur zehn Mikrometern. Er ist so starr, dass er das Ei auch dann noch hält, wenn man das Blatt um 180 Grad wendet. Dabei wird der Stiel durch das Gewicht des Eis weder gekrümmt noch zusammengepresst. Die Eier sind durch ihren langen Stiel zwar deutlich sichtbar – Länge und Robustheit des Seidenstängels sorgen aber dafür, dass sie für Fressfeinde trotzdem kaum erreichbar sind.

Thomas Scheibel und Felix Bauer von der Universität Bayreuth ist es jetzt gelungen, einen solchen Stiel im Labor zu synthetisieren. Die nötigen Seidenproteine dafür ließen die Materialwissenschaftler das Laborbakterium Escherichia coli herstellen. Dafür versorgten sie es zunächst mit dem DNA-Bauplan eines bestimmten Seidenproteins. Nach der Zugabe eines speziellen Zuckers begannen die Bakterien dann mit deren Herstellung. Der zentrale Baustein der künstlich hergestellten Seidenproteine besteht aus 48 Aminosäuren. Ähnlich den Gliedern einer Kette wiederholt sich dieser Baustein achtmal. Außerdem befinden sich – wie bei allen natürlichen Seidenproteinen – an Anfang und Ende dieser Kette spezielle Stücke, die die Eigenschaften des Seidenmoleküls maßgeblich bestimmen. Die Forscher erreichten mit ihrem Stab aus „Kunst-Seide“ stolze 90 Prozent der Stabilität des tierischen Vorbilds.

Geschäftsmodell Spinnenseide

Thomas Scheibel beschäftigt sich schon länger mit tierischen Seidenproteinen. Seide kann nur von Gliederfüßern (Arthropoden) hergestellt werden. Dazu zählen neben den Insekten, zu denen Florfliege und Seidenspinner gehören, auch Krebstiere, Spinnentiere und Tausendfüßer. Scheibel ist der Erfinder der Spinnenseidentechnologie, auf welcher der Erfolg des Martinsrieder Unternehmens Amsilk beruht. Die Firma stellt Biopolymere wie zum Beispiel Spinnenseide in großtechnischem Maßstab her. Angefangen hat alles mit Scheibels Erfolg 2007 beim BMBF-Ideenwettbewerb „Bionik – Innovationen aus der Natur“ (mehr...). Über die momentan in der Entwicklung befindlichen Produkte (mehr...) sprach Amsilk-Chef Axel Leimer auf der „International Industrial Convention on Biomimetics“ vergangenes Jahr in Berlin.

Das erste rein von Menschenhand hergestellte Spinnennetz ist in Martinsried aufgespannt. In seinen Materialeigenschaften steht das Kunstwerk seinem natürlichen Vorbild, dem Netz der Gartenkreuzspinne, in nichts nach. Das Spinnennetz ist ein Produkt des Biotechnologie-Unternehmens Amsilk. Nach vielen Jahren Tüftelei ist es dem Spin-off der TU München gelungen, biotechnologisch hergestellte Spinnenseide zu Fasern zu verarbeiten – und das in einem Spinnprozess, der sich für die Produktion im industriellen Maßstab eignet. Der am 11. März 2013 erstmals vorgestellte Zwirn ist außergewöhnlich reißfest und verträglich. Unter dem Namen „Biosteel“ sind die Fasern für den Einsatz in Hightech-Textilien, etwa für Sport, Medizin und Militär, vorgesehen.

Es ist ein Meilenstein, den selbst Thomas Scheibel lange nicht für möglich gehalten hat. Der Biomaterialforscher von der Universität Bayreuth hatte einst die biotechnologische Produktion des Spinnenseide-Proteins durch die Mikrobe Escherichia coli entwickelt und so die Grundlagen für die Gründung von Amsilk gelegt. „Aber ich habe immer proklamiert: Niemand wird es schaffen, den Spinnfaden in seinen mechanischen Eigenschaften nachzubauen“, erzählt Scheibel.

Technischer Spinnprozess von der Natur inspiriert

Heute ist er stolz, dass er sich getäuscht hat – und der Nachbau in Eigenregie nun geglückt ist. In enger Kooperation mit den Bioingenieuren von Amsilk hat Scheibel bei Spinnen erforscht, wie die Tiere das flüssige Seidenprotein in wenigen Millisekunden zu einem festen Faden formen, der nicht verklumpt. Unter anderem wurden diese Arbeiten auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

Das rekombinante Spinnseidenprotein von Amsilk ist als Rohmaterial ein weißes Pulver, das ohne großen Aufwand in Fässern gelagert werden kann. Soll aus dem weißen Staub ein Faden werden, wird im Labor zunächst eine Spinnlösung hergestellt und diese kann dann in einem technischen Prozess zu einem endlosen Mono- oder Multifilament gesponnen werden.

Auf Spulen aufgewickelt harren die künstlichen Spinnseide-Fäden ihrer weiteren Verarbeitung. „Wir haben den skalierbaren Prozess im Labormaßstab etabliert“, bilanziert Amsilk-Geschäftsführer Axel Leimer. Im Laufe dieses Jahres solle nun eine Pilotanlage aufgebaut und die Faserproduktion im Technikumsmaßstab optimiert werden.

Immer mehr Menschen sterben an Infektionskrankheiten, weil gängige Antibiotika-Präparate zunehmend keine Wirkung mehr zeigen. Unter dem Dach des neu gegründeten Zentrums für Naturstoffforschung in Gießen wollen der französische Gesundheitskonzern Sanofi und die deutsche Fraunhofer-Gesellschaft die Entwicklung neuer Therapien von Infektionskrankheiten vorantreiben. Ein Schwerpunkt ihrer Arbeit wird die Suche nach natürlichen Substanzen für neue Antibiotika bilden.

Penicillin ist wohl der bekannteste Wirkstoff aus der Natur, um bakterielle Infektionen zu behandeln. Durch die Zunahme von antibiotikaresistenten Erregern haben viele existierende Präparate in den letzten Jahren allerdings ihre Wirkung verloren. Dabei handelt es sich nicht nur um ein nationales, sondern ein globales Problem. Nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation zählen Antibiotika-Resistenzen zu den „größten Gefahren für die menschliche Gesundheit“. Mit ihrer Allianz wollen sich der deutsch-französische Arzneimittelhersteller Sanofi und das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) in Aachen nun gemeinsam der Suche nach neuen Wirkstoffen widmen. „Die Bekämpfung von Infektionskrankheiten ist weltweit ein drängendes Problem mit einem großen medizinischen Bedarf. Besonders in Krankenhäusern gibt es immer mehr schwere, oft lebensbedrohliche Infektionen“, sagt Elias Zerhouni, Konzernvorstand für Forschung und Entwicklung bei Sanofi.

Sanofi öffnet erstmals Naturstoffsammlung

Das Exzellenzzentrum für Naturstoffforschung soll an das ebenfalls neue Zentrum für Insektenbiotechnologie in Gießen angegliedert werden, das bereits für sechs Jahre durch die LOEWE-Initiative des Hessischen Ministeriums für Wissenschaft und Kunst unterstützt wird. Von 2014 bis 2016 fördert das Land das Forschungsprogramm des Insektenbiotechnologie-Zentrum mit rund 18 Millionen Euro. Weitere 30 Millionen Euro werden gemeinsam mit dem Bund in einen Neubau investiert, mit dem 2015 begonnen werden soll. In welcher Form sich der Pharmakonzern finanziell am Zentrum beteiligt, darüber gab Sanofi auf Nachfrage keine Auskunft. Zunächst wird das 18-köpfige Forscherteam in den Sanofi-Laboren in Frankfurt/Höchst seine Arbeit  aufnehmen. Der Umzug nach Gießen ist für 2017 geplant.
Schwerpunkt der Allianz ist die Erforschung und Optimierung von in der Natur vorhandenen chemischen und biologischen Substanzen, hauptsächlich für die Behandlung von Infektionskrankheiten. Der Pharmariese wird in die Kooperation erstmals seine Naturstoffstammsammlung – mehr als 100.000 Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien – öffnen und mit den Fraunhofer-Forschern teilen. Damit soll die die Entwicklung neuer Antibiotika vorangetrieben werden – denn schon seit langem sind Neuzulassungen auf diesem Feld Mangelware, wie aktuelle Zahlen des Verbands forschender Arzneimittelhersteller (VfA) belegen. Allerdings ist die Pharmabranche in den letzten Jahren wieder aktiver geworden. So gehört Sanofi neben AstraZeneca, GlaxoSmithKline, Basilea Pharmaceutica und Janssen zu jenen Pharmaunternehmen, die sich bereits seit 2012 im Rahmen der europäischen Innovative Medicines Initiative (IMI) im millionenschweren Forschungsprogramm „NewDrugs4Bad Bugs" für den Kampf gegen antibakterielle Resistenzen einsetzen.

Zentrum nicht nur für Medizin interessant

Die Fraunhofer-Allianz bezieht sich allerdings nicht nur auf Antibiotika. So erhält Sanofi die Exklusivrechte für die Verwertung aller neuen Arzneimittelsubstanzen für Mensch und Tier. Im weiteren Interesse stehen neue Wirkstoffe zur Behandlung von Diabetes oder seltenen Krankheiten. „Das erste Fraunhofer-Zentrum für Naturstoffforschung geht aber auch weit über die Arzneimittelforschung hinaus“, betont Rainer Fischer, geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer IME. So dürfen die Fraunhofer-Forscher alle Innovationen für die Bereiche Pflanzenschutzmittel und Materialwirtschaft nutzen. Auch für diese Branchen bietet das neue Zentrum „beträchtliche wirtschaftliche Möglichkeiten“, glaubt Fischer.

bb

Seit Jahren hat AMSilk an der Produktion von Fasern aus biotechnologischer Spinnenseide getüftelt, jetzt hatte das erste Textil-Produkt seinen ersten großen Auftritt in New York: ein Sportschuh im hellbraunen Look, präsentiert auf der Konferenz „Biofabricate“, dem jährlichen Gipfeltreffen für Innovationen aus biobasierten Materialien. Das mit Adidas einer der größten Sportartikelhersteller der Welt als Kooperationspartner gewonnen wurde, ist nicht minder spektakulär.

Sportschuh mit Textil aus Biosteel

Das neue Produkt läuft bei Adidas unter dem Namen „Futurecraft Biofabric Schuh“. Der Prototyp des Sneakers ist aus einem Obermaterial gefertigt, das zu 100 % aus sogenannten Biosteel-Fasern besteht. Das ist der Markenname, unter dem AMSilk seine naturbasierte und vollständig biologisch abbaubare Biopolymer-Faser herstellt und an Industriepartner abgibt.

Natürliches Vorbild ist Spinnenseide – ein Supermaterial aus der Natur: denn Spinnfäden, die aus Eiweißmolekülen bestehen, sind reißfester als Stahl, äußerst dehnbar und besonders leicht. Doch um Spinnenseide aus natürlichen Quellen zu gewinnen, müsste man Spinnen im großen Stil halten und melken – für eine industrielle Nutzung undenkbar. Die Martinsrieder AMSilk GmbH, 2008 als Spin-off der TU München gegründet, setzt daher auf Biotechnologie: Bakterien wurden zu winzigen Fabriken für das Spinnenseidenprotein umfunktioniert.

Bakterien als Zellfabriken für Seidenprotein

In Stahltanks produzieren die Mikroben den Eiweißstoff in großen Mengen. Es entsteht ein weißes Pulver, das wie ein Werkstoff vielfältig weiterverarbeitet werden kann. So haben die Bioingenieure eine Maschine konstruiert, die aus einer Proteinlösung sogar Fasern spinnen kann. Textilien aus der Biotech-Seide sind besonders strapazierfähig, und sind zudem nach Angaben von AMSilk besonders hautverträglich – deshalb haben die Martinsrieder mit ihren Biosteel-Fasern vor allem Sport-und Outdoor-Bekleidung im Visier.

Der Adidas-Schuh ist 15% leichter als Produkte aus herkömmlichen Synthetikfasern, die auf Basis von Erdöl gewonnen werden. Und als Naturmaterial sind die Protein-Fasern zu 100% biologisch abbaubar. Die biotechnologische Erzeugung der Biosteel-Fasern basiert auf nachwachsenden Rohstoffen, was das Produkt zusätzlich nachhaltig macht.

Nachhaltige Hightech-Produkte

Wie Adidas mitteilte, verfolge man mit dem „Futurecraft Biofabric Schuh“ einen weiteren, vollkommen neuen Ansatz, „um in Lösungen zu investieren, die Wissenschaft und Natur zu einem integralen Bestandteil von Innovation machen“. Im Rahmen der Partnerschaft mit AMSilk soll nun weiter erforscht werden, wie Biosteel-Fasern in größerem Maßstab in High-Performance-Produkten verarbeitet werden können. Für James Carnes, Vice President Strategy Creation bei Adidas, steht die Partnerschaft mit AMSilk in einer Reihe bahnbrechender Innovationen, mit denen man die  Sportartikelbranche neu definieren wolle. „Bei dieser Pionierleistung geht es um weit mehr als nur Nachhaltigkeit, vielmehr erschließen wir ein ganz neues Feld bionischer Innovationen.“ 

Der Geschäftsführer von AMSilk, Jens Klein, sagte: „Die gemeinsam mit Adidas entwickelten Sportschuhe sind das weltweit erste Produkt aus einem Hochleistungsmaterial, das aus naturidentischen Seiden-Biopolymeren besteht. Mit dieser Entwicklung setzen wir in Sachen Nachhaltigkeit und Funktionalität von Textilien neue Maßstäbe.“

pg

Ohne Schmierstoffe funktioniert keine Anlage und läuft kein Motor. Vor allem die metallverarbeitende Branche ist auf die fettigen oder öligen Mittel angewiesen. Die Mehrheit der Schmierstoffe besteht allerdings aus Mineralölen fossilen Ursprungs. Doch auch Bio-Schmiermittel aus Sonnenblumen- oder Rapspflanzen drängen auf den Markt. Sie können durchaus mit dem erdölbasierten Konkurrenten mithalten. Noch sind sie jedoch Nischenprodukte. Das Problem: Bio-Schmierstoffe sind meist teurer. Außerdem geht der Lebensmittelindustrie durch die Nutzung der Pflanzenfrüchte zur Schmierstoffproduktion ein wertvoller Rohstoff verloren.

Konkurrenzlos zur Ernährungswirtschaft sind dagegen Altfette, wie sie in Gaststätten und Imbissbuden täglich in großen Mengen anfallen. Im Rahmen der europäischen ERA-Net-Förderinitiative EuroTransBio haben Forscher der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin gemeinsam mit dem Schmierstoffhersteller Greibo Chemie GmbH nach einem Weg zur Herstellung von Schmierstoffen aus Abfallfetten gesucht. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über drei Jahre mit 175.000 Euro gefördert.  „Unser Ziel war es, bestimmte mineralölbasierte Produkte durch Recyclingprodukte aus Altfett zu ersetzen und Schmierstoffe zu gestalten, die biologisch abbaubar sind aber auch den CO₂-Ausstoß verbessern und hautverträglicher sind“, erklärt Projektleiter Christian Adam.

Frittenfette gewinnen Reinheitstest

Im Projekt experimentierten die Forscher mit Frittenfett. „Frittenfett ist ein Abfallstoff, der kostengünstig ist und mit dem man sonst wenig anfangen kann. Auf Grund der pflanzlichen Stoffe sind die Schmierstoffe auch biologisch abbaubar“, so Adam weiter. Nicht nur als natürlicher Abfallstoff überzeugte der Stoff. Bei der Untersuchung verschiedener Abfallfette, darunter auch Fischöl, zeigten sich hier nur minimale Verunreinigungen wie durch kurzkettige Fettsäuren, die bei der Veresterung nur schwer abgetrennt und zu unerwünschten Nebenprodukten führen und so die Qualität der Schmierstoffe beeinträchtigen können.

Hefeenzym meistert Hydrolyse und Veresterung

Um die Frittenfette zu verestern, musste aus dem pflanzlichen Fett zunächst das unbrauchbare Glycerin mittels Hydrolyse abgetrennt werden, um so langkettige Fettsäuren herzustellen, die mit Alkohol zu Ester umgesetzt werden können. Für diesen anspruchsvollen Prozess bedienten sich die Forscher eines Multitalents. Das Hefeenzym Candida antarctica Lipase A (CAL-A) hatte das seltene Potenzial, sowohl die Hydrolyse als auch die Veresterung zu meistern. „Hier konnte man mit großen Wasseranteilen arbeiten, die das Glycerin aufnehmen und dabei gleichzeitig Fett zu Ester umsetzen“, erklärt Adam.

No plant and no motor can run without lubricants. The metalworking industry is especially dependent on grease and oil. However, most lubricants consist of mineral oil of fossil origin. Recently, though, bio-lubricants made of sunflowers or rapeseed have been entering the market. They can certainly compete with mineral oil based products. But to date they are no more than niche products. The problem: Bio-lubricants are generally more expensive. Also, using these plants directly to make lubricants denies the foodstuffs industry of valuable raw materials.

In contrast, the oil frying oil that restaurants, takeaways etc. produce in large quantities is of no further interest to the food industry. As part of the EuroTransBio European ERA-Net, researchers from the Institute for Materials Research and Testing (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) in Berlin, working together with the lubricant manufacturer Greibo Chemie GmbH, have been investigating ways of making lubricants out of waste oil and fat. The project has been financed by the German Ministry of Education and Research (Bundesministerium für Bildung und Forschung) with 175,000 euros over a period of three years. Project manager Christian Adam explains: "Our aim was to substitute certain mineral oil based products with ones made of used oil, and to make lubricants that are biodegradable, reduce CO2 emissions and are also skin-friendly."

Chip frying oils win purity contest

The project researchers experimented with frying fat. "Frying fat is a waste product that is cheap to buy and that is not much use for anything else. Because of the vegetable content, the lubricants are also biodegradable," continues Adam. The substance proved to have more advantages than simply being a natural waste product. The investigation of various waste fats, including fish oil, showed that they have only very little contamination through short-chain fatty acids, for instance. These substances lead to undesirable by-products, they are difficult to separate off during esterification and therefore they can diminish the quality of the lubricants.

A yeast enzyme manages both hydrolysis and esterification

To esterify the frying fats it was necessary to separate off the glycerine (which is unusable) from the vegetable oil via hydrolysis. This produces long-chain fatty acids that can be converted to esters with the aid of alcohol. It is a complicated process and the researchers sought the support of a multi-talent to carry it out. The yeast enzyme Candida antarctica Lipase A (CAL-A) has the unusual ability to handle both the hydrolysis as well as the esterification. "This meant that we could work with high proportions of water that take up the glycerine and at the same time convert fat to an ester," explains Adam.

Oil droplet size influences fatty acid yield

The researchers also thoroughly investigated the effect of the enzyme, both for the hydrolysis as well as for the esterification. To this end, the frying fat and the enzyme were put into a stirred tank reactor and the optimal process conditions were determined. "That meant doing a large number of experiments. We had to work out how to optimize the process in the best way and have as few substances as possible that interfere," explains Adam. In addition to the temperature, the pH-value and the duration of the process, the shear rate was a significant factor because of its influence on the size of the oil droplets. This is determined by the speed of the mixer. "The important thing here was to introduce a large amount of energy via the mixer so as to make the droplets very fine." The results showed that the smaller the oil droplets, the greater the fatty acid yield.

Instructions for making lubricants out of old oil

By the end of the project the researchers had succeeded in finding the optimal parameters for the enzymatic process and testing them on a large scale. "We now have enough data for us to be able to work out how to implement such processes and what sort of products we can manufacture with them," says Adam in summary. This means that the lubricants based on old oil would be suitable for use as hydraulic and engine oils, but also as total loss lubricants, cooling lubricants and chainsaw lubricants.

Nevertheless, despite the successful, large scale tests carried out by the project partner Greibo Chemie, the idea will have to remain on the back boiler for the moment.  The reason: The manufacturing costs for fatty acid esters made of bio-based source substances are 3 to 5 euros per kilogramme, which is three times the cost of mineral oil based products. Even so, Christian Adam remains optimistic: "When the mineral oil prices rise again, production could rapidly become economically worthwhile. Also, the enzymatic process is transferable – it certainly doesn't need to be restricted to frying fats."

Author: Beatrix Boldt

Bringing more good ideas into application and thus to companies and people: As a new component of its transfer and innovation promotion programme, the Federal Government intends to promote social and technological innovations in the future by setting up the German Agency for Transfer and Innovation (DATI). As an innovation agency, DATI will be based in Erfurt.

DATIpilot: Sprints and communities

In July 2023, the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) launched the DATIpilot funding guideline, which is a pilot measure preceding the establishment of DATI. It supports innovative ideas for transfer projects in the various regions of Germany. DATIpilot met with great interest right from the start: Almost 3,000 project outlines for innovation sprints (Module 1) and 480 applications for innovation communities (Module 2) were received.

An innovation community connects scientific institutions – HAW, universities or research institutions – as well as stakeholders from business, society and administration on a specific innovation topic. The aim of the community is to strategically establish or expand research and transfer activities on this topic and to establish the necessary partnerships.

We are looking for research-based innovation communities with high innovation potential and recognisable unique selling points in their topic that want to give a significant boost to the development of their community with new approaches. Communities are characterised by an open partner structure, open innovation approaches and a high degree of self-organisation.

Almost 500 project ideas submitted

An innovation community receives a maximum budget of 5 million euros from the BMBF, which can be used over a period of four years. 480 outlines were submitted for the three-stage selection process. An independent jury of twelve experts from science, industry and society assessed and evaluated around 80 of the most promising outlines and ultimately recommended 20 innovation communities to the BMBF for funding.

These included three alliances that are relevant to the bio-based economy. The three innovation communities with relevance for the bioeconomy in a compact overview (external links only available in German):