Aktuelle Veranstaltungen

In biotechnology, microorganisms have long been used to manufacture products for medicine, agriculture or the chemical industry or to boost industrial processes. However, bacteria are also becoming increasingly important in the diagnosis and treatment of diseases. New possibilities could now open up in the biotechnological application of bacteria. Researchers at the University of Bayreuth have laid the foundation. A team led by Stefanie Meier and Andreas Möglich has succeeded in modifying the light sensor of bacteria so that it reacts more sensitively and quickly to red light.

Gene activity of bacteria changed under red light

As the team reports in the journal Nature Communications, the sensitivity of bacterial systems for controlling gene activity to red light was altered and their molecular response to the light stimulus was reprogrammed. Bacteria are also constantly confronted with changes such as light or pH value and have to adapt to the new conditions. During these processes, which take place at a molecular level, phosphate groups are added or removed. In many bacteria, a two-component system consisting of a light-sensitive enzyme and a regulator is responsible for this. The regulator then triggers further molecular processes in the bacteria, including a change in gene activity, which can be used to produce almost any protein.

Modifying the bacterial two-component system

As part of the study, the researchers have now modified such a bacterial two-component system and thus demonstrated that the response of bacterial systems to external stimuli can be systematically modified.
Specifically, the light-sensitive unit of the two-component system was exchanged for another in the model. According to the researchers, this made the two-component system ten times more sensitive to red light than the original variant. The reason for the higher sensitivity to light is therefore the altered activity with regard to the phosphate groups.

"In the modified two-component system, the phosphate groups were split off more quickly under red light compared to the original system. This means that the system is inactivated even at low red light intensities," the team writes. The length of the connection between the light-sensitive unit and the rest of the enzyme, the so-called linkers, was also changed. This showed that "systems with modified linkers exhibit contrasting properties in light regulation and signal response at the genetic level compared to the original systems".

Novel tool for biotechnology

The researchers are convinced that these more sensitive and active bacterial systems can serve as "novel instruments for applications in synthetic biology and biotechnology". For example, bacteria could be directed to the right places in the body and release active substances or produce proteins through targeted activation with red light. "The results obtained from this model system have general relevance for countless systems of this kind, which regulate important bacterial responses such as development, movement and infectivity. In addition, we are creating systems that can be used directly in biotechnology, which allow the production of any proteins to be activated by red light," says Andreas Möglich.

The study was carried out in cooperation with the University of Jyväskylä, Finland, and was funded by the German Research Foundation and the EU project FET Open NEUROPA.

Mit der Agenda 2030 hat die internationale Staatengemeinschaft im Jahr 2015 17 Ziele für eine nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals – SDGs) festgelegt. Darin werden Maßnahmen formuliert, die im Rahmen nationaler Strategien umgesetzt werden sollen. Innovationen aus Forschung und Entwicklung spielen hier eine wichtige Rolle. Im Vorfeld des Gipfeltreffens der 20 wichtigsten Industrie- und Schwellenländer (G20), das am 18. und 19. November 2024 in Rio de Janeiro/Brasilien stattfindet, haben die G20-Wissenschaftsakademien (Science20) eine gemeinsame Stellungnahme veröffentlicht. In dem Kommuniqué mit dem Titel „Science for Global Transformation“ werden für insgesamt fünf Bereiche konkrete Maßnahmen formuliert, die das Erreichen der UN-Nachhaltigkeitsziele unterstützen sollen – darunter auch für die Bioökonomie.

Zu elf der insgesamt 17 SDGs kann die Bioökonomie einen Beitrag leisten. „Die Bioökonomie hat das Potenzial, Wirtschaftswachstum und Umweltschutz miteinander in Einklang zu bringen“, heißt es in der Stellungnahme. Darin führen die Wissenschaftsakademien aus, dass „durch Investitionen in Forschung und Infrastruktur für eine nachhaltige Bioökonomie, ebenso wie durch internationale Kooperationen und das Einbeziehen von lokalem Wissen“, die globalen Herausforderungen von Klimawandel, Biodiversitätsverlust, aber auch Armut und Gesundheit bewältigt werden können.

„Grundlagenforschung und wissenschaftliche Innovationen können nachhaltige und resiliente Gesellschaften fördern. Internationale Zusammenarbeit ist dabei besonders für globale Herausforderungen wie den Umgang mit dem Klimawandel oder mit KI entscheidend“, sagt Gerald Haug, Präsident der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina.

Drei Maßnahmen für die Bioökonomie

Ein Eckpfeiler der Bioökonomie ist die nachhaltige Nutzung biologischer Ressourcen wie Rest- und Abfallstoffe zur Herstellung neuer biobasierter Produkte wie Lebens- und Futtermittel, Chemikalien, Arznei und Kosmetik. Damit die Bioökonomie ihren Beitrag zu den UN-Nachhaltigkeitszielen leisten kann, ist nach Ansicht der Wissenschaftsakademien noch einiges zu tun. Konkret empfiehlt das Gremium drei Maßnahmen:

Investitionen in Forschung und Infrastruktur: Unterstützung der Spitzenforschung, um technologische Durchbrüche zu erzielen, und Innovationen bei biogenen Rohstoffen, Bioenergie und anderen Materialien aus Biomasse, Wäldern, Pflanzen und Mikroorganismen aus der biologischen Vielfalt verschiedener Biome zu fördern.
Berücksichtigung von sozialer Gerechtigkeit: Förderung nachhaltiger und inklusiver bioökonomischer Modelle, die gemeinschaftsgetriebene Innovationen ermöglichen, traditionelles Wissen und Kultur schützen und integrieren und sich auf die Nutzung lokaler biologischer Ressourcen zur Förderung des regionalen Wirtschaftswachstums konzentrieren.
Aufbau einer soliden internationalen und multilateralen Zusammenarbeit: Die G20-Staaten sollten einen Konsens über die Rolle der Bioökonomie als eine der Strategien zur Bekämpfung des Klimawandels, des Biodiversitätsverlustes, der Armut und der menschlichen und nicht-menschlichen Gesundheit erzielen. Formulierung eines gemeinsamen politischen Rahmens, der es den Ländern ermöglicht, Bioökonomie-Programme umzusetzen, in soziale und technologische Innovationen zu investieren, entscheidendes Wissen zu teilen, die Lebensqualität zu verbessern und natürliche Ressourcen zu schützen

Neben Maßnahmen für die Bioökonomie enthält die Stellungnahme der G20-Wissenschaftsakademien auch Empfehlungen für die Themenbereiche Energiesystem, Künstliche Intelligenz, Gesundheit und soziale Gerechtigkeit. So werden der „Einsatz von Biokraftstoffen, nachhaltigem Wasserstoff, Energiespeichern sowie die Etablierung geschlossener Recyclingprozesse für Materialien der nachhaltigen Energiesysteme“ als wichtige Maßnahmen für das Erreichen der Klimaneutralität genannt.

Gremium empfiehlt Einführung eines weltweiten CO₂-Preises

Zudem spricht sich das Gremium für die Einführung von marktbasierten Steuerungsinstrumenten wie einem weltweiten CO₂-Preis aus. „Die Grundlage nachhaltigen Wirtschaftens ist weiterhin ein bezahlbares und sauberes Energiesystem. Hier zeigt sich, dass Wissenschaft bereits jetzt zahlreiche Lösungsoptionen bietet: durch Innovationen in der Stromgewinnung aus erneuerbaren Energien, die Entwicklung leistungsfähiger Energiespeicher, aber auch durch Technologien zur CO₂-Speicherung“, so Leopoldina-Präsident Gerald Haug.

With the 2030 Agenda, the international community defined 17 Sustainable Development Goals (SDGs) in 2015. These formulate measures that are to be implemented as part of national strategies. Innovations from research and development play an important role here. In the run-up to the summit of the 20 most important industrialized and emerging countries (G20), which will take place on November 18 and 19, 2024 in Rio de Janeiro/Brazil, the G20 science academies (Science20) have published a joint statement. In the communiqué with the title "Science for Global Transformation", concrete measures are formulated for a total of five areas to support the achievement of the UN Sustainable Development Goals - including the bioeconomy.

The bioeconomy can contribute to eleven of the 17 SDGs. "The bioeconomy has the potential to reconcile economic growth and environmental protection," says the statement. In it, the science academies state that "investment in research and infrastructure for a sustainable bioeconomy, as well as international cooperation and the integration of local knowledge" can help to overcome the global challenges of climate change, biodiversity loss, poverty and health.

"Basic research and scientific innovation can promote sustainable and resilient societies. International cooperation is particularly crucial for global challenges such as dealing with climate change or AI," says Gerald Haug, President of the German National Academy of Sciences Leopoldina.

Three measures for the bioeconomy

A cornerstone of the bioeconomy is the sustainable use of biological resources such as residual and waste materials for the production of new bio-based products such as food and animal feed, chemicals, pharmaceuticals and cosmetics. In order for the bioeconomy to make its contribution to the UN Sustainable Development Goals, the science academies believe that there is still a lot to be done. Specifically, the panel recommends three measures:

Investing in research and infrastructure: Supporting cutting-edge research to achieve technological breakthroughs and promote innovation in biogenic feedstocks, bioenergy and other materials from biomass, forests, plants and microorganisms from the biodiversity of different biomes.
Addressing social equity: promoting sustainable and inclusive bioeconomic models that enable community-driven innovation, protect and integrate traditional knowledge and culture, and focus on the use of local biological resources to promote regional economic growth.
Establishing robust international and multilateral cooperation: G20 countries should reach consensus on the role of bioeconomy as one of the strategies to combat climate change, biodiversity loss, poverty and human and non-human health. Formulating a common policy framework that enables countries to implement bioeconomy programs, invest in social and technological innovation, share critical knowledge, improve quality of life and protect natural resources

In addition to measures for the bioeconomy, the statement from the G20 science academies also contains recommendations for the areas of energy systems, artificial intelligence, health and social justice. For example, the "use of biofuels, sustainable hydrogen, energy storage and the establishment of closed-loop recycling processes for materials used in sustainable energy systems" are named as important measures for achieving climate neutrality.

Panel recommends the introduction of a global CO₂ price

The panel also advocates the introduction of market-based control instruments such as a global CO₂ price. "An affordable and clean energy system remains the basis for sustainable economic activity. This shows that science already offers numerous solution options: through innovations in electricity generation from renewable energies, the development of efficient energy storage systems, but also through technologies for CO₂ storage," says Leopoldina President Gerald Haug.

Etwa 9.000 Biogasanlagen gibt es in Deutschland. Doch nur in wenigen Anlagen werden ausschließlich tierische Exkremente wie Gülle und Mist als Dünger verwertet. Ein Grund: In der Landwirtschaft gibt es viele kleine und mittlere Betriebe, wo nur geringe Mengen an sogenanntem Wirtschaftsdünger anfallen und eine eigene Biogasanlage zu kostspielig ist. Doch Gülle und Mist sind wertvolle Reststoffe, deren Verarbeitung die Methanemissionen in der Landwirtschaft und damit die Klimabilanz erheblich verbessern könnte.

Energiegewinnung aus Gülle und Mist

Mit dem Bau einer Gemeinschafts-Biogasanlage in Heek im westlichen Münsterland soll auch dieses Reststoffpotenzial erschlossen und Gülle sowie Mist im Sinne einer nachhaltigen Energiegewinnung effizient vergärt werden. Die zentrale Gemeinschaftsbiomethananlage ist ein Modell- und Demonstrationsprojekt, das im Rahmen des Vorhabens „BNG – Biogas neu gedacht“ von der Bioenergie Heek-Ahle GmbH & Co. KG errichtet und von der FH Münster wissenschaftlich begleitet wird. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) finanziert. Im ersten Quartal 2025 soll die Anlage in Betrieb gehen.

45 Betriebe liefern Substrate an Biogasanlage

In der Gemeinschaftsanlage in Heek soll aus den tierischen Exkrementen schließlich Biomethan zur energetischen Nutzung entstehen. Insgesamt 45 landwirtschaftliche Betriebe aus dem näheren Umkreis beteiligen sich an dem Vorhaben. „Die Landwirte liefern aus einem Umkreis von durchschnittlich circa fünf Kilometern Substrate zur Anlage“, erklärt Elmar Brügging von der FH Münster. Die in den Substraten enthaltenen Nährstoffe bleiben demnach jedoch „im Besitz des landwirtschaftlichen Betriebes und stehen diesem nach dem Gärprozess als hochwertiger, homogenisierter und gut auszubringender Dünger wieder zur Verfügung“.

Auch kleinere Reststoffpotenziale werden erschlossen

Gemeinschafts-Biogasanlagen wie in Heek haben verschiedene Vorteile: Durch den Zusammenschluss mehrerer Landwirte können auch Reststoffmengen kleiner landwirtschaftlicher Betriebe für die Biogaserzeugung genutzt werden. Zudem werden Investitions- und Betriebskosten einer Biogasanlage sowie Aufwand und Verantwortung und Entscheidungen von mehreren Landwirtinnen und Landwirten getragen und belasten nicht den einzelnen Betrieb.

„Von dieser Gemeinschaftsanlage profitieren also alle“, sagt Jurek Häner aus dem Projektteam an der Hochschule. „Aus den angelieferten Einsatzstoffen wird grünes Gas produziert, das für die Versorgung von rund 4.200 Haushalten mit jeweils vier Personen ausreicht. Meine Aufgabe ist es zu ermitteln, wie das möglichst effizient passieren kann“, erläutert der wissenschaftliche Mitarbeiter.

Das Team der FH Münster wird im Rahmen des Projektes eine Methodik zur Bilanzierung der eingebrachten finanziellen Mittel und Substratmengen zu entwickeln. Brügging ist überzeugt: „Die Erfahrungen, die durch BNG gesammelt werden, sind nicht nur wichtig für die beteiligten landwirtschaftlichen Betriebe, sondern auch für die Biogasbranche in ganz Deutschland und die Öffentlichkeit“.

Die Demonstrationsanlage vom Projekt SmartBioH2-BW gehört zu insgesamt fünf Bioraffinerie-Vorhaben, die das Land Baden-Württemberg im Rahmen des Förderprogramms „Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling“ seit 2021 mit mehreren Millionen Euro unterstützt. Zentrales Anliegen ist dabei, regionale Rohstoffreserven zu erschließen und nutzbar zu machen. Abwasser und Abfälle aus der Industrie werden bisher selten als Ressource verwendet. Am Industriestandort von Evonik in Rheinfelden werden Forschende vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB nun demonstrieren, wie dieses Potenzial mithilfe biotechnologischer Verfahren genutzt werden kann.

Bioraffinerie koppelt zwei biotechnologische Verfahren

In Anwesenheit von Andre Baumann, Staatssekretär im baden-württembergischen Umweltministerium, ist am 3. August der Testbetrieb für die vom Fraunhofer IGB entwickelte modulare Bioraffinerie angelaufen. Die Anlage befindet sich auf dem Gelände von Evonik. Das Unternehmen ist auf die Herstellung von Spezialchemikalien fokussiert und am Projekt beteiligt. Am Standort in Rheinfelden wird unter anderem Wasserstoffperoxid produziert, das als Desinfektionsmittel eingesetzt wird. Statt den Wasserstoff wie bisher aus Erdgas zu produzieren, will Evonik den Rohstoff künftig aus nachhaltigen Quellen gewinnen.

„Der Standort von Evonik in Rheinfelden hat sich auf die Fahne geschrieben, die grüne Transformation unserer Branche voranzutreiben“, so Hermann Becker, Standortleiter von Evonik. „Mit dem gemeinsamen Forschungsprojekt und der zukunftsweisenden Pilotanlage wollen wir zeigen, wie das im Sinne der Kreislaufwirtschaft gehen kann – sauberer Wasserstoff, gewonnen aus Spülwasser und Reststoffen ist eine Win-win-win-Situation für die Umwelt, die Chemieindustrie und die Wissenschaft.“

Die vom IGB entwickelte modulare Bioraffinerie besteht aus zwei gekoppelten Verfahrensmodulen zur biotechnologischen Produktion von Wasserstoff: der fermentativen Dunkelphotosynthese durch Purpurbakterien und einem zweistufigen Prozess mit Mikroalgen. „Durch die intelligente Kopplung dieser beiden Verfahren zu einem kombinierten Bioraffinerie-Konzept wird es möglich, industrielle feste und flüssige Reststoffströme, die in der Produktion am Standort anfallen und bisher teuer als Abfall und Abwasser entsorgt werden mussten, effizient und ohne Emissionen als Rohstoffe zu nutzen, um daraus den Zukunftsenergieträger Wasserstoff und weitere wertschöpfende biobasierte Produkte herzustellen“, erläutert Ursula Schließmann, stellvertretende Institutsleiterin des Fraunhofer IGB und Koordinatorin des Projekts.

Bakterien nutzen Ethanol aus Spülwasser als Kohlenstoffquelle

In einem ersten Schritt werden mittels der Dunkelphotosynthese vom Purpurbakterium Rhodospirillum rubrum ohne Licht aus verschiedenen Kohlenstoffsubstraten Wasserstoff erzeugt. Am Industriestandort von Evonik dient den Purpurbakterien demnach Ethanol aus dem Spülwasser als Kohlenstoffsubstrat und Energiequelle. Unter entsprechenden Bedingungen produziert das Bakterium aber nicht nur Wasserstoff, sondern auch weitere wertvolle Produkte wie Carotinoide, fettlösliche Pigmente beispielsweise für die Kosmetik oder den Biokunststoff Polyhydroxyalkanoat (PHA) – sowie Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Nebenprodukt. „Da die wasserstoffproduzierenden Enzyme der Purpurbakterien sehr sauerstoffempfindlich sind, ist die präzise Kontrolle des Sauerstoffgehalts bei der Fermentation eine Herausforderung im Betrieb“, ergänzt Susanne Zibek, Leiterin der Bioprozessentwicklung am Fraunhofer IGB.

In einem zweiten Schritt wird das Kohlenstoffdioxid (CO₂) an die angekoppelte Mikroalgenanlage weitergeleitet. Dort wird es von den Mikroalgen für den Aufbau von Biomasse oder Speicherprodukten genutzt und damit nicht in die Atmosphäre abgegeben. Konkret werden in der Demonstrationsanlage Mikroalgen der Art Chlorella sorokiniana in einem mittels LED beleuchteten kompakten Photobioreaktor kultiviert. In diesem Verfahren stellen die Mikroalgen aus dem anfallenden CO₂ Stärke her. Die benötigten Nährstoffe stammen wiederum aus einem zweiten in Rheinfelden, diesmal in fester Form anfallenden Reststoffstrom: Ammoniumchlorid.

Höhere Biowasserstoff-Ausbeute durch neuen Photobioreaktor

Forschende vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung haben im Rahmen des Projektes ein Prozessmodell erstellt, das die wichtigsten Inputs und Outputs des gesamten Bioraffinerie-Konzepts vorhersagen kann. „Auf Basis der praktischen Erfahrungen können wir anschließend ermitteln, ob sich eine Anlage im industriellen Maßstab auch wirtschaftlich rentieren würde. Wichtig ist dabei, dass wir einen hohen Grad an Automatisierung vorgesehen haben, um die Ausbeute der Anlage zu verbessern“, so Schließmann. Um die Gesamtausbeute an Biowasserstoff noch zu steigern, wollen die Forschenden als Nächstes einen neu entwickelten Photobioreaktortyp in die modulare Bioraffinerie integrieren.

Die Studie „Engineering biology: The time is now” zeigt, dass Nachhaltigkeit ein zentrales Motiv für das Interesse von Unternehmen an Biotechnologie ist. Über 70% der Unternehmen erwarten, ihre Nachhaltigkeitsziele mithilfe von Biosolutions deutlich schneller erreichen zu können. Weitere Motive sind Kostensenkung, Produktoptimierung und eine höhere Sicherheit von Produkt- und Produktionsprozessen. Die Studie zeigt aber auch Herausforderungen auf, die es zu meistern gilt, um diese Potenziale zu erschließen: von der Marktwahrnehmung und -akzeptanz bis hin zu hohen Kosten und einem Mangel an qualifizierten Fachkräften.

Befragt wurden 1.100 Führungskräfte großer Unternehmen mit einem Jahresumsatz von über einer Milliarde US-Dollar. Die Unternehmen gehörten insgesamt elf Branchen an und sind in Nordamerika, Großbritannien, Kontinentaleuropa, dem asiatisch-pazifischen Raum und dem Nahen Osten aktiv. Darüber hinaus wurden 500 Führungskräfte von Start-ups aus der Synthetischen Biologie und angrenzender Bereiche befragt sowie Tiefen-Interviews mit 20 Experten geführt.

Die detaillierten Ergebnisse finden Sie hier: Unlocking the potential of engineering biology: The time is now

The study 'Engineering Biology: The time is now' shows that sustainability is a key driver of corporate interest in biotechnology. More than 70% of companies expect to achieve their sustainability goals significantly faster with the help of biosolutions. Other motives include cost reduction, product optimisation and increased safety of products and production processes. The study also highlights the challenges that need to be overcome to realise this potential, ranging from market perception and acceptance to high costs and a lack of qualified specialists.

The survey polled 1,100 executives from large companies with annual revenues of more than one billion US dollars. The companies were from eleven industries and were based in North America, the UK, continental Europe, Asia Pacific and the Middle East. In addition, 500 executives from startups in synthetic biology and related fields were surveyed, and in-depth interviews were conducted with 20 experts.

The detailed results can be found here: Unlocking the potential of engineering biology: The time is now

Ob in der Ernährungs- und Landwirtschaft, in der Medizin, der Chemie-, Kosmetik- oder Pharmaindustrie: Die Biotechnologie bietet für viele Branchen ein enormes Innovationspotenzial. Zugleich eröffnet insbesondere die industrielle Biotechnologie Wege für ein nachhaltiges und ressourcenschonendes Wirtschaften und ist damit eine tragende Säule der Bioökonomie. Doch wie sieht es in der Praxis aus? Fachleuten zufolge hinkt Deutschland im internationalen Vergleich bei der industriellen Anwendung biotechnologischer Verfahren hinterher. Der Branchenverband BIO Deutschland hat nun ein Maßnahmenpaket vorgeschlagen, damit die bioökonomische Transformation gelingt und die von der EU und den Vereinten Nationen gesteckten Nachhaltigkeitsziele erreicht werden.

„Wir haben in Deutschland hervorragende Forschung im Bereich der industriellen Biotechnologie. Doch wie in vielen anderen Bereichen hakt es beim Transfer vom Labor- in den Industriemaßstab“, sagt Christine Lang, Co-Leiterin der AG Industrielle Bioökonomie von BIO Deutschland und ehemaliges Mitglied des Bioökonomierates. Lang zufolge sind die Gründe vielfältig. „Wir müssen deshalb verschiedene Hebel einsetzen, um in diesem Zukunftsfeld nicht den Anschluss und unsere Souveränität zu verlieren.“

Ökologischer Fußabdruck beim Produktvergleich einbeziehen

In dem aktuellen Positionspapier mit dem Titel „Mit Biologie wirtschaften“ gibt der Branchenverband Handlungsempfehlungen, „um einem Marktversagen entgegenzusteuern und die Zukunfts- und Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft zu gewährleisten“. „Wichtig wäre, dass wir beim Vergleich von biobasierten mit traditionellen fossilbasierten Produkten alle entstandenen Kosten einbeziehen, also auch den ökologischen Fußabdruck. Dann würde der Vorteil der neuen Produkte besser sichtbar“, argumentiert Lang.

Neue Rahmenbedingungen für Innovationsförderung

Nicht nur die Vorteile der Anwendung innovativer Technologien für Wirtschaft und Gesellschaft sollen stärker hervorgehoben werden. Biotechnologische Innovationen müssen demnach auch durch „klare Rahmenbedingungen für neue Technologien gefördert werden“. Dafür müssten Gesetze auf nationaler und europäischer Ebene, die für biotechnologische Herstellprozesse und biobasierte Produkte relevant sind, konsequent überarbeitet werden, heißt es in dem Positionspapier.

Eine weitere Maßnahme ist die schnellere Umsetzung bioökonomischer Ansätze in der Industrie – etwa durch die langfristige Förderung von Pilot-Anlagen und die Entwicklung von Prototypen. Auch bei der Entwicklung neuer Herstellverfahren für biotechnologische Produkte und Vorprodukte und beim Aufbau der dafür erforderlichen Wertschöpfungsketten seien massive Unterstützungen erforderlich. „Außerdem brauchen wir natürlich einen Market-Pull. Das heißt, dass es verbindliche Regeln für die Inhaltsstoffe neuer Produkte geben muss, wie in Form von Beimischungsquoten und Materialvorgaben“, sagt Lang.

Gesetzliche Möglichkeiten für Kapitalsammelstellen schaffen

Darüber hinaus empfehlen die Expertinnen und Experten von BIO Deutschland die Schaffung gesetzlicher Möglichkeiten sowie steuerlicher Anreize für entsprechende biotechnologische Investitionen. „Um unsere biotechnologischen Neuerungen auf den Markt zu bringen und zu Innovationen zu befördern, benötigen wir auch Kapital. Für die Wachstumsphasen von vielversprechenden jungen Unternehmen brauchen wir vor allem mehr Venture Capital. Deshalb müssen wir gesetzliche Möglichkeiten schaffen, dass deutsche und europäische Kapitalsammelstellen vermehrt in diese Asset-Klasse investieren dürfen“, sagt Jörg Riesmeier, ebenfalls Leiter der AG bei der BIO Deutschland.

Whether in food and agriculture, medicine, the chemical, cosmetics or pharmaceutical industry: biotechnology offers enormous innovation potential for many sectors. At the same time, industrial biotechnology in particular opens up ways for sustainable and resource-conserving economic activity and is therefore a key pillar of the bioeconomy. But what does it look like in practice? According to experts, Germany is lagging behind internationally in the industrial application of biotechnological processes. The industry association BIO Deutschland has now proposed a set of measures to ensure that the bioeconomic transformation succeeds and the sustainability goals set by the EU and the United Nations are achieved.

"We have excellent research in the field of industrial biotechnology in Germany. However, as in many other areas, there is a problem with the transfer from laboratory to industrial scale," says Christine Lang, Co-Head of BIO Deutschland's Industrial Bioeconomy Working Group and former member of the Bioeconomy Council. According to Lang, there are many reasons for this. "We therefore need to use various levers to ensure we don't lose touch and our sovereignty in this future field."

Including the ecological footprint when comparing products

In the current position paper titled "Doing business with biology", the industry association makes recommendations for action "to counteract market failure and ensure the future viability and competitiveness of the German economy". "It would be important to include all costs incurred when comparing bio-based products with traditional fossil-based products, including the ecological footprint. This would make the advantage of the new products more visible," argues Lang.

New general conditions for promoting innovation

It is not only the advantages of using innovative technologies for the economy and society that should be emphasized more strongly. Biotechnological innovations must also be promoted through "clear general conditions for new technologies". To this end, laws at national and European level that are relevant to biotechnological manufacturing processes and bio-based products must be consistently revised, according to the position paper.

Another measure is the faster implementation of bioeconomic approaches in industry - for example through the long-term funding of pilot plants and the development of prototypes. Massive support is also required for the development of new manufacturing processes for biotechnological products and preliminary products and the establishment of the necessary value chains. "We also need a market pull, of course. This means that there must be binding rules for the ingredients of new products, such as in the form of admixture quotas and material specifications," says Lang.

Creating legal opportunities for financial intermediaries

In addition, the experts from BIO Deutschland recommend the creation of legal opportunities and tax incentives for corresponding biotechnological investments. "In order to bring our biotechnological innovations to the market and to promote innovation, we also need capital. Above all, we need more venture capital for the growth phases of promising young companies. That's why we need to create legal opportunities for German and European capital collectors to invest more in this asset class," says Jörg Riesmeier, also Head of the AG at BIO Deutschland.

Um die wachsende Bevölkerung auch in 20 Jahren noch ernähren zu können, suchen Forschende seit langem nach Alternativen zu bestehenden Produktionsmethoden. Eine vielversprechende Option könnte im Labor kultiviertes Fleisch sein. Dafür werden einem Rind oder Schwein Muskelstammzellen entnommen und mithilfe von Zell- und Gewebekulturtechniken vermehrt. Die Forschung auf diesem Gebiet läuft weltweit auf Hochtouren. Vor allem Start-ups wie Innocent Meat aus Rostock gelten hier als Innovationstreiber. Bei der Herstellung von kultiviertem Fleisch wird das Unternehmen künftig mit Forschenden der Unimedizin Rostock zusammenarbeiten.

Kultiviertes Fleisch aus Stammzellen von Schweinen

„Die Unimedizin Rostock blickt auf viele Jahre Erfahrung in der Stammzellforschung und verfügt somit über eine umfassende wissenschaftliche Expertise, die nun auch für den Lebensmittelsektor einen wichtigen Nutzen haben kann“, erklärt Emil Reisinger, Dekan und Wissenschaftlicher Vorstand.

Im Rahmen des Projektes MOSTIME „Moderne Stimulationsmethoden zur Differenzierung adulter Stammzellen in funktionales Gewebe zur Herstellung von zellbasierten Fleischprodukten für den Lebensmittelsektor“ will das Team Fleischprodukte aus Stammzellen von erwachsenen Schweinen entwickeln. „Diese Zellen werden in Bioreaktoren kultiviert und in Muskel-, Fett- und Bindegewebszellen unterschieden“, erklärt Robert David, Leiter der Forschungsgruppe der Herzchirurgie.

Vermehrung tierischer Stammzellen optimieren

Die Forschenden wollen zugleich standardisierte Verfahren zur Reprogrammierung und elektrische Stimulationsparameter erarbeiten und diese zu einem optimierten Stimulationsverfahren verbinden, um die Vermehrung tierischer Stammzellen zu optimieren. Den Forschenden zufolge haben bereits erste Versuche mit Skelettmuskelzellen gezeigt, dass sich die Zellen durch Elektrostimulation stark vermehren lassen.

Kooperation mit Technologieanbieter für Fleischproduzenten

Mit der Klinik und Poliklinik für Herzchirurgie, dem Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie sowie der Orthopädischen Klinik und Poliklinik an der Universitätsmedizin Rostock sind drei Forschungseinrichtungen an dem Vorhaben MOSTIME beteiligt. Das Projekt wird bis 2025 vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert. Mit Innocent Meat haben die Rostocker Unimediziner einen Partner, der sich auf die Herstellung von Produktionssystemen zur Erzeugung zellbasierter Lebensmittel fokussiert.

Singapur und die USA sind bisher die einzigen Länder, in denen Fleisch aus dem Labor bereits zugelassen ist. In der EU ist der Verkauf von zellbasiertem Fleisch noch nicht gestattet. Als weltweit erstes Unternehmen hatte im September vergangenen Jahres The Cultivated B aus Heidelberg bei der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) einen Antrag auf Zulassung eines zellbasierten Wurstprodukts gestellt.

Ob im Haushalt, beim Sport oder im Auto: Gegenstände aus Faserverbundwerkstoffen sind allgegenwärtig. Durch das Zusammenfügen mehrerer Komponenten wie etwa einer Kunststoffmatrix mit Fasern entstehen Werkstoffe, die vielfältigsten Ansprüchen gerecht werden. Zur Herstellung komplexer und leichter Formteile werden bisher häufig glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) eingesetzt. Bei der Herstellung der Glasfaser werden jedoch große Mengen des Klimagases Kohlendioxid freigesetzt. Auch das Recycling und die Entsorgung von sogenannten GFK-Werkstoffen sind problematisch. Eine nachhaltige Alternative zu Glasfasern könnten Naturfasern sein.

Naturfaser-SMCs aus Hanf für Fließpressverfahren

Forschende vom Fraunhofer IWU in Zittau und der Hochschule Zittau/Görlitz arbeiten seit einigen Jahren an biologischen Alternativen für Glasfasern in Verbundwerkstoffen. Ein Team um Rafael Cordeiro zeigt nun am Beispiel einer Innenverkleidung für Züge, dass Glasfasern durch Naturfasern in Kombination mit Harz ersetzt werden können. Bei dem neuen Bauteil handelt es sich um langfaserverstärkte Halbzeuge – sogenannte Sheet Moulding Compounds (SMCs) –, mit denen sich im Fließpressverfahren komplexe Formteile mit hoher Oberflächenqualität etwa für Zuginnenverkleidungen herstellen lassen.

SMC-Bauteil mit hohem biobasierten Anteil

Zur Herstellung des neuen Bauteils wurden ausschließlich grobe Hanffasern genutzt, die als Nebenprodukt bei der Textilherstellung mit Hanf anfallen. Den Forschenden zufolge liegt der Gewichtsanteil der Naturfaser im neu entwickelten SMC bei etwa 15 %. Durch den Einsatz von biobasiertem Harz als Matrix zur Einbettung der Hanffasern soll der „natürliche“ Anteil künftig auf bis zu 38 % steigen. Weitere 55 % sind natürliche Mineralstoffe wie Calciumcarbonat oder Aluminiumhydroxidhydrat, das in der Natur als Bauxit vorkommt. 7 % des neuartigen SMCs besteht aus fossilbasierten Zusatzstoffe, weil es dafür noch keine biobasierte Alternative gibt.

„Das Naturfaser-SMC ist so entwickelt, dass für die Produktion größerer Stückzahlen nur sehr geringe zusätzliche Anlageninvestitionen und nur minimale Prozessparameteränderungen erforderlich sind“, sagt Rafael Cordeiro, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWU und im LaNDER³-Projekt der Hochschule Zittau/Görlitz. Auch bei der Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen durch Fließpressen hinsichtlich der Prozesse und der benötigten Energie gibt es den Forschenden zufolge keine signifikanten Unterschiede zwischen Naturfaser- und Glasfaser-SMCs, schreiben die Forschenden.

Ein weiterer Vorteil des Naturfaser-Bauteils: Nicht nur Haut- und Atemwegsreizungen, die bei Kontakt mit Glasfasern auftreten können, werden erheblich reduziert. Bei der Herstellung von Hanffasern werden deutlich weniger CO₂-Emissionen freigesetzt als bei der Glasfaser-Produktion. Die übliche Lebensdauer der hanffaserbasierten Halbzeuge von 30 Jahren kann zudem durch eine gezielte Einstellung des Matrix-Harzes noch erhöht werden.

Längere Haltbarkeit und bessere Ökobilanz

Noch sind die neu entwickelten Naturfaser-SMCs weder recycelbar noch vollständig biologisch abbaubar. Den Forschenden zufolge gibt es jedoch vielversprechende Versuche, um die Naturfaser von der Matrix und dem Füllstoff zu trennen, damit der Naturfaser-Anteil kompostiert und der Füllstoff wiederverwendet werden kann. Die Arbeit des Zittauer Teams zeigt jedoch, dass die Herstellung nachhaltigerer SMC-Bauteile möglich ist. „Die Nachhaltigkeitsbilanz von Naturfaser-SMCs ist noch nicht perfekt. Aber sie ist schon heute wesentlich besser als bei glasfaserverstärkten Verbundmaterialien. Auch die Materialkosten stimmen. Somit sind die von uns entwickelten Alternativen zu klassischen Glasfaser-SMCs definitiv marktfähig“, so Cordeiro.

Die Arbeit der Forschenden am Fraunhofer IWU in Zittau und der Hochschule Zittau/Görlitz wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der strategischen Partnerschaft LaNDER3 über die Fördermaßnahme FH-Impuls gefördert. Darin werden gezielt Forschungs- und Innovationspartnerschaften unterstützt, um die Vernetzung zwischen Wissenschaft und Wirtschaft in der Region zu stärken.

Whether in the home, in sport or in the car: objects made from fiber composites are ubiquitous. By combining several components, such as a plastic matrix with fibers, materials are created that meet the most diverse requirements. Up to now, glass fiber reinforced plastics (GRP) have often been used to produce complex and lightweight molded parts. However, the production of glass fiber releases large quantities of the greenhouse gas carbon dioxide. The recycling and disposal of so-called GRP materials is also problematic. A sustainable alternative to glass fibers could be natural fibers.

Natural fiber SMCs made from hemp for impact extrusion processes

Researchers at the Fraunhofer IWU in Zittau and the Zittau/Görlitz University of Applied Sciences have been working on biological alternatives to glass fibers in composite materials for several years. A team led by Rafael Cordeiro has now shown that glass fibers can be replaced by natural fibers in combination with resin using the example of an interior lining for trains. The new component is a long-fiber-reinforced semi-finished product - so-called sheet moulding compounds (SMCs) - which can be used to produce complex moulded parts with a high surface quality, for example for train interior linings, using an extrusion process.

SMC component with high bio-based content

Only coarse hemp fibers, which are a by-product of textile production using hemp, were used to manufacture the new component. According to the researchers, the weight proportion of natural fibers in the newly developed SMC is around 15%. The use of bio-based resin as a matrix for embedding the hemp fibers should increase the “natural” proportion to up to 38% in the future. A further 55% are natural minerals such as calcium carbonate or aluminum hydroxide hydrate, which occurs naturally as bauxite. 7% of the new SMC consists of fossil-based additives, as there is not yet a bio-based alternative.

“The natural fiber SMC has been developed in such a way that only very small additional plant investments and minimal process parameter changes are required for the production of larger quantities,” says Rafael Cordeiro, research associate at Fraunhofer IWU and in the LaNDER³ project at Zittau/Görlitz University of Applied Sciences. According to the researchers, there are also no significant differences between natural fiber and glass fiber SMCs in the production of semi-finished products and components by impact extrusion in terms of the processes and the energy required.

Another advantage of the natural fiber component: Not only skin and respiratory tract irritation, which can occur on contact with glass fibers, is significantly reduced. Significantly fewer CO₂ emissions are released during the production of hemp fibers than during glass fiber production. The usual 30-year service life of hemp fiber-based semi-finished products can also be increased by adjusting the matrix resin.

Longer durability and better ecological balance

The newly developed natural fiber SMCs are still neither recyclable nor fully biodegradable. According to the researchers, however, there are promising attempts to separate the natural fiber from the matrix and the filler so that the natural fiber component can be composted and the filler reused. However, the work of the Zittau team shows that it is possible to produce more sustainable SMC components. “The sustainability balance of natural fiber SMCs is not yet perfect. But it is already much better than that of glass fiber-reinforced composite materials. The material costs are also right. This means that the alternatives we have developed to classic glass fiber SMCs are definitely marketable,” says Cordeiro.

The work of the researchers at the Fraunhofer IWU in Zittau and the Zittau/Görlitz University of Applied Sciences is funded by the Federal Ministry of Education and Research as part of the LaNDER3 strategic partnership via the FH-Impuls funding measure. This provides targeted support for research and innovation partnerships in order to strengthen networking between science and industry in the region.