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The report "Turning off the Tap for Fossil Carbon" shows how demand is being met today and how it could be met by renewable carbon in 2050.

This report, produced by the nova Institute and commissioned by Unilever, examines the total carbon sequestered in chemical products and their derivatives on a global scale. This includes product groups such as plastics, rubbers, textile fibres, detergents and personal care solutions. For the first time, the global total amount of sequestered carbon is calculated, visualised and linked to the different raw materials. In addition, end-use applications are investigated and presented. The authors present a scenario for the year 2050 that shows perspectives for the transition from fossil to renewable carbon sources. Furthermore, solutions for the highly interconnected chemical industry are presented together with supporting policy measures.

Klimawandel und Industriealisierung setzen Ökosysteme weltweit unter Druck. Auch die kostbare Ressource Boden gerät in Bedrängnis und gefährdet die biologische Vielfalt. Welche Auswirkungen die globalen Veränderungen auf die Biodiversität im Boden haben, damit beschäftigt sich seit Jahren Nico Eisenhauer. Der Jenaer Biologe untersucht dabei vor allem, wie das Zusammenspiel von Pflanzen und Bodenorganismen beeinflusst wird. Hier sind es insbesondere Regenwürmer und Springschwänze, die dem Forscher als Gradmesser der Biodiversität dienen. Eisenhauer konnte nachweisen, dass vor allem Klimaextreme wie Dürre und Hitze die biologische Vielfalt bedrohen. Er befürchtet, wenn der Wandel zu schnell voranschreitet, könnten bestimmte Arten lokal aussterben, weil sie sich nicht schnell genug anpassen können. Für seine Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Biodiversität im Boden wurde Eisenhauer erst kürzlich mit dem renommierten Leibniz-Preis ausgezeichnet.

Climate change and industrialization are putting ecosystems under pressure worldwide. The precious resource soil is also affected by this and endangers biodiversity. Nico Eisenhauer has been studying the effects of global change on soil biodiversity for years. The Jena biologist is primarily investigating how the interaction between plants and soil organisms is affected. It is earthworms and springtails in particular that serve the researcher as a gauge of biodiversity. Eisenhauer has been able to demonstrate that climate extremes such as drought and heat threaten biodiversity. He fears that if climate change proceeds too quickly, certain species could become locally extinct because they cannot adapt fast enough. Eisenhauer was recently awarded the prestigious Leibniz Prize for his research in the field of soil biodiversity.

Das Bioökonomie-Camp ist die Forschungs-Convention im Wissenschaftsjahr 2020/21 – Bioökonomie. Auf Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und der Universität Hohenheim trifft sich der wissenschaftliche Nachwuchs der Bioökonomie-Forschung vom 30. September bis 1. Oktober im Umweltforum in Berlin.

Das Event bringt junge Talente aus Hochschulen, Stiftungen und Forschungseinrichtungen zusammen. Teilnehmen können Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aller Disziplinen, deren Forschung auf die Transformation hin zu einer nachhaltigen Bioökonomie ausgerichtet ist. Ziel der Veranstaltung ist es, in innovativer Reallaboratmosphäre die disziplinübergreifende Vernetzung zu fördern.

Visionäre Forschungsideen gemeinsam entwickeln

Gemeinsam mit Vordenkerinnen und Vordenkern aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft diskutieren die jungen Forschenden über Zukunftsthemen und bringen visionäre Forschungsideen für eine nachhaltige Bioökonomie auf den Weg. Gleichzeitig erhalten die TeilnehmerInnen die Gelegenheit, im Dialog mit Fachleuten die Hürden zu identifizieren, die sie bislang daran hindern, ihre Erkenntnisse für die Transformation in eine nachhaltige Bioökonomie in Deutschland wirksam werden zu lassen und nutzbar zu machen.

Die Natur ist reich an bioaktiven Substanzen mit medizinischem Potenzial, aber auch an anderen molekularen Substanzen und Enzymen, die sich nutzen lassen, um weitere chemische Wertstoffe herzustellen. Häufig jedoch wird bei der „Ernte“ dieser Naturstoffe die Natur in Mitleidenschaft gezogen oder sogar zerstört. So ist es beispielsweise mit Pseudopterosinen, Entzündungshemmern, die aus Weichkorallen gewonnen und für Kosmetika verwendet werden. Ein deutsch-kanadisches Forschungsprojekt will diese wertvolle Stoffklasse der Terpene stattdessen biotechnologisch zu erzeugen.

Pharmazeutisches Potenzial erhalten

„ Pseudopterosine machen rund vier Prozent des organischen Extrakts der karibischen Koralle Antillogorgia elisabethae aus“, erzählt Thomas Brück, Biotechnologe an der TU München. Um an den Wirkstoff zu gelangen, werden die Korallen aus den Riffen herausgerissen und in der Sonne getrocknet. Die Biomasse wird in die USA transportiert, wo der Wirkstoff extrahiert und von dort in alle Welt verschifft wird. Darüber kann Brück sich nicht nur deshalb aufregen, weil er als passionierter Taucher die Korallenriffe schätzt: „Das Riff wird zerstört, die Biodiversität ist kaputt, und da Riffe wichtige CO₂-Senken sind, wirkt es sich negativ auf den Klimawandel aus“, kritisiert der Forscher. Vor allem der Biodiversitätsverlust sei nicht zu unterschätzen: „Viele Substanzen in den Organismen der Riffe wirken pharmazeutisch“, so Brück. Neben den Korallen leben dort Algen, Bakterien und Pilze, die jedoch nur als Gemeinschaft überleben. „Mit der Schatztruhe Biodiversität zerstören wir auch neue Wirkstoffe, die wir noch gar nicht kennen“, warnt der Experte.

Seit 15 Jahren beschäftigt sich Brück daher mit der Suche nach Alternativen. Die erste Frage lautete: Welche Organismen der Riffgemeinschaft sind es eigentlich, die Pseudopterosine herstellen? Die Algen rückten in den Blick, doch es erwies sich als unmöglich, sie langfristig in Kultur zu halten. Also schaute der Biotechnologe, welche terrestrischen Bakterien ähnliche Biosynthesen und Prozesse aufweisen. Bei den Streptomyceten wurde er fündig: Sie besitzen mit der Hydropyrene-Synthase ein Enzym, das Isoelisabethatrien erzeugt, Vorläuferstoffe von Erogorgiaen. Letzteres ist seinerseits Vorläufer der begehrten Pseudopterosine und selbst antibiotisch wirksam, unter anderem gegen den Tuberkulose-Erreger Mycobacterium tuberculosis.

Pflanzen benötigen zum Wachsen Phosphor und Stickstoff. Selten sind jedoch diese beiden wichtigen Nährstoffe gleichermaßen verfügbar. Meist dominieren die Stickstoffeinträge, weil der Nährstoff durch Düngung oder die Umwelt zusätzlich in die Atmosphäre gelangt und von den Pflanzen aufgenommen wird. Dieses Ungleichgewicht hat Folgen für das Wachstum und die Produktivität der Pflanzen, wie eine aktuelle Studie zeigt. Darin haben Forschende vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena mit spanischen Partnern untersucht, wie Pflanzen in ihrem Ökosystem auf die unterschiedliche Stickstoff- und Phosphorverfügbarkeit reagieren.

Effizienter Wasserverbrauch bei ausgewogenem Nährstoff-Mix

Das Freilandexperiment fand in der halbtrockenen Savanne in Majadas de Tietar auf der iberischen Halbinsel statt. Das Areal wurde dafür in drei Parzellen unterteilt und unterschiedlich gedüngt: die eine Fläche wurde nur mit Stickstoff versorgt, die andere erhielt Stickstoff und Phosphor zu gleichen Teilen. Parzelle Nummer drei blieb ungedüngt und diente zur Kontrolle. Das Ergebnis: Auf dem nur mit Stickstoff gedüngten Areal wuchsen die Pflanzen stärker als auf der Kontrollfläche. Damit verbunden war zugleich ein höherer Wasserverbrauch. Auf der Fläche, mit ausgewogener Nährstoffzufuhr war der Wasserverbrauch dagegen nicht erhöht, obwohl auch hier das Pflanzenwachstum angekurbelt wurde.

„Wir folgern daraus, dass der ausgewogene Eintrag von Nährstoffen zu einer effizienteren Nutzung des Wassers führt“, so Mirco Migliavacca, Gruppenleiter am MPI für Biogeochemie und Autor der Studie. Diese effiziente Wassernutzung wurde jedoch nur bei kleineren Pflanzen und nicht bei Bäumen beobachtet. Tiefwurzelnde Bäume können offenbar schneller auf die Düngung in der oberen Bodenschicht reagieren als Pflanzen mit flachen Wurzeln, vermuten die Forschenden.

Phosphormangel verschärft Wasserknappheit

Die Studie zeigt erstmals, wie wichtig es ist, den Nährstoffhaushalt eines natürlichen Ökosystems in der Gesamtheit zu betrachten. Gerade für Regionen, in denen der Klimawandel zu einer stärkeren Verdunstung durch erhöhte Temperaturen und gleichzeitigen Wassermangel führe, dürften diese Erkenntnisse bedeutsam sein, so die Forschenden. „Bei Wasserknappheit, zum Beispiel in semiariden Gebieten, kann die Begrenzung von Phosphor im Vergleich zu Stickstoff die Wasserverluste des Ökosystems verschärfen, weil die Pflanzen das Wasser weniger effizient nutzen können", argumentiert Migliavacca.

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Woher kommen eigentlich unsere Nutzpflanzen, wie funktioniert die Pflanzenzüchtung und welche Rolle spielen Pflanzen für die Bioökonomie?  Diese und weitere Fragen stehen im Fokus einer Multimedia-Plattform, die das Thema Pflanzenzüchtungsforschung medial in Text, Bild und Video veranschaulicht. Pflanzenforschung 4.0 ist ein Projekt des Exzellenzclusters CEPLAS an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Die Initiative wird im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2020/21 durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Reich bebilderte Entdeckungsreise durch die Pflanzenzüchtung

Insgesamt drei sogenannte Scrollytelling-Reportagen werden bis September veröffentlicht. Interessierte können sich jeweils durch die Reportagen scrollen und selbst entscheiden, wie tief sie in das Thema einsteigen. Im Fokus der bereits veröffentlichten ersten Reportage steht das Thema Pflanzenzüchtung. Darin wird die Entwicklung der Wildpflanze zur Nutzpflanze anschaulich in Texten und Interviews erklärt. So erfährt man, nach welchen Eigenschaften früher beispielsweise Maiskörner zur Vermehrung ausgewählt wurden, dass erst die Entdeckung der Mendelschen Gesetze eine zielgerichtete Züchtung ermöglichte, wie zeitaufwendig der Prozess von der Herstellung bis zur Zulassung einer Sorte ist und welches Potenzial in neuen Züchtungsmethoden wie der Genom-Editierung stecken.

Die Transformation hin zu einer biobasierten Wirtschaft ist in vollem Gange. Start-ups, aber auch etablierte Großkonzerne produzieren vermehrt biobasierte Produkte und setzen dazu auch neue, oftmals biotechnologische Produktionsverfahren ein. Die Wirtschaftsförderung des Bundeslandes Hessen veranstaltete deshalb am 25. und 26. Mai 2021 die Onlinekonferenz „Biofabrik“, auf der Fachleute aus Wirtschaft und Wissenschaft aktuelle Entwicklungen präsentierten.

Von Lignocellulose bis Power-to-X

Der erste Tag stand im Zeichen der Bioraffinerien. Kurt Wagemann vom Verband Dechema gab einleitend einen Überblick über den Stand der Technik. Kommerziell im Einsatz seien demnach bereits Bioraffinierien, die Zucker, Stärke, Pflanzenöle oder Lignocellulose verwerten. Pilotanlagen existierten für Bioraffinierien auf Basis von fermentierbaren Zuckern und Lignin aus Lignocellulose, Gras und Synthesegas. Eher im Labormaßstab angesiedelt sind demnach Bioraffinerien, deren Rohstoffe Algenlipide oder Biogas sind. Attraktiv seien dabei Anlagen, die mehrere Produkte herstellen und dabei die Rohstoffe optimal ausnutzen, hieß es. Das habe allerdings eine praktische Schwierigkeit, da sich die jeweiligen Märkte und damit Nachfrage und Preis unterschiedlich entwickelten. Hinsichtlich der in Bioraffinierien genutzten Mikroorganismen und Enzyme sagte Wagemann: „Wir hätten noch produktivere und robustere Organismen.“ Ausführlicher stellte der Experte zudem das Projekt „Volatile“ vor, das sich mit der Nutzung der volatilen Fraktion in Bioraffinieren beschäftigt, sowie das Projekt „Kopernikus“, das Anlagen mit CO₂ und Strom als Rohstoffen untersuchen soll. „Power-to-X-Projekten wird in der Zukunft eine große Bedeutung zukommen“, prognostizierte Wagemann. Daher spreche er auch nicht von Dekarbonisierung, sondern von Defossilisierung.

4% der Biomasse für chemische Produkte

Auch Michael Duetsch von UPM Biochemical unterstrich, dass künftig fossile Kohlenstoffquellen nicht nur durch Biomasse, sondern auch durch Wiederverwendung und Wiederverwertung von Kohlenstoff sowie durch CO₂ ersetzt werden. Prognosen für das Jahr 2050 sähen den Kohlenstoffbedarf lediglich zu 20% durch Biomasse gedeckt. 25% kämen CO₂ zu, der Rest dem Recycling. Damit würde der Bedarf der chemischen Industrie an Biomasse von heute einem Prozent der verfügbaren Menge auf drei bis vier Prozent im Jahr 2050 steigen, aber weiterhin marginal und damit nachhaltig bleiben. Abschließend präsentierte Duetsch die Pläne für die in Leuna entstehende Bioraffinerie von UPM, die aus Holz und Sägeabfällen Industriezucker, funktionale Füllstoffe sowie Ethylen- und Propylenglykol produzieren soll. Insbesondere die Füllstoffe seien dabei nicht nur nachhaltiger, sondern auch funktional den etablierten petrochemischen Alternativen überlegen, nicht zuletzt durch ihr geringeres Gewicht bei gleicher Stabilität.

Mehrjährige Gräser und Holzreste als Rohstoff

Asli Hanci von Biowert Industrie präsentierte eine noch junge Bioraffinerie, die mehrjährige Gräser als Rohstoff nutzt. Gras sei ein schnell wachsender Rohstoff, fast überall in der Welt verfügbar und könne vier Mal im Jahr geerntet werden – wenngleich nur zwei der Ernten die erforderliche Qualität aufwiesen. Außerdem sei die Cellulose vergleichsweise einfach zu extrahieren und weitgehend frei von Lignin. Drei Produkte entstehen daraus: thermisches Dämmmaterial, Granulat für die Kunststoffherstellung und Dünger. Was dann vom Gras noch übrig ist, wird genutzt, um Wärme und Strom zu erzeugen. Cellulosebasierte Kunststoffe seien nicht nur energieeffizient und vollständig wiederverwertbar, sondern hätten auch einen viel geringeren ökologischen Fußabdruck als petrochemische Alternativen, insbesondere hinsichtlich der Belastung der Süß- und Salzwasserökosysteme.

Was alles aus holzbasierter Cellulose und Hemicellulose hergestellt werden kann, erläuterte Peet Pitk von Graanul Biotech. Schon das Rohlignin des Unternehmens habe einen Reinheitsgrad von 88%, sei geruchlos und besitze Partikelgrößen unter 20 Mikrometer. Nach einer Säurebehandlung erreiche das Unternehmen sogar eine Reinheit von 95%. In der Bioraffinerien werden vor allem C5- und C6-Zucker gewonnen, die beispielsweise zu Isobuten weiterverarbeitet werden. Im Projekt „Sweetwoods“ entstehen aus dem Lignin außerdem Biokomposite und Schaumstoffe.

Biotechnologie verändert viele Branchen

Ein zweiter Fokus der Konferenz lag auf der Biotechnologie und ihren Prozessen. So erläuterte Stefan Buchholz von Evonik am Beispiel einiger biotechnologischer Konzernprodukte, wie diese den Markt veränderten und warum die Biotechnologie ihn weiter verändern werde. Dazu zählten Aminosäuren, die Futtermittel aufwerten und so den Gesamtbedarf an Futtermitteln reduzieren, Probiotika, die Geflügel gesünder halten und so den Antibiotikabedarf drosseln sowie Öl aus Mikroalgen, das vermeidet, dass für jedes Kilo erzeugter Lachs den Tieren zuvor drei Kilo Fisch gefüttert werden muss. Weitere Beispiele waren Lipid-Nanovesikel für die Verabreichung von mRNA-Wirkstoffen in der Medizin, spezielle Nährmedien für medizinische Zellkulturen, Ceramide für die Hautpflege, Biotenside und zukünftig Systeme für eine künstliche Photosynthese.„Biotechnologie ist ein Schlüsselwerkzeug, um nachhaltige Produkte zu entwickeln und zu helfen, die Lücke zu einer CO₂-neutralen Produktion zu schließen“, resümierte Buchholz.

Weitere Beispiele des Tages umfassten aus pflanzlichen Nebenströmen hergestellte Aromastoffe und maßgeschneidertes Lignin unter anderem für Kosmetika. Die Prozesstechnik rückte nicht nur bei der mikrobiellen Elektrosynthese in den Vordergrund, mittels derer Basischemikalien hergestellt werden können, sondern auch beim Thema Enzyme, deren Maßfertigung noch einmal die Effizienz von biotechnologischen Prozessen erheblich steigern kann. Den Abschluss der Konferenz bildete eine virtuelle Führung durch die Grasfabrik von Biowert Industrie.

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The transformation to a biobased economy is in full swing. Start-ups, but also established large corporations, are increasingly producing biobased products using new, often biotechnological production processes. The economic development agency of the German state of Hesse therefore organized the online conference "Biofabrik" on May 25 and 26, 2021, at which experts from business and science presented current developments.

From Lignocellulose to  Power-to-X

The first day was dedicated to biorefineries. Kurt Wagemann from the Dechema association gave an introductory overview of the state of the art. He said that biorefineries that utilize sugar, starch, vegetable oils or lignocellulose are already in commercial use. Pilot plants exist for biorefineries based on fermentable sugars and lignin from lignocellulose, grass and synthesis gas. Biorefineries whose raw materials are algal lipids or biogas are more likely to be on a laboratory scale. Attractive here are plants that manufacture several products and make optimum use of the raw materials. However, this has a practical difficulty, as the respective markets, and thus demand and price, develop differently. Regarding the microorganisms and enzymes used in biorefineries, Wagemann said, "We would have even more productive and robust organisms." The expert also presented in more detail the "Volatile" project, which is looking at the use of the volatile fraction in biorefineries, and the "Copernicus" project, which will investigate plants using CO2 and electricity as feedstocks. "Power-to-X projects will be of great importance in the future," Wagemann predicted. That is why he is not talking about decarbonization, but defossilization.

4% of biomass for chemical products

Michael Duetsch of UPM Biochemical also emphasized that in the future, fossil carbon sources will be replaced not only by biomass, but also by CO2 and carbon reuse. Projections for 2050 show that only 20% of carbon demand will be met by biomass. CO2 would account for 25%, and recycling for the rest. This would mean that the chemical industry's demand for biomass would increase from one percent of the available amount today to three to four percent in 2050, but would remain marginal and thus sustainable. Finally, Duetsch presented the plans for UPM's biorefinery being built in Leuna, which will produce industrial sugar, functional fillers, ethylene glycol and propylene glycol from wood and sawmill waste. The fillers in particular are not only more sustainable, but also functionally superior to the established petrochemical alternatives, not least due to their lower weight with the same stability.

Perennial grasses and wood residues as raw material

Asli Hanci of Biowert Industrie presented a fledgling biorefinery that uses perennial grasses as feedstock. Grass is a fast-growing raw material, available almost everywhere in the world, and can be harvested four times a year - although only two of the harvests are of the required quality. In addition, the cellulose is comparatively easy to extract and largely free of lignin. Three products are made from it: thermal insulation material, granules for plastics production and fertilizer. What is then left of the grass is used to generate heat and electricity. Cellulose-based plastics are not only energy-efficient and fully recyclable, but also have a much smaller environmental footprint than petrochemical alternatives, especially in terms of impact on freshwater and saltwater ecosystems, he said.

Peet Pitk from Graanul Biotech explained what can be produced from wood-based cellulose and hemicellulose. The company's raw lignin already has a purity level of 88%, is odorless and has particle sizes of less than 20 micrometers, he said. After acid treatment, the company even achieves a purity of 95%. The biorefinery mainly produces C5 and C6 sugars, which are further processed into isobutene, for example. In the "Sweetwoods" project, the lignin is also used to produce biocomposites and foams.
 

Biotechnology is changing many industries

A second focus of the conference was on biotechnology and its processes. Stefan Buchholz of Evonik, for example, used a number of biotechnological group products to explain how they were changing the market and why biotechnology would continue to change it. These included amino acids that add value to feed and thus reduce the overall need for feed, probiotics that keep poultry healthier and thus curb the need for antibiotics, and oil from microalgae that avoids having to feed three kilos of fish for every kilo of salmon produced. Other examples included lipid nanovesicles for the delivery of mRNA active ingredients in medicine, special culture media for medical cell cultures, ceramides for skin care, biosurfactants and, in the future, systems for artificial photosynthesis. "Biotechnology is a key tool for developing sustainable products and helping to close the gap to CO2-neutral production," Buchholz summed up.

Other examples included flavorings produced from plant side streams and tailor-made lignin among other things for cosmetics. Process technology came to the fore not only in microbial electrosynthesis, which can be used to produce basic chemicals, but also in the topic of enzymes, the custom production of which can once again significantly increase the efficiency of biotechnological processes. The conference concluded with a virtual tour of Biowert Industrie's grass factory.
 

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Es ist eine Win-Win-Lösung, die bislang meist am Preis scheitert: Zellbasiertes Fleisch könnte Fleischliebhabern ermöglichen, ihre Lieblingsgerichte ohne moralische oder ökologische Bedenken und ohne Sorge ums Klima zu konsumieren. Seit den 1970er-Jahren gibt es dazu Forschungsprojekte, doch eine Kommerzialisierung ist immer wieder an den Erzeugungskosten gescheitert. Daran möchte der Darmstädter Chemie- und Pharmakonzern Merck nun etwas ändern und sucht dazu die Forschungskooperation mit der TU Darmstadt und der US-amerikanischen Tufts University.

Technologie voranbringen

„Als einer der führenden Anbieter für die biopharmazeutische Industrie wollen wir die aufstrebende Branche für zellbasiertes Fleisch als Technologieanbieter voranbringen und alle Schritte von der Forschung und Entwicklung bis hin zur effizienten Produktionssteigerung beschleunigen“, erläuterte Thomas Herget, Leiter des Silicon Valley Innovation Hub von Merck, gegenüber dem Wirtschaftsmagazin vegconomist. Dabei gehe es um zellbiologische Fragestellungen wie die nach dem geeigneten Gerüst, um die Zellen zu strukturieren, und nach der Steuerung der Zelldifferenzierung, aber auch um prozesstechnische Fragen wie die nach den geeigneten Bioreaktoren.

Fleischscheiben drucken

„In diesem interdisziplinären Projekt werden wir zunächst einen Druckprozess im Labormaßstab entwickeln und unser bestehendes Bioink-Portfolio auf die Anforderungen der Fleischherstellung zuschneiden“, erklärte Andreas Blaeser von der TU Darmstadt den eigenen Ansatz. So soll ein Siebdruckverfahren entstehen, das mehrlagige Zellschichten drucken kann, die dann zu relativ dicken texturierten Fleischscheiben heranreifen. Im nächsten Schritt solle das Konzept auf eine industrielle und vollautomatische Druckmaschine übertragen werden.

Bioreaktoren entwickeln

Die aus den USA eingebrachte Expertise beschreibt David Kaplan von der Tufts University so: „Von der Züchtung von nachhaltigem Fleisch aus Stammzellen von Raupen bis zur Optimierung der Farbe und Textur von kultiviertem Fleisch entwickelt unsere Laborgruppe immer neue Technologien für die Branche der zellbasierten Landwirtschaft.“ Das übergeordnete Ziel ist es dabei, skalierbare Bioreaktoren und Produktionsprozesse der nächsten Generation zu entwickeln, um damit Muskel- und Fettgewebe für Fleisch- und Fischprodukte im industriellen Maßstab herzustellen.

Grundlage der über drei Jahre laufenden Kooperationen war die Ausschreibung von Forschungsmitteln durch Merck, welche Arbeitsgruppen der beiden Universitäten gewonnen hatten. Auch in diesem Jahr läuft wieder eine Ausschreibung. Die Bewerbungsfrist dafür endet am 31. August.

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It's a win-win solution that has so far mostly failed because of the price: Cell-based meat could allow meat lovers to consume without moral, environmental, and climate concerns. There have been research projects on this since the 1970s, but commercialization has always failed due to production costs. Merck, the Darmstadt-based chemical and pharmaceutical company, now wants to change this and is seeking research cooperation with Darmstadt Technical University and Tufts University in the United States.

Advancing technology

"As one of the leading suppliers for the biopharmaceutical industry, we want to advance the emerging cell-based meat industry as a technology provider and accelerate all steps from research and development to efficient production scale-up," Thomas Herget, head of Merck's Silicon Valley Innovation Hub, explained to the business magazine vegconomist. He said this involves cell biology issues such as finding the right scaffold to structure the cells and how to control cell differentiation, as well as process technology issues such as finding the right bioreactors.

Printing meat slices

"In this interdisciplinary project, we will first develop a lab-scale printing process and tailor our existing Bioink portfolio to the requirements of meat production," said Andreas Blaeser of TU Darmstadt, explaining the company's own approach. The idea is to create a screen printing process that can print multilayer cell layers that then mature into relatively thick textured meat slices. The next step, he said, is to transfer the concept to an industrial and fully automated printing press.

Bioreaktoren entwickeln

David Kaplan of Tufts University describes the expertise brought in from the U.S.: "From growing sustainable meat from caterpillar stem cells to optimizing the color and texture of cultured meat, our lab group is always developing new technologies for the cell-based agriculture industry." The overall goal here is to develop scalable next-generation bioreactors and production processes to produce muscle and fat tissue for meat and fish products on an industrial scale.

The basis for the cooperation, which will run for three years, was the call for research funds by Merck, which was won by working groups from the two universities. A call for applications is running again this year. The deadline for applications is August 31.
 

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Die Epigenetik ist im übertragenen Sinne das Kurzzeitgedächtnis der Pflanze, das es ihr beispielsweise ermöglicht, sich an veränderliche Umwelteinflüsse anzupassen. Epigenetische Mechanismen regulieren die Ableserate genetischer Informationen und beeinflussen damit den Stoffwechsel und die Entwicklung der Pflanze. Obwohl epigenetische Informationen nicht unmittelbar in den Erbanlagen gespeichert sind, können sie dennoch an die Nachkommen vererbt werden. Inwieweit das Wissen über epigenetische Merkmale auch in der Pflanzenzüchtung genutzt werden kann, möchte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit der Fördermaßnahme Epigenetik – Chancen für die Pflanzenforschung vorantreiben.

Der größte Teil dieser Kunststoffe, rund 9.500 Tonnen, ist auf Plastik-Verschmutzungen im Klärschlamm sowie in Komposten und Gärresten zurückzuführen. Hier ist die Landwirtschaft Leidtragende der Verschmutzungen durch Dritte – beispielsweise durch Plastikfehlwürfe in der Biotonne oder durch Reifenabrieb und Textilfasern aus dem Abwasser, die in der Kläranlage im Klärschlamm gebunden werden. Weitere 5.800 Tonnen an Plastikabfällen hinzu werden zusätzlich von außen auf landwirtschaftlich genutzte Flächen geweht. 

Der Großteil der in der Studie identifizierten Emissionen wird direkt in den Boden eingetragen: Mit Plastik verschmutzte Klärschlämme, Komposte und Gärreste sowie mit synthetischen Polymeren bearbeitete Düngemittel, Bodenverbesserer, Pflanzenschutzmittel und Saatgut. Bei einem kleineren Teil der Kunststoffe ist ein Verbleib im Boden nicht beabsichtigt: Agrarfolien können reißen und Kunststoff-Kleinteile wie Pflanzhilfen können zerfallen. So gelangen auch diese Kunststoffe in den Boden. 

Laut der Studie verbraucht die deutsche Landwirtschaft ca. 1,1 Millionen Tonnen Kunststoff pro Jahr. Sie hat damit einen Anteil von 4,7% am deutschen Gesamtverbrauch von 23,6 Millionen Tonnen pro Jahr. Beim Kunststoffverbrauch erreicht die Landwirtschaft einen Rezyklatanteil von ca. 37%, ist somit bei der Umsetzung einer Circular Economy anderen Kunststoffanwendungen deutlich voraus.

Insgesamt werden die Kunststoffemissionen in landwirtschaftliche Böden in Deutschland von den Autoren*innen auf mindestens 19.055 Tonnen pro Jahr geschätzt, wovon 15.420 Tonnen (81%) außerhalb der Landwirtschaft entstehen, und 3.635 Tonnen (19%) direkt durch die Landwirtschaft verursacht werden. 

Ziele der Studie ist es, Wissenslücken zu schließen, einen ersten Gesamtüberblick zu bieten, Bedarfe für weitere empirische Detailuntersuchungen aufzudecken und erste Handlungsempfehlungen zu geben. 

Mit dem Düngemittelhersteller K+S und dem Leipziger Spinlab HHL standen dem  Agrar- und Food-Tech Inkubator RootCamp in Hannover von Beginn an zwei starke Partner zur Seite. 140 nationale und internationale Start-ups hatten sich mit ihren Ideen für den ersten Batch im November vergangenen Jahres um eine Förderung beworben. Ihnen allen wurde ein „großes Kooperationspotenzial zu K+S“ bescheinigt. Doch nur fünf wurden schließlich ausgewählt. Neben einer finanziellen Unterstützung von bis zu 50.000 Euro bekamen die Start-ups jeweils die Möglichkeit, im RootCamp ihre Gründungsideen weiterzuentwickeln, ihr Netzwerk zu Marktteilnehmern aufzubauen und ihre Projekte mit dem Düngemittelspezialisten K+S zu verbessern.

Kooperationsprojekte zur Pflanzenzüchtung

Für den zweiten Batch konnte das Netzwerk nun KWS, einen Spezialisten auf dem Gebiet der Pflanzenzüchtung, gewinnen. "Die Partnerschaft mit einem innovativen und engagierten Unternehmen wie KWS ermöglicht es uns, Branchenexpertise zu nutzen und Gründerinnen und Gründer dabei zu unterstützen, Wege zu entwickeln, die Wertschöpfungskette der Agrar- und Ernährungswirtschaft weiterzuentwickeln und zu gestalten", so RootCamp-Geschäftsführer Philipp Rittershaus. Mit KWS als Partner können nun auch Start-ups mit Innovationen zur Pflanzenzüchtung gezielt in Kooperationsprojekte vermittelt werden.

"Wir glauben, dass Partnerschaften ein wichtiger Faktor sind, um zukunftsfähige Lösungen für die Landwirtschaft zu entwickeln. Die Zusammenarbeit mit einem schnell wachsenden Inkubator wie RootCamp hilft uns, vielversprechende Start-ups im internationalen Netzwerk zu erreichen und gemeinsam Innovationen voranzutreiben", sagt Alexander Wiegelmann, Leiter New Business Ventures bei KWS.

Anmeldungen für 2. Batch bis Mitte August

Die Bewerbungsrunde für den 2. Batch ist gestartet. Bis zum 17. August 2021 können sich nun erneut nationale und internationale Early-Stage-Start-ups aus der Agrar- und Food-Tech-Szene beim RootCamp-Inkubator für eine Förderung anmelden. Im September fällt die Entscheidung, welche Start-ups ab November 2021 am neuen Förderprogramm teilnehmen und ihre Ideen schließlich beim Batch im Februar 2022 öffentlich präsentieren werden.

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Wenn eine Nutzpflanze Symptome von Schädlingsbefall oder Mangelversorgung zeigt, dann ist es oftmals schon zu spät, um durch Interventionen Ertragsausfälle noch zu verhindern. Je früher ein Problem auf dem Acker erkannt wird, desto wirkungsvoller können Landwirte und Landwirtinnen jedoch eingreifen. Digitale Sensoren können dafür ein wichtiges Hilfsmittel sein. Wann sich welche Methoden eignen, was diese leisten und auch wie sie zusammenspielen können, untersucht das Forschungsprojekt „FarmerSpace“. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördert das Vorhaben von Februar 2020 bis Februar 2023.

Welche Methode ist präziser?

Sensor- und Datenübertragungssysteme, Funksensornetzwerke, optische und maschinengestützte Sensoren, Drohnentechnologie, Robotik und maschinelle Lernverfahren ringen um die Gunst der Beschäftigten in der Landwirtschaft. Auf einem fünf Hektar großen Testacker müssen sie sich daher beweisen. Was vermisst das Feld besser – Laserscanner, Drohnen oder fahrende Roboter? „Wir wollen in erster Linie herausfinden, welche Methode die präziseren Geodaten liefert“, erläutert André Weiskopf, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-AST, die Fragestellung.

Reaktion und Prävention

Andere Systeme erfassen den Gesundheitszustand der einzelnen Pflanzen. Das ermöglicht neben einer rechtzeitigen Behandlung auch eine kostengünstigere und oftmals ökologisch vorteilhafte: „Wenn etwa der Rüsselkäfer nur zehn Quadratmeter des gesamten Felds befällt, kann der Landwirt die restliche Fläche außer Acht lassen“, schildert Weiskopf. Auf diese Weise werde das Grundwasser weniger belastet. Insbesondere der Gewässerschutz profitiert zudem bereits von der präzisen Vermessung des Feldes: Wegen möglicher Einträge ins Grundwasser entscheidet unter anderem die Hangneigung darüber, wo Pflanzenschutzmittel gespritzt werden dürfen. Bislang sind diese topologischen Daten oft recht ungenau.

Neben einer schnellen Reaktion auf Probleme auf dem Acker ermöglichen digitale Sensoren sogar passgenaue Präventionsmaßnahmen. So erfassen Mikroklimasensoren beispielsweise Bodentemperatur und Bodenfeuchte und können eine Warnung auslösen, wenn die Bedingungen für Infektionskrankheiten günstig sind.

Was ist geeignet und wirtschaftlich?

Der Vergleich der verfügbaren Methoden soll dazu dienen, dass in Zukunft sowohl die funktionalste als auch die wirtschaftlichste Methode identifiziert werden kann. „Wir leiten eine Handlungsempfehlung ab, welche Technologie sich für welches Problem eignet und informieren den Landwirt über die Art und Anzahl der erforderlichen Sensoren und Messungen“, resümiert Fraunhofer-Forscher Norbert Fränzel.

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