Expertise im Maschinenbau ist aber auch gefragt, wenn für die Präzisionslandwirtschaft ein innovativer Landmaschinenbau sowie eine intelligente Mess- und Regelungstechnik gefordert ist (vgl. Land- und Forstwirtschaft). Hinzu kommen Neuentwicklungen im Bereich biobasierter Schmierstoffe sowie beim Einsatz von Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen bei innovativen Verbundwerkstoffen, die angesichts eines wachsenden Bedarfs nachhaltiger Industrie- und Produktionsprozesse ebenfalls zunehmend in den Markt drängen. Auch hier müssen Ingenieure Verfahren und Herstellungsprozesse anpassen sowie Fertigungsverfahren fit für die Serienproduktion machen. Des Weiteren setzt auch die Lebensmittelverarbeitung auf neue Entwicklungen aus dem Maschinenbau. Dies gilt vor allem für Automatisierungsprozesse sowie robotergestützte Verfahren und Anlagen. Der Maschinenbau zählt damit innerhalb der Bioökonomie zu den Branchen, die über viele Quervernetzungen in unterschiedlichste Wirtschaftssektoren verfügen und mit Blick auf die eingesetzten technischen Geräte viele unterschiedliche Anforderungen zu bewältigen haben.

Viel Erfahrung mit der Verwendung von natürlichen Ressourcen gibt es beim Bau von Fermentern, wie sie in der industriellen Biotechnologie zum Einsatz kommen. In diesen Stahlkesseln – auch Bioreaktoren genannt – stellen biologische Produktionshelfer wie Mikroben und Zellen große Mengen von so unterschiedlichen Produkten wie biobasierten Chemikalien über Arzneimittel bis hin zu Nahrungsmittelzusätzen oder  Kosmetikinhaltsstoffen her. Neue Erkenntnisse in der Bioverfahrenstechnik liefern hier die Basis, um besonders effiziente Anlagen zu konstruieren, die sich beispielweise durch einen geringen Energiebedarf oder einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen. Hinzu kommen spezielle Anforderungen, die sich durch neue Produktionsstämme oder neue Produzenten wie Algen ergeben. Letztere können zum Beispiel nur dann die gewünschten Inhaltsstoffe liefern, wenn sie mit ausreichend Licht versorgt werden – mit Unterstützung des BMEL werden diese Photobioreaktoren derzeit für ihren Einsatz in der Industrie optimiert.

Herausforderung Mess- und Regelungstechnik

 Die größten Herausforderungen bei Fermentern liegen aktuell bei der kontinuierlichen Überwachung der biobasierten Produktionsprozesse sowie beim aufwändigen Aufreinigungsprozess am Ende der Prozesskette. Nicht zuletzt mit Blick auf die Kosten ist die Anwenderindustrie daran interessiert, den Ressourcenverbrauch so gering wie möglich zu halten. Mit Fragen wie diesen beschäftigt sich zum Beispiel eine vom BMBF geförderte Allianz für wissensbasierte Prozessintelligenz, die von der Sartorius Lab Instruments GmbH & Co. KG in Göttingen koordiniert wird, um eine neuartige Sensor- und Software-Plattform aufzubauen. (vgl. Pharma). Auf ganz neuartige Konzepte der biotechnologischen Produktionsweise, die über die heute üblichen fermentativen oder biokatalytischen Verfahren weit hinausgehen, fokussiert der Strategieprozess Biotechnologie 2020+, den das BMBF gemeinsam mit den außeruniversitären Forschungsorganisationen und Hochschulen im Jahr 2010 ins Leben gerufen hat. Inzwischen wurden auf Basis einer Roadmap, die wesentliche Entwicklungs- und Forschungsmeilensteine benennt, zahlreiche Forschungsprojekte gestartet, die vom BMBF mit insgesamt 60 Mio. Euro gefördert werden. Neben den fünf Großprojekten der Forschungsorganisationen arbeiten Hochschulforscher aus ganz Deutschland in 35 Verbünden an unterschiedlichen Ideen für eine biobasierte Produktion der Zukunft. Sie reichen von der Biobrennstoffzelle über lichtgesteuerte Biokatalysatoren bis hin zur künstlichen Photosynthese oder zu mikrosystemtechnischen Ansätzen, die Metallnanopartikel für die Herstellung innovativer Werkstoffe nutzen wollen. Das Leitprinzip aller Projekte ist dabei eine enge Zusammenarbeit von Biologen und Ingenieuren.

Expertise von Bio- und Ingenieurwissenschaften ist auch im Bioenergiesektor gefragt, vor allem wenn es um Effizienzsteigerungen beim Biogas-Anlagenbau geht. Ein Schlüssel zum rentablen Betrieb besteht hier darin, möglichst viel Energie aus möglichst wenig Biomasse herauszuholen (vgl. Energie). Grade in der Verfahrens- und Prozesstechnik gibt es nach Ansicht von Experten noch viel Potential für Verbesserungen, besonders wenn es um die Verzahnung der einzelnen Schritte geht. Darüber hinaus ist auch hier die Weiterentwicklung von Mess- und Steuertechnik von hoher Bedeutung, um den Gärprozess zu optimieren. Eine technisch große Herausforderung ist mit Blick auf die eingesetzten Motoren in den angekoppelten Blockheizkraftwerken zu bewältigen, sobald diese nicht nur im Dauer- sondern auch im Intervallbetrieb laufen sollen. Für Motoren ist ein Wechsel von Stillstand auf Volllast technisch äußerst anspruchsvoll. Angesichts einer stagnierenden Nachfrage nach neuen Anlagen haben sich viele Biogasanlagenbauer zudem auf den internationalen Markt fokussiert. Insbesondere in Italien ist die Nachfrage aufgrund staatlicher Vergünstigungen zuletzt stark gestiegen. Aber auch in Frankreich, Dänemark und mehreren osteuropäischen Ländern sind deutsche Biogasanlagen gefragt.

Mit Blick auf die wachsende Nachfrage von biobasierten Kunststoffen hat sich die Fertigungstechnik den neuen Anforderungen angepasst und zu Weiterentwicklungen bei Formpress- sowie Spritzgussverfahren geführt. Dies gilt etwa für naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe wie Wood-Plastic-Composites . Im Jahr 2012 wurden laut einer Studie der Asta Eder Composite Consulting in Zusammenarbeit mit dem nova-Institut, europaweit 260.000 Tonnen dieser Hybridbauteile hergestellt. Es wird erwartet, dass diese Zahl jährlich um etwa 10% auf 350.000 Tonnen im Jahr 2015 steigt. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund stellt Deutschland in Europa den wichtigsten Markt für solche Produkte dar und kann eine wachsende Zahl an Herstellern vorweisen, die in diesem Markt aktiv sind. Hinzu kommen zahlreiche Forschungseinrichtungen, die sich mit Neuentwicklungen bei Kunststoffen und Holztechnologien beschäftigen.

Entwicklung neuer Verfahren

Eine große Herausforderung bei der Produktion von biobasierten und nicht-biobasierten Komponenten besteht darin, die Teile bei Bedarf mehrdimensional zu formen. Holz und Naturfasern haben gegenüber klassischen mineralischen Füll- oder Verstärkungsstoffen eine geringere Dichte. Dies muss insbesondere bei größeren Bauteilen und im Leichtbau berücksichtigt werden. An solchen und ähnlichen Themen wird etwa am Süddeutschen Kunststoff-Zentrum gearbeitet – eines von vier Kompetenzzentren, die vom BMEL im Rahmen des Biopolymernetzwerkes gefördert werden, um verbesserte Verfahren zur Aufbereitung von biobasierten Kunststoffen zu entwickeln.

Aus der Perspektive der Bioökonomie ist der Maschinenbau aber nicht nur hinsichtlich des Anlagenbaus und der Verfahrenstechnik von Interesse. So profitiert auch die Landwirtschaft vom Ideenreichtum deutscher Ingenieure. In den vergangenen Jahren hat der Präzisionspflanzenanbau stark an Bedeutung gewonnen (vgl. Land-und Forstwirtschaft). Damit sie ihre Vorteile ausspielen kann sind eine Vielzahl einzelner Komponenten vonnöten, die optimal ineinandergreifen müssen. Der Maschinenbau liefert hierfür Innovationen aus der Mess- und Regelungstechnik sowie bei Automatisierungsverfahren, die sowohl Abläufe auf dem Acker als auch im Stall optimieren helfen und damit zur Nachhaltigkeit beitragen (vgl. Land- und Forstwirtschaft). Ein neuer Entwicklungstrend im Landmaschinenbau geht in Richtung Feldroboter, die künftig vor allem bei schweren und eintönigen Arbeiten eingesetzt werden könnten, wo eine präzise Arbeit über einen langen Zeitraum nötig ist – etwa beim Düngen oder Säen. Vielversprechende Ansätze gibt es aber auch im Obst- und Gemüsebau, wo Roboter bewässern und ernten könnten. Selbst empfindliche Früchte wie Erdbeeren können inzwischen von Roboterhand gepflückt werden. Zudem sind Sensoren in der Lage, reife von unreifen Früchten zu unterscheiden – ein entscheidender Vorteil gegenüber menschlichen Erntehelfern, da derzeit gerade bei der Erdbeerernte viele Früchte verloren gehen, weil der richtige Erntezeitpunkt verpasst wird. Experten rechnen jedoch damit, dass noch einige Zeit vergehen wird, bis derartige Helfer auf deutschen Äckern großflächig aktiv sind. Noch scheuen viele Höfe die hohen Anschaffungskosten. Größer ist schon jetzt die Nachfrage nach automatisierten Prozessen in der Viehzucht – etwa in Form von Melkrobotern oder bei der Fütterung der Tiere. Denn sie helfen vor allem bei großen Anlagen, die eingesetzten Ressourcen effizienter zu kontrollieren und leisten damit einen Beitrag für mehr Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft (vgl. Landwirtschaft).

Das Gewächshaus der Zukunft

Doch nicht nur auf dem freien Feld oder im Stall auch im Gewächshaus arbeiten Maschinenbauer an einer nachhaltigen Agrarproduktion – etwa beim Bau von Gewächshäusern. Am Forschungszentrum Jülich wurden beispielsweise Gläser mit diffuser Lichttransmission entwickelt. Das bedeutet, dass das Glas jeden einfallenden Lichtstrahl in eine andere Richtung lenkt. Das hat den Vorteil, dass alle Blätter einer Pflanze gleichmäßiger Licht bekommen, als es bei normalen Gläsern der Fall wäre. Gerade bei rankenden oder hochwachsenden Pflanzen wie Tomaten oder Gurken liegen die Blätter der unteren Stockwerke teilweise im Schatten der darüber wachsenden. Bei diffusem Lichteinfall lassen sich in solchen Fällen bei gleichem Energieeintrag Ertragssteigerungen von bis zu 6% erzielen. Durch die Verwendung von eisenarmem Solarglas mit beidseitiger Antireflexbeschichtung erreichen moderne Treibhäuser eine besonders hohe Lichtdurchlässigkeit. Fast das gesamte von den Pflanzen für die Photosynthese nutzbare Licht erreicht auch tatsächlich die Blätter, so dass die Lichtbedingungen im Gewächshaus denen im Freiland sehr ähnlich sind. Das härtet jene Pflanzen, die später ins Freiland umgesetzt werden, bereits unter Glas ab und vermeidet Verluste durch UV-bedingte Verbrennungen. Eine erhöhte Lichtdurchlässigkeit erhöht jedoch nicht nur den Ertrag – bei einigen Pflanzen sorgt gerade die erhöhte UV-Transparenz für die verstärkte Bildung von Geschmacksstoffen.

Auf Expertise von Ingenieuren ist auch die Lebensmittelverarbeitung angewiesen, um ihre Herstellungsverfahren ressourceneffizient und nachhaltig zu gestalten. Nachgefragt werden zum Beispiel intelligente Automatisierungsprozesse. Hier bietet die Robotik einen Ansatz. Am Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik wird zum Beispiel intensiv daran geforscht, flexibel einsetzbare, hygienische Greiftechniken zu entwickeln. Ebenfalls von großer Bedeutung ist die Prozessanalytik in diesem Feld. Sie erfasst und bestimmt die Qualität der hergestellten Produkte sowie der zugelieferten Waren und stellt die Systematik zur Prozessverfolgung und -regelung, Datenanalyse und Simulation von Prozessvorgängen bereit – von der Bestimmung der Inhaltsstoffe, dem Erfassen physikalischer und funktioneller Eigenschaften, über das Tracking und Tracing von Lebensmitteln, bis zur Produktbewertung des Verbrauchers.