Liebe Kollegen, Freunde und Partner des BioSC,
wir blicken auf ein ereignisreiches und erfolgreiches Jahr 2016 zurück.
Mehr als dreißig interdisziplinäre und integrative BioSC-Forschungsprojekte befanden sich in 2016 in der Umsetzung, aus denen u.a. Publikationen, Tagungsbeiträge und Beteiligungen an weiteren Projektinitiativen hervorgingen. Die Forschungsprojekte umfassten dabei Themen wie die Optimierung und Charakterisierung der Produktionsbedingungen von Biomassepflanzen und deren Potenzial für die stoffliche und energetische Nutzung, die Entwicklung von Verfahren zum Nährstoff-Recycling (z.B. Phosphat) oder zur Gewinnung hochwertiger sekundärer Metabolite aus pflanzlichen Restbiomassen (z.B. Tomaten, Raps), die Entwicklung neuer mikrobieller und bio-chemokatalytischer Produktionsplattformen und Verfahren zur Herstellung hochwertiger Chemikalien, die Entwicklung von Peptiden und bi-funktionellen Nanogelen für ressourcenschonende Pflanzenproduktion und Pflanzenschutz bis hin zur Analyse globaler Szenarien von Biomasseströmen und technologischer Innovationen in der Bioökonomie – um eine Auswahl zu nennen. Im November 2016 wurde das BioSC erstmals öffentlich in seiner thematischen Breite im 1. BioSC Symposium „Towards an Integrated Bioeconomy“ in Köln vorgestellt und Forschungsergebnisse mit eingeladenen externen Experten und Teilnehmern aus dem In- und Ausland ausgetauscht und diskutiert. Die Resonanz war sehr positiv. Das 2. BioSC Symposium wird am 27. November 2017 wieder in Köln stattfinden.
Für Doktoranden gab es im September den ersten NRW-weiten Doktorandentag „Zukunft Bioökonomie“, der vom BioSC gemeinsam mit Graduiertenschulen in NRW organisiert wurde. Im Mittelpunkt standen der interdisziplinäre Austausch der über 60 Doktoranden aus verschiedenen Themenfeldern der Bioökonomie und Erfahrungsberichte zum Technologie-Transfer in Spin-Offs. Im Oktober fand dann die Internationale Summer School „From Plant to Product“ mit Doktoranden aus dem BioSC und aus neun verschiedenen Ländern statt. Am 23. November 3016 folgte im Rahmen des 3. BioSC-Forums der PhD Training Day für ausgewählte BioSC-Doktoranden. BioSC Lectures und Dialogveranstaltungen für die breite Öffentlichkeit zu aktuellen, bioökonomierelevanten Themen rundeten die Aktivitäten zu Ausbildung und Dialog mit der Gesellschaft in 2016 ab.
Die strategische und inhaltliche Weiterentwicklung des BioSC wurde auch im Jahr 2016 weitergeführt. In einem internen Strategieprozess, an dem sich viele Core Groups aktiv beteiligt haben, wurde ein Konzept für die kommenden Jahre entwickelt und positiv durch ein externes Expertengremium evaluiert. Drei Fokusthemenfelder „Smart management for plant performance“, „Integrated biorefineries for sustainable processes and products“ und „Modular biotransformations for high value chemicals“ sowie eine Kompetenzplattform „Economy, strategies and concepts“ setzen zukünftig den inhaltlichen Rahmen für die multidisziplinäre Forschung und weitere Entwicklung. Die inhaltliche Fokussierung wird insbesondere durch Einrichtung von multidisziplinären FocusLabs vorangetrieben. Aus einem ersten Wettbewerb zu FocusLabs wurden mit Hilfe externer Gutachter drei FocusLab-Projekte zur Förderung ausgewählt. Sie starten im ersten Halbjahr 2017 und werden mit jeweils ca. 2,4 Mio. Euro gefördert. Die ausgewählten FocusLab-Projekte sind
Kurzprofile der FocusLabs finden Sie in diesem Newsletter. Die nächste FocusLab-Ausschreibung ist in Vorbereitung, der Start ist für die zweite Februarwoche (KW6) geplant.
Weitere bekannte und neue Instrumente werden auch in der zweiten Förderphase des NRW-Strategieprojekts BioSC die Zusammenarbeit in der integrierten Bioökonomie gestalten. Hierzu gehören z.B. BioSC-interne Maßnahmen wie Wettbewerbe zu SEED FUND-Projekten, Gastwissenschaftleraufenthalte, White Paper-Studien sowie Aktivitäten zu bioökonomierelevanten Themen mit Akademia und Industrie, wie Sommerschulen, BioSC Lectures, Workshops und Symposien etc., die sich an BioSC-Mitglieder sowie externe Partner und Stakeholder richten. Die inhaltliche Ausgestaltung der geplanten Aktivitäten und Maßnahmen soll auch in der zweiten Förderphase wesentlich mit aktiver Beteiligung und Mitgestaltung durch die BioSC-Core Groups erfolgen. Die BioSC-Geschäftsstelle wird in den nächsten Wochen weitere Informationen und Erläuterungen an alle Core Groups verteilen.
Wissenschaftliche Qualität und persönliches Engagement der BioSC-Core Groups sowie die gute Zusammenarbeit mit unseren nationalen und internationalen Partnern waren die Grundlage der erfolgreichen Weiterentwicklung des BioSC als Kompetenzzentrum für nachhaltige Bioökonomie auch im Jahr 2016. Wir bedanken uns für die gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit in 2016 und freuen uns auf deren Fortsetzung im Jahr 2017.
Ihre Heike Slusarczyk und das Team der BioSC-Geschäftsstelle
Am 21. November 2016 fand das erste vom Bioeconomy Science Center (BioSC) organisierte öffentliche Symposium unter dem Thema „Towards an Integrated Bioeconomy“ im Maternushaus in Köln statt. Rund 170 Wissenschaftler aus unterschiedlichen Fachbereichen und Vertreter aus der Industrie diskutierten Perspektiven und Ziele für die Entwicklung einer integrierten und nachhaltigen Bioökonomie unter verschiedenen Gesichtspunkten.
Zu Beginn der Veranstaltung erörterte Frau Prof. Regina Birner (Universität Hohenheim, Mitglied im Bioökonomierat) in ihrem Keynote-Vortrag die Frage, warum eine integrierte Bioökonomie dringend benötigt wird. In einer abschließenden Podiumsdiskussion hatte das Auditorium die Möglichkeit, diese und weitere Fragen zur Implementierung der integrierten Bioökonomie mit internationalen Fachleuten zu diskutieren.
Aktuelle Ergebnisse interdisziplinärer Forschungsprojekte wurden durch Vorträge von internationalen externen Experten und Wissenschaftlern des BioSC in drei Themensessions vorgestellt.
In der Session „Innovations for plant production and resource management“ präsentierte Prof. Georg Groth (HHU Düsseldorf) das BioSC-Projekt „RIPE“, bei dem mittels Nanogel-Containern reifeverzögernde Substanzen auf Früchten freigesetzt werden, um ein vorzeitiges Verderben zu verhindern. Prof. Oliver Ebenhöh (HHU Düsseldorf) stellte das BioSC-Projekt „AlgalFertilizer“ vor, das darauf abzielt, mit Hilfe von Mikroalgen Phosphat aus Abwasser zurückzugewinnen und als Dünger einzusetzen. Prof. Dierk Scheel vom IPB Halle präsentierte seine Forschungsarbeiten zur Pathogenresistenz bei Nutzpflanzen. Abschließend stellte Dr. Frank Wolter von der NPZ Innovation GmbH (Halle) die Sicht eines Züchtungsunternehmens auf das Themenfeld dar.
In der zweiten Session „Green value chains – processes and products from biomass“ präsentierte Dr. Holger Klose (RWTH Aachen) das BioSC-Projekt „OrCaCel“, in dem es um die optimale Kombination von Produktion und Analytik mehrjähriger Biomassepflanzen und deren Aufschluss im OrganoCat-Verfahren für den Einsatz in Bioraffinerien ging. Prof. Andreas Pfennig von der Université de Liège analysierte den Land- und Energiebedarf für verschiedene Produkte aus verschiedenen Quellen von Biomasse. Prof. Jörg Sauer vom KIT präsentierte das Projekt „bioliq“, bei dem im Pilotmaßstab synthetische Kraftstoffe aus Biomasse produziert werden. Abgeschlossen wurde die Session wiederum mit einem BioSC Projekt: Dr. Alexandra Wormit (RWTH Aachen) stellte „InducTomE“ vor, die Etablierung einer zusätzlichen Wertschöpfungskette im Gartenbau durch die Gewinnung sekundärer Pflanzenstoffe aus Tomatengrün.
In der dritten Session „Socioeconomic perspectives within a sustainable bioeconomy“ zeigte Prof. Carl Johan Lagerkvist von der Swedish University of Agricultural Sciences in Stockholm am Beispiel von Produkten aus gentechnisch veränderten Nutzpflanzen, aufgrund welcher Kriterien und Rahmenbedingungen Konsumenten ihre Kaufentscheidungen treffen. Prof. Jan Börner (ZEF, Universität Bonn) präsentierte das BioSC-Project „Econ-BioSC“, in dessen Rahmen Szenarien zu globalen Biomasse-Handelsströmen analysiert wurden. Schließlich stellte Dr. Sina Leipold von der Universität Freiburg das Project „Circulus“ vor, das untersucht, wie ein neues Konzept - z.B. Bioökonomie - Eingang findet in den gesellschaftlichen Diskurs und in Entscheidungen in Wirtschaft und Politik.
Ein wichtiger Programmpunkt des Symposiums war die Würdigung des Beitrags des BioSC zur Bereitstellung innovativer Alternativen für endliche Ressourcen sowie zur Ausbildung von inter- und transdisziplinär qualifiziertem wissenschaftlichen Nachwuchs mit der offiziellen Aufnahme in die Leistungsschau KlimaExpo.NRW durch Herrn Dr. Dornbusch.
Das nächste BioSC-Symposium ist für den 27. November 2017 geplant und wird wieder im Maternushaus in Köln stattfinden.
Am 22. und 23. November 2016 fand das 3. BioSC-Forum, die interne Jahrestagung des BioSC, in Köln statt. Rund 140 Wissenschaftler nahmen am 22.11. an der Veranstaltung teil und stellten Ergebnisse und aktuelle Entwicklungen aus BioSC-Projekten vor. Am folgenden Tag wurde wie auch in den Jahren zuvor ein PhD Training Day angeboten.
Elf BioSC-Projekte, die 2016 endeten, wurden am 22. November in Vorträgen präsentiert. Am Vormittag lag der inhaltliche Schwerpunkt auf Basistechnologien für Biomasseabbau und Biokatalyse. Dr. Nick Wierckx (RWTH Aachen) stellte das Projekt „ROXENSE“ vor, in dem ein generalisierbares Konzept zur Steigerung der Ausbeute biokatalytischer Prozesse entwickelt wurde, das auf der Veränderung des intrazellulären Redoxstatus beruht. Dr. Lars Regestein (RWTH Aachen) und Dr. Jan Marienhagen (FZ Jülich) präsentierten das Projekt „MetEvo“, in dem es um die effektive Verstoffwechselung von Kohlenstoff- und Energiequellen aus Biomasse durch Corynebacterium glutamicum ging. Die Optimierung mikrobieller Konsortien für Mischkulturen war Thema des Projektes „MoniCon“, vorgestellt von Christoph Scheeren (RWTH Aachen). Um die Produktion biomasseabbauender Enzyme in Escherichia coli und Bacillus subtilis ging es im Projekt „BioBreak“, das Dr. Andreas Knapp (HHU Düsseldorf) präsentierte. Schließlich stellte Dr. Ines Kiefler (Forschungszentrum Jülich) das Projekt „GLUFACT“ vor, in dem Gluconobacter oxydans-Stämme entwickelt wurden, die eine höhere Biomasseausbeute erzielen und neue, bislang uncharakterisierte Dehydrogenasen für industrielle Anwendungen exprimieren.
In den Vorträgen am Nachmittag stand die Produktion von High value compounds im Vordergrund. Zunächst stellte Prof. Jörg Pietruszka (HHU Düsseldorf) das Projekt „MoRe-Plants“ vor, in dem eine Multienzymkaskade zur mikrobiellen Produktion pflanzlicher Alkaloide entwickelt wurde, die beispielsweise in der Krebstherapie eingesetzt werden. Die effiziente Synthese pharmazeutisch interessanter Lignane mit Hilfe pflanzlicher dirigent proteins, die chemische Reaktionen regio- und stereospezifisch kontrollieren und somit vereinfachen können, war Gegenstand des Projektes „DiPro“, das Dr. Thomas Classen (HHU Düsseldorf) präsentierte. Die erstmalige Entwicklung einer biotechnologischen Syntheseroute für Safrankomponenten gelang in dem Projekt „BioSAF“, das Dr. Anna Joelle Ruff (RWTH Aachen) vorstellte. Daniel F. Sauer präsentierte das Projekt „BioCaPS“, in dem die Synthese des Biokunststoffes Polylactid durch die Entwicklung eines stereospezifischer Biohybridkatalysators optimiert wurde. Das Projekt „NovoSurf“, vorgestellt von Dr. Sylvia Schleker (Universität Bonn), zielte auf die Identifizierung neuer Biosurfactants in Bodenbakterien ab und untersuchte die Eignung bestimmter Biosurfactants zur Bekämpfung von Nematoden. Im Projekt „VariSurf“, das Dr. Stephan Thies (HHU Düsseldorf) präsentierte, wurde die Produktion von Biosurfactants mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen etabliert und optimiert.
Ergänzend zu den Vorträgen wurden alle 20 laufenden und die elf in 2016 beendeten BioSC-Projekte in zwei Poster-Sessions vorgestellt, in denen die Diskussion und der fachliche Austausch fortgesetzt wurden. Die Resonanz bei den Teilnehmern des 22.11. war insgesamt sehr positiv.
Am 23. November hatten dreizehn ausgewählteDoktoranden aus den BioSC-Core Groups die Möglichkeit, ihre Präsentations- und Kommunikationsfähigkeiten in interdisziplinären Gruppen im Rahmen des Workshops „Make an Impact – Self-Marketing Skills for Academics“ zu trainieren. Der Workshop wurde von der erfahrenen Trainerin Julie Stearns (ImpulsPlus) durchgeführt und wurde von den teilnehmenden Doktoranden als sehr hilfreich für die Weiterentwicklung ihrer Präsentations- und Kommunikationsfähigkeiten, insbesondere in einem stark disziplin-übergreifenden Arbeitsumfeld wie der Bioökonomie, bewertet.
Im Jahr 2017 wird es am 28. November, im Anschluss an das 2. BioSC-Symposium am 27. November, das 4. BioSC-Forum mit anschließendem PhD Training Day am 29.11. im Maternushaus in Köln geben.
Bei der ersten FOCUS FUND-Ausschreibung 2016 wurden drei Projekte ausgewählt. Zwei beziehen sich auf das Fokusthemenfeld „Integrated biorefineries for sustainable production and processing“, eins auf das Fokusthemenfeld „Modular biotransformations for high-value chemicals“. Im ersten Quartal 2017, voraussichtlich in der zweiten Februarwoche, soll die zweite FOCUS FUND-Ausschreibung BioSC-intern veröffentlicht werden.
Im Rahmen einer nachhaltigen Bioökonomie sollen Rohstoffe und Chemikalien vermehrt auf Basis von Biomasse anstelle von Erdöl bereitgestellt werden. Bioraffinerie-Konzepte der ersten Generation zielen dabei auf die Nutzung von Holz oder Feldfrüchten ab. Während die Verfügbarkeit von Holz limitiert ist, steht die stoffliche Nutzung von Feldfrüchten in Konkurrenz zur Nahrungserzeugung. Bioraffineriekonzepte der zweiten Generation zielen dagegen auf die Nutzung von lignocellulosehaltiger Biomasse wie beispielsweise landwirtschaftlichen Restströmen oder mehrjährigen Pflanzen ab. Innerhalb des FocusLabs AP³ soll das Konzept einer neuen Bioraffinerie für die nachhaltige Umsetzung von Biomasse aus mehrjährigen Pflanzen unter Verwendung der OrganoCat-Technologie etabliert und ökonomisch validiert werden.
AP³ vereint weltweit führende Expertise in Pflanzenwissenschaften, technischer Chemie, Verfahrenstechnik sowie Technologie- und Innovationsmanagement. Durch innovative Anbauverfahren sowie Züchtung mit modernsten Geno- und Phänotypisierungsmethoden soll das Potenzial mehrjähriger Pflanzen für Applikationen in der Bioraffinerie erhöht werden. Die technische Umsetzung des OrganoCat-Prozesses soll durch Etablierung geeigneter verfahrenstechnischer Operationen für Downstream und Scale-Up auf einen höheren Technologie-Reifegrad (TRL) gebracht werden. Begleitend wird das AP³-Konzept unter ökonomischen und gesellschaftlichen Gesichtspunkten evaluiert.
Projektleiter: Dr. Holger Klose, Institut für Biologie I, RWTH Aachen University
Herkömmliche Tenside, die häufig als Detergentien oder Emulgatoren Anwendung finden, werden weitgehend aus Erdöl hergestellt und üben wegen ökologischer Toxizität und schwieriger Abbaubarkeit petrochemischer Grundstoffe einen negativen Einfluss auf die Umwelt aus. Biotenside sind hingegen natürliche Produkte mikrobiellen Ursprungs, die sich durch eine gute biologische Abbaubarkeit und Variantenreichtum mit hochspezialisierten Eigenschaften auszeichnen. Im Rahmen des FocusLabs Bio2 soll ein Bioraffinerieprozess für die Herstellung von Rhamnolipiden (RLs) und Mannosylerythritol Lipiden (MELs) im Sinne einer nachhaltigen Bioökonomie entwickelt werden.
Eine wirtschaftliche Produktion von Biotensiden im industriellen Maßstab ist bislang durch hohe Rohstoffkosten, aufwändige Herstellungsprozesse und geringe Produktivität stark eingeschränkt. Die Interdisziplinarität der beteiligten Arbeitsgruppen sowie das modulare Konzept der Bioraffinerie Forschungsinfrastruktur im neuen NGP2-Gebäude der RWTH Aachen University stellen eine gute Basis dar, um einen innovativen und konkurrenzfähigen Gesamt-Prozess zu entwickeln. Inhalt des Projektes sind die rekombinante Stammoptimierung, die verbesserte Verwertung nachwachsender Rohstoffe, fortgeschrittene Fermentationskonzepte und Prozesskontrollstrategien, integrierte Downstream-Processing-Technologien, Rezyklierung von Biomasse, Nährstoffen und Prozesswasser und neu entwickelte analytische Methoden zur nachhaltigen Produktion von Biotensiden der nächsten Generation.
Projektleiter: Dr. Lars Regestein, AVT - Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik, RWTH Aachen University
Das FocusLab „CombiCom“ verfolgt das Ziel, mithilfe der Synthetischen Biologie eine nachhaltige Produktion von neuen, wertvollen Naturstoffen zu ermöglichen. Unter den Naturstoffen stellen die sogenannten Sekundärmetabolite eine vielversprechende Quelle für bioaktive Substanzen dar. Sie können als chemische Grundstrukturen für die Entwicklung neuer Agrochemikalien und Pharmazeutika dienen, die dringend benötigt werden, um in Zeiten zunehmender Resistenzentwicklungen z.B. neue Pflanzenschutzmittel oder Antibiotika bereitzustellen. Im FocusLab „CombiCom“ werden mit neuen molekularbiologischen Methoden bekannte und neue Naturstoffe produziert sowie deren Wirksamkeit für den Pflanzenschutz und für pharmazeutische Anwendungen evaluiert. Parallel zu diesen biologischen Forschungsansätzen werden die Akzeptanz für Produkte aus synthetisch-biologischen Verfahren in der Bevölkerung analysiert und Strategien zu deren Markteinführung entwickelt.
CombiCom verfolgt also einen integrativen und zugleich interdisziplinären Ansatz, der die Kompetenzen von Experten aus Biologie, Chemie, Ingenieur- und Gesellschaftswissenschaften vereint. So soll langfristig ein Paradigmenwechsel in der chemischen Industrie erreicht werden, indem klassisch chemische Synthesen durch nachhaltige mikrobielle Bioproduktion ergänzt oder sogar ersetzt werden.
Projektleiterin: Dr. Anita Loeschcke, Institut für Molekulare Enzymtechnologie (IMET), Heinrich Heine-Universität Düsseldorf
Vom 24.10. - 28.10.2016 fand im Forschungszentrum Jülich eine internationale und interdisziplinäre BioSC Summer School statt. Sie wurde in Zusammenarbeit mit der Universität von Costa Rica (UCR) und der Nationalen Universität von Costa Rica (UNA) ausgerichtet. Zwanzig Studierende aus neun verschiedenen Nationen lernten viele verschiedene Aspekte, die für die Entwicklung einer nachhaltigen Bioökonomie relevant sind.
Die meisten Vorträge wurden entweder von BioSC-Mitgliedern oder von Professoren aus Costa Rica gehalten und deckten verschiedene Forschungsthemen entlang der gesamten Wertschöpfungskette ab:
• Nutzung natürlicher Ressourcen und Management in der Pflanzenproduktion
• Effiziente Biomasseumwandlungssysteme
• Tropische Pflanzen mit Potenzial für Lebensmittel, Futtermittel und Biomasse
• Umweltaspekte von Produkten und Lieferketten
• Nachhaltige Entwicklung einer biobasierte Wirtschaft
Auf besondere Begeisterung stieß der Vortrag Prof. Dr. Regina Birner vom Deutschen Bioökonomierat "Grüne Wertschöpfungsketten für eine nachhaltige Bioökonomie: Der Fall eines kohlenstoffneutralen Kaffees aus Costa Rica".
Im Rahmen der Summer School wurden mehrere Exkursionen sowohl in die Industrie als auch zu Forschungsinfrastrukturen an den verschiedenen BioSC-Standorten durchgeführt. Bei dem Zuckerproduzenten Pfeifer & Langen lernten die Studierenden das neueste innovative Produkt des Unternehmens kennen, das noch nicht in den Markt eingeführt wurde. Darüber hinaus gab es eine Führung durch das kürzlich erbaute Technikum, das für alle sehr beeindruckend war.
Ihre neuen Kenntnisse wandten die Teilnehmer direkt in einer Fallstudie an, die sich auf "Valorisierung von kaffeeverarbeitenden Nebenprodukten" bzw. "Chemische und biologische Bekämpfung von Schädlingen" bezog. Alle Gruppen waren multidisziplinär besetzt und führten zu sehr spannenden und innovativen Ansätzen.
Ziel dieser Summer School war es, junge motivierte Forscherinnen und Forscher zu bioökonomisch relevanten Themen auszubilden und ihr Bewusstsein für innovative Ansätze zu schärfen. Darüber hinaus wurden Synergien zwischen Deutschland und Costa Rica für die Etablierung einer wissensbasierten Bioökonomie geschaffen.
Insgesamt waren die Teilnehmer hochmotiviert und werden hoffentlich künftig dazu beitragen, Lösungen für die großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, wie Ernährungssicherheit, nachhaltige Ressourcennutzung oder Klimawandel, zu finden.
Die neue BioSC-Veranstaltungsreihe „Spotlight“ ist erfolgreich am 01.02.2017 in Aachen gestartet. Über 75 Teilnehmer waren aus Deutschland, den Niederlanden, Belgien, Dänemark und Nordirland angereist, um sich über die neuesten Entwicklungen im Themenfeld „Enzymes and processes for biomass degradation“ zu informieren und auszutauschen. Es wurden acht Fachvorträge von Wissenschaftlern aus Akademia und Industrie gehalten.
Die Veranstaltung wurde von Prof. Ulrich Schurr, Sprecher des Kompetenzzentrums Bioeconomy Science Center, eröffnet. In der ersten Session „Integrated Biorefinery Concepts“ wurden verschiedene Ansätze für Bioraffinerien präsentiert. Dr. Wolfgang Aehle von der BRAIN AG stellte vor, wie eine Bioraffinerie basierend auf Speisefettabfällen als Ausgangsstoff aufgebaut werden kann. Im Gegensatz dazu basiert der Ansatz des BioSC-Projekts OrCaCel, der von Dr. Philipp Grande (RWTH Aachen) präsentiert wurde, auf der Verwendung von Biomasse mehrjähriger Pflanzen. Abgerundet wurde die erste Session durch einen Vortrag der BioSC-Mitglieder Dr. Nico Anders und Dr. Jörn Viell, beide RWTH Aachen, über die Herausforderungen der Vorbehandlung und Hydrolyse von Biomasse.
Nach dem Mittagessen, bei dem bereits ein intensiver Austausch der Teilnehmer stattfand, lag der Fokus der zweiten Session auf „Biomass Digestion and Conversion“. Hierzu präsentierten Dr. Kirk Schnorr von Novozymes A/S und Dr. Andreas Knapp von der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf, Leiter des BioSC-Projekts BioBreak, ihre neuesten Enzym-Entwicklungen. Des Weiteren stellte Dr. Stefan Friebel vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung die Herstellung von Klebstoffen aus Lignin als vielversprechenden Ansatz für eine zusätzliche Wertschöpfung aus pflanzlicher Biomasse vor.
In der dritten Session „Molecular Transformation of Biomolecules“ wurden integrative Ansätze für die Verwertung von Restströmen vorgestellt. Für die Gewinnung von Milchsäure zur Herstellung des Biokunststoffs Polylactid verwendet Dr. Joachim Venus vom ATB Potsdam verschiedene Restströme, wie z.B. die Pulpe von Kaffeebohnen oder Tierabfälle von Schlachthöfen. Dr. Kerstin Schipper von der Heinrich-Heine Universität stellte das BioSC-Projekt PectiLyse vor, in dem erprobt wird, wie Itakonsäure aus Pektin-reichen Seitenströmen der Zuckerrüben-Industrie gewonnen werden kann. Beide Ansätze zeigten eindrucksvoll, welche Möglichkeiten in der Verwertung von Restströmen liegen.
Die Vorträge und die sich daran anschließenden Fragen und Diskussionen der Wissenschaftler zeigten das hohe Potential, das durch innovative und disziplinenübergreifende Ansätze erschlossen werden kann. Aufgrund der regen Beteiligung aus der Industrie wurde auch die wirtschaftlich rentable Umsetzbarkeit der verschiedenen Ansätze diskutiert.
Ziel der neuen Veranstaltungsreihe BioSC Spotlight ist es, die neuesten Entwicklungen in den für die Implementierung einer nachhaltigen Bioökonomie zentralen Themenfeldern vorzustellen. Dies ist mit der Auftaktveranstaltung zum Thema „Enzymes and Processes for Biomass Degradation“ erfolgreich gelungen. Den thematischen Fokus des nächsten BioSC Spotlight erfahren sie rechtzeitig auf unserer Webseite.
Programm: BioSC Spotlight "Enzymes and processes for biomass degradation"
OrCaCel - OrganoCat plant and pulping combinations for the full valorization of lignocellulose from marginal land grown perennial plants
P. M. Grande* 1, H. Klose 2, T. Damm 2, N.D. Jablonowski 3, B. Usadel 2,3, U. Schurr 3, W. Leitner 1,4
1RWTH Aachen University, Institute for Technical and Macromolecular Chemistry ITMC, Aachen, Germany
2RWTH Aachen University, Institute of Botany and Molecular Genetics IBMG, Aachen, Germany
3Forschungszentrum Jülich, Institute of Bio- and Geosciences, IBG-2: Plant Sciences, Jülich, Germany
4 Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Germany
*corresponding author: Grande@itmc.rwth-aachen.de
The full valorization of lignocellulose residues is a crucial step to obtain ecological and economic figures in future biorefineries. The recently developed OrganoCat technology is a promising alternative to deliver non-degraded fractions of the three main carbon components of lignocellulose. The OrCaCel project aims to combine plant science with analytics and chemical engineering to adapt the OrganoCat process for different types of plant biomass that is obtained from perennial plants growing in low-input production to minimize environmental footprint.
Within BioSC boost fund project OrCaCel different biomass fractions are produced in low input production systems and analyzed, emphasizing a further use with strong industrial application options. Data generated by characterizing the OrganoCat product streams are be correlated with those provided by the analysis and characterization of the original biomass, to create new conversion chains for biomass determined for defined chemicals and energy storage.
As one example Sida hermaphrodita (Sida), a perennial plant from the Malvaceae family, was investigated. Sida can be cultivated on marginal lands and is able to produce high amounts of biomass. Covering one year growth period a harvest time best suited for the OrganoCat processing was identified. The OrganoCat technology was adapted to Sida feedstock by knowing the composition of the main components (e.g. dominating carbohydrates, pentose-hexose ratio and ratio of three main lignocellulose components). This combination of expertize allowed for a direct comparison of different perennial plants connecting fractionation performance to cell wall composition and plant science.
Towards a Waste Stream Based Biorefinery
Dr. Wolfgang Aehle (wa@brain-biotech.de), BRAIN AG, Zwingenberg (DE)
The establishment of a bio-based economy is faced with various challenges. First, there is discussion about the use of agricultural feed-stocks for the production of industrial ingredients. Second, industrial production requires raw materials of constant quality and predictive pricing, ideally independent from seasonal fluctuations.
On the customer side, industry is faced with a reduced complexity of refinery derived chemical compounds, which makes it difficult to cope with the increasing demand for problem specific solutions. These solutions require tailor made products based on a diverse mix of chemical base materials, which is diminished by a fuel focuses chemical industry. This lack of chemical diversity in raw materials opens an opportunity for bio-based processes due to the availability of a broad range of biological raw materials.
The Innovation Alliance program ZeroCarb FP, which is supported by the German Federal Ministry of Research and Education (BMBF), is used to exemplify an approach for the realization of bio-refinery concepts. The alliance brings together a number of miscellaneous industries that seek solutions from the bio-economy for a wide variety of applications.
The presentation demonstrates that it is possible to combine the needs of diverse industries into one bio-refinery concept in order to supply industry with a diversified product portfolio based on biological waste streams converting existing infrastructure into an integrated bio-based production unit.
Integrated challenge of pretreatment and hydrolysis of biomass
Dr. Jörn Viell and Dr. Nico Anders, RWTH Aachen
Enzymatic hydrolysis of cellulose in a biorefinery process usually requires a pretreatment of the biomass. The efficiency of these two process steps is an integrated problem demanding for precise monitoring of the changes induced by pretreatment. They are addressed in literature using several parameters because the hydrolysis itself is not sufficient to differentiate between the effect of structure and inhibitors released during the pretreatment.
In this contribution, various pretreatments are characterized by several analytical techniques. Spectroscopy reveals the changes in the ultrastructure of the biomass. The mesoscale of cellulose fibrils can be very well resolved by small-angle neutron scattering and X-ray diffraction. Moreover, recent result from Raman spectroscopy are promising to obtain structural and quantitative information fast and with cheaper instruments.
In addition, HPAEC-PAD allows for the simultaneous identification and quantification of degradation products derived from all natural polymers located in the plant cell wall. The limit of detection of all compounds is in the mg/L scale allows for a quantification of hydrolysis and fermentation inhibitors simultaneously with the high sugar concentrations.
Our findings show that both methods in combination allow for an evaluation of structural changes in the biomass during the pretreatment process as well as the quantification of soluble degradation products which can inhibit the further downstream processing.
Lignin-sourced polyurethane adhesives
Dr. Stefan Friebel, Fraunhofer Institute for Wood Research, Braunschweig
Industrially produced lignins are by-products of the pulp and paper industry. Currently the kraft process is the dominating technology (80 %) followed by the sulfate process that makes 6 % of the total pulp and paper production. However, 90 % of the material application comes from the latter technology. In this presentation, possibilities of utilizing kraft lignin for adhesive applications are shown. Modification with ε-caprolactone to create hydroxyl groups, which are more available for further reactions will be discussed as well as polyurethane dispersions for adhesives made therefrom. Lignin derivatization with polyols for waterborne 2K-PU-adhesives and conventional 2K-PU-adhesives may provide additional options for value-added products. The obtained products were analyzed by size exclusion chromatography (SEC). The analytical data are presented as a function of reaction time and conclusions to crosslinking reactions were made. The practical application prospects are demonstrated by standard tests that were applied to several test samples.
Enzymes for biomass breakdown
Dr. Andreas Knapp, Heinrich-Heine University Düsseldorf
Plant biomass is regarded as the most important source of renewable raw material for the bioeconomic production of energy, fuels and chemicals. To date, the biotechnological utilization of plant biomass combines physical, chemical, and biocatalytic processes; however, substantial costs still prevent a thorough replacement of oil-based feedstocks. Here, a significant cost factor is the production of enzymes for plant biomass breakdown. Therefore, the BioBreak project aims to evaluate two well-known bacterial expression strains, namely Escherichia coli and Bacillus subtilis, for the production of biomass-degrading enzymes to establish additional expression systems besides existing fungal hosts. The biotechnological optimization of both organisms is supported by process engineering approaches.
Novel enzymes in an industrially relevant context: the tale of two xylanases and other stories.
Kirk Schnorr, Novozymes A/S
Novozymes is a world leader in bioinnovation. We believe that by using industrial biotechnology, we can potentially re-engineer thousands of everyday products to deliver enhanced and sustainable performance, while introducing energy cost savings, as well as decreased raw material costs for our customers. Our never-ending exploration of nature’s potential is evidenced by over 6,000 patents – an indication of what is possible when nature and technology join forces in biotechnology.
The definition of novelty for enzymes, to be relevant in an industrial context, is often is associated with how the enzymes are used in applications and not necessarily a novel enzyme activity. Two cases will be shown where two enzyme families, working on the same substrate, xylan, have been used to improve two separate industrial processes. The two examples, for the paper pulp industry and the baking industry illustrate how mastery of the process is vital to understanding the requirements for a successful plug in enzyme solution. Xylan is found in several forms and the cases illustrate how in depth knowledge of the decorations on the xylan can help to match an enzyme able to degrade it. Knowledge gained on substrate requirements can also be used to fine tune the enzyme to further enhance its application relevant properties, as will be shown in one of the examples. In order to establish a novel enzyme in an existing or emerging industry, some hurdles can be encountered and overcome. Two novel cellulase enzymes, identified at Novozymes will therefore be discussed.
Bioconversion of renewable feedstocks and (agri/food) residues into bio-based products
Joachim Venus, Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB), Max-Eyth-Allee 100, D-14469 Potsdam; e-mail: jvenus@atb-potsdam.de
Besides increasingly important issues with regard to quantity and availability of raw materials together with their properties and quality the feedstock costs are very important for the production of bulk chemicals. Especially for biotechnological processes, in which the carbon of various substrates should be converted into microbial products, there is an increasing interest in the use of cheap raw materials, biogenic residues and wastes.
Renewable feedstocks (crops, lignocellulosics, green biomass, residues etc.) are already being used as raw materials for the production of bio-based products like lactic acid. The goal is to develop a fermentation process based on the substitution of expensive nutrient supplements by cheaper materials from biomass due to their main proportion of the whole process costs.
However, these feedstocks cannot be used normally for fermentation directly because the fermentable sugars are bound in the structure especially as cellulose and hemicellulose. They have to undergo a pre-treatment to release these sugar components. Possible disturbing impurities and inhibitors (e.g. phenolic components from lignocellulosics, heavy metals in municipal waste or recycled paper), difficult to use components (e.g. pentoses) and partly fluctuating or relatively low concentrations of bio-available carbon sources in these materials should be considered.
Activation of intrinsic enzymes for degradation of plant biomass side-streams (PectiLyse)
Dr. Kerstin Schipper, Heinrich-Heine University Düsseldorf
Plant-pathogenic fungi are promising candidates for biomass valorization, because they contain a vast repertoire of hydrolytic enzymes to sustain their lifestyle. However, expression of the corresponding genes is usually tightly regulated and mostly restricted to the pathogenic phase. Here, we engineer the biotrophic smut fungus Ustilago maydis for the degradation of pectin-rich side streams from a sugar beet plant. This fungal model organism is equipped with a potent set of hydrolytic enzymes, and moreover, it naturally produces value-added substances such as organic acids and biosurfactants. To achieve the deregulated expression of relevant intrinsic enzymes during the industrially relevant yeast-like growth in axenic culture, the native promoters of the respective genes are replaced by constitutively active synthetic promoters. In parallel, the hydrolytic repertoire is extended by supplementation with potent heterologous enzymes for the degradation of pectin. This already led to an enhanced conversion of biomass components like xylan, cellobiose, polygalacturonic acid and pectin to fermentable sugars. In parallel, unique online monitoring tools were developed to follow growth on complex substrates. To enable a one-pot process, we established the constitutive production of itaconic acid independent of the strain background. Combining these strategies will enable a consolidated bioprocess in which biomass is converted into itaconic acid.
Nach einem Konferenzbeitrag zum BioSC Projekt P-ENG mit dem Titel “Emerging value chains within the bio-economy: structural changes in the case of phosphate recovery” wurde das Paper von der European Sustainable Phosphorus Platform (ESPP) zur Veröffentlichung in deren Newsletter ausgewählt und erlangt somit Aufmerksamkeit im Expertenkreis der Europäischen Phosphor-Forschung.
Das Projekt P-ENG (Efficient phosphate recovery from agro waste streams by enzyme, strain, and process engineering) erlangt öffentliche Aufmerksamkeit durch ein Konferenz Paper der Bonner Projektpartner, die von ersten Ergebnissen im Bereich der ökonomischen Bewertung und der Analyse möglicher Wertschöpfungsketten berichten.
Die Veröffentlichung mit dem Titel “Emerging value chains within the bio-economy: structural changes in the case of phosphate recovery” wurde beim “149th Seminar of the European Association of Agricultural Economists” in Rennes, Frankreich, im Oktober 2016 vorgestellt.
Nach dem Konferenzbeitrag wurde das Paper von der European Sustainable Phosphorus Platform (ESPP) zur Veröffentlichung in deren Newsletter ausgewählt. Darin werden Ergebnisse des BioSC P-ENG Projekts bezüglich sich entwickelnder Wertschöpfungsketten bei der Phosphatrückgewinnung und Erkenntnisse zu innovativen Technologien zur biobasierten Polyphosphat Produktion aus Nebenprodukten der Agrarindustrie erläutert.
Die Veröffentlichung im ESPP Newsletter sorgt für die Sichtbarkeit bei einem breiten Expertenpublikum, da in der ESPP wichtige Akteure, wie Industriepartner, Landesregierungen sowie private und öffentliche Forschungseinrichtungen, vereint sind.
Die Zusammenfassung des Artikels ist unter folgendem Link verfügbar: http://phosphorusplatform.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=1340.
Quelle:
Carraresi, L., Berg, S., Bröring S., (2016). “Emerging value chains within the bio-economy: structural changes in the case of phosphate”. 149th EAAE Seminar ‘Structural change in agri-food chains: new relations between farm sector, food industry and retail sector’, Rennes, France, October 27-28, 2016
6. International Bioeconomy Conference 2017
10.-11.05.2017 in Halle
Veranstalter: Spitzencluster BioEconomy und der WissenschaftsCampus Halle
Nähere Informationen
Biotechnology for a sustainable bioeconomy (ERA CoBioTech, BMBF)
2. März 2017 (Vorlage Ideenskizzen)
Am 01.12.2016 wurde durch das Horizon 2020-Förderprogramm der EU ein kofinanzierter Aufruf für transnationale F&E-Projekte zum Thema „Biotechnology for a sustainable bioeconomy“ (voraussichtliches Gesamtbudget ca. 36,3 Mio. €) gestartet. Das Ziel von CoBioTech ist es, die Synergien im Bereich der biotechnologischen Forschungsförderung in Europa zu vertiefen, den transnationalen Wissens- und Technologietransfers zu intensivieren, Vorteile und Chancen, die sich durch die Bioökonomie für die Gesellschaft bieten, hervorzuheben und die globale Position Europas im Bereich der modernen Biotechnologien zu stärken.
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Small-scale Biorefineries (ERA-NET Cofund FACCE SURPLUS, BMBF)
7. März 2017 (Vorlage Ideenskizzen)
Die vorliegende Bekanntmachung zielt auf eine Verbesserung der Zusammenarbeit im Europäischen Forschungsraum zur nachhaltigen Intensivierung der ernährungs- und nicht ernährungsbezogenen Biomasseproduktion und zu dezentralen Transformationssystemen, insbesondere Small-scale Biorefineries, die aus verschiedenen Rohstoffen vielfältige Produkte fertigen. [...] Im Rahmen von FACCE SURPLUS sollen interdisziplinäre, innovative und multinationale Verbundprojekte gefördert werden.
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Personelle Veränderungen in der Geschäftsstelle
Die Geschäftsstelle hat seit dem Jahreswechsel eine neue Mitarbeiterin, die wir herzlich willkommen heißen. Petra Büschgens hat das Finanzmanagement von Dirk Zander übernommen und ist ab sofort die Hauptansprechpartnerin für Fragen zum finanztechnischen Projektcontrolling im NRW-Strategieprojekt BioSC. Sie ist zu erreichen unter +49 2461 61 9849 oder p.bueschgens@fz-juelich.de. Dirk Zander ist von der BioSC-Geschäftsstelle in die Administration des Forschungszentrums gewechselt, um dort neue Aufgaben und Herausforderungen anzugehen. Wir danken ihm für die sehr gute Arbeit und Zusammenarbeit in der Geschäftsstelle. Beiden wünschen wir viel Freude und Erfolg bei den neuen Aufgaben.
Dr. Heike Slusarczyk
Geschäftsführung und wissenschaftlich-administrative Leitung
Tel.: +49 2461 61 30 03, Fax: +49 2461 61 9882
Email: h.slusarczyk@fz-juelich.de
Dr. Simone Krafft
Wissenschaftlich-administrative Koordination
Tel.: +49 2461 61 63 55, Fax: +49 2461 61 9882
Email: s.krafft@fz-juelich.de
Greta Mittweg
Wissenschaftlich-administrative Koordination Graduiertenausbildung
Tel.: +49 2461 61 65 21, Fax: +49 2461 61 9882
Email: g.mittweg@fz-juelich.de
Petra Büschgens
Finanzmanagement
Tel.: +49 2461 61 98 49, Fax: +49 2461 9882
Email: p.bueschgens@fz-juelich.de
Dr. Heike Baron (Büro RWTH Aachen)
Wissenschaftlich-administrative Koordination
Tel.: +49 241 80-26544
Email: h.baron@fz-juelich.de
Dr. Angela Gubelt (Büro Universität Bonn)
Wissenschaftlich-administrative Koordination
Tel.: +49 228 73-2143
Email: a.gubelt@fz-juelich.de
Dr. Sira Groscurth (Büro Universität Düsseldorf)
Wissenschaftlich-administrative Koordination
Tel.: +49 211 81-11615
Email: s.groscurth@fz-juelich.de
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