Bei der zweiten FOCUS FUND-Ausschreibung im Rahmen des NRW-Strategieprojekts BioSC wurden zwei Projekte ausgewählt. Eins bezieht sich auf das Fokusthemenfeld „Smart management for plant performance“ und eins auf das Fokusthemenfeld „Modular biotransformations for high-value chemicals“. Die ersten drei FocusLabs laufen bereits seit Frühjahr 2017.
Aktuell beruhen industrielle Bioprozesse hauptsächlich auf einem „Ein Substrat - Ein Produkt“-Konzept. Im Gegensatz dazu erfordert die Implementierung einer nachhaltigen Bioökonomie den Aufbau hochvernetzter Wertschöpfungsnetzwerke basierend auf „Multi Substrat – Multi Produkt“-Prozessen in Bioraffinerien. Die Etablierung solcher Prozesse benötigt die enge Integration von mikrobiellen Biotransformationen, enzymatischen Reaktionskaskaden, chemischen Syntheseschritten, Produktaufreinigung und techno-ökonomischen Analysen, nachfolgend als „hybride Prozesse“ bezeichnet. Aufgrund der inhärenten Komplexität, fehlender wissenschaftlicher Grundlagen und technischer Risiken steht die Entwicklung hybrider Prozesse noch am Anfang.
Im FocusLab HyImPAct soll ausgehend von D-Xylose aus Hydrolysaten lignocellulosehaltiger Biomasse ein komplexer hybrider Beispielprozess für die kombinierte Synthese von Bulk-Chemikalien und hochwertigen Substanzen entwickelt werden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Produktion von drei Pharmazeutika ((1R,2R)-1-(3-Hydroxyphenyl)propane-1,2-Diol, Metaraminol und (1S,3S,4R)-1-(2-Bromophenyl)-3-Methyl-1,2,3,4-Tetrahydroisoquinoline-4,6-Diol) sowie deren Vorstufen, den Bulk-Chemikalien Pyruvat, L-Alanin und 1,4-Butandiol. Corynebacterium glutamicum wird hierbei als ein Plattformorganismus dienen und hinsichtlich einer kohlenstoffeffizienten Umsetzung von D-Xylose optimiert werden. Für die Synthese der gewählten Zielprodukte werden Bio- und Chemotransformationsschritte gekoppelt. Zur effizienten Aufreinigung der Vorstufen und Endprodukte werden Methoden zur in-situ Produktabtrennung optimiert.
Alle Arbeiten werden durch technoökonomische Analysen unterstützt, wobei insbesondere die bereits etablierten Produktionsverfahren mit den in HyImPAct entwickelten alternativen Verfahren verglichen werden. Gleichzeitig werden neue Modelle und Werkzeuge für die Planung, Auswertung und Optimierung hybrider Prozesse entwickelt.
Projektleiter: Dr. Stephan Noack, Institut für Bio- und Geowissenschaften 1 (IBG-1), Forschungszentrum Jülich
Ziel des FocusLabs greenRelease ist es, den weltweiten Einsatz von eingesetzten Fungiziden und Herbiziden signifikant zu reduzieren und somit die dadurch entstehenden Beeinträchtigungen für die Umwelt zu minimieren. Die Basis für diesen Ansatz bildet die innovative greenRelease Technologie: Speziell entwickelte Mikrogel-Container (200 nm bis 10 μM) dienen als Behälter, die mit gewünschten Verbindungen, wie z.B. Fungiziden, beladen werden können und aufgrund spezieller Ankerpeptide an der Pflanzenoberfläche (z.B. Blättern oder Früchten) haften. Die Ankerpeptide gewährleisten eine regenfeste Anbindung der Container und sind verträglich für die Pflanzen sowie biologisch abbaubar. Darüber hinaus kann die Freisetzung des jeweiligen Pflanzenschutzmittels entsprechend den Anforderungen reguliert werden. Im Rahmen des FocusLabs wird die greenRelease Technologie an Äpfeln, Kartoffeln, Zuckerrüben und Gerste getestet und der Effekt mit Pflanzen/Früchten verglichen, die mit kommerziellen Formulierungen behandelt wurden.
Das FocusLab greenRelease ist in drei Teilbereiche gegliedert: 1.Technologieweiterentwicklung und Maßstabsvergrößerung, 2. Validierung für die nachhaltige Landwirtschaft durch Fokussierung auf zwei Fungizide und zwei Herbizide und 3. ökonomische Betrachtung durch Zusammentragen der Wissensbasis, des Technologietransfers, der Marktakzeptanz und der Untersuchung von Markteintrittsoptionen für die betrachteten Anwendungsgebiete. Letzteres erfolgt insbesondere durch die Analyse bestehender und die Entwicklung neuer Wertschöpfungsketten, die zu Innovationen führen.
Projektleiter: Dr. Felix Jakob, Institut für Biotechnologie, RWTH Aachen University & DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V.
Biohybridmaterialien sind der Schwerpunkt von Felix Jakobs Forschung. Seine Arbeitsgruppe optimiert Proteine, Enzyme und Peptide, welche für Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften eingesetzt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Herstellung von Funktionstextilien bis zur gezielten Nährstoffversorgung von Nutzpflanzen.
Felix Jakob war schon frühzeitig an angewandter Forschung interessiert. Seine Diplomarbeit mit integriertem Praxissemester fertigte er in der Industrie bei Henkel an, wo er sich hauptsächlich mit Prozessentwicklungen und der fermentativen Herstellung von Waschmittelproteasen beschäftigte. Nach einem Auslandssemester an der Napier University in Edinburgh schloss er 2009 sein Biotechnologie-Studium an der FH Aachen University of Applied Sciences zum Diplom-Ingenieur ab. Anschließend erhielt er die Möglichkeit, an der RWTH Aachen am Lehrstuhl für Biotechnologie bei Prof. Ulrich Schwaneberg zu promovieren. Sein Promotionsprojekt, in dem er Proteasen für ihre Anwendung in Flüssigwaschmitteln maßschneiderte, fand im Rahmen einer vom BMBF geförderten Kooperation mit Henkel statt. Die erzielten Ergebnisse wurden in zwei Patenten geschützt. 2013 promovierte er zum Dr. rer. nat. und erhielt die Möglichkeit, am DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien in Aachen eine Arbeitsgruppe aufzubauen. Der Forschungsfokus der Gruppe liegt auf der Entwicklung und Optimierung von Proteinen, Enzymen und Peptiden, welche für Biohybridmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Funktionalitäten eingesetzt werden. Derzeit arbeiten in seiner Arbeitsgruppe zwei Postdocs, sieben Doktoranden und sowie mehrere Master- und Bachelorstudenten an verschiedenen disziplinübergreifenden Projekten. Darüber hinaus ist Felix Jakob seit 2014 wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der SeSaM-Biotech, einem Spin-Off der Jacobs Universität Bremen, welches Enzyme für industrielle Anwendungen maßschneidert.
Sein Interesse an der Bioökonomie zeigt sich in mehreren Projekten, welche er in den letzten Jahren mitbeantragt und koordiniert hat. Gemeinsam mit Prof. Schwaneberg ist er seit 2013 in der im Rahmen der Nationalen Forschungsstrategie "BioÖkonomie2030" vom BMBF geförderten Innovationsallianz „Funktionalisierung von Polymeren“ aktiv, in welcher unter anderem Ankerpeptide zur Funktionalisierung von Textilien eingesetzt werden. In den vom BioSC geförderten Projekten GreenGel, BiFuProts und RIPE konnte er die entwickelte Ankerpeptid-Technologie erfolgreich für Anwendungen in der Pflanzengesundheit weiterentwickeln. Mit der neuen Technologie lässt sich der Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln gezielt dosieren und damit die Einsatzmengen deutlich minimieren. International vernetzt sich Felix Jakob z.B. durch das Projekt Pro-Planta, einer BMBF-Förderung im Rahmen der Ausschreibung „Bioökonomie International“. In diesem Projekt wird die Ankerpeptid-Technologie verwendet, um Orangenpflanzen in Brasilien auf nachhaltig Weise vor Zitruskrebs zu schützen.
Ab 2018 leitet Felix Jakob das FocusLab „GreenRelease for Plant Health”, bei dem die greenRelease Technologie für ausgewählte Fungizide und Herbizide weiterentwickelt und im Freiland validiert wird. Bei der greenRelease Technologie handelt es sich um maßgeschneiderte Mikrogel-Container (200 nm bis 10 μM), die mit den gewünschten Verbindungen wie z.B. Fungiziden beladen werden können und diese langsam und gezielt freisetzen. Die Anbindung der bioabbaubaren Mikrogel-Container an die Pflanzenoberfläche (Blätter und Früchte) wird durch optimierte Ankerpeptide sichergestellt. Gleichzeitig spielen ökonomische Fragestellungen, wie beispielsweise Marktakzeptanz und Markteintrittsoptionen, eine wichtige Rolle.
Dr. Felix Jakob
DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V.
Forckenbeckstr. 50
D-52056 Aachen
Tel.: 0241 80 23344
E-Mail: f.jakob@biotec.rwth-aachen.de
Die auf systembiologische Methoden gestützte Entwicklung und Optimierung von mikrobiellen Produktionsprozessen ist das übergeordnete Ziel der Forschungsaktivitäten von Stephan Noack. Mithilfe eines besseren Verständnisses der makro- und mikroskopischen Stoffwechselleistungen ausgewählter Modellorganismen unter prozessrelevanten Bedingungen werden dabei neuartige Produktionsverfahren für Grund- und Feinchemikalien, Pharmazeutika und Naturstoffe entwickelt.
Stephan Noack studierte Bioverfahrenstechnik an der TU Dresden. 2009 promovierte er unter Betreuung von Prof. Wolfgang Wiechert an der Universität Siegen und entwickelte dabei neue Ansätze zur modellgestützten Auswertung und biologischen Interpretation quantitativer Multi-Omics-Daten. In der anschließenden zweijährigen Postdoc-Zeit in der Arbeitsgruppe Fermentationstechnik von Prof. Marco Oldiges am vormaligen Institut für Biotechnologie 2 des Forschungszentrums Jülich intensivierte er seine Arbeiten zur vertikalen, mechanistischen Modellierung biochemischer Netzwerke. Dabei reifte gleichzeitig die Erkenntnis, dass die damals verfügbaren analytischen Methoden zur intrazellulären Messung von Metaboliten, Proteinen und Stoffflüssen nicht präzise genug waren, um verlässliche Modellvorhersagen zur Stamm- und Prozessoptimierung ableiten zu können.
Damit war der Startpunkt seiner Nachwuchsgruppe „Quantitative Microbial Phenotyping“ gelegt, die er seit 2011 am Institut für Bio- und Geowissenschaften (IGB-1) führt. Im Kern geht es um die gezielte Verbesserung und Weiterentwicklung von Methoden zur Charakterisierung von Mikroorganismen unter industriell relevanten Prozessbedingungen. Für die Untersuchung auf mikroskopischer Ebene kommen dabei verschiedene Massenspektrometrie-basierte Verfahren zum Einsatz, welche den Zugang zu absoluten Stoffmengenkonzentrationen von Proteinen und Metaboliten in Zellen erlauben. Um einen schnelleren Zugang zu makroskopischen Prozessparametern wie Wachstumsraten, Ausbeuten und Produktivitäten zu erlangen, werden miniaturisierte und automatisierte Technologien wie z. B. die Mini Pilot Plant entwickelt. Diese wurden bereits erfolgreich in verschiedenen (inter)nationalen Verbundprojekten, u.a. zur zielgerichteten Genomreduktion und Erweiterung des Substratspektrums des Modellorganismus Corynebacterium glutamicum, eingesetzt. Gegenwärtig koordiniert Stephan Noack das ERASysAPP-Project XyloCut, ist Co-Koordinator des Helmholtz Innovation Lab MiBioLab und Co-Manager des Jülich Microbial Phenotyping Center (JMPC).
Seinen ersten Kontakt mit dem BioSC hatte er als Projektleiter im BOOST FUND-Projekt BEProMod, wo er aktiv an der Entwicklung eines Multi-Skalen-Modells zur Simulation und Optimierung von Bioraffinerie-Prozessen beteiligt war.
Mit Beginn 2018 wird Stephan Noack das FocusLab HyImPAct leiten. Im Fokus steht hier die Entwicklung sogenannter „hybrider“ Produktionsprozesse, die eine effiziente Verzahnung mikrobieller Biotransformationen, enzymatischer Reaktionskaskaden, chemischer Synthesen und Produktaufarbeitung mit techno-ökonomischen Analysen gewährleisten. Insbesondere soll die kombinierte Produktion hochwertiger pharmazeutischer Substanzen(chirale 1,2-Diole und Aminoalkohole) sowie deren Vorstufen aus nachwachsenden Rohstoffen realisiert werden. C. glutamicum wird hierbei als Plattformorganismus dienen und hinsichtlich einer kohlenstoffeffizienten Umsetzung von D-Xylose als primärer Kohlenstoffquelle in die gewählten Zielprodukte optimiert werden.
Die Arbeitsgruppe von Stephan Noack umfasst derzeit sechs Mitarbeiter.
Dr.-Ing. Stephan Noack
IBG-1: Biotechnologie
Quantitative Microbial Phenotyping
Forschungszentrum Jülich
Leo-Brandt-Str.
52425 Jülich
Tel.: 02461 61-6044
Fax: 02461 61-3870
E-Mail: s.noack@fz-juelich.de
Am 1. September 2017 kamen über fünfzig Wissenschaftler, Praktiker und Vertreter zentraler Einrichtungen, wie z.B. der Landwirtschaftskammer NRW, am Campus Klein-Altendorf zusammen, um sich zu der Low-Input Pflanze Durchwachsene Silphie auszutauschen. Die Themen der Vorträge erstreckten sich von der Optimierung des Saatguts, der genetischen Vielfalt, dem Potential der Inhaltstoffe bis hin zur Verwendung in einer Bioraffinerie oder in der Papierindustrie.
In seinem Keynote-Vortrag „Silphium – der Mais der Zukunft?“ beleuchtete Prof. Peter Westhoff, Prodekan für Forschung an der Heinrich-Heine-Universität (HHU) Düsseldorf, die Vorteile der Durchwachsenen Silphie, wie z.B. die hohe Biomasseproduktion, den Ölgehalt und die ökologische Bedeutung. Jedoch handelt es sich bei der Silphie – im Gegensatz zum domestizierten Mais – noch um eine Wildpflanze. Mit der Frage, ob sich eine Domestizierung lohne und ob sich diese innerhalb von 20 Jahren durchführen ließe, leitete Herr Westhoff zu den thematischen Sessions über.
Die Kultivierung der Silphie stand im Fokus der ersten Session. Andreas Schäfer vom Institut für Landtechnik der Universität Bonn stellte die Ergebnisse eines dreijährigen Projekts zur Sägeräteentwicklung vor. Nachfolgend erläuterte Johannes Köhler von der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft, welche Faktoren für eine erfolgreiche Bestandsetablierung wichtig sind, etwa die Vorbearbeitung des Bodens und die Aussaatmenge. Ralf Brodmann von der „Donau-Silphie“/Metzler & Brodmann KG stellte die Erfahrungen aus Sicht eines Landwirts vor. Sein Schlüssel zum Erfolg lag in der gleichzeitigen Aussaat mit der einjährigen Pflanze Mais, die im ersten Jahr dem Unkrautbefall und der Bodenerosion entgegenwirkt.
Nach dem ersten Themenblock ging es mit dem Traktor zu den Feldexperimenten am Campus Klein-Altendorf und es konnten verschiedene Variationen der Silphie – entweder als Jungpflanze oder in voller Blüte - besichtigt werden.
Am Nachmittag stellte Dr. Markus Gansberger von der Österreichischen Agentur für Gesundheit und Ernährung in Wien die Möglichkeit der Kaskadennutzung der Silphie vor. Die Bedeutung des Anbaus blühender Nutzpflanzen erläuterte Dr. André Hamm vom Lehrstuhl für Agrar- und Produktionsökologie der Universität Bonn. Seine Forschungsergebnisse zeigten deutlich das Potential von Silphie als alternative Nutz- und Trachtpflanze für eine moderne, multifunktionale Landwirtschaft.
Dr. Martin Schmid von der Landwirtschaftschaftskammer NRW präsentierte Studien zur Verwertung der Silphie in Biogasanlagen. Hier ist die Silphie bisher noch nicht konkurrenzfähig mit Mais, was u.a. durch ihre Zellwandstruktur bedingt sein könnte. Dr. Holger Klose von der RTWH Aachen stellte anschließend seine BioSC-Projekte zur Verwertung mehrjähriger Pflanzen in einer Bioraffinerie vor.
In der letzten Session wurde in drei Vorträgen das BioSC-Projekt SPREAD vorgestellt, das sich mit der Ressourcenbewertung und Entwicklung von Silphium perfoliatum beschäftigt. Dr. Elena Pestsova und Dr. Christian Wever vom Institut für Entwicklungs- und Molekularbiologie der HHU Düsseldorf präsentierten ihre Ergebnisse zur genetischen Vielfalt der Silphie. Da es sich in Europa meist um gemischtes Saatgut handelt, wurde im Jahr 2016 eine Sammelreise in die USA, dem Ursprungsland der Silphie, durchgeführt und derzeit werden reine Linien auf den Versuchsflächen in Klein-Altendorf angezogen. Anne Lunze von der RWTH Aachen analysiert die Inhaltsstoffe verschiedener Silphie Arten, mit dem Ziel, wertsteigernde Komponenten wie z.B. Sekundärmetabolite zu identifizieren. Martin Höller aus dem Forschungsbereich Nachwachsende Rohstoffe an der Universität Bonn untersucht die Verwertungsmöglichkeiten von Silphie als Leichtbeton oder in der Papierindustrie.
Die verschiedenen Ansätze aus Labor und Freiland, die im Laufe des Tages vorgestellt und diskutiert wurden, zeigten deutlich, dass es noch viele Möglichkeiten zur Verwertung und Wertsteigerung der Silphie gibt. Der rege Austausch zwischen den Teilnehmern während des 2. BioSC Spotlight spiegelt das große Interesse an der Low-Input Kultur wider, das sicherlich auch durch das noch nicht erschlossene Potential generiert wird.
Hier finden Sie das Programm und den Flyer der 2. BioSC Spotlight Veranstaltung.
Verständliche und fachübergreifende Darstellung der Bioökonomie erschienen
Das im Springer Verlag erschienene Buch "Bioökonomie für Einsteiger" (Hrsg.: J. Pietzsch) bietet erstmals eine aktuelle und verständliche Einführung für Einsteiger und Fachleute in die Bioökonomie. Das Konzept der Bioökonomie wird in mehreren Kapiteln erläutert und grundlegendes Wissen zum Verständnis des Transformationsprozesses vermittelt. Auf die verschiedenen Aspekte und Herausforderung, die der Übergang von einer fossilbasierte zu einer wissensbasierten Wirtschaft bedingt, wird im Einzelnen eingegangen und Hintergründe werden allgemeinverständlich erläutert. Durch den Transformationsprozess bedingt wird die Gesellschaft mit neuartigen interdisziplinären Fragestellungen konfrontiert, z.B. ob die Bioökonomie im Einklang mit einer nachhaltigen Entwicklung der Erde steht. Diese und viele weitere Fragestellungen werden von Experten aus verschiedenen Disziplinen beleuchten und geben dem Leser einen sehr guten Überblick über das dynamische Feld der Bioökonomie.
Dr. Dr. h.c. Christian Patermann, Direktor der Europäischen Kommission der Generaldirektion Forschung im Ruhestand und Mitbegründer und Wegbereiter der Bioökonomie in Europa, hebt in seinem Geleitwort die Bedeutung dieses erstmals im deutschsprachigen Raum erschienenen „Kompendiums“ hervor. Besonders gelungen findet er die verständliche Darstellung der Komplexität als auch der gesellschaftlichen Bedeutung der Bioökonomie.
Insgesamt sieben Wissenschaftler des BioSC haben an dieser grundlegenden Einführung in die Bioökonomie mitgewirkt. Gemeinsam betrachten die Autoren in einer fachübergreifenden Darstellung die naturwissenschaftliche, ökonomische und ökologische Herausforderung für die Verwirklichung von Bioökonomie.
Dr. Chad Baum
Silvan Berg
Prof. Dr. Michael Bott
Oliver Butkowski
Prof. Dr. Stefanie Bröring
Dr. Jan Marienhagen
Dr. Nina Preschitschek
Prof. Dr. Ulrich Schurr
Das Buch ist in insgesamt zehn Kapitel gegliedert. In der Einleitung gehen die Autoren Joachim Pietzsch (Wissenschaftsjournalist in Frankfurt) und Prof. Dr. Ulrich Schurr (Direktor des Instituts für Pflanzenwissenschaften am Forschungszentrum Jülich (FZJ) und Geschäftsführender Direktor des BioSC) u.a. auf die „Ausgangsbedingungen einer wissensbasierten Bioökonomie“ ein und stellen die „Ausgangspunkte nationaler Bioökonomiestrategien“ vor.
Das zweite Kapitel „Die Herkunft der Biomasse“ unterteilt sich in Biomasse aus der Agrarwirtschaft, Forstwirtschaft, Fischereiwirtschaft und Aquakultur bzw. Abfallwirtschaft und wurde von Dr. Melvin Lippe (Thünen Institut), Prof. Dr. Iris Lewandowski (Fachgebiet Nachwachsende Rohstoffe und Bioenergiepflanzen, Universität Hohenheim), Dr. Rüdiger Unseld (Universität Freiburg), Johannes Pucher (Universität Hohenheim) und Klaus-Rainer Bräutigam (Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse, Karlsruhe Institute of Technology (KIT)) erarbeitet.
Prof. Dr. Ulrich Schurr (BioSC/FZJ) beschäftigt sich im dritten Kapitel mit der „Nahrungsmittelsicherheit und gesunde Ernährung im Kontext der Bioökonomie“ und beleuchtet u.a. die „Bereitstellung von Nahrungsmitteln und Nahrungsmittelverluste“ sowie die „Nahrungsmittelunsicherheit – ein Syndrom mit vielen Facetten“.
Einblicke in die chemische Seite gibt das vierte Kapitel „Die Nutzung von Biomasse zur Herstellung von Treibstoff und Chemikalien“. Der Autor Dr. Jochen Michels (DECHEMA, Frankfurt) erklärt den „Weg zu biobasierten Wertschöpfungsketten“ und „Die Funktionsweise von Bioraffinerien“.
Die biotechnologischen Aspekte werden im fünften Kapitel „Die Bedeutung der Biotechnologie für die Bioökonomie“ beleuchtet. Dr. Manfred Kircher (KADIB, CLIB 2021), Prof. Dr. Michael Bott und Dr. Jan Marienhagen (beide am Institut für Biotechnologie am FZJ und Mitglied des BioSC). Neben den Produktionsverfahren wird auch auf „Die Perspektiven der synthetischen Biologie“ eingegangen.
Der Ökonom Prof. Dr. Andreas Pyka (Fachgebiet für Innovationsökonomik, Universität Hohenheim) betrachtet im sechsten Kapitel „Die Bioökonomie unter dem Blickwinkel der Innovationsökonomie“. Er geht u.a. auf „Die Diskontinuität des Fortschritts“ ein und fragt nach den „Grenzen des Wachstums“? Des Weiteren beschäftigt sich das Kapitel mit der der „Ökonomie des Wandels“ und der „Transformation als politische Priorität“.
Disziplinen-übergreifende Aspekte betrachtet auch das siebte Kapitel „Die Bioökonomie als Kreislauf- und Verbundsystem“, das von Silvan Berg, Prof. Dr. Stefanie Bröring (beide am Institut für Lebensmittel- und Ressourcenökonomik der Universität Bonn und beide Mitglied im BioSC), Dr. Nina Preschitschek (McKinsey & Company, ehemals BioSC Mitglied), Dr. Manfred Kircher (KADIB, CLIB 2021) und Prof. Dr. Ulrich Schurr (BioSC/FZJ) gemeinsam verfasst wurde. Die Autoren betrachten die „Entstehung neuer Wertschöpfungsketten“ sowie die „Bedingungen für die Bildung bioökonomischer Wertschöpfungsketten“ und deren Perspektiven.
Im achten Kapitel setzen sich Prof. Dr. Stefanie Bröring, Dr. Chad M. Baum und Olivier K. Butkowski (alle am Institut für Lebensmittel- und Ressourcenökonomik der Universität Bonn und Mitglieder im BioSC) und Manfred Kircher (KADIB, CLIB 2021) mit den „Kriterien für den Erfolg der Bioökonomie“ auseinander und gehen u. a. auf die Aspekte „Wettbewerbsfähigkeit“ und „Kunden- und Konsumentenakzeptanz“ ein.
Die Vielschichtigkeit der Bioökonomie wird im neunten Kapitel besonders deutlich. Uwe Fritsche (Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien) und Dr. Christine Rösch (Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse, KIT) gehen auf „Die Bedingungen einer nachhaltigen Bioökonomie“ ein. Das Kapitel besteht aus zehn Unterkapiteln, die sich von „Ernährungssicherheit“ über „Ressourceneffizienz“ bis „Good Global Governance“ erstrecken.
Im zehnten und letzten Kapitel stellt Prof. Dr. Armin Grunwald (Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse, KIT) die Frage „Bioökonomie – Schlüssel zu unbegrenztem Wirtschafts- und Konsumwachstum?“ und betrachtet Themen wie „Strategien umweltverträglicher Entwicklung“ und „Ein Lernprozess am Leitbild der Nachhaltigkeit“.
Ein detailliertes Inhaltsverzeichnis sowie das Vorwort bietet der Springer Verlag auf seiner Seite zum Download an. Außerdem gibt der Springer Verlag eine Möglichkeit zum Probelesen und stellt einen 10-seitigen Auszug dem 2. Kapitel zum Download bereit.
In den vergangenen Monaten gab es drei BioSC Lectures. In der Reihe „BioSC im Dialog“ fand zum dritten Mal eine Vorlesung für die interessierte Öffentlichkeit statt statt. Alle Dozenten trafen auf ein interessiertes Publikum, das sich aktiv in die Diskussion einbrachte.
Dr. Jakob Ley
Prof. Markus Pauly
Prof. Francis H. Arnold
Prof. Sang Yup Lee
Am 4. August hielt Dr. Jakob Ley, Direktor für Forschung und Technologie der Symrise AG, am Forschungszentrum Jülich die 18. BioSC Lecture „Inspired by nature - Development of sustainable flavour modifiers“, in der er über seine interdisziplinären Arbeiten zur Entwicklung und Modulation von Aromen und Geschmackskomponenten berichtete. Forschung und Entwicklung an und mit Geschmacksstoffen bieten einen großen Markt mit hohem Potenzial, der auch für die Bioökonomie relevant ist. Seit in den 1950er Jahren Vanillin als erster Aromastoff industriell genutzt wurde, gibt es eine kontinuierliche und rasante Entwicklung bezüglich diverser Geschmacksstoffe und Herstellungsmethoden. In der modernen Geschmacksmittelindustrie basieren 60 % der Rohstoffe zur Aromaherstellung auf natürlichen Substanzen mit steigender Tendenz, 30 % auf Rohöl und 10 % auf anderen Quellen. Aktuell werden 250 – 300 neue Komponenten für Aromen pro Jahr getestet. Die Forschung und Entwicklung an und mit Geschmackstoffen benötigt eine breite Wissensbasis und gesamtheitliche Forschungsansätze, in denen eine enge Zusammenarbeit unterschiedlichster Fachdisziplinen und Technologiebereiche erforderlich ist. Dr. Ley stellte dies anschaulich an Beispielen dar wie etwa der Identifizierung und Entwicklung von Anti-Bitterstoffen aus der Pflanze Yerba santa, bei der in silico-, in vitro- und sensorische Methoden in einem Ansatz kombiniert werden.
Am 7. September gab zum dritten Mal eine Veranstaltung der Reihe „BioSC im Dialog“ für die interessierte Öffentlichkeit, diesmal in Kooperation mit „Forschung im Fokus“ an der HHU Düsseldorf. Im Haus der Universität hielt Prof. Markus Pauly eine interaktive Vorlesung zum Thema „Bioökonomie: Pflanzen als nachhaltige Rohstoffe für Biokraftstoffe“. Er stellte die nachhaltige Nutzung von Pflanzen als Beitrag zur Bewältigung der globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Pflanzen sind in der Lage, das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen und den Kohlenstoff in anderer chemischer Form zu speichern. Prof. Pauly zeigte auf, wie im Rahmen der Bioökonomie Methoden und industrielle Prozesse entwickelt werden, die es erlauben, Pflanzenmaterial nicht nur als Nahrungsquelle oder Energielieferant zu nutzen, sondern auch in Grundstoffe für die chemische Industrie umzuwandeln, und somit fossile, treibhausgasproduzierende Energieträger wie Öl oder Kohle zu ersetzen.
Am 28. September fand im Rahmen des Jülich Biotec Day die 19. BioSC Lecture mit zwei Vorträgen international renommierter Wissenschaftler statt. Prof. Sang Yup Lee vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Republik Korea, berichtete über aktuelle Entwicklungen und Trends beim "Systems metabolic engineering“ für eine biobasierte Produktion von Chemikalien. Mit Hilfe dieses Systems konnte bereits eine Vielzahl von Produktionsverfahren etabliert werden. Diese finden Anwendung sowohl im Gesundheits- und Ernährungsbereich (z.B. bakteriell produzierte pflanzliche Sekundärmetabolite), im Energiebereich (Produktion von Kraftstoffen in E. coli) als auch in der Chemie, wo erstmals eine Nylon-Vorstufe von Bakterien erzeugt werden konnte, die bisher nur auf chemischen Weg hergestellt werden konnte . Mit Hilfe eines so genannten „in silico- genome-scale metabolic“-Modells können mittlerweile multigene Bakterienstämme für verschiedene Zielprodukte innerhalb einer Woche optimiert werden.
In zweiten Vortrag gab Prof. Francis H. Arnold vom California Institute of Technology (Caltech), USA, einen Einblick in „Innovation durch Evolution: Neue Chemie zum Leben erwecken“ („Innovation by evolution: Bringing new chemistry to life“). Fasziniert von der Evolution, hat Prof. Arnold ihre Forschungsarbeiten seit vielen Jahren auf die gerichtete Evolution von Enzymen mit Hilfe von Protein-Design-Methoden ausgerichtet. Diese Methoden spielen auch eine wesentliche Rolle in der Bioökonomie, in der chemische Synthesewege durch umweltfreundlichere enzymatische Synthesen ersetzt werden sollen. Als Beispiel für das in der Natur vorhandene Potential der Substratanpassung stellt Prof. Arnold am Fall des Herbizids Atrazin vor, das als nicht abbaubar galt und sich in Böden anreicherte, bis 1993 ein schneller enzymatischer Abbauweg entdeckt wurde. Auch der bakterielle Abbau von Plastik ist durch evolutionäre Anpassung des Stoffwechsels und seiner Enzyme zu erklären. Prof. Arnold macht sich dieses Potenzial zunutze, in dem sie mit Hilfe der gerichteten Evolution und des Enzymdesigns geringfügige vorhandene Enzymaktivitäten für die gewünschten Reaktionen erhöht oder neue Aktivitäten erzeugt und diese selektiert und optimiert. Die gerichtete Evolution von Enzymen birgt ein vielfältiges Potenzial für neue Anwendungen in der Chemie-, Pharma-, Papier-, Leder- und Textilindustrie.
Am 22. September fand in Aachen der BioSC-Workshop "Applied Perennial Plant Pulping" statt. Insgesamt nahmen rund 30 Doktoranden, Post-Docs und Nachwuchsforscher die Gelegenheit wahr, sich von Experten aus Wissenschaft und Industrie über das Thema Lignocellulose-Verarbeitung informieren zu lassen.
Der Workshop zielte darauf ab, Wissen über verschiedene Strategien zur Umwandlung von Biomasse zu vermitteln. Insgesamt nahmen rund 30 Doktoranden, Post-Docs und Nachwuchsforscher teil.
Im ersten Teil des Workshops wurde unter anderem das „Center for Next Generation Processes and Products“ (NGP²) präsentiert und auf die Vorteile der integrierten Versuchsanlage eingegangen. Auch das BioSC Focus Lab AP3, als ganzheitliches und nachhaltiges integriertes Lignocellulose-Bioraffinerie-Konzept, wurde den Teilnehmern präsentiert und diskutiert. Rudy Parton, erfahrener Chemiker und Ingenieur bei GFBiochemicals, stellte sein Projekt „Lävulinsäure: eine vielseitige Chemikalie von der Frisch- /Abfallbiomasse bis zur chemischen End-of-pipe-Lösung für Biomasseprodukte“ vor. Anschließend folgte ein interaktiver Workshop zum Prozessdesign für Bioraffinerien. Aufgeteilt in zwei Gruppen hatten die Teilnehmer hier die Möglichkeit ein eigenes Prozessdesign zu erarbeiten und anschließend den anderen Teilnehmern vorzustellen. Dabei konnten die Nachwuchswissenschaftler ihre erlernten Kenntnisse direkt praktisch anwenden.
Eine zukünftige biobasierte Wirtschaft benötigt neuartige Konzepte für integrierte Bioraffinerien. Das Verständnis der derzeitigen Fähigkeiten, Hindernisse und Möglichkeiten für eine solche integrierte Bioraffinerie zur Herstellung von Biochemikalien, Bioprodukten und Biokraftstoffen ist eine Voraussetzung für junge Wissenschaftler auf dem gesamten Gebiet der Bioökonomie.
Das Programm des Workshops finden Sie hier.
Vorlesungsreihe "Renewable Future"
Wintersemester 2017/18, Universität Bonn, Hauptgebäude
Veranstalter: Universität Bonn / International Renewable Energy Agency
Nähere Informationen
Sustainability of first and second generation crops
22. November 2017, Köln/Bonn Flughafen
Veranstalter: nova-Institut
Nähere Informationen
Leipziger Biogas-Fachgespräche 2017 / 2018
29. November 2017, DBFZ Leipzig
Veranstalter: Deutsches Biomasseforschungszentrum
Nähere Informationen
Future Bioeconomy – 2. Doktorandentag NRW
01. Dezember 2017, Hotel Königshof, Bonn
Veranstalter: Bioeconomy Science Center
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