Forschen • Ausbilden • Vernetzen
Für eine nachhaltige Bioökonomie

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Für eine nachhaltige Bioökonomie

Forschungsprogramm

Die inhaltliche Ausrichtung des NRW-Stategieprojekts BioSC wird seit dem Beginn von Phase 2 durch wissenschaftliche Themenschwerpunkte definiert. Drei Fokusthemenfelder und eine Kompetenzplattform setzen den Rahmen für alle geförderten Aktivitäten.

Fokusthemenfeld „Smart management for plant performance“

Bei der Etablierung einer nachhaltigen Bioökonomie nehmen Pflanzen eine Schlüsselstellung ein. Sie müssen die Grundlage für die gesunde Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung liefern und werden darüber hinaus zukünftig als nachwachsende Rohstoffbasis benötigt, um fossile Rohstoffe wie zum Beispiel Erdöl zu ersetzen. Die global für die Landwirtschaft verfügbaren Flächen lassen sich jedoch nicht mehr nennenswert ausweiten. Die Steigerung der pflanzlichen Biomasseproduktion muss auf gleichbleibender Fläche und mit möglichst geringen Umweltbelastungen realisiert werden. Deshalb werden intelligente  Lösungsansätze gebraucht, um den Ertrag von Nutzpflanzen zu steigern und dabei die Umwelt zu schonen.
Das umfasst die effiziente und sparsame Nutzung von Wasser, Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln, den Schutz der Böden, das Schließen von Nährstoffkreisläufen und die Entwicklung neuer Konzepte für den Pflanzenschutz. Gleichzeitig müssen Nachernteverluste wie das Verrotten von Lebensmitteln erheblich verringert und Pflanzen durch Züchtung an die sich verändernden Klima- und Umweltbedingungen angepasst werden. In den letzten 15 Jahren wurden mit den Methoden der modernen Pflanzenzüchtung vielfach Pflanzen gezüchtet, die beispielsweise Wasser und Nährstoffe effizienter nutzen können oder resistent gegen Krankheitserreger sind. Die Präzisionslandwirtschaft nutzt Sensoren, um innerhalb einer Ackerfläche genau an den aktuellen Bedarf angepasste Mengen von Dünger, Pflanzenschutzmitteln und Wasser zu verteilen. Bodenwissenschaftler untersuchen, wie die Zusammensetzung der Mikroorganismen im Boden das Pflanzenwachstum beeinflusst, und entwickeln gemeinsam mit Landwirten neue bodenschonende Anbaukonzepte. Durch die Entwicklung und Kombination von unterschiedlichen Anbausystemen und Technologien zur zum Beispiel gleichzeitigen Produktion von Energie und Pflanzen auf einer Fläche (Agrophotovoltaik) können Flächenbedarf und Nutzungskonkurrenzen minimiert werden. Die Kombination der verschiedenen Ansätze und Expertisen ist der Schlüssel für eine leistungsfähige und umweltfreundliche Pflanzenproduktion.

Fokusthemenfeld “Integrated biorefineries for sustainable production and processing“

Die Entwicklung von Bioraffineriekonzepten und -systemen, in denen Bereitstellung von Biomasse und deren Umwandlung in Produkte integriert sind, stellen ein Kernelement für die Transformation von einer erdölbasierten Ökonomie zur Bioökonomie dar. Dabei müssen viele verschiedene biobasierte Rohstoffe nutzbar gemacht werden: Eigens angebaute Pflanzen für energetische beziehungsweise stoffliche Nutzung, die gegebenenfalls durch Züchtung für die spätere Nutzung verbessert worden sind, aquatische Pflanzen, Abfallstoffe beziehungsweise Nebenströme aus der Landwirtschaft, der Lebensmittelindustrie und Forstwirtschaft sowie Reststoffe aus der Papierindustrie. Bei der Verwendung von Energie- beziehungsweise Stoffpflanzen sind mehrjährige Pflanzen möglicherweise zu bevorzugen, wenn diese auf ansonsten nicht genutzten, für die landwirtschaftliche Gewinnung von Nahrungsmitteln ungeeigneten mageren Böden entsprechende Erträge liefern können.
Eine Bioraffinerie muss nicht nur eine breitere und variablere Spanne an Edukten verarbeiten können als konventionelle Rohölraffinerien. Vielmehr müssen völlig neue Prozesse und Verfahren entwickelt werden. Während in etablierten petrochemischen Verfahren die Rohstoffe in organischen Lösungsmitteln bei oft hohen Temperaturen umgewandelt werden, erfordern die Bestandteile von Biomasse Umwandlungsprozesse bei niedrigen Temperaturen in elektrolythaltigen Lösungsmitteln. Biotechnologische Prozesse zur Herstellung von Plattformchemikalien benötigen große Mengen an Hilfsstoffen und Wasser. Um ein Skalieren in den Produktionsmaßstab zu ermöglichen, werden Techniken zur möglichst vollständigen Rückführung von Lösungsmitteln, Katalysatoren und Prozesswasser innerhalb einer Bioraffinerie benötigt. Für Reststoffe aus der verarbeiteten Biomasse wie Mineralien oder organische Reststoffe müssen Möglichkeiten für eine Rückführung in Stoffkreisläufe geschaffen werden beispielsweise als landwirtschaftlicher Dünger.

Fokusthemenfeld “Modular biotransformations for high-value chemicals“

Die Produktion von Chemikalien und Materialien in einer nachhaltigen Bioökonomie ist durch neue Prozessketten gekennzeichnet, in denen die Biokatalyse mit Mikroorganismen und Enzymen eine wichtige Rolle spielt. Biogene Rohstoffe umfassen ein weites Spektrum von mehrjährigen Biomassepflanzen bis hin zu landwirtschaftlichen Abfallströmen. Dazu kommen vermehrt nichtbiogene Kohlenstoffquellen wie CO2 oder kommunale Abfallströme, wie beispielsweise Kunststoffabfälle. Um diesem breiten Spektrum an Ausgangsstoffen gerecht zu werden, muss das konventionelle „Ein Rohstoff – ein Produkt“-Konzept zu flexiblen und modularen „Multi-Rohstoff – Multi-Produkt“- Prozessketten weiterentwickelt werden, in denen Chemokatalyse und Biokatalyse kombiniert werden. Die synthetische Biologie als Impulsgeber für die molekulare Biotechnologie liefert vielfältige neue Konzepte, um diesen veränderten Anforderungen zu begegnen.
Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die daraus resultierenden Produktionsprozesse und Produkte für die Praxis nutzbar und konkurrenzfähig gegenüber vorhandenen erdölbasierten Verfahren zu ma-chen. Dabei bestehen die größten Erfolgsaussichten im Bereich höherwertiger Stoffe mit zum Teil neuen Funktionalitäten, das heißt Feinchemikalien, Naturstoffe oder Proteine. Da diese Stoffklassen komplexe Synthesewege aufweisen, sind modulare mehrschrittige Verfahren am erfolgversprechendsten. Auch bei der Nutzung von Nebenströmen bioökonomischer Prozessketten können erhebliche zusätzliche Wertschöpfungen erreicht werden, wenn neben den Hauptprodukten weitere wertvolle Feinchemikalien oder pharmazeutisch nutzbare Stoffe gewonnen werden können.

Fokusthemenfeld "Technologische und institutionelle Innovationen als Treiber biobasierter gesellschaftlicher Transformationen"

Das Ziel einer ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltigen Bioökonomie ist es, den Wohlstand heutiger und zukünftiger Generationen innerhalb der planetaren Grenzen zu sichern. Das wird nur mit umfassenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Veränderungen möglich sein. Neue Güter müssen mit neuen Rohstoffen und Verfahren produziert werden, aber das kann nur gelingen, wenn sie auch nachgefragt und gesellschaftlich akzeptiert werden. Der Übergang von einer fossilbasierten zu einer biobasierten Wirtschaft wird sich nur mit erheblichen Veränderungen etwa in Konsummustern, Wertschöpfungsnetzwerken, Geschäftsmodellen, Infrastrukturen und regulatorischen Rahmenbedingungen vollziehen.
Technologische und institutionelle Innovationen sind wesent-liche Treiber solcher Transformationsprozesse. Sie müssen jedoch begleitet werden von der Analyse von möglichen Zielkonflikten wie Ernährung versus stoffliche Nutzung von Pflanzen, von der Analyse der Wettbewerbsfähigkeit neuer Produkte gegenüber etablierten erdölbasierten Alternativen und von Untersuchungen zur gesellschaftlichen Akzeptanz neuer Technologien. So können systematisch Transformationspfade identifiziert wer-den, die zugleich (a) aus Nachhaltigkeitssicht wünschenswert, (b) aus techno-ökonomischer Sicht möglich und (c) aus gesellschaftlicher Sicht akzeptabel sind.

Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die daraus resultierenden Produktionsprozesse und Produkte für die Praxis nutzbar und konkurrenzfähig gegenüber vorhandenen erdölbasierten Verfahren zu ma-chen. Dabei bestehen die größten Erfolgsaussichten im Bereich höherwertiger Stoffe mit zum Teil neuen Funktionalitäten, das heißt Feinchemikalien, Naturstoffe oder Proteine. Da diese Stoffklassen komplexe Synthesewege aufweisen, sind modulare mehrschrittige Verfahren am erfolgversprechendsten. Auch bei der Nutzung von Nebenströmen bioökonomischer Prozessketten können erhebliche zusätzliche Wertschöpfungen erreicht werden, wenn neben den Hauptprodukten weitere wertvolle Feinchemikalien oder pharmazeutisch nutzbare Stoffe gewonnen werden können.

 

Fokusthemenfeld "Technologische und institutionelle Innovationen als Treiber biobasierter gesellschaftlicher Transformationen"

Das Ziel einer ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltigen Bioökonomie ist es, den Wohlstand heutiger und zukünftiger Generationen innerhalb der planetaren Grenzen zu sichern. Das wird nur mit umfassenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Veränderungen möglich sein. Neue Güter müssen mit neuen Rohstoffen und Verfahren produziert werden, aber das kann nur gelingen, wenn sie auch nachgefragt und gesellschaftlich akzeptiert werden. Der Übergang von einer fossilbasierten zu einer biobasierten Wirtschaft wird sich nur mit erheblichen Veränderungen etwa in Konsummustern, Wertschöpfungsnetzwerken, Geschäftsmodellen, Infrastrukturen und regulatorischen Rahmenbedingungen vollziehen.

Technologische und institutionelle Innovationen sind wesent-liche Treiber solcher Transformationsprozesse. Sie müssen jedoch begleitet werden von der Analyse von möglichen Zielkonflikten wie Ernährung versus stoffliche Nutzung von Pflanzen, von der Analyse der Wettbewerbsfähigkeit neuer Produkte gegenüber etablierten erdölbasierten Alternativen und von Untersuchungen zur gesellschaftlichen Akzeptanz neuer Technologien. So können systematisch Transformationspfade identifiziert wer-den, die zugleich (a) aus Nachhaltigkeitssicht wünschenswert, (b) aus techno-ökonomischer Sicht möglich und (c) aus gesellschaftlicher Sicht akzeptabel sind.