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04.03.2022

Nachhaltigkeit neu verwurzelt

Veranstaltungsreihe „Materials for the European Green Deal“: Für die Ernährung der stark wachsenden Weltbevölkerung braucht es neue Rezepte. Digital Farming und In-Vitro-Produktion sollen für volle Teller und zugleich klimaverträgliche Nahrungsmittel sorgen.
Veranstaltungsreihe Materials for the European Green Deal
Veranstaltungsreihe Materials for the European Green Deal © HTAI (Design von bartels+drescher)

Bis 2050 wird die Zahl der Menschen auf der Welt auf knapp zehn Milliarden anwachsen. Sie alle müssen ernährt werden, ohne dass Umwelt und Klima weiter Schaden nehmen. Das ist schwere Kost: Die Nahrungs- und Futtermittelproduktion leidet bereits heute unter dem Klimawandel, der beispielsweise Dürren und Bodenerosion verschärft. Andererseits ist der Sektor selbst eine ergiebige Quelle für Umweltschadstoffe und Treibhausgase.

Farm to Fork-Strategie: Viel weniger ist mehr

Die EU will mit ihrer „Farm to Fork“-Strategie den Spagat schaffen. Die Strategie ist eines von zehn Kernelementen des European Green Deal und soll Produktion, Verarbeitung, Verteilung und Konsum von Nahrungsmitteln nachhaltiger machen. Außerdem soll Farm to Fork Emissionen mindern, eine gesunde Ernährung sicherstellen, Bioabfälle reduzieren und nicht zuletzt die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Landwirtschaft erhalten. Anders gesagt: „Dieser Baustein des Green Deal betrifft jeden Bürger der EU und jeder kann durch sein Konsumverhalten einen positiven Beitrag leisten“, formuliert Michael Binder, verantwortlich für Nachhaltige Entwicklung im Geschäftsbereich Animal Nutrition der Evonik Industries AG in Hanau.

Die Ziele der Strategie bis 2030 sind entsprechend ambitioniert. So soll der Einsatz chemischer oder umweltschädlicher Pestizide und von Antibiotika für Nutztiere und Aquakulturen halbiert werden. Auch die Menge der Nährstoffe, die von der Pflanze ungenutzt in Boden, Wasser und Luft gelangen, soll um 50 Prozent sinken. Laut Strategie wird im Jahr 2030 zudem ein Viertel der Äcker und Felder nach den Anforderungen der biologischen Landwirtschaft bestellt.

Booster im Futter

Umsteuern in der Landwirtschaft tut tatsächlich not. Seit 2005 hat sich der Eintrag von Stickstoff pro Hektar nicht wesentlich verringert. „Und das, obwohl es schon seit 2012 klare Handlungsempfehlungen in der EU gibt“, kritisiert Binder. Beispielsweise zeigen sogenannte Best Available Technologies (BAT), wie Niedrigproteindiäten oder Phasenfütterung die Stickstoffemissionen aus der Fleischproduktion mindern. 

Etwa ein Drittel der globalen Stickstoff-Emissionen stammt aus der Tierhaltung. In der Fleischproduktion ist der Gehalt essenzieller Aminosäuren, die das Tier nicht selbst herstellen kann, entscheidend für die Futterverwertung und damit für die Emissionen. Hier setzt der Geschäftsbereich Animal Nutrition der Evonik AG an: Der Geschäftsbereich produziert limitierende Aminosäuren wie Methionin oder Lysin, die als Zugabe im Futter dafür sorgen, dass Hühner oder Schweine die Nährstoffe besser verwerten. Der Landwirt spart Futterkosten, vor allem aber sinken Landverbrauch und Emissionen.

Das Steak aus dem Bioreaktor

Tierische Proteine sind auch in der menschlichen Ernährung ein limitierender Faktor. Mit dem Wachstum von Bevölkerung und Wohlstand wächst auch der Hunger auf Fleisch, den die herkömmliche Tierzucht global aber nicht mehr decken kann. Großunternehmen wie die Darmstädter Merck KGaA, aber auch etwa 70 Start-up-Firmen weltweit suchen daher nach Alternativen.

Viele setzen auf sogenanntes Kulturfleisch, das ganz ohne blutige Schlachthäuser auskommt. Das Prinzip klingt einfach: Einem Tier werden durch Biopsie Stammzellen bzw. Muskelvorläuferzellen entnommen, die im Bioreaktor zu Muskelgewebe heranwachsen.

Noch aber gibt es hohe technische Hürden. Damit Kulturfleisch zu gut verdaulichen Kosten hergestellt werden kann, braucht es nicht nur eine robuste Zelllinie, sondern auch preiswerte Kulturmedien, einen geeigneten Träger (Scaffold), auf dem die Zellen zuverlässig wachsen, und Großreaktoren im Brauerei-Maßstab. „Im Labor klappt es bereits gut, aber das Upscaling der Prozesse ist knifflig“, sagt Professor Thomas Herget vom Science & Technology Office von Merck im kalifonischen San José. Nicht zuletzt ist der Nahrungsmittelmarkt gesetzlich stark reguliert. Bislang darf Kulturfleisch aus dem Reaktor nur in Singapur serviert werden. Dennoch: „Wir rechnen damit, dass man Kulturfleisch in drei Jahren in Restaurants, in zehn Jahren im Supermarkt findet“, sagt Herget. Wobei Merck sich nicht als Fleischproduzent sieht, sondern als Technologieprovider.

Kunstfleisch einfach gedruckt

Forscher am Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren der TU Darmstadt sind überzeugt, dass es schneller und preiswerter geht, wenn man Fleisch einfach druckt. Beim 3-D-Biodruck werden sogenannte Biotinten verarbeitet. Das sind lebende Zellen, die in Hydrogelen - beispielsweise auf Basis von Gelatine oder Stärke - eingebettet sind. „Wir haben gezeigt, dass die Zellen den Druckprozess überleben“, betont Robin Maatz vom Team um Professor Andreas Blaeser, „allerdings ist der Prozess viel zu langsam, um wirtschaftlich zu sein.“  

Das Team arbeitet daher an der Weiterentwicklung des traditionellen Siebdrucks, der bereits heute elektronische Schaltkreise oder textile Strukturen in Massenproduktion erzeugt. Der Siebdruck ermöglicht vollautomatisch große Durchsätze und zugleich eine hohe Auflösung der Strukturen, so Maatz. Beim 3D-BioScreenPrint der TU Darmstadt entstehen 400 Mikrometer dünne, dreidimensionale Zellschichten, die dann im Bioreaktor durch mechanische und elektrische Stimulation zu dreidimensionalem Gewebe vernetzen. Die Darmstädter unterstützten zudem einen Partner bei der Entwicklung neuer Hydrogel-Protein-Mixturen, die als stabile, druckbare und essbare Scaffolds verwendet werden könnten.

Algen als neue Rohstoffquelle?

Um die Menschheit zu ernähren, müssen auch neue Nährstoffquellen erschlossen werden. Mikroalgen gelten beispielsweise als eine Art Allroundtalent: Die Einzeller wachsen in Süß- und Salzwasser, sind anpassungsfähig und robust, binden beim Wachstum CO2 und erzeugen Lipide und Proteine als Rohstoffe nicht nur für die Ernährung, sondern auch für Medizin, Tierfutter, Düngemittel und Biokraftstoffe.

„Algen sind eine Antwort auf viele zentrale Fragen“, sagt Stefan Gäth, Professor am Institut für Landschaftsökologie der Uni Gießen und Gründungsgesellschafter der Algenland GmbH. Das Unternehmen betreibt am Standort Bad Hersfeld mehrere zehn Meter breite und 50 Meter lange Becken, in denen die Blaualge Spirulina pro Tag und Quadratmeter Beckenfläche ein Kilogramm Trockenmasse erzeugt. Da Algen für ihr Wachstum Wärme brauchen, sind solche Becken zudem optimale Nutzer für Abwärme aus Biogasanlagen oder BHKW, betont Gäth.

Digitalisierung schlägt Wurzeln

Das Farm to Fork-Programm steigert die Anforderungen an Landwirte drastisch – durch mehr Auflagen, mehr Dokumentation, mehr Pflichten zur Minderung von Pestiziden und Dünger. „Dafür braucht es digitale Lösungen“, ist Volker Hadamschek von der BASF SE überzeugt. Tatsächlich hat die Digitalisierung auf dem Feld längst Wurzeln geschlagen. Field Manager, Biodiversitätsfenster, Spray-Timer und feldzonenspezifische Applikationskarten –Säen, Spritzen, Düngen und Ernten wird zu einer präzisen und durchgeplanten Angelegenheit. 

Unter dem Namen Xarvio vertreibt BASF weltweit unterschiedliche KI-basierte Apps, die hohe Erträge mit niedrigen Emissionen verknüpfen sollen. Drohnen liefern Bilder und Daten. Diverse Apps berechnen daraus Grünflächenanteil, den optimalen Spritzzeitpunkt, Karten und Protokolle für GPS-gesteuerte Landmaschinen oder erkennen Unkraut, Krankheiten und Schädlinge. Auch die Darmstädter Solorrow GmbH hat eine App für Landwirte entwickelt, die Satellitendaten auswertet. „Damit können Landwirte ihre Felder mit wenigen Klicks analysieren“, sagt Geschäftsführer Jürgen Born. Sie erhalten eine Feldkarte mit unterschiedlich produktiven Zonen, so dass Saat- und Düngemengen angepasst werden können.

Präzision per Cloud

Der US-amerikanische Landmaschinenhersteller John Deere hat eine Cloud-Lösung entwickelt, die für den landwirtschaftlichen Betrieb verschiedene Apps koppelt und einen Datenaustausch in beide Richtungen ermöglicht. „Jede Aktion in Feld und Flur ist im Voraus präzise planbar, die Dokumentation und Auswertung erfolgt automatisch“, erläutert Peter Koch vom John Deere Entwicklungszentrum in Kaiserslautern.

Präzisionslandwirtschaft gibt es auch zum Mitnehmen: Phytoprove, ein Spin-off des Senckenberg Forschungszentrums in Frankfurt,  hat ein Hand-Messgerät entwickelt, das direkt an der Blattoberfläche physiologische Parameter erfasst. Sie geben über Vitalität, Nährstoffbedarf und Wasserversorgung der Pflanze Aufschluss. „Die Werte sind deutlich aufschlussreicher als eine Messung im Boden“, betont Mitgründer Daniel Weber. Gemeinsam mit Partnern will Phytoprove auf dieser Basis Sensorsysteme entwickeln, die direkt in Landmaschinen und Drohnen verbaut werden können.

Nährstoffe aus der Retorte

Forschung kann konventionelle Nahrungsmittelproduktion auch ganz neu erfinden. Ein wichtiges Werkzeug dafür ist die „precision fermentation“, bei der Mikroorganismen so programmiert werden, dass sie fast jedes komplexe organische Molekül produzieren können. Die Brain Biotech AG in Zwingenberg hat ein genom-editierendes Enzym entwickelt, mit dem bestimmte Produktionsstämme gentechnisch optimiert werden können. „Mit diesem Organismus produziert das Berliner Unternehmen Formo naturidentische Proteine für tierfreien Käse“, erläutert Katja Riedel, verantwortlich für das Technical Business Development bei Brain.

Zudem will Brain durch precision fermentation einen neuartigen Süßstoff aus Aminosäuren biotechnologisch herstellen: Das Protein mit dem Namen Brazzein stammt aus einer afrikanischen Lianenpflanze und kommt - anders als synthetische Süßstoffe - dem Geschmack von Zucker sehr nahe. Riedel: „Die Nachfrage nach natürlichen, aber gesunden Süßstoffen steigt stark an.“ Somit steht Brazzein stellvertretend für viele andere tierische und pflanzliche Nährstoffe, die künftig großtechnisch mit hoher Qualität im Bioreaktor hergestellt werden können, ohne dass Klima und Umwelt unter die Räder geraten. 

Die „Materialinnovationen für klimaneutrale Ernährung und Landwirtschaft“ vom 17.2. bildeten die letzte Fach-Session der Veranstaltungsreihe von Technologieland Hessen und Materials Valley e.V. Am 26. April 2022 findet in Hanau die Abschlussveranstaltung statt (hier anmelden).

Text: Dipl.-Ing. Christa Friedl

Weitere Infos zur Reihe

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Sandro Szabo
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