Leitthema Bioökonomie

Biomasse stellt eine alternative und erneuerbare Rohstoffbasis für die Erzeugung chemischer Produkte dar. Ihre Nutzung und Konversion ist die Basis einer biobasierten Wirtschaft, kurz Bioökonomie.  Werden nachwachsende Rohstoffe, biogene Reststoffe – oder direkt Kohlenstoffdioxid (CO₂) – anstelle fossiler Kohlenstoffquellen für die Herstellung von Chemikalien eingesetzt, hilft dies, den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern und das Klima zu schützen.

Das Fraunhofer IGB entwickelt für Partner aus der Wirtschaft bioökonomische Prozesse zur Herstellung nachhaltiger Produkte und skaliert sie in die industrielle Dimension. Dabei untersuchen wir, wie sich nachwachsende Rohstoffe und vor allem auch Rest- und Abfallströme als Ressource für neue Stoffe und Materialien nutzen lassen. Ziel der Bioökonomie ist es, Ökonomie und Ökologie in größtmöglichen Einklang zu bringen – das heißt, Prozesse gleichzeitig umweltverträglich und wirtschaftlich zu gestalten, sodass neue Verfahren schnellstmöglich auch großtechnisch eingesetzt werden können und langfristig zu mehr Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen. Wir zeigen Ihnen, was sich hinter Bioökonomie verbirgt und wie das Fraunhofer IGB mit Bioökonomie zu nachhaltiger und klimaschützender Wertschöpfung beiträgt.

Sowohl der Klimawandel, eine der größten globalen Herausforderungen der Menschheit, wie auch die Coronapandemie, die drei Jahre lang die täglichen Schlagzeilen dominierte, zeigen, wie verletzlich der Mensch in der globalisierten Welt ist und wie eng die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt miteinander verknüpft sind. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat dies treffend in ihrem One-Health-Ansatz formuliert: Zerstörte Lebensräume bedrohen nicht nur die Artenvielfalt, sondern auch den Menschen. Die aktuellen globalen (geo-)ökologischen Herausforderungen, der Klimawandel und der Verlust der Biodiversität tragen zur Destabilisierung ganzer Ökosysteme und damit auch zu einer massiven Belastung der menschlichen Gesundheit bei. Umso wichtiger ist es, die Natur und damit auch die Menschen zu schützen.

Was ist Bioökonomie? – Ein nachhaltiges Wirtschaftssystem

Viele alltägliche Produkte sind erdölbasiert und für die chemische Industrie und ihre Abnehmer stellt Erdöl die wichtigste Rohstoff- und Energiequelle dar. Im Hinblick auf das globale Bevölkerungswachstum und den steigenden Lebensstandard stößt die aktuelle Wirtschaftsweise, die auf fossilen Rohstoffen basiert, vor allem im Hinblick auf den Klimawandel an ihre Grenzen. Unstrittig ist, dass die derzeitige Wirtschafts- und Konsumweise für einen Großteil der Treibhausgas-Emissionen verantwortlich ist und der Handlungsbedarf ist weltweit, auch in Europa, spürbar. Damit stellt sich die dringende Frage: Welche Auswege gibt es, um Mensch und Umwelt langfristig zu schützen?

Gefragt sind hierbei sowohl die Forschung als auch unsere Wissensgesellschaft. Gemeinsam zeigen sie einen grundlegenden Lösungsansatz auf: die Bioökonomie – ein nachhaltiges Wirtschaftssystem, das nicht nur erneuerbare Rohstoffe für die Herstellung von Produkten unseres täglichen Lebens verwendet, sondern auch die Möglichkeiten der Biologie und Biotechnologie als Instrumentarium einer nachhaltigen Produktion nutzt. 

Das Ziel: Eine Kreislaufwirtschaft nach dem Vorbild der Natur

Eine bioökonomische Wirtschaft orientiert sich an den Stoffkreisläufen der Natur: Abfälle entstehen gar nicht erst, ungenutzte »Reststoffe« gibt es nicht. Alle Stoffe werden spätestens auf molekularer Ebene recycelt und stehen für einen neuen Wachstumszyklus zur Verfügung.

Es gilt nun, dieses Kreislaufprinzip auf die Herstellung von Lebensmitteln, von chemischen Grundstoffen, Faserstoffen und Materialien und darauf aufbauenden Gütern zu übertragen. Denn eine vollständig zirkuläre Wirtschaft, die auf nachwachsenden Rohstoffen beruht, verbraucht nicht mehr Ressourcen, als die Natur wiederherstellen kann. So zielt eine nachhaltige Bioökonomie, neben dem wirtschaftlichen Aspekt der Produktion, gleichzeitig darauf ab, natürliche Ressourcen zu schützen. Werden nachwachsende Rohstoffe oder biogene Reststoffe anstelle fossiler Kohlenstoffquellen zur Herstellung von Chemikalien und Materialien eingesetzt, hilft dies, den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern und das Klima zu schonen.

Der Anspruch neuester Forschung geht jedoch über die Herstellung von Erzeugnissen hinaus. Neben der Generierung biobasierter Produkte sollen vermehrt auch bioabbaubare Kunststoffe oder Materialien mit neuen Eigenschaften versehen werden. Chitinhaltige Krabbenschalen und Insektenhäute aus der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie liefern beispielsweise wertvolles Chitosan, dessen Erschließung das Fraunhofer IGB mit Partnern aus Forschung und Industrie erforscht, etwa als Zusatzstoff für die Veredlung von Textilien.

Doch kann die Erde überhaupt so viel Biomasse liefern, dass nicht nur ausreichend Nahrung für eine wachsende Weltbevölkerung erzeugt wird, sondern darüber hinaus auch Rohstoffe für Alltagsprodukte, Kosmetika und Kleidung oder Mobilität geliefert werden können? Landwirtschaftliche Flächen sind begrenzt; Wälder erfüllen nicht nur Wirtschaftsaufgaben, sondern sind zuvorderst wichtige Ökosysteme und fungieren als Wasserspeicher, grüne Lunge und Erholungsgebiet.

Damit genügend Biomasse zur Nutzung als Rohstoff zur Verfügung steht, gleichzeitig aber Biodiversität erhalten und Nutzungskonkurrenzen vermieden werden, ist eine sorgfältig durchdachte und ausgewogene Nutzung der biogenen Stoffe von essenzieller Bedeutung. In einem nachhaltigen bioökonomischen System stellen darum auch Rest- und Abfallstoffe eine wertvolle Ressource dar. 

Eine umfassende Verwertung  findet bisher nicht statt. Dabei ist vor allem pflanzliche Biomasse nicht nur Kohlenstoffquelle, sondern weist häufig vielfältige komplexe Molekülstrukturen auf, die sich als natürliche Funktionalitäten für optimierte Materialeigenschaften nutzen lassen, anstatt diese auf chemischem Wege neu zu synthetisieren, unter erneutem Aufwand von Energie und Rohstoffen. 

Am Fraunhofer IGB arbeiten wir darum auch daran, Nährstoffe aus Abfallstoffen und Abwässern nutzbar zu machen und wiederzuverwenden. Gülle und Gärreste beispielsweise lassen sich mit der entsprechenden Verfahrenstechnik aufarbeiten, um Nährstoffe und organische Substanz als hochwertige, kompakte organische und mineralische Düngemittel oder Bodenverbesserer in der Landwirtschaft wiederzuverwenden. Eines der am Fraunhofer IGB entwickelten Verfahren wird mittlerweile von einem international agierenden Entsorgungsunternehmen in einer vollautomatisierten Aufbereitungsanlage im großen Maßstab getestet.

In vielen Projekten haben wir bereits demonstriert, dass in Abwasser enthaltende Inhaltsstoffe – von gelösten Nährstoffen bis zum übrigbleibenden Klärschlamm – mit geeigneten Verfahren nutzbar gemacht werden können. Nährstoffreiches Schlammwasser dient beispielsweise einzelligen Mikroalgen als Lebensgrundlage: Die Algen produzieren dabei – »gefüttert« mit CO₂ aus Biogas – hochwertige Omega-3-Fettsäuren, Antioxidanzien wie Fucoxanthin oder pflanzenstimulierende Substanzen, die Wein vor Pilzbefall schützen können. Zukünftig wäre es dadurch möglich, auf den Einsatz von giftigen, kupferhaltigen Spritzmitteln im Weinbau zu verzichten.

Letztlich avanciert selbst das klimaschädliche CO₂ zum Rohstoff. Auch hier hat das Fraunhofer IGB bereits mit verschiedenen Ansätzen gezeigt, dass sich das Treibhausgas mit verschiedenen Verfahren unter Verwendung erneuerbarer Energie zu Grundchemikalien umsetzen und mit biotechnologischen Verfahren weiter zu höherwertigen Verbindungen umsetzen lässt. 

Nachwachsende Rohstoffe, Biomasse und Bioabfälle zur Herstellung von Chemikalien, Pharmazeutika oder Verpackungen zu verwenden, ist lediglich der erste Schritt auf dem Weg zu einer klimaneutralen Kreislaufwirtschaft. Denn biobasierte Produkte sind nicht per se nachhaltig und auch in einer biobasierten Wirtschaft kommt es darauf an, die Prozesse der gesamten Wertschöpfungskreisläufe im Hinblick auf Ressourcen- und Energieeffizienz zu optimieren.

Genau daran arbeitet das Fraunhofer IGB. Mit neuen Verfahren und innovativen Systemkomponenten tragen wir dazu bei, Ressourcen zu schonen – von der Gewinnung und Aufbereitung der Rohstoffe, über ihre Verarbeitung zu Materialien und Produkten bis zu deren Entsorgung bzw. Rückführung in den Produktionsprozess.

Erfassung und Analyse anfallender Stoffströme

Um ein neues Wirtschaftssystem zu etablieren, das bisherige Reststoffe von vorneherein als Wertstoffe mit einbezieht, müssen anfallende Stoffströme, beispielsweise Abfälle aus der landwirtschaftlichen oder industriellen Produktion, zunächst erfasst und ihre Zusammensetzung analysiert werden. Effiziente Lösungen für vielfältige verfahrens- und produktionstechnische Anforderungen sind dabei ebenso gefragt wie für die logistischen Herausforderungen. Mithilfe intelligenter digitaler Systeme kann dies zunehmend besser bewältigt werden.

Verkürzung von Prozessketten

Große Wirkung zeigt beispielsweise die Verkürzung von Prozessketten durch neue Reaktorsysteme, die Prozessführung im kontinuierlichen Betrieb für große Durchsatzleistungen oder die Integration verschiedener Prozesse zu einem Kreislaufprozess. Besonders der Einsatz neuartiger Sensoren, digitaler Technologien und künstlicher Intelligenz macht Verfahrenswege möglich, die idealerweise keine ungenutzten Abfallströme erzeugen, sondern die verschiedenen Bestandteile des Ausgangsmaterials einer vollständigen Verwertung zuführen.

Kaskadennutzung und Bioraffinerien: Effiziente Nutzung von Roh- und Reststoffen

Auch die sogenannte Kaskadennutzung ist ein Ansatz, um Roh- und Reststoffe möglichst effizient zu nutzen und Produktions- und Nutzungszyklen ohne systemimmanente Verluste an Reststoffen zu etablieren. Sie beschreibt das Vorgehen, Stoffströme strikt nach dem Muster einer Kaskade zu verwerten, in der das jeweils höchste Wertschöpfungspotenzial die Nutzungspriorität für die Bestandteile eines Rohstoffs vorgibt.

Im Bereich der Wassernutzung hat sich hierfür der Begriff »Zero Liquid Discharge« etabliert. Dahinter verbirgt sich eine »abwasserfreie« Produktion, bei der alle Verunreinigungen im Wasser zu festen, möglichst wiederverwertbaren festen Bestandteilen umgewandelt werden und das gereinigte Wasser für eine Wiedernutzung zur Verfügung steht.

Im Auftrag für Firmen und in Verbundforschungsprojekten erarbeiten wir Verfahren, um alternative Ressourcen wie Mikroalgen, nachwachsende Rohstoffe und biogene Reststoffe nutzbar zu machen, daraus nachhaltige und bioabbaubare Produkte herzustellen und Wertstoffe im Kreislauf zu führen oder sie für eine Wiederverwendung zurückzugewinnen.