Bioökonomie - Ländlicher Raum versus urbane Zentren
Bayern ist gekennzeichnet durch einen starken Kontrast von ländlich geprägten Regionen und wenigen urbanen Ballungszentren. Dies eröffnet sowohl Perspektiven für nachhaltigeres Produzieren, Wirtschaften und Konsumieren, wie für die gezielte wirtschaftliche Förderung von Regionen, die bisher strukturell eher benachteiligt waren.
Einer der wichtigsten Aspekte der nachhaltigen Bioökonomie ist, fossile Rohstoffe wie Erdöl durch nachwachsende Ressourcen zu ersetzen. Im besten Fall kommen diese aus regionalen Quellen. Dies reduziert nicht nur CO 2 -Emissionen, sondern kann sowohl der Land- und Forstwirtschaft wie der Wirtschaft generell neue Impulse verleihen.
In Bayern ergänzen sich Eigenheiten und Stärken der einzelnen Regionen gegenseitig und zeigen Potenziale auf, wie das Ineinandergreifen unterschiedlichster Forschungs-, Wirtschafts- und Industriezweige die großflächige Umsetzung einer nachhaltigen Bioökonomie ermöglichen kann.
Bereits heute sind viele Treiber und Akteure bestens miteinander vernetzt, und es findet ein reger Wissensaustausch zwischen Fachleuten aus Forschung, Wissenschaft, Industrie, Wirtschaft und Politik statt.
Straubing - ein Knotenpunkt der Bioökonomieforschung
Einer der Forschungsschwerpunkte in Straubing ist die Nutzung nachwachsender Rohstoffe für die Herstellung biobasierter Polymere , aus denen sich anschließend Kunststoffe, Textilfasern und vieles mehr produzieren lassen. Die interdisziplinäre und branchenübergreifende Zusammenarbeit ermöglicht, von Anfang an Fragen der Machbarkeit, Markttauglichkeit und Vermarktung mit einzubeziehen.
Den direkten Bezug zwischen Forschung und der konkreten Anwendung stellt der Biocampus im Hafen Straubing-Sand her. Dieser bildet ein „Ökosystem für Innovationen der biobasierten Wirtschaft“ [1] und bietet in unmittelbarer Nähe zum TUM Campus Ansiedlungsflächen für Unternehmen und Start-ups , die die Transformation zur Bioökonomie vorantreiben. Das Areal soll 2021 durch die vom Freistaat geförderte Bio-Campus MultiPilot Anlage erweitert werden, in der Unternehmen ihre biotechnologischen Prozesse unter Labor- oder Industriebedingungen austesten können.
Die ländlichen Regionen – Rohstoffreichtum und technologisches Know-how
Ackerland, Wiesen, Wälder und Gewässer: Die ländlichen Gebiete Bayerns zeichnen sich durch die Vielfalt aus, die sie an nachwachsenden Rohstoffen für die Herstellung biobasierter, nachhaltiger Produkte bereitstellen können.
Gleichzeitig entsteht dort ein kontinuierlich wachsendes Netz an innovativen Unternehmen, die sich mit der Entwicklung und Herstellung nachhaltiger Produkte befassen und teils bereits auf eine Nutzung nachwachsender Ressourcen, biobasierte und kreislauforientierte Lösungen für ihre Produkte setzen.
Die Gestaltung einer nachhaltigen, die besonderen Stärken der Regionen nutzenden Bioökonomie ist demnach mit großen wirtschaftlichen Perspektiven für die Land- und Forstwirtschaft als Rohstofferzeuger verbunden und bietet der bayerischen Industrie und Forschung die Chance, sich frühzeitig im internationalen Wettbewerb zu profilieren.
Einer der wichtigsten Aspekte der nachhaltigen Bioökonomie ist, fossile Rohstoffe wie Erdöl durch nachwachsende Ressourcen zu ersetzen. Im besten Fall kommen diese aus regionalen Quellen.
Die ländlichen Gebiete Bayerns zeichnen sich durch die Vielfalt aus, die sie an nachwachsenden Rohstoffen für die Herstellung biobasierter, nachhaltiger Produkte bereitstellen können. (Quelle: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten)
Die im folgenden beschriebenen markanten Beispiele zeigen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit), wie die in den ländlichen Regionen Bayerns vorhandenen nachwachsenden Ressourcen bereits heute die Basis für nachhaltige Wertschöpfung bilden.
Die einzelnen Holzkomponenten Cellulose, Hemicellulose und Lignin können zu Ausgangsstoffen für biobasierte Chemikalien und Werkstoffe verarbeitet werden. Heute wird das im Holz enthaltene Lignin in der Zellstoff- und Papierproduktion genutzt, und dient aufgrund seines hohen Heizwerts als Reststoff zur Energiegewinnung. Zukünftig kann es für die Herstellung phenolischer Grundstoffe u. a. für biobasierte Harze, Klebstoffe oder Schäume genutzt werden. Aus der Cellulose gewonnene Zucker können fermentativ für die Herstellung biobasierte Grundchemikalien verwendet werden.
Die finnische UPM GmbH, ursprünglich ein Unternehmen der Papierindustrie, hat sich strategisch auf die Nutzung von Biomasse als Rohstoff für Verbundwerkstoffe, biobasierte Chemikalien und Biokraftstoffe ausgerichtet. Eine industrielle Bioraffinerie zur Produktion von Bio-Monoethylenglykol, funktionelle Füllstoffe, Bio-Monopropylenglykol sowie Industriezucker befindet sich im Aufbau.
Das Start-up LXP Group hat einen innovativen Prozess zum verbesserten Aufschluss lignocellulosehaltiger Rohstoffe entwickelt, der natürliches Lignin und reine Cellulose sowie Hemicellulose als Ausgangsstoff für die Produktion biobasierter Werkstoffe zur Verfügung stellt. Für den Aufbau einer Demonstrationsanlage hat sich die LXP Group GmbH in der Nähe von Straubing angesiedelt.
Holz ist der nachwachsende Rohstoff für die Produktion von Zellstoff. Dieser dient als Rohstoff für die Herstellung von Regeneratfasern wie Viskose. Das bayerische Unternehmen Kelheim Fibres GmbH ist Marktführer für Hygienefasern und anderen Spezialfasern aus Viskose.
Die Pfleiderer Group B.V. & Co. KG, aus Neumarkt in der Oberpfalz, ist ein europaweit agierender Hersteller von Holzwerkstoffen aus nachhaltiger Forstwirtschaft mit Produktionsstandorten in Deutschland und Polen. Das Unternehmen setzt bereits heute an seinen Standorten das Konzept der Kreislaufwirtschaft und Kaskadennutzung um.
Klimaneutrale Plusenergiehäuser baut das Unternehmen Haas Wohnbau mit Sitz in Falkenberg, Niederbayern, aus Holz und stattet sie mit Gebäudetechnik auf Basis erneuerbarer Energien aus.
Nachhaltige Leichtbaulösungen aus Holz realisiert die Lignoa Leichtbau GmbH aus dem fränkischen Rückersdorf. Das Startup hat eine Technik zur Herstellung stabiler, 3D-geformter Strukturbauteile entwickelt, die bis zu 30 Prozent leichter als vergleichbare Aluminiumkomponenten sind.
Klimaneutrale Plusenergiehäuser baut das Unternehmen Haas Wohnbau mit Sitz in Falkenberg, Niederbayern, aus Holz und stattet sie mit Gebäudetechnik auf Basis erneuerbarer Energien aus.
liefern biogene Rohstoffe für die Produktion von technischen Ölen, Stärke und Zucker, die mit Hilfe neuer biotechnologischer Verfahren unter anderem zur Herstellung biobasierter Grundchemikalien, technischer Biopolymere und biobasierter Kunststoffe verwendet werden.
Ein Pilotprojekt zur biobasierten Kreislaufwirtschaft mit biobasierten, kompostierbaren Bio-Beuteln aus Kartoffel- und Maisstärke führt derzeit C.A.R.M.E.N. e. V. in Straubing mit kommunalen Partnern und Industrieunternehmen wie Novamont SpA und Südzucker AG durch, um erstmalig die Kaskadennutzung der Beutel als Serviceverpackung, Frischhalte- und Bioabfallbeutel in der Praxis zu testen, bayerische Unternehmen für biobasierte, kompostierbare Kunststoffprodukte zu sensibilisieren und um Erkenntnisse über die Verbraucherakzeptanz zu gewinnen [2].
Im Projekt „C4-Bioraffinerie“ des Kooperationsnetzwerks Waste2Value6 wird unter Beteiligung des Lehrstuhls für Mikrobiologie der Technischen Universität München erforscht, wie sich aus Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie Biobutanol gewinnen und zu biobasierten Schmierstoffen weiterverarbeiten lässt.
Die Gewinnung von Enzymen, Seifen und Tensiden aus Mühlennebenprodukten zur Herstellung von ökologisch zertifizierten Wasch- und Reinigungsmitteln ist Ziel des Waste2Value-Projekts "EcoWash-Cycle“, an dem der Werner-Siemens-Lehrstuhl für synthetische Biotechnologie der Technischen Universität München und der Bayerische Müllerbund e. V. beteiligt sind.
Russischer Löwenzahn eignet eignet sich zur Produktion von Isoprenoiden, aus denen Gummi für Autoreifen hergestellt werden kann. Die Eskusa GmbH aus Niederbayern ist ein Unternehmen für Pflanzenzucht und arbeitet erfolgreich an der Steigerung der Isoprenoidausbeute aus der Milch des Löwenzahns.
Stroh lässt sich zu feuchtigkeitsregulierenden Isolierverpackungen verarbeiten, die nach Gebrauch über den Kompost wieder dem natürlichen Wertstoffkreislauf zugeführt werden können (Landpack GmbH, Alling).
In Verbindung mit kompostierbarem Kunststoff ist es mit Stroh sogar möglich, biologisch abbaubare, schwer entflammbare Materialien zu gestalten – etwa für Designer-Möbel, Wärmedämmung oder elastische Fußböden [4].
Aufgrund der Problematik „Tank oder Teller“ bei der Konkurrenz um Anbauflächen mit der Lebensmittelindustrie suchte die Firma Clariant Produkte (Deutschland) GmbH nach biobasierten Alternativen für die Produktion von Grundchemikalien und Biokraftstoffen. Die in Straubing errichtete Demonstrationsanlage wandelt heute im sogenannten Sunliquid®-Verfahren Reststroh in Bioethanol um. In Rumänien errichtet Clariant eine kommerzielle Produktionsanlage mit einer Zellulose-Ethanol Produktion von 50.000 Tonnen pro Jahr.
In der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie fallen verschiedenste Reststoffe an. So enthalten Trester, die bei der Herstellung von Wein oder Säften nach dem Auspressen anfallen, wertvolle Inhaltsstoffe. Das bayerische Start-up Wisefood GmbH aus Garching stellt aus Apfeltrester essbare Trinkhalme her. Aus dem Treber, der beim Bierbrauen anfällt, können noch wertvolle Proteine, Zucker und Polyphenole extrahiert werden. Und aus den verbleibenden Kohlenhydraten können mittels Fermentation weitere Produkte wie z. B. Ethanol oder Essigsäure produziert werden. Auch die Reste aus dem Hopfenanbau bergen Potenzial für eine stoffliche Nutzung. Aus den bis zu acht Meter hoch wachsenden Ranken lassen sich beispielsweise faserartige Rohstoffe für technische Anwendungen gewinnen [5].
Mit Naturfasern aus Hanf, Jute, Flachs oder Holz können biobasierte Kunststoffe im Leichtbau künftig womöglich die bisher üblichen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe ersetzen, die sehr energieintensiv in der Herstellung sind. Die hohe Belastbarkeit und die guten akustischen Dämpfungseigenschaften des naturfaserverstärkten Werkstoffs wurden bereits in Praxistexts im Automotive-Bereich erprobt [3].
Die Fäden von Spinnen sind aus Proteinen aufgebaut. Mit biotechnologischen Verfahren können diese Proteine synthetisiert werden und funktionale leistungsstarke Fasern für technische Anwendungen gesponnen werden. Diese an der Universität Bayreuth entwickelte Technologie wird vom Unternehmen Amsilk GmbH in Planegg in die industrielle Umsetzung gebracht. Die Entwicklungen gehen von kosmetischen Inhaltsstoffen, über medizinische Beschichtungsmaterialien bis zu Biosteel®-Fasern, die einmal Carbonfasern ersetzen könnten.
Mikroalgen sind ein alternativer Biomasseproduzent. Sie konkurrieren nicht mit Lebensmitteln und fallen teilweise als Reststoffe in industriellen Herstellungsprozessen wie der Biodieselproduktion an. Kombiniert mit anderen biologischen Abfallstoffen lassen sich daraus Kunststofffolien produzieren [7].
Mikroalgen sind photosynthetisch aktive Mikroorganismen, die CO 2 binden und daraus höherwertige Moleküle aufbauen. Dies können beispielsweise Feinchemikalien oder Lipide sein.
Öle (Lipide) aus einzelligen Algen können ebenfalls als klimafreundliche Alternative zu erdölbasierten Treibstoffen verwendet werden. Heute wird die Produktion von Fein- und Spezialchemikalien mit Hilfe von Mikroalgen als wirtschaftlicher angesehen.
Natürlich herrschen in städtischen Ballungsräumen andere Bedingungen für die Nutzung nachwachsender Ressourcen als in landwirtschaftlich geprägten Regionen. Dennoch gibt es eine Vielzahl von Projekten, die sich mit der Frage befassen, wie urbane Räume trotz Flächenversiegelung und Bebauung in bioökonomische Kreisläufe mit eingebunden werden können.
Mittlerweile hat sich gezeigt, dass sich die urbane Architektur durchaus für die Kultivierung nachwachsender Rohstoffe oder für die Verringerung der CO2-Emissionen nutzen lässt. So wies ein Forschungsteam aus Wissenschaftlern der Universität Köln und des Forschungszentrums Jülich nach, „dass begrünte Fassaden in Städten die Luftqualität, Sauerstoffproduktion, Artenvielfalt und sogar die Fassadentemperaturen deutlich verbessern“ und „eine sehr sinnvolle Maßnahme zur Anpassung an den Klimawandel“ darstellen – „nicht nur im Hinblick auf die Stadttemperatur, sondern auch hinsichtlich der Feinstaubproblematik“ [8]. Vertikal begrünte Wände finden aber auch in Innenräumen immer mehr Zuspruch – sie schaffen nicht nur ein besonderes Ambiente, sondern tragen gleichzeitig zu einer Verbesserung der Raumluft bei, haben eine schalldämmende Wirkung und verbessern dadurch auch die Arbeitsbedingungen in Büros.
Zudem wird erprobt, wie sich Dachterrassen als Anbauflächen für Lebensmittel nutzen lassen. Wissenschaftler der Technischen Universität Berlin verbanden im Projekt „Roof Water Farm“ zum Beispiel Pflanzenanbau mit Fischzucht [9].
Vertical Farming ist ein Zukunftskonzept für die Lebensmittelversorgung in Städten. Durch den Anbau von Nahrungsmitteln in mehretagigen Gebäuden wird Platz gespart. Durch intelligente Steuerung und hocheffiziente Systeme wird der Wasserverbrauch reduziert und der Einsatz von Pflanzenschutzmittel kann sogar unnötig werden. Jedoch ist hierfür die Nutzung von erneuerbarer Energie unabdingbar, da der Energiebedarf durch die LED-Beleuchtung sehr groß ist. Ob Vertical Farming in Deutschland im großen Stil eingesetzt wird, bleibt abzuwarten. Bayerische Firmen wie die Osram Licht AG sind jedoch zählen zu den globalen Technologieführern für die benötigte LED-Technologie.
Ein echtes ökologisches Kreislaufsystem für den Anbau von Gemüse, Obst und Kräutern auf dem heimischen Balkon oder auf der Terrasse entwickelte das aus der Universität Hohenheim hervorgegangene Start-up Geco-Gardens [10]. Es schafft in urbanen Lebensräumen eine Verbindung zur Natur und nutzt verfügbare Ressourcen – vom Sonnenlicht für einen solarbetriebenen Wasser- und Nährstoffkreislauf über Bioabfälle für die Produktion von organischem Dünger bis hin zu Wasser. Ein ähnliches Ziel verfolgt das Unternehmen Agrilution Systems aus München mit seinem Vertical-Farming-„Plantcube“ für Zuhause – mit intelligenter Beleuchtung, die die Wellenlänge der Sonne simuliert, sensorbasierter Klimasteuerung und einem besonders sparsamen geschlossenen Wasserkreislauf [11].
Urbane Abfälle haben Potenzial für die Bioökonomie
Während die Anbauflächen für nachwachsende Rohstoffe im urbanen Raum knapp sind, fällt in den Städten besonders viel Abfall an, der sich ebenfalls wieder in den Wertstoffkreislauf zurückführen lässt. Neben einer zu optimierenden Sammlung und Erfassung der städtischen Bioabfälle wird auch in biogenen Reststoffen wie Grasschnitt und Reststoffen aus städtischen Parkanlagen ein Nutzungspotenzial gesehen. Auch Bioabfälle aus städtischen Restaurants und Cafés wie Kaffeesatz, der tagtäglich in großen Mengen anfällt, kann als Reststoff weiter genutzt werden. Das Unternehmen Pilzpaket züchtet auf Kaffeesatz Speisepilze und vertreibt Pilzzuchtsets für den eigenen Anbau [12].
In Großstädten fallen zudem große Mengen an Abwässern und Elektroschrott an, die wertvolle Ausgangsstoffe in einer zirkulären Bioökonomie darstellen. Die BRAIN AG aus Zwingenberg hat eine biologische Lösung zur Rückgewinnung von Wertmetallen aus Sekundärrohstoffen entwickelt [13]. Das Unternehmen, ein Vorreiter der Bioökonomie und der industriellen Biotechnologie, arbeitete auch in der strategischen Allianz Zero Carbon Footprint (ZeroCarbFP) daran, aus kohlenstoffreichen Abfällen wie Rauchgas, Klärschlämmen und industriellen Abwässern durch Mikroorganismen wertvolle Bausteine für die industrielle Produktion von Biokunststoffen, Enteisungs- und Kühlmitteln oder Hightech-Ölen und Fetten zu gewinnen [14]. Fraunhofer UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg entwickelte ferner ein Verfahren zur Rückgewinnung des Wertstoffes Phosphat und wertvoller Mineralien aus Klärschlamm, um sie beispielsweise in der Landwirtschaft wieder zur Düngung einzusetzen [15].
