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Das baden-württembergische Bioökonomie-Graduiertenprogramm BBW ForWerts

Als Bestandteil des baden-württembergischen Forschungsprogramms Bioökonomie ist das neue interdisziplinäre Graduiertenprogramm „BBW ForWerts: Erforschung innovativer Wertschöpfungsketten“ gestartet. Das international ausgerichtete Ausbildungsprogramm für Doktoranden wird von der Universität Heidelberg koordiniert. Zehn Institutionen aus Baden-Württemberg sind beteiligt. Die Forschungsprojekte umfassen drei Bereiche: Biogas, Mikroalgen und Lignozellulose.

Glossar

  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Lignocellulose bildet das Strukturgerüst der pflanzlichen Zellwand. Sie besteht aus einer Kombination von Lignin, Hemicellulose und Cellulose.
  • Lignin ist ein hochmolekularer, aromatischer Stoff aus verschiedenen monomeren Bausteinen, der sich in die Zellwand von Pflanzen einlagern kann und dadurch zur Verholzung führt.
  • Hemicellulosen (auch Polyosen) sind Polysaccharide verschiedener Zusammensetzung, die in den Pflanzenfasern und Zellwänden von Gräsern und Getreiden sowie bei höheren Pflanzen zusammen mit Lignin und Cellulose in der holzigen Zellwand vorkommen.
  • Cellulose ist ein wasserunlösliches Polysaccharid, das den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand bildet. Die Grundeinheit der Cellulose ist die Glucose.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Biogas ist ein brennbares Gasgemisch, das bei der Zersetzung von Biomasse (Fäkalien, Bioabfall, Stroh u. a.) entsteht. Dabei wird das komplexe organische Material mit Hilfe verschiedener Mikroorganismen unter Luftabschluss hauptsächlich in Kohlendioxid und Methangas umgewandelt.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
Die Teilnehmer des Graduiertenkollegs BBW ForWerts bei ihrem ersten Workshop in Heidelberg. © BBW ForWerts Graduate Program; Universität Heidelberg

Das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg hat 2013 eine neue Forschungsinitiative „Bioökonomie in Baden-Württemberg" angestoßen, in der das in unterschiedlichen Disziplinen vorhandene Fachwissen für die Bioökonomie über die verschiedenen Forschungsstandorte hinweg miteinander vernetzt wird. Zu der Initiative gehört auch ein interdisziplinäres und international ausgerichtetes Ausbildungsprogramm für Doktoranden unter dem Titel „BBW ForWerts: Erforschung innovativer Wertschöpfungsketten".

An dem zunächst auf drei Jahre angelegten Ausbildungsprogramm, das bei positiver Bewertung verlängert wird, können bis zu hundert Doktoranden an zehn Institutionen des Landes - darunter den Universitäten Freiburg, Heidelberg, Hohenheim, Stuttgart und Ulm sowie dem Karlsruher Institut für Technologie - teilnehmen. Koordinator des Graduiertenprogramms ist Prof. Dr. Thomas Rausch, Leiter der Forschungsgruppe „Molekulare Physiologie der Pflanzen" am Center for Organismal Studies (COS) der Universität Heidelberg.

Das Programm baut auf den Erfahrungen mit den internationalen Graduiertenschulen (wie zum Beispiel der Hartmut Hoffmann-Berling Internationale Graduiertenschule für Molekular- und Zellbiologie, HBIGS) auf, die im Rahmen der Exzellenzinitiative an der Universität Heidelberg durchgeführt werden. Nachdem die Bewerbungsfristen für BBW ForWerts abgelaufen sind, haben die meisten Doktoranden ihre Promotionsstudien begonnen. Der erste gemeinsame Workshop im Rahmen des Programms fand in Heidelberg statt.

Interdisziplinärer Dialog für eine nachhaltige Bioökonomie

Prof. Dr. Thomas Rausch, Koordinator des Graduiertenprogramms BBW ForWerts © Universität Heidelberg

Die an BBW ForWerts beteiligten Forschungsstandorte umfassen unter anderem Pflanzenphysiologie, Agrar- und Forstwissenschaft, Chemie, Verfahrenstechniken und Ökonomie. So sollen sich die jungen Forscher schon während der Promotionsphase in fachübergreifenden Dialogen üben. Auch der frühzeitige Kontakt mit Unternehmen, die bereits im Bereich Bioökonomie tätig sind, gehört dazu, betonte Thomas Rausch: „Wenn die Forschungsprojekte erfolgreich sind und ein umfassender interdisziplinärer Austausch in BBW ForWerts gelingt, dann werden unsere Absolventen gesellschaftliche Multiplikatoren sein – mit einem gestärkten Bewusstsein für die Herausforderungen einer auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Bioökonomie."

Nach der Definition des Bioökonomierats der Bundesregierung ist Bioökonomie „die wissensbasierte Erzeugung und Nutzung biologischer Ressourcen, um Produkte, Verfahren und Dienstleistungen in allen wirtschaftlichen Sektoren im Rahmen eines zukunftsfähigen Wirtschaftssystems bereitzustellen". Diesen Ansatz in die wirtschaftliche Praxis umzusetzen, stellt unsere hoch entwickelten Industrienationen vor gewaltige Herausforderungen, erklärte Rausch. Darauf vorzubereiten ist das Ziel des Graduiertenkollegs. Im Kern geht es um den Wechsel von erschöpflichen, fossilen Energieträgern und Rohstoffquellen hin zu einer nachhaltigen Nutzung von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen. Drei fach- und standortübergreifende Forschungsbereiche stehen bei BBW ForWerts im Fokus:

(1) „Mikroalgen – ihre integrierte Nutzung für die Ernährungs- und Futtermittelindustrien“

Untersucht werden Mikroalgen als Rohstoffquelle und als Lieferanten von alternativen Materialien und Wertstoffen. Mit industriell gezüchteten Mikroalgen lässt sich ohne Verbrauch wertvoller Ackerfläche eine weit höhere Biomasse als mit konventionellen Energiepflanzen produzieren. Damit stellen sie eine wertvolle alternative Rohstoff- und Energiequelle dar, vor allem, wenn man sich vor Augen hält, dass die weltweit verfügbaren landwirtschaftlichen Nutzflächen rasant schrumpfen und die Weltbevölkerung weiterhin wächst – bis zum Jahr 2050 auf über neun Milliarden (siehe BIOPRO-Dossier: Mikroalgen als Energielieferanten?).

(2) „Biogas – nachhaltige und flexible Wertschöpfungsketten in Baden-Württemberg“

Hierzu gehören die Aufbereitung von landwirtschaftlichen Abfällen, Kompost, Gülle und anderen Substraten, ihre Konversion (Umwandlung) und die Nutzung der Konversionsprodukte für die Biogasgewinnung sowie die damit verbundenen ökonomischen, ökologischen, ethischen und sozialen Auswirkungen (siehe BIOPRO-Dossier: Biogas die Energie der Zukunft?" href="https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/biogas-die-energie-der-zukunft/">Biogas – die Energie der Zukunft?).

(3) „Lignozellulose – Entwicklung einer alternativen Rohstoffplattform für neue Materialen und Produkte“

Rohstoff für Lignozellulose (Holzeinschlag im Grunewald). © EDJ

Im Gegensatz zur Biogaserzeugung steht eine wirtschaftliche Lignozellulose-Nutzung noch in den Anfängen. Sie ist aber für das Ziel eines nachhaltigen, zukunftsfähigen Wirtschaftssystems von enormer Bedeutung.

Lignozellulose ist die häufigste Form von Biomasse auf unserem Planeten. Holz, Stroh und landwirtschaftliche Abfälle bestehen zu über 90 Prozent aus Biopolymeren, und über 90 Prozent davon sind Zellulose, Hemizellulosen und Lignin. Während der Abbau der polymeren Kohlenhydrate Zellulose und Hemizellulose zu monomeren Zuckermolekülen für sich genommen dank der Entdeckung und Entwicklung von Zellulasen und ähnlichen Enzymen rasch und mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann, ist der enzymatische Abbau des phenolischen Polymers Lignin mühsam; er kann Wochen oder Monate dauern. In Lignozellulose-Biomasse bilden die drei polymeren Komponenten miteinander Komplexe, in denen die molekularen Bindungen durch Enzyme nur schwer angegriffen werden können. Bislang können diese Komplexe im großen Maßstab nur unter klassisch chemischen Bedingungen abgebaut werden - zum Beispiel durch harsche Schwefelsäurebehandlung bei hohen Temperaturen und Drucken. Die Konzipierung von Bioraffinerien zum Aufschluss und zur Herstellung neuer Produkte und Produktentwicklungen aus Lignozellulose unter nachhaltigen ökologischen Bedingungen ist daher eine Schlüsselaufgabe  der Bioökonomie.

Im Forschungsbereich Lignozellulose von BBW ForWerts sollen diese Bedingungen im Einzelnen erarbeitet werden. Es geht unter anderem um die Aufbereitungsmethoden und Modifizierungen der Lignozellulose-Biomasse sowie die Prozesswege und Wertschöpfungsketten für die Entwicklung neuer Produkte und Materialien. Dazu sind Systemanalysen und Prozess-Simulationen erforderlich. Nicht zuletzt sollen die sozialen Rahmenbedingungen erforscht werden, unter denen eine ökologische, zukunftsfähige Nutzung von Lignozellulose ermöglicht wird.

Die Fachkompetenz der beteiligten Institutionen, der fächerübergreifende Ansatz der Projekte und der für die Kommunikation und Netzwerkbildung optimale Rahmen des Graduiertenprogramms BBW ForWerts mit seinen Sommerschulen, wissenschaftlichen Tagungen und Begleitprogrammen bilden die Voraussetzungen, unter denen die jungen Wissenschaftler an der Realisierung eines zukunftsfähigen Wirtschaftssystems arbeiten.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/das-baden-wuerttembergische-biooekonomie-graduiertenprogramm-bbw-forwerts/