Strategisches Forschungsfeld Bioökonomie am Fraunhofer ISC

Biohybride

• (Nicht-)kovalente Bindung von Biomolekülen (Antikörper, Proteine, …) an anorganische/hybride Werkstoffe (beispielsweise Partikel oder (bio)funktionale Oberflächen)
• Klebstoffe durch Integration synthetisch hergestellter Miesmuschelpeptide (Dopamin/Hybridpolymer)

Biogene hybride Werkstoffe

• (Umwelt)-biodegradierbare funktionelle Beschichtung von Naturfasern, Biopolymeren und Papier
• Biogene, (umwelt-)biodegradierbare, funktionale Oberflächenveredelung
• Veredelung / Funktionalisierung von biobasierten Verpackungen / Verpackungsfolien
• Biogene Klebstoffe und deren Verarbeitung

Außerdem

• Verarbeitung und Veredelung von Naturfasern und Garnen
  
• Extraktion und Modifikation von biogenen Basischemikalien

Material-Design für eine nachhaltige Land-/Forstwirtschaft (Werkstoffe für modernen Pflanzenanbau)

• Entwicklung von (umwelt-)biodegradierbaren Folien für die Landwirtschaft (beispielsweise Cellulose-basiert)
• (Umwelt)-biodegradierbare funktionelle Beschichtung von Biopolymeren für die Land-/Forstwirtschaft (Beispiel: Mulchfolien/Baumschutzhüllen/Pflanzentöpfe, etc…)
• Verkapselungstechnologien für biobasierte Alternativen zu gängigen Düngern/Pestiziden/Herbiziden (inkl. controlled-release & seed coating)

Wertschöpfung aus der Land-/Forstwirtschaft

• Biogene Klebstoffe und deren Verarbeitung im (Holz)-Leichtbau (Furnier-Verklebung)
• Neue magnetisch induktive Verklebungen von Holz-Leichtbauteilen / Furnieren  

(Biohybrides) Material-Design für Bio-Reaktoren

• Immobilisierung von Enzymen auf porösen (Glas)-Trägerstrukturen zur Synthese von Feinchemikalien
  
• Metall-oxidische Partikel und poröse Oberflächen als Trägerstrukturen für kontinuierliche, photochemisch-assistierte Biokatalyse zur Synthese von Feinchemikalien
  
• (Nicht)/-kovalente Bindung von Biomolekülen (Antikörper, Proteine, …) auf Trägersysteme für Katalysatoren (Biokatalyse)
• Magnetische Separation von Algen

Funktionale Beschichtungen aus biogenen (Rest)Stoffen

• Beispiel bioORMOCER®-Chemie: (umwelt)-biodegradierbare Oberflächenfunktionalisierung („New Plastics Innovation Prize“ der Ellen-MacArthur-Foundation)
• Biogene, (umwelt-)biodegradierbare, funktionale Oberflächenveredelung von Naturfasern, Biopolymeren und Papier
• Industrielle Validierung von biogenen Schutzlacken auf europäischer Ebene (OITBS*) für die Anwendungsfelder: Spritzguss, flexible Verpackung, Transportboxen und druckbare Elektronik
• Veredelung / Funktionalisierung von biobasierten Verpackungen / Verpackungsfolien
  

Verfahrens- und Materialentwicklung für eine nachhaltige Wasserwirtschaft

• Magnetische poröse Scavenger-Partikel zur Aufreinigung von Grund-/Trinkwasser gegenüber Stickstoff / Phosphor (Überdüngung), Hormonen (Medikamentenrückstände), (Schwer)metallen, Mikro- und Nanoplastik etc.
  
• Verfahren für kontinuierliche Ultrafiltration/Aufreinigung von Grund-/Trinkwasser (oder anderen Fluiden)

Biosensorik

• Detektion von mikrobiellen Keimen (Bakterien, Viren, Pilze) mittels Sensorchips (z. B. Partikel-basierte Sensoren, Schnelltests)

Nachhaltige Energiegewinnung

• Partikuläre, metall-oxidische Elektrodenschichten als Trägerstrukturen zur Synthese von Methanol aus CO₂
  
• Nachhaltige Wasserstoff-Produktion mittels biohybridem, skalierbarem solarbetriebenem Stand-alone System durch CO₂-Fixierung für erneuerbare Energieträger
  

»Design for Recycling« auf Ebene des Werkstoffes (Kreislaufführung)

• Selektive Abtrennung von Schichten/Separation von Werkstoffverbünden:
  • Elektrohydraulische Zerkleinerung (Auftrennung von Verbünden an Materialgrenzflächen)
  • „Bonding-Debonding“ (lokales Erhitzen von beispielsweise Klebstoffen durch magnetischen Partikel (MAGSILICA^®) in einem oszillierenden magnetischen Feld
• Triggerbar abbaubare Silicone

Toxikologische und metabolische Bewertung

• Humane 3D-in-vitro-Testsysteme für Nahrungsmittel (z. B. Futtermittel, Nahrungsergänzungsmittel) und Wirkstoffe (Herbizide/Fungizide/Dünger) hinsichtlich ihrer Interaktion und Verstoffwechselung im Menschen und in Nutztieren

Testsystem neuer Werkstoffe

• Testsysteme von biogenen Wirkstoffen (z. B. anti-mikrobielle Wirkung von Pflanzenfarbstoffen)
• Testsysteme von nicht biogenen Wirkstoffen (Herbizide/Fungizide/Dünger) für die Land-/Forstwirtschaft
  

Toxikologische und metabolische Bewertung

• Humane 3D-in-vitro-Testsysteme für Nahrungsmittel (z. B. Futtermittel, Nahrungsergänzungsmittel) und Wirkstoffe (Herbizide/Fungizide/Dünger) hinsichtlich ihrer Interaktion und Verstoffwechselung im Menschen und in Nutztieren

Testsystem neuer Werkstoffe

• Testsysteme von biogenen Wirkstoffen (z. B. anti-mikrobielle Wirkung von Pflanzenfarbstoffen)
• Testsysteme von nicht biogenen Wirkstoffen (Herbizide/Fungizide/Dünger) für die Land-/Forstwirtschaft

Bio-Analoga (organo)typische Gewebemodelle

• Künstliche dreidimensionale Gewebemodelle für eine „Tierversuchsfreie“ präklinische Risikobetrachtung  und Wirksamkeitstests neuer Produkte aus den Bereichen Pharma, Kosmetik, Ernährung und Chemie (3D-in-vitro-Testsysteme)

Akkreditierte Werkstoffanalytik

• Bioanalytik, Prozessanalytik, Werkstoffanalytik & Werkstoffprüfung, Schadensanalytik
• Artefaktfreie Kryo-Präparation von lebender Materie

Gerätebau

• Spezial-Gerätebau für Kompostierungs-/ Abbaubarkeitstests und andere Testmethoden
  

Wie Plastikverpackungen recyclingfähig werden

Plastik ist ein Material mit vielen positiven Eigenschaften für Verpackungen: Leicht, kostengünstig, bruchfest, langlebig – und wird deshalb in Massen eingesetzt. Ausgediente Plastikverpackungen sind allerdings weltweit zur Umweltbelastung geworden. Für viele Verpackungsarten – z. B. Folienbeutel mit Standboden – ist das Recycling nicht möglich, da in ein und derselben Verpackung verschiedene Kunststoffe als Laminate verbunden sind, um Standfestigkeit, Siegelfähigkeit, Bedruckbarkeit, Feuchtebeständigkeit oder Sauerstoffundurchlässigkeit zu erreichen. Die verschiedenen Plastiksorten des Laminats können in der Regel nicht mehr getrennt werden, aber auch nicht gemeinsam recycelt, da sie chemisch zu unterschiedlich sind.

Das Fraunhofer ISC arbeitet gemeinsam mit drei weiteren Fraunhofer-Instituten an einem neuen Herstellungsverfahren für Plastikfolien auf Polyolefinbasis, um nicht rezyklierbare Folienlaminate zu ersetzen. Kernstücke des Verfahrens sind sortenreine Polyolefine oder Rezyklate, spezielle Additive sowie eine physikalische und nasschemische Nachbehandlung. Dadurch sollen sich die Folieneigenschaften ebenso präzise auf die jeweiligen technischen Anforderungen einstellen lassen wie bei den Folienlaminaten aus gemischten Plastiksorten. Durch die Beschränkung auf eine einzige Plastikart werden diese Folien jedoch vollständig recyclingfähig sein und einen echten Materialkreislauf ermöglichen, also als Rohstoffe für neue Verpackungen dienen können. Das ISC sorgt mit seiner Materialexpertise für die notwendige Barrierewirkung der neuen Foliengeneration gegen Sauerstoff und Feuchte.

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Dr. Sabine Amberg-Schwab freut sich auf Ihre Nachricht.

Wie Plastikverpackungen »bio« werden

Während die Recyclingfähigkeit von polyolefinbasierte Plastikverpackungen auf einen möglichst verlustfreien Wertstoffkreislauf fossiler Ressourcen abzielt, gehen die Entwicklungen des Fraunhofer ISC für biogene Plastikverpackungen noch einen Schritt weiter in Richtung Bioökonomie und Reduktion von fossilen Ressourcen.

Gemeinsam mit vier Partnern aus Industrie und Forschung arbeitet das Fraunhofer ISC an einer neuen Foliengeneration, die auf biogenen, gut verfügbaren Rohstoffen basiert und alle üblichen Anforderungen an eine Lebensmittelverpackung erfüllt. Ausgangspunkt ist biogenes Plastik auf Milchsäurebasis (PLA). Der Grundstoff Milchsäure wird z. B. aus Reststoffen bei der Milchverarbeitung hergestellt. Die bisherigen Nachteile des daraus gewonnenen PLA, wie Feuchteempfindlichkeit, schwierige Verarbeitung und mangelnde Rezyklierbarkeit, sollen durch eine Modifikation bei der Formulierung und die Kombination mit teils biobasiertem bioORMOCER^® beseitigt werden.
Die damit erzielten sortenreinen biogenen Folien sollen vergleichbare technischen Eigenschaften wie gebräuchliche – aber prinzipiell nicht recyclingfähige – Folienlaminate für Lebensmittelverpackungen besitzen, jedoch mit weniger Materialeinsatz auskommen und sich stofflich wiederverwenden lassen. Sie sollen so nicht nur eine ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft ermöglichen, sondern auch die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen durchbrechen. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft im Rahmen des Förderprogramms »Nachwachsende Rohstoffe« finanziert.

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Neuer Materialansatz für Mulchfolien gegen Mikroplastik im Acker

Auf dem Weg zu umweltfreundlicheren Anbaumethoden arbeitet das Fraunhofer ISC in dem von EU und BMBF kofinanzierten Verbundprojekt NewHyPe gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern aus Deutschland, Finnland und Norwegen an der Entwicklung von nachhaltigen Mulchfolien für die Landwirtschaft.

Mulchfolien werden eingesetzt, um die Wachstumsperioden auszudehnen – wie z. B. im Spargelanbau, oder um unerwünschte Beikräuter und damit den Pestizideinsatz zu verringern, aber auch um die Verdunstung zu reduzieren und den Wasserhaushalt des Bodens günstig zu beeinflussen. Eingesetzt werden meist erdölbasierte Kunststofffolien, die letztlich zur Bildung von Mikroplastik im Boden beitragen. Mulchfolien aus Papier sind für die meisten Einsatzzwecke nicht haltbar genug und enthalten außerdem in der Regel ebenfalls erdölbasierte Binder, die den Boden belasten. Ein umweltfreundlicherer Ersatz für die großflächig eingesetzten Folien muss extrem kostengünstig sein und in Massen hergestellt werden können.
Das Fraunhofer ISC und seine Partner im Projekt NewHype setzen dabei auf die Weiterentwicklung bewährter Technologien und günstige nachwachsende Rohstoffe. Als Basis soll Papier aus funktionalisierter Nanocellulose und/oder Lignocellulose aus der Holzwirtschaft mit einem bioabbaubaren und mineralölfreien Binder auf anorganisch-organischer Basis hergestellt werden. Dieses Papier soll an sich bereits stabil genug als Mulchfolie werden. Für längere Kulturzeiten arbeitet das Projektteam auch an einer kostengünstigen bioabbaubaren Funktionsbeschichtung, die das Papier zusätzlich stabilisiert. Der Bereich Beschichtungsentwicklung am Fraunhofer ISC koordiniert das Verbundprojekt und bringt seine langjährige Expertise im Bereich der Funktionalisierung von Nanocellulose bzw. Lignocellulose in Kombination mit hybriden Bindern und der Ausrüstung von Papier gegen Feuchte und andere Einflüsse ein. Gemeinsam mit den Partnern soll so im Rahmen der Bioökonomie-Initiativen von EU und Bundesregierung ein kostengünstiger und nachhaltiger Ersatz für die bisher eingesetzten Mulchfolien auf der Basis nachwachsender Rohstoffe geschaffen werden.

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