Dokument wird geladen
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R G R E N Z F L Ä C H E N - U N D B I O V E R F A H R E N S T E C H N I K I G B JAHRESBERICHT JAHRESBERICHT 2017 | 18
Im 2017 bezogenen »Wassertechnikum« entwickelt und optimiert das Institut Verfahren für die Aufbereitung von Prozesswässern bis in den Pilotmaßstab. Die Demonstrations- und Prototypanlagen stehen auch für Untersuchungen im Kundenauftrag zur Verfügung.
JAHRESBERICHT 2017 | 18
A U S G E W Ä H L T E F O R S C H U N G S E R G E B N I S S E 2017 3 8 G E S U N D H E I T funktionale Knochengewebe und Gefäße von Stammzellen an Titanimplantate für die regenerative Medizin Erkrankungen durch hochparallele molekulare Diagnostik mittels DNA-Microarray 42 Bioprinting – Gedruckte Biomaterialien bilden 46 Albuminbeschichtung beschleunigt Anwachsen 46 Neue bioabbaubare Knochenersatzmaterialien 47 Molekulare Diagnostik der nächsten Generation 48 Identifizierung von Erregern sexuell übertragbarer 49 Steuerung des angeborenen Immunsystems als 49 Identifizierung von Schutzmechanismen der Haut 50 Retina-on-a-Chip – Physiologisches 3D-Modell der 51 Gewinnung von Eicosapentaensäure (EPA) und mithilfe von immunologischen 3D-Gewebe- modellen menschlichen Retina Fucoxanthin aus Mikroalgen Therapiemöglichkeit INHALT 6 V O R W O R T 8 I N T E R V I E W P R O F I L 12 Kurzprofil 13 Kuratorium des Fraunhofer IGB 14 Angebot und Infrastruktur 16 Das Institut in Zahlen 18 Organigramm 20 Vernetzung H I G H L I G H T S 2 0 1 7 22 Projekte 23 Menschen 24 International 26 Messen und Veranstaltungen 28 Nachwuchsförderung K O M P E T E N Z E N 31 Die Fraunhofer-Gesellschaft 32 Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft 32 Molekulare Biotechnologie 33 Physikalische Prozesstechnik 33 Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik 34 Zell- und Tissue Engineering 34 Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat 35 Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechno - logische Prozesse CBP 4
5 2 C H E M I E U N D P R O Z E S S I N D U S T R I E 6 4 U M W E L T U N D E N E R G I E aktive Anstriche funktionalisierung Carbonsäureherstellung Druck von Polyurethanschäumen 56 Kombinierte Oberflächenanalytik 56 Verbesserte Innenraumluft durch photokatalytisch 57 Formulierung reaktiver Tinten – Reaktiver Inkjet- 58 Hydrophobe Proteine zur Oberflächen- 58 Demonstrationsworkshop zur fermentativen 59 Biobasierte Kraftstoffadditive aus Zucker 60 ChitoTex – Insektenbasiertes Chitosan zur 60 Pilotierung eines innovativen Verfahrens zur 61 Ligninbasierte Polyurethane 62 Torrefizierung und Transportkonditionierung von 62 Einstufige Elektrosynthese von Ethen aus CO2 63 Aufreinigung von monoklonalen Antikörpern mit einem neuartigen kontinuierlichen Chromato- graphieverfahren Beschichtung von Textilien Aufbereitung von Raps Holz gewinnung Mikroschadstoffen Reinigung industrieller Abwässer Wasser – Energie – Ernährung – Rohstoffe 68 Unser Beitrag zum Nexus 74 Membranadsorber für die Abtrennung von 74 Mobile modulare Pilotanlage zur biologischen 75 ePhos® – Elektrochemische Phosphorrück- 75 Gülleaufbereitung und Phosphorrückgewinnung 76 Klimafreundliche Faulgasaufbereitungsanlage in 77 Flexibilisierung der Hochlastfaulung vor dem 77 Hochlastfaulung in Erbach (Donau) feierlich 78 Potenzialanalyse zur Erzeugung von Biogas in 79 Ganzheitliche Optimierung der Biogasprozesskette Hintergrund der Energiewende Klärschlammvergärungsanlagen Brasilien eröffnet eingeweiht – GOBi 80 Weitere Daten und Fakten 82 Informationsservice 83 Impressum 5
LIEBE LESERINNEN UND LESER, das Jahr 2017 war ein Jahr großer Veränderungen für das Fraunhofer IGB. Es hatte sich schon zuvor gezeigt, dass unser Institutsteil in Würzburg mehr und mehr die Synergien mit dem Fraunhofer ISC nutzen konnte. Im ersten Quartal haben wir uns deshalb entschlossen, auch den verwaltungstechnischen Teil an das Schwesterinstitut zu übertragen und so die Arbeitsweise in Stuttgart wie auch in Würzburg deutlich zu optimieren. Dazu musste natürlich geklärt werden, welche Aktivitäten im Bereich Tissue Engineering in Stuttgart verbleiben und welche in Würzburg ausgebaut werden. Dies ist geschehen und so hat sich die Integration des Instituts teils Würzburg in das Fraunhofer ISC dann bis Mitte des Jahres erfolgreich umsetzen lassen. Parallel wurde das Berufungsverfahren für die Leitung unseres Instituts und auch des Univer- sitätsinstituts vorangetrieben. Dabei war auf Basis der Kandidaten zunächst unklar, ob wir uns mehr pharmazeutisch oder allgemein verfahrenstechnisch ausrichten werden. Im Oktober fiel dann die Entscheidung, dass Herr Dr. Wolperdinger ab März 2018 das Fraunhofer IGB leiten wird und damit die Aktivitäten in Zielrichtung allgemeiner Verfahrenstechnik und Bioökonomie gestärkt werden. Diese Entwicklung ist auch durch die Inbetriebnahme unserer Technika am Standort Stuttgart im ersten Quartal 2017 sehr gut vorbereitet. Mit diesen Technika konnten wir eine Lücke in unseren Ansätzen zur Skalierung verfahrenstechnischer Prozesse schließen, sodass wir jetzt die Prozessentwicklung bis in den Pilotmaßstab auch in Stuttgart anbieten. Insbesondere unser »Wassertechnikum« gewinnt hier an Bedeutung und trägt mit dazu bei, dass wir unsere Aktivitäten auch in Regionen ausbreiten können, in denen die Wasserpro- blematik heute schon deutlich drängender ist als bei uns. So sind wir dementsprechend in Verhandlungen mit entsprechenden Partnern in Indien und Südafrika; in Chile läuft bereits ein gemeinsames Projekt in diesem Themenfeld. Ebenfalls im Herbst 2017 entschied sich Frau Prof. Schenke-Layland, für die Institutsleitung des Naturwissenschaftlich und Medizinischen Instituts (NMI) in Reutlingen zu kandidieren. Sie wur- de erwartungsgemäß sofort ausgewählt und wird dort zum April 2018 beginnen. Hier stellte sich nun die Frage, inwieweit diese Entwicklungen, die Übergabe unserer Außenstelle in Würz- burg und der Weggang von Frau Prof. Schenke-Layland, das Tissue Engineering bei uns am IGB beeinflussen. Dieser Frage begegnen wir mit einer Fokussierung unserer Themen in Stuttgart. Sicher fallen einige Aktivitäten weg, aber die drei wesentlichen und besonders zukunftsträch- tigen Aktivitäten sind davon nicht berührt und die werden wir sogar noch weiter ausbauen. Dies sind erstens die Aktivitäten zum Thema Organ-on-a-Chip, sprich effektive zellbasierte 6
Testsysteme zur Untersuchung der Wirkung von chemischen Substanzen aus Pharmazie, Kosmetik, Lebensmittelindustrie und Umwelt auf organähnliche Strukturen. Zweitens, die Entwicklung weiterer Testsysteme auf Basis von Zellkompartimenten, wie etwa unser rezeptor- basiertes Pyrogentestsystem. Als dritte Aktivität ist das sogenannte Bioprinting im Themenfeld Biomaterialien zu benennen. Dabei werden durch Druckprozesse dreidimensionale Strukturen erzeugt, die den Zellen eine optimierte Ansiedlung ermöglichen, da sie in weiten Bereichen der extrazelluären Matrix entsprechen. Diese Matrix lässt sich in Einzelfällen als »Tinte« schon mit den Zellen darin direkt verdrucken. Überhaupt stellt die Wechselwirkung von Material und Zellen auch einen entscheidenden Aspekt für die Entwicklung weiterer medizintechnischer Produkte dar, die wir in unserem Leistungszentrum »Mass Personalization« in Stuttgart verfolgen. Im Leistungszentrum, mit dem wir im Oktober 2017 beginnen konnten, werden Verfahren und Prozesse untersucht, mit denen sich personalisierte Produkte in großen Stückzahlen herstellen lassen. Beteiligt sind verschiedene Stuttgarter Universitätsinstitute und auch die weiteren Fraunhofer-Institute am Standort. Inhaltlich geht es dabei um Produkte für die Bereiche Mobilität, Wohnen und Medizintechnik. Ich möchte mich nun bei Ihnen, unseren Kunden und Partnern, für das entgegengebrachte Vertrauen bedanken und freue mich, begonnene Projekte mit Ihnen zum Erfolg zu führen und natürlich auch, gemeinsam mit Ihnen neue Projekte in Angriff zu nehmen. Ich wünsche Ihnen eine spannende Lektüre und hoffe, dass der vorliegende Jahresbericht neue Impulse für eine weitere Kooperation bietet. Ich freue mich auf die Zusammenarbeit und einen regen Austausch mit Ihnen. Christian Oehr (kommissarischer Institutsleiter vom 1.1.2016 bis 31.3.2018) 7
IM GESPRÄCH: MARKUS WOLPERDINGER M it d er B erufung von Dr. Markus Wo lp erding er zum I ns titut sl eiter end et am Fraunhofer I G B eine z weijäh - rige Übergangsphase. Der promovier te Chemiker mit langjähriger Industrieer fahrung ist bereits bestens mit d em I G B ver traut: S eit 2011 war er Mitglie d d e s Kuratoriums und hat te s eit 2014 d e s s en Vor sit z inne. Zum 1. Mär z 2018 übernimmt er die Institut sleitung. Im Inter view erläuter t er seine Motivation und seine Ziele. Herr Dr. Wolperdinger, Sie kennen das Institut schon länger. Welche Verbindungen zum IGB hatten Sie in der Vergangenheit? Ich habe zum Fraunhofer IGB vielfältige Verbindungen, die bis weit vor meine Zeit im Kuratorium zurückreichen. Ich erinnere mich noch gut an meinen ersten Kontakt mit dem IGB vor mehr als 15 Jahren im Rahmen von Gesprächen über Patente, die meine damalige Firma vom IGB lizenzierte. Im Jahr 2006 habe ich Prof. Hirth auf einer Konferenz kennen- gelernt, der damals noch am Fraunhofer ICT in Pfinztal tätig war. In dieser Zeit war ich bei der InfraLeuna GmbH für den Aufbau der industriellen Biotechnologie am Chemiestandort Leuna verantwortlich. Ich suchte einen Partner für ein neues »Prozesszentrum«, das ich in Leuna etablieren wollte. Aus die- sen Gesprächen entwickelte sich eine intensive und sehr frucht- bare Zusammenarbeit mit dem IGB, die ich weitergeführt habe, als ich 2011 zur Engineering Division der Linde AG in Dresden wechselte. Dort war ich zuerst für die Geschäftsentwicklung der Produktlinie Biotechnologieanlagen verantwortlich, kurz darauf habe ich die Leitung der Produktlinie weltweit übernommen. Die Zusammenarbeit mit dem IGB mündete in mehrere För- derprojekte und schließlich in die Zusage des Landes Sachsen- Anhalt, mehrerer Bundesministerien und der Fraunhofer- Gesellschaft, ein Zentrum für »chemisch-biotechnologische Prozesse« zu finanzieren – das heutige Fraunhofer CBP in Leuna. Mit Linde durfte ich den Aufbau des CBP als General- unternehmer für die Anlagentechnik begleiten. 8 Was hat Sie motiviert, die Leitung des Instituts zu übernehmen? Ein wesentlicher Aspekt ist, dass ich das IGB aus den gemein- samen Aktivitäten in der Vergangenheit, meiner Tätigkeit im Kuratorium des Instituts und als Mitglied der Berufungs- kommission für die Nachfolge der Institutsleitung schon gut kenne. Daher weiß ich, welches Potenzial das Institut hat und wie dringend eine neue Leitung benötigt wird. Darüber hinaus habe ich in den vergangenen Jahren bereits viele Mitarbei- terinnen und Mitarbeiter des IGB und seiner Außenstellen kennen und schätzen gelernt. Ich freue mich sehr darauf, mit ihnen gemeinsam die Zukunft des Institutes zu gestalten. Zudem liegt mir das Themenfeld der industriellen Biotechnolo- gie, das am IGB eine bedeutende Rolle spielt, sehr am Herzen. Ich kann aus meinen beruflichen Erfahrungen heraus viel Wissen und vor allem ein weitreichendes Netzwerk einbringen und das Institut damit gut positionieren. Daneben sind auch die anderen Geschäftsfelder des IGB hochspannend und besitzen großes Potenzial, das es zu heben gilt. Schließlich ist die Leitung eines Fraunhofer-Instituts ein Schritt, der mir neue Perspektiven an der Schnittstelle von angewand- ter Forschung und industrieller Umsetzung der Ergebnisse erschließt, die ich so in der Industrie nicht hatte. Daher freue ich mich auf diese neuen Gestaltungsmöglichkeiten und auf die wissenschaftliche Herausforderung der universitären Anbindung.
Welche inhaltlichen Schwerpunkte wollen Sie setzen? Ich sehe es als einen Vorteil, dass das IGB fachlich und the- matisch breit aufgestellt ist. Inhaltlich möchte ich noch nichts vorwegnehmen, denn in den nächsten Wochen will ich mich mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern beraten, um die erfolgversprechendsten Felder herauszuarbeiten. Ganz wichtig ist mir, dass wir die vielfältige Anwendungspa- lette integral aufstellen und miteinander verzahnen. Das heißt, ich will mit den Abteilungen und Institutsteilen eine konkrete Arbeitsteilung definieren, damit das Institut die verschiedenen Dimensionen der Skalierung durchgängig anbieten kann – vom Labor bis zum präindustriellen Maßstab. Hierzu möchte ich das Angebot am Institut in Wertschöpfungsketten und den daraus resultierenden Mehrwert für die Industrie klar he- rausarbeiten. Mein Ziel ist, dass wir zu einem Alleinstellungs- merkmal bei der Entwicklung und Umsetzung von Prozessen kommen, die Mitbewerber so nicht anbieten können. Welche Zukunftsthemen bringen neue Perspektiven? Eine wichtige Aufgabe sehe ich darin, die globalen Heraus- forderungen und die technologischen Zukunftstrends mit der thematischen Aufstellung des IGB in Einklang zu bringen. Als Stichwort sei hier die Digitalisierung genannt und welchen Beitrag das Institut dabei leisten kann. Daneben beschäftigen mich folgende Fragen: Wie können wir die wachsende Welt- bevölkerung mit ausreichend Nahrung und Rohstoffen versor- gen? Wie den Zugang zu sauberem Wasser sicherstellen? Wie dabei nachhaltig produzieren? Am IGB sind wir ja auch schon sehr gut aufgestellt, hier Beiträge zu leisten. Im Bereich Medi- zin und Gesundheit gehört für mich auch dazu, individualisier- te Produkte zu den Kosten eines Massenprodukts herstellen zu können. Mit der Initiative »Mass Personalization«, die wir im Leistungszentrum verfolgen, ist ein wichtiger Schritt getan, dieses Ziel zu erreichen. Vita Berufliche Laufbahn 2012 – 2018 Bereichsleiter Biotechnologieanlagen und Senior Manager öffentliche Fördermittel, Linde AG, Engineering Division & Linde Gas – Dresden, Pullach 2011 – 2012 Leiter Business Development Biotechnologie- anlagen, Linde Engineering Dresden GmbH – Dresden 2006 – 2010 Leiter Ansiedlungsmanagement und strategische Entwicklung industrielle Biotechnologie, InfraLeuna GmbH – Leuna 2000 – 2006 Geschäftsführer Munich Innovative Biomaterials GmbH – Marburg, Leuna 1998 – 2000 Director of Product Development, Innovative Lasers Corporation – Tucson, USA 1995 – 1998 Senior Research Scientist, Innovative Lasers Corporation – Tucson, USA Ausbildung und akademischer Werdegang 1991 – 1995 Promotion im Fachgebiet Physikalische Chemie an der Ludwig-Maximilians-Universität München 1985 – 1991 Studium der Chemie an der Ludwig- Maximilians-Universität München 1979 – 1982 Ausbildung zum staatlich geprüften Chemielaboranten Wo sehen Sie Herausforderungen? Wichtig ist mir, dass wir als Institut eine klare Vorstellung ha- ben, welche konkreten Ziele wir erreichen wollen, in welchen Arbeitsgebieten wir diese Ziele verfolgen und was wir dafür tun müssen. Ich möchte, dass die Mitarbeiterinnen und Mit- arbeiter den Gedanken, dass wir alle an einem Strang ziehen, verinnerlichen, und dass wir gemeinsam und miteinander in eine Richtung gehen. Die Basis dafür ist für mich eine auf wechselseitigem Vertrauen aufbauende Institutskultur. Dies möchte ich gerne erreichen. 9
FRAUNHOFER IGB IM PROFIL 2017 14 12
44 Doktoranden 19 Auszubildende 8 Mitarbeiter mit Lehraufträgen 3 Preise und Auszeichnungen 76 Uni-Mitarbeitende 25 Nationalitäten 14 BoGy-Schüler 120 Studierende 341 Fraunhofer-Mitarbeitende 62,4 % Eigenerträge 47 % Frauenanteil 417 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter 26,8 Mio € Gesamthaushalt 5 Abteilungen 2 Institutsteile 10 Fraunhofer-Allianzen 13,6 Mio € Personalaufwand 10,9 Mio € Sachaufwand 2,3 Mio € Investitionen 2 Fraunhofer-Verbünde 21 Kuratoren
PROFIL INNOVATIONEN AN GRENZFLÄCHEN Da s F ra u n h ofe r I G B e nt w i c ke l t u n d o p t i m i e r t Ve r fa hr e n, A n l a g e n, P ro d u k te u n d Te c hn o l o g i e n i n d e n Geschäf t sfeldern Gesundheit, Chemie und Prozessindustrie sowie Umwelt und Energie. Unseren Kunden bieten wir Forschung und Ent wicklung (FuE) entlang der gesamten stof flichen Wer t schöpfungsket te, er- gänz t durch ein breite s Sp ek trum an A nal y s e - und P rüfl eis tung en. Damit sind w ir ein s t arker Par tner für indus t r i e ll e U nte r n e hm e n und k l e in e o d e r mi t te ls t ändis ch e U nte r n e hm e n unte r s chi e dli chs te r Bran ch e n, für Kommunen und Zweck verbände sowie für die Ver tragsfor schung von EU, Bund und L ändern. Anwendungsorientiert und interdisziplinär Kernkompetenzen Unser Ziel ist es, FuE-Ergebnisse aus Natur- und Ingenieurwis- senschaften direkt in wirtschaftlich attraktive und gleichzeitig nachhaltige Verfahren und Produkte für die industrielle Praxis umzusetzen. Komplettlösungen vom Labor- bis zum Pilotmaß- stab gehören dabei zu den Stärken des Instituts. Der Erfolg neuer Verfahren und Produkte erfordert mehr denn je das interdisziplinäre Zusammenspiel von Naturwis- senschaften und Verfahrenstechnik. Wissenschaftliche und technische Mitarbeitende aus den Gebieten Chemie, Physik, Biologie und Ingenieurwissenschaften arbeiten am Fraunhofer IGB in Stuttgart, den Institutsteilen in Leuna und Straubing sowie unserem Partnerinstitut IGVP an der Universität Stutt- gart erfolgreich zusammen. Dabei eröffnet das konstruktive Zusammenspiel verschiedener Disziplinen in Bereichen wie Medizintechnik, Nanotechnologie, Aufarbeitungs- und Um- welttechnologien neue Ansätze und innovative Lösungen. Abteilungen, Standort Stuttgart Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft Molekulare Biotechnologie Physikalische Prozesstechnik Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik Zell- und Tissue Engineering Institutsteile Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, Institutsteil Leuna Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat, Institutsteil Straubing Motivation Mit unserer Forschung wollen wir dazu beitragen, Lösungen für die drängenden Herausforderungen unserer Gesellschaft zu finden: Die Versorgung einer wachsenden Weltbevölkerung mit Lebensmitteln, Wasser, Rohstoffen und Energie sicherzu- stellen und die medizinische Versorgung mit personalisierten Ansätzen zu verbessern. Ressourceneffiziente und nachhaltige Prozesse, Bioökonomie und Biologisierung sind die Strategien, auf die wir hierbei setzen. 12
KURATORIUM DES FRAUNHOFER IGB Di e Kuratori en d er Fraunhofer- I ns titute s tehen d em Vor s t and d er Fraunhofer- G e s ells chaf t und d er I ns ti - tut sl eitung b eratend zur S eite. I hnen g ehören Per s onen d er W is s ens chaf t , d er W ir t s chaf t und d er öf fent- lichen Hand an. Mitglieder (Stand 31.12.2017) Dr. Susanne Arbogast Dr.-Ing. Bernd Krause Gambro Dialysatoren GmbH MinR Dr. Joachim Wekerle Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg Dr. Gerd Eßwein Freudenberg New Technologies SE & Co. KG MinR Dr. Hans-Jürgen Froese Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) Prof. Dr. Matthias Frosch Medizinische Fakultät, Universität Würzburg MinDirig Dipl.-Ing. Peter Fuhrmann Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg Dr. Jürgen Gross (seit 1. Juli 2017) Robert Bosch GmbH Prof. Dr. Elke Guenther (seit 1. Juli 2017) AIT Austrian Institute of Technology GmbH Dr. Caroline Liepert Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg Dr. Günter Wich Wacker Chemie AG Dr. Christian Naydowski Prof. Dr. Karl-Heinz Wiesmüller EMC microcollections GmbH Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr. h.c. Michael Resch Institut für Höchstleistungsrechnen, Universität Stuttgart Dr. Wieland Wolf ProBioGen AG Prof. Dr. Dr. h.c. Ralf Riedel Fachgebiet »Disperse Feststoffe«, TU Darmstadt Dr. Markus Wolperdinger (Vorsitzender) Linde AG Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht Institut für Feuerungs- und Kraftwerks- technik, Universität Stuttgart Ständige Gäste Prof. Dr. Herwig Brunner (Ehemaliger Institutsleiter) MinDirig Dr. Jörg Wagner Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) Prof. Dr. Dieter Jahn (Vorsitzender des Kuratoriums 1999 bis 2013) 13 13
PROFIL INFRASTRUKTUR UND LEISTUNGSANGEBOT Das Fraunhofer IGB ist For schungs- und Ent wicklungspar tner für Kunden aus der Wir t schaf t und der öf- fentlichen Hand. In unseren Geschäf t sfeldern ent wickeln, realisieren und optimieren wir Ver fahren, Pro - duk te und A nlag en s ow i e neue Te chno l o gi en – von Machbarkeit s s tudi en und er s ten Unter suchung en im L abor über den Technikums- und Pilotmaßstab bis zur Einsat zreife. Ein breites Spek trum an Analyse - und Prüfleistungen begleitet unsere FuE-Arbeit. Qualitätssysteme Seit vielen Jahren garantieren standardisierte Abläufe und Prozesse am Fraunhofer IGB eine zuverlässige und gleichblei- bende Qualität unserer Dienstleistungen und Produkte. Ein leistungsfähiges Qualitätsmanagementsystem stellt sicher, dass ausgewählte Prüfungen nach der internationalen Norm DIN EN ISO / IEC 17025 akkreditiert sind. Unser Qualitätssiche- rungssystem gewährleistet, dass die gesetzlich vorgeschriebe- nen Richtlinien der Guten Laborpraxis (engl. Good Laboratory Practice, GLP) erfüllt werden. Akkreditierter Prüfbereich Die Akkreditierung ausgewählter Prüflabors und Prüfverfahren nach DIN EN ISO / IEC 17025 garantiert, dass auch eigene, am Fraunhofer IGB entwickelte Methoden (Hausverfahren) im erforderlichen Umfang validiert werden. Somit ist die Qualität unserer Prüfungen auch dann gewährleistet, wenn keine genormten Methoden zur Verfügung stehen. Akkreditierte Prüfarten / Prüfverfahren: Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) Ionenchromatographie (IC) Gaschromatographie (GC, GC / MS) Atomemissionsspektrometrie (ICP-AES) Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA / XPS) In-vitro-Prüfung der Zytotoxizität (DIN ISO 10993-5) In-vitro-Prüfung der Phototoxizität Mit unserem Hausverfahren zur Prüfung der Phototoxizität untersuchen wir Lösungen und Substanzen hinsichtlich ihres phototoxischen Potenzials an unserem dreidimensionalen Hautmodell. Die Testmethode ist an die OECD-Richtlinie 432 und das INVITTOX-Protokoll Nr. 121 angelehnt. Gute Laborpraxis – GLP-Prüfeinrichtung In unserer GLP-Prüfeinrichtung führen wir nicht-klinische Sicherheitsprüfungen der Prüfkategorie 9 (»Zellbasierte Testsysteme zur Bestimmung biologischer Parameter«) durch. Beispiele sind Bioaktivitäts-, Zytotoxizitäts- und Immunoge- nitätsprüfungen, das Screening von TLR-Agonisten / Anta- gonisten, die Testung auf antimikrobielle Eigenschaften von Substanzen oder Oberflächen sowie der Nachweis pyrogener und mikrobieller Rückstände. 14
Infrastruktur, Labor- und Geräteausstattung Spitzentechnologien und eine umfangreiche, moderne Gerä- teausstattung sind für unsere wissenschaftliche Arbeit uner- lässlich – davon profitieren auch Sie als unser Kunde. Unsere Labors sind für Arbeiten bis zur biologischen Sicherheitsstufe S2 ausgelegt. Ein 2017 in Betrieb genommener Neubau beherbergt u. a. Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlagen sowie Technika für aseptische Arbeiten (Lebensmittel), für die Auf- bereitung von Prozessabwasser sowie für die Abwasser- und Schlammbehandlung im Pilotmaßstab. Hochauflösende 400-MHz-NMR-Analytik Molekülstrukturaufklärung, Reaktionsverfolgung, Tieftemperaturanalytik Oberflächen- und Partikelanalytik Charakterisierung chemischer, physikalischer und morpho- logischer Eigenschaften von Materialoberflächen, dünnen Schichten, Pulvern und Partikeln Mikrobiologische Bewertung Prüfung der antimikrobiellen Wirkung von Oberflächen ein- schließlich photokatalytischer Eigenschaften Leistungsangebot Verfahrens-, Technologie- und Produktentwicklung Vom Labor- bis zum Technikums- und Pilotmaßstab Bau und Testbetrieb von Demonstrationsanlagen und Prototypen Implementierung neuer Technologien Lizenzierung von Technologien und Verfahren Beratung und Studien Machbarkeitsstudien und Technologieanalysen Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsbetrachtungen Analyse- und Prüfleistungen Unser breites Angebot an biologischen und physikalisch- chemischen Untersuchungsmethoden macht das Institut zu einem vielseitigen Partner in den Bereichen Medizin und Pharmazie, Lebensmittelproduktion und Chemie sowie in der Umwelt- und Wasseranalytik. Biochemische und molekularbiologische Analytik Microarrays für die Diagnostik, Proteinexpressionsprofile, Pro- teinanalytik u. a. mit MALDI-TOF / TOF-Massenspektrometrie (auch quantitativ) Next-Generation-Sequenzierung De-novo-Genom- / Transkriptomsequenzierung, Meta-Genom- und Meta-Transkriptomanalysen, Mikrobiomuntersuchungen, Next-Generation-Diagnostik (Infektionen, COPD etc.) Zellbiologische Analytik Zellcharakterisierung, durchflusszytometrische Analysen, Laser-Scanning-Mikroskopie Zell-Material-Wechselwirkungen Untersuchung der Zytotoxizität / Biokompatibilität von For- schungs- und Industrieprodukten, Beurteilung der Phototoxizi- tät von Substanzen und Lösungen Physikalisch-chemische Analytik Qualitätskontrolle, Lebensmittelanalytik, Spuren-, Rückstands- und Umweltanalytik, Wasseranalytik Weitere Informationen zu unserem Analytik-Leistungsangebot finden Sie unter: www.igb.fraunhofer.de/analytik 15
PROFIL DAS INSTITUT IN ZAHLEN Haushalt Der Gesamthaushalt umfasste im Berichtsjahr ein Volu- men von 26,8 Mio €. Auf den Betriebshaushalt entfi elen 24,5 Mio €, davon 13,6 Mio € auf den Personalaufwand und 10,9 Mio € auf den Sachaufwand. Investitionen wurden in Höhe von 2,3 Mio € getätigt. 62,4 Prozent des Betriebshaushaltes waren eigene Erträge. 32,6 Prozent der Eigenerträge stammen aus Projekten, die unmittelbar für industrielle Auftraggeber abgewickelt wurden. Entwicklung des Gesamthaushalts Herkunft der eigenen Erträge 2017 Mio € 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 6 38,8 % Bund / Länder 32,6 % Industrie / Wirtschaftsverbände 21,2 % EU 7,4 % Sonstige 2013 2014 2015* 2016* 2017** Budget 2018** Personalaufwand Sachaufwand Investitionen inkl. CBP (nach Abschluss der Anschubfi nanzierungsphase) * ** inkl. CBP; ohne TZKME, Institutsteil Würzburg
Personal Am 31. Dezember 2017 waren am Fraunhofer IGB in Stuttgart und seinen Institutsteilen in Straubing, Würzburg und Leuna 341 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter tätig, davon nahezu 90 Prozent im wissenschaftlichen und technischen Bereich. Der Frauenanteil betrug 50 Prozent. 76 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend Wissen- schaftlerinnen und Wissenschaftler, Doktorandinnen und Doktoranden, zudem technisches Personal und studentische Hilfskräfte, zählte das Institut für Grenzflächenverfahrens- technik und Plasmatechnologie IGVP der Universität Stuttgart zum 31. Dezember 2017. Der Frauenanteil am IGVP betrug 32 Prozent. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Fraunhofer IGB, seiner Institutsteile und des IGVP arbeiten eng vernetzt. Be- merkenswert ist auch die kulturelle Vielfalt der Einrichtungen: 26 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter kommen aus 25 verschie- denen Ländern außerhalb Deutschlands. Zahl der Mitarbeitenden zum 31.12.2017 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Technisches Personal Doktorandinnen und Doktoranden Verwaltung / Sekretariate Auszubildende Stipendiatinnen und Stipendiaten Studierende mit Abschlussarbeiten (Master, Bachelor), Praktikanten Studentische / wissenschaftliche Hilfskräfte Entwicklung der Mitarbeiterzahlen l h a z r e t i e b r a t i M 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 365 344 391 394 341 82 84 92 75 76 2013 2014 2015 2016 2017* Fraunhofer IGB IGVP * seit 2017 ohne TZKME, Institutsteil Würzburg Fraunhofer IGB IGVP 82 90 3 31 11 8 48 68 341 16 10 27 5 8 6 – 4 76 17
PROFIL ORGANIGRAMM Institutsleitung (kommissarisch bis 31.3.2018) Institutsleitung (kommissarisch seit 1.3.2018) Stellvertretende Institutsleitung Hon.-Prof. Dr. Christian Oehr Telefon +49 711 970-4137 christian.oehr@igb.fraunhofer.de Dr. Markus Wolperdinger Telefon +49 711 970-4410 markus.wolperdinger@ igb.fraunhofer.de apl. Prof. Dr. Steffen Rupp Telefon +49 711 970-4045 steffen.rupp@igb.fraunhofer.de Verwaltungsleitung Business Development Presse und Öffentlichkeitsarbeit Controlling und Finanzen Dipl.-Kfm. Michael Bangert Telefon +49 711 970-4019 michael.bangert@igb.fraunhofer.de Personal und Organisation Katja Rösslein M. A. Telefon +49 711 970-4009 katja.roesslein@igb.fraunhofer.de Dipl.-Agr.-Biol. Sabine Krieg MBA Telefon +49 711 970-4003 sabine.krieg@igb.fraunhofer.de Dr. Claudia Vorbeck Telefon +49 711 970-4031 claudia.vorbeck@igb.fraunhofer.de Dr. Uwe Vohrer Telefon +49 711 970-4134 uwe.vohrer@igb.fraunhofer.de GRENZFLÄCHENTECHNOLOGIE UND MATERIALWISSENSCHAFT MOLEKULARE BIOTECHNOLOGIE Hon.-Prof. Dr. Christian Oehr Telefon +49 711 970-4137 christian.oehr@igb.fraunhofer.de apl. Prof. Dr. Steffen Rupp Telefon +49 711 970-4045 steffen.rupp@igb.fraunhofer.de Dr. Thomas Schiestel Telefon +49 711 970-4164 thomas.schiestel@igb.fraunhofer.de Dr. Achim Weber Telefon +49 711 970-4022 achim.weber@igb.fraunhofer.de Dr. Anke Burger-Kentischer Telefon +49 711 970-4023 anke.burger-kentischer@ igb.fraunhofer.de Dr. Kai Sohn Telefon +49 711 970-4055 kai.sohn@igb.fraunhofer.de Membranen Partikuläre Systeme und Formulierungen Plasmatechnik und dünne Schichten Polymere Grenzflächen und Biomaterialien Infektionsbiologie und Arraytechnologie Functional Genomics Molekulare Zelltechnologie Industrielle Biotechnologie 1 8
FRAUNHOFER-ZENTRUM FÜR CHEMISCH- BIOTECHNOLOGISCHE PROZESSE CBP, Institutsteil Leuna BIO-, ELEKTRO- UND CHEMOKATALYSE BIOCAT, Institutsteil Straubing Dipl.-Chem. (FH) Gerd Unkelbach Telefon +49 3461 43-9101 gerd.unkelbach@cbp.fraunhofer.de Prof. Dr. Volker Sieber Telefon +49 9421 187-300 volker.sieber@igb.fraunhofer.de Dr. Moritz Leschinsky Telefon +49 3461 43-9102 moritz.leschinsky@cbp.fraunhofer.de Dr. Michael Hofer Telefon +49 9421 187-354 michael.hofer@igb.fraunhofer.de Dr. Daniela Pufky-Heinrich Telefon +49 3461 43-9103 daniela.pufky-heinrich@ cbp.fraunhofer.de Biotechnologische Verfahren Chemische Verfahren Vorbehandlung und Fraktionierung nachwachsender Rohstoffe Biokatalyse – Katalysatordesign und Prozess- entwicklung Chemische Katalyse und Elektrochemie – Katalysatordesign und Prozessentwicklung PHYSIKALISCHE PROZESSTECHNIK UMWELTBIOTECHNOLOGIE UND BIOVERFAHRENSTECHNIK ZELL- UND TISSUE ENGINEERING Dipl.-Ing. Siegfried Egner Telefon +49 711 970-3643 siegfried.egner@igb.fraunhofer.de Dr. Ana Lucía Vásquez-Caicedo Telefon +49 711 970-3669 analucia.vasquez@igb.fraunhofer.de Dr.-Ing. Ursula Schließmann Telefon +49 711 970-4222 ursula.schliessmann@ igb.fraunhofer.de Dr. Iris Trick Telefon +49 711 970-4217 iris.trick@igb.fraunhofer.de In-vitro-Testsysteme Sibylle Thude Telefon +49 711 970-4152 sibylle.thude@igb.fraunhofer.de Attract-Gruppe Jun. Prof. Peter Loskill Telefon +49 711 970-3531 peter.loskill@igb.fraunhofer.de Wärme- und Sorptionssysteme Physikalisch-chemische Wassertechnologien Nährstoffmanagement Aseptische Technologien Prototypenentwicklung Technische Mikrobiologie Bioverfahrenstechnik in der Wasser- und In-vitro-Testsysteme und Implantate Attract-Gruppe »Organ-on-a-Chip« Kreislaufwirtschaft Zentrale Analytik (akkreditiert) 19
PROFIL VERNETZUNG Das Fraunhofer IGB ist aktives Mitglied in zahlreichen nationa - len und internationalen Forschungsnetzwerken. Kooperatio- nen mit verschiedenen Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen sowie die interdisziplinäre Zusam- menarbeit mit anderen Fraunhofer-Instituten ergänzen die eigenen Kompetenzen und ermöglichen es uns, Synergien im Sinne unserer industriellen Kunden zu nutzen. Ebenso treiben wir über unser Netzwerk strategische, wirtschaftliche und nachhaltige Positionen im forschungspolitischen Umfeld voran. Vernetzung mit Universitäten Die Erforschung der Grundlagen ermöglicht die Anwendun- gen von morgen. Daher halten wir am Institut die Kontakte zu den benachbarten Universitäten in Stuttgart und Tübingen so eng wie möglich: über wissenschaftliche Kooperationen ebenso wie über eine Universitätsprofessur oder Lehrbefugnis unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Durch die Einbin- dung unserer Institutsteile in Straubing und Leuna konnten wir unser wissenschaftliches Netzwerk auch auf Standorte außerhalb Stuttgarts und der Region ausdehnen. Das Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plas- matechnologie IGVP an der Universität Stuttgart ist dem Fraunhofer IGB durch zahlreiche Lehrtätigkeiten und einen gemeinsamen Betrieb besonders eng verbunden. Darüber hinaus sind wir mit zahlreichen weiteren Universitäten und Hochschulen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und Kliniken vernetzt. 2 0 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP Das Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasma- technologie IGVP der Universität Stuttgart widmet sich der interdisziplinären sowie fachübergreifenden Forschung und Lehre im Wirkungsfeld von Materialwissenschaften (Materials Science), Lebenswissenschaften (Life Sciences), Verfahrens- technik (Process Engineering) und Plasmatechnologie (Plasma Sciences). Das IGVP gehört zur Fakultät 4 Energie-, Verfah- rens- und Biotechnik und ist in der Forschung in die Abtei- lungen »Grenzflächenverfahrenstechnik« und »Plasma- und Mikrowellentechnik« strukturiert. Dem Institut stehen sowohl auf dem Campus der Universität als auch am Fraunhofer IGB sehr gut ausgestattete Labor- und Technikumsräume zur Ver- fügung. Die enge Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IGB ermöglicht die Durchgängigkeit der Forschung von der Grund- lagenforschung bis zur Anwendung. Das Forschungsbudget 2017 betrug 2,64 Mio €. Ende 2017 arbeiteten 76 Mitarbeite- rinnen und Mitarbeiter, davon 27 Doktorandinnen und Dokto- randen am Institut. 40 Studierende haben ihre Abschlussarbeit (Master- / Bachelor-Arbeit) am IGVP angefertigt. Kontakt Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 31, 70569 Stuttgart Fax +49 711 970-4006 | www.igvp.uni-stuttgart.de apl. Professor Dr. habil. Günter Tovar Institutsleiter (kommissarisch) Telefon +49 711 970-4109 guenter.tovar@igvp.uni-stuttgart.de
Fraunhofer-Verbünde und -Allianzen Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik Fachlich verwandte Fraunhofer-Institute organisieren sich in Verbünden, treten gemeinsam am FuE-Markt auf und wirken in der Fraunhofer-Unternehmenspolitik mit. Institute bzw. Abteilungen mit einander ergänzenden Kompetenzen kooperieren in Fraunhofer-Allianzen, um ein Geschäftsfeld ge- meinsam zu bearbeiten und Lösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu vermarkten. Das Fraunhofer IGB, dem Fraunhofer-Verbund Life Sciences zugeordnet und aufgrund seiner materialwissenschaftlichen Ausrichtung zusätzlich Gast im Verbund MATERIALS, ist auch über die Allianzen bestens in der Fraunhofer-Gesellschaft vernetzt. Fraunhofer-Verbünde Fraunhofer-Verbund Life Sciences www.lifesciences.fraunhofer.de Fraunhofer-Verbund Werkstoffe und Bauteile – MATERIALS (Gast) www.materials.fraunhofer.de Fraunhofer-Allianzen Fraunhofer-Allianz Bau www.bau.fraunhofer.de Fraunhofer-Allianz Big Data www.bigdata.fraunhofer.de Fraunhofer-Allianz Energie www.energie.fraunhofer.de Fraunhofer-Allianz Food Chain Management www.fcm.fraunhofer.de www.allianz-reinigungstechnik.de Fraunhofer-Allianz SysWasser www.syswasser.de Fraunhofer-Allianz Textil www.textil.fraunhofer.de Darüber hinaus forschen Fraunhofer-Institute innerhalb von Fraunhofer-Forschungsprogrammen zusammen. Das IGB ist an den aktuellen Leitprojekten »Seltene Erden« und »Strom als Rohstoff« beteiligt und hat erfolgreich an den im letzten Jahr abgeschlossenen Leitprojekten »Theranostische Implantate« und »E3-Produktion« mitgewirkt. Weitere Informationen zu Netzwerken des IGB: Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung www.igb.fraunhofer.de/netzwerk www.generativ.fraunhofer.de Fraunhofer-Allianz Nanotechnologie www.nano.fraunhofer.de Fraunhofer-Allianz Polymere Oberflächen POLO® www.polo.fraunhofer.de Weitere Informationen zu Netzwerken des CBP: www.cbp.fraunhofer.de/netzwerk 2 1
HIGHLIGHTS 2017 PROJEKTE Stuttgart bekommt Leistungszentrum »Mass Personalization« – Personalisierte Produkte zum günstigen Preis 1 Im Oktober gab Baden-Württembergs Wirtschaftsministerin Nicole Hoffmeister-Kraut den Start des Leistungszentrums als gemeinsame Initiative der Fraunhofer-Institute IPA, IGB, IBP und IAO, der Universität Stuttgart und zahlreicher Indus- triepartner aus der Region bekannt. Das Zentrum erforscht interdisziplinär und branchenübergreifend Methoden, Ver- fahren, Prozesse, Produktsysteme und Geschäftsmodelle zur Herstellung personalisierter Produkte. Das Pilotprojekt »Personalisierte therapeutische Produkte« beschäftigt sich mit Konzepten und der Umsetzung von Qua- litätssicherung, Logistik und Produktionstechnologien in der »Mass Personalization«-Prozesskette. Hier arbeiten IGVP und IGB eng zusammen, um z. B. ein neuartiges Nachweissystem für Mikroorganismen und deren entzündungsauslösende Bestandteile zu entwickeln. Das System soll auf Basis mensch- licher Immunrezeptoren funktionieren und ohne einen zeitlich und apparativ aufwendigen Bluttest auskommen. Weitere Arbeiten fokussieren auf eine schnelle und qualitätsgesicherte Probennahme bei Patienten sowie auf die schnellere tierver- suchsfreie Diagnostik durch Organ-on-a-Chip-Systeme. Das Konzept »Mass Personalization« umschreibt eine Neuausrichtung der Produktentstehung, die vom Aufbau eines ganzheitlichen Nutzerverständnisses bis zur nahtlosen Umsetzung in personalisierten Produkt- und Dienstleistungs- innovationen führen – mit Kosten, die kaum höher sind als die von Massenprodukten. Die Projektlaufzeit beträgt 2,5 Jahre mit einem Gesamtprojektvolumen von 12,5 Mio €. Neben dem Land Baden-Württemberg beteiligt sich auch Fraunhofer mit 2,5 Mio €. Die Prozesskette zur »Mass Personalization« wird in drei Pilotprojekten zu jeweils konkreten Anwendungsszenarien aus den Bedürfnisfeldern Gesundheit, Mobilität und Wohnen bearbeitet. Das Fraunhofer IGB und sein Partnerinstitut IGVP an der Universität sind in zwei dieser Pilotprojekte involviert. Im Themengebiet »Personalisierte biomechanische Assis- tenzsysteme« forschen das IGVP und IGB gemeinsam an neuartigen Implantatmaterialien. Deren Oberflächen sollen mithilfe additiver Fertigungsverfahren wie dem Inkjet-Druck mit funktionalen Eigenschaften ausgestattet werden. 2 2 ZIM-Kooperationsnetzwerk PerFluSan Perfluorierte Tenside – Neue Sanierungsverfahren und Alternativen Im November 2017 nahm das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand geförderte ZIM- Kooperationsnetzwerk »PerFluSan« seine Arbeit auf. Das von ifectis Innovationsförderung koordinierte Netzwerk, das derzeit aus acht KMU und sechs Forschungseinrichtungen besteht, verfolgt zwei zentrale Ziele: Zum einen sollen neue, wirksame Sanierungsverfahren für mit perfluorierten Tensiden (PFT) kontaminierte Böden und Abwässer entwickelt werden. Gleichzeitig sollen Alternativen zu PFT-haltigen Löschmitteln erforscht werden, um den Schadstoffeintrag in die Umwelt zu unterbinden. In der Brandbekämpfung ist man heute noch auf den Einsatz fluorhaltiger Löschmittel angewiesen.
1 MENSCHEN Ivan Tolpe Award für Dr. Jennifer Bilbao Dr. Susanne Bailer erhält Professur an der Universität Stuttgart Mit der Ernennung zur außerplanmäßigen Professorin würdigt die Universität Stuttgart die engagierte Lehr- und Forschungs- arbeit von Dr. Susanne Bailer. Nach ihrer Habilitation an der Universität des Saarlandes im Fachbereich Biochemie und Molekularbiologie und nach einer Zwischenstation an der Ludwig-Maximilians-Universität München kam die Wissen- schaftlerin 2012 als Privatdozentin an die Universität Stuttgart und ans Fraunhofer IGB. An beiden Instituten ist sie seither sehr erfolgreich als Gruppenleiterin tätig. An der Universität Stuttgart lehrt sie vornehmlich in den Themenbereichen Human- und Tierpathogene Viren sowie Infektionsbiologie. Am Fraunhofer IGB widmet sie sich der Entwicklung und Anwendung von Technologien zur Diagnostik von Infekti- onserregern. Ein weiterer Fokus ist das Virus-Engineering zur Entwicklung einer Virus-Immuntherapie von Krebs. Am 9. Februar 2017 erhielt Dr. Jennifer Bilbao den Ivan Tolpe Award für ihre Arbeiten im Rahmen des EU-Verbundprojekts BioEcoSIM. Die Auszeichnung wird alle zwei Jahre vom Flemish Coordination Centre for Manure Processing für richtungweisende Innovationen in der Gülleverarbeitung vergeben. Als BioEcoSIM-Projektkoordinatorin nahm die IGB- Wissenschaftlerin den Preis im belgischen Gent entgegen. Innerhalb des Projekts entwickelten 14 Projektpartner aus vier europäischen Ländern einen neuartigen Prozess zur Herstel- lung von Düngern und Bodenverbesserern aus Gülle. Top-Nachwuchswissenschaftlerin: Auszeichnungen für Dr. Svenja Hinderer 2017 war ein sehr erfolgreiches Jahr für IGB-Wissenschaftlerin Dr. Svenja Hinderer: Für ihre Forschung an einer neuartigen künstlichen Herzklappe wurde die Expertin für Biomaterialien in gleich zwei renommierte Bestenlisten gewählt. Im Juni nahm sie das Innovatorenmagazin »Technology Review« in seine Liste der zehn »Innovatoren unter 35« auf. Mit dieser Auszeichnung würdigt die Zeitschrift herausragende Nach- wuchsforscherinnen und -forscher in den Bereichen Natur-, Ingenieur- und Computerwissenschaften. Die zweite Ehrung erfolgte im November: Das Capital-Magazin wählte Hinderer in seine diesjährige »Top 40 unter 40«. In diese Bestenliste der jungen Elite Deutschlands werden besonders herausragende Talente aus den Bereichen Wirtschaft, Forschung und Gesell- schaft aufgenommen. 2 3
HIGHLIGHTS 2017 1 INTERNATIONAL EU-Projekte Horizont 2020 ist das achte Rahmenprogramm für Forschung und Innovation der Europäischen Union und gleichzeitig das weltweit größte in sich geschlossene Forschungs- und Innovationsprogramm mit fast 80 Mrd € Förderung von 2014 bis 2020. Im Jahr 2017 erhielt das Fraunhofer IGB die Zusage zur Beteiligung an drei H2020-EU-Projekten, darunter auch ein Projekt in Koordination. Darüber hinaus erreichte uns Ende des Jahres 2017 die freudige Nachricht, dass zwei weitere Pro- jektanträge zur Förderung ausgewählt wurden. Die Ergebnisse anderer Projektanträge sind noch ausstehend. Neue Projekte in der Säule I »Wissenschaftsexzellenz« ORCHID Erstmals ist das IGB an einem FET-Open-Projekt beteiligt. Bei ORCHID handelt es sich um eine Koordinierungs- und Unterstützungsmaßnahme, die einen Fahrplan für die Weiter- entwicklung der Organ-on-a-Chip-Technologie erarbeitet. Die sechs beteiligten europäischen Forschungseinrichtungen for- schen mit dem Ziel, eine europäische Infrastruktur aufzubauen, um die koordinierte Entwicklung, Produktion und Implemen- tierung von Organ-on-a-Chip-Systemen zu ermöglichen. IBISBA 1.0 Seit Oktober 2017 entwickelt das Fraunhofer IGB gemeinsam mit 15 weiteren europäischen Partnern ein Konzept für eine paneuropäische Forschungsinfrastruktur mit dem Ziel, zukünf- tig gemeinsam Innovationen im Bereich Industrielle Biotechno- logie und Synthetische Biologie schneller voranzutreiben. Als langfristiges Ziel soll ein sogenannter europäischer »Industrial Biotechnology Innovation and Synthetic Biology Accelerator« definiert und für die erste Nutzung durch ausgewählte Indus- trie kunden bereitgestellt werden. 2 4 1 Neue Projekte in der Säule II »Führende Rolle der Industrie« CO2EXIDE Am 1. Januar 2018 startete das vom Fraunhofer IGB koordi- nierte Projekt »CO2EXIDE – CO2-basierte Elektrosynthese von Ethylenoxid«. Es zielt auf die Entwicklung einer kombinierten elektrochemisch-chemischen Technologie zur Herstellung von Ethylenoxid aus biobasiertem CO2 ab. Abgeschlossene Projekte aus dem 7. Forschungs rahmen programm Im Jahr 2017 konnten einige Projekte des 7. Forschungsrah- menprogramms erfolgreich abgeschlossen werden. Darunter unter anderem das vom Fraunhofer IGB koordinierte Projekt EnReMilk. 2 Ausblick Das Fraunhofer IGB arbeitet intensiv an Projektanträgen für das letzte Arbeitsprogramm von Horizont 2020 und wird sich weiterhin als verlässlicher Partner in einer Vielzahl von EU-Projekten einbringen. Im Jahr 2018 wird zudem das erste Horizont-2020-Projekt SteamBio abgeschlossen. Kontakt Dipl.-Kffr. Jenny Ullrich Telefon +49 711 970-4070 jenny.ullrich@igb.fraunhofer.de Weitere Informationen zu den EU-Projekten des Fraunhofer IGB: www.igb.fraunhofer.de/eu
2 3 Kiwi-Kooperation mit SCION in Neuseeland Zusammen mit dem international renommierten New Zealand Forest Research Institute, kurz SCION, einem von aktuell acht neuseeländischen Crown-Research-Instituten, schaut das Fraunhofer IGB in eine innovative biobasierte Zukunft. Beide Einrichtungen verbindet das Ziel, Forschung und Wissenschaft effektiver und effizienter für Industrie und Gesellschaft zu gestalten. Mit einer Anschubfinanzierung aus dem neusee- ländischen Catalyst Fund wollen beide Institute im Schwer- punkt Holzwirtschaft und -verarbeitung neue Ideen für die Verwertung von Baumrinde in Bioraffinerien erarbeiten und gemeinsame Forschungsvorhaben planen. Vor der Unterzeichnung einer Kooperationsvereinbarung im Frühjahr 2017 fanden mehrere Treffen statt, in denen die Kompetenzen der beteiligten Partner analysiert und erste Ideenkonzepte erstellt wurden. SCION-Vertreter konnten die Kooperation auch dem deutschen Bundespräsidenten Frank- Walter Steinmeier vorstellen, der im Zuge einer Asienreise Neuseeland einen Staatsbesuch abstattete. Indiens Fokus auf sauberes Wasser 3 Mit seinem Projekt »Smart Water Future India« will das Fraun- hofer IGB am Beispiel der südindischen Millionenstadt Coim- batore einen nachhaltigen und intelligenten Lösungsansatz für schnell wachsende Städte erarbeiten. Dabei sollen die kom- plexen Herausforderungen der Stadtentwicklung als Gesamt- konzept bearbeitet und damit schon frühzeitig Konkurrenz um knappe Ressourcen reduziert werden. Ein Projektziel ist die Entwicklung konkreter Handlungsempfehlungen für städtische Entscheider, um dadurch die Situation in Wasserversorgung und Abwasserentsorgung nachhaltig verbessern zu können. Ein weiteres Ziel ist es, deutschen Unternehmen der Wasser- branche den Zugang zum indischen Markt zu ermöglichen und die Weichen für langfristige Partnerschaften zwischen deutschen und indischen Firmen zu stellen. Die Nachhaltigkeit des Projektes soll durch einen »Water Innovation Hub« in Coimbatore gewährleistet werden. Das Projekt wird seit Anfang Oktober durch das deutsche Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BUMB) gefördert. Nachwuchswissenschaftler gehen nach »Down Under« Wissenschaft und Forschung sind international. Dafür war den Nachwuchswissenschaftlern Ilka Mühlemeier und Felix Derwenskus, die beide am IGVP der Universität Stuttgart promovieren, kein Weg zu weit. Beide nutzten ihre Stipendien aus dem Graduiertenprogramm »BBW ForWerts«, Teil des Forschungsprogramms Bioökonomie Baden-Württemberg, zu einem fünfwöchigen Studienaufenthalt an der University of Queensland in Australien. Entsprechend ihrer Forschungs- schwerpunkte besuchten sie verschiedene Forschungsinstitute, wo sie zusammen mit ihren Fachkollegen vor Ort auch Ideen für zukünftige gemeinsame Projekte ausloten konnten. Mühlemeier war zu Gast an der »School of Civil Engineering« und vertiefte dort ihre Expertise der technischen Mikrobiolo- gie durch die Zusammenarbeit mit Dr. James Strong, der an der University of Queensland ebenfalls auf dem Gebiet der methanotrophen Bakterien forscht. Derwenskus besuchte in Brisbane die »School of Agriculture and Food Sciences«. Dort tauschte er sich mit internationalen Kolleginnen und Kollegen in der Arbeitsgruppe für Algenbiotechnologie unter Leitung von Prof. Peer Schenk über die Kultivierung von Mikroalgen aus, mit deren Hilfe sich u. a. chemische Grundstoffe für die Pharma-, Nahrungsmittel-, Futtermittel- und Kosmetikindust- rie herstellen lassen. Kontakt Dipl.-Agr.-Biol. Sabine Krieg MBA Telefon +49 711 970-4003 sabine.krieg@igb.fraunhofer.de 2 5
HIGHLIGHTS 2017 1 MESSEN UND VERANSTALTUNGEN So breit gefächert die Forschungsthemen des Fraunhofer IGB, so vielfältig sind auch die Messen und Veranstaltungen, bei denen sich das Institut präsentiert, um den Technologietrans- fer in die Praxis voranzutreiben. Wir stellen eine Auswahl an Veranstaltungen vor, die das Fraunhofer IGB ausgerichtet oder an denen sich das Institut beteiligt hat. Wissenschaft und Kunst im Dialog: Wasser – Ressource des Lebens Das Wissenschaftsjahr 2016 / 17 stand unter dem Motto »Unsere Meere und Ozeane«. Die Fraunhofer-Gesellschaft griff diesen Leitgedanken auch in der Veranstaltungsreihe »Wissenschaft und Kunst im Dialog« auf. So diskutierten die Teilnehmenden der Veranstaltung am 13. März 2017 in der Fraunhofer-Zentrale in München über das Thema »Wasser – Ressource des Lebens«. Fraunhofer-Wissenschaftler, darunter die IGB-Abteilungsleiterin Dr. Ursula Schließmann, und der Künstler Stefan Wischnewski tauschten sich dabei zu ökologi- schen Aspekten im Umgang mit unseren Weltmeeren aus. Wirtschaft trifft Wissenschaft: Industrielle Prozesswasseraufbereitung und Abwasserreinigung und kombiniert werden. Anhand von praxisnahen Beispielen konnten sie dabei aufzeigen, wie Wasser effizienter und wirt- schaftlicher aufbereitet werden kann. Einweihung Technikumgebäude: Raum für Skalierung in industrienahen Maßstab 1 + 2 Die Skalierung von Prozessen ist für ein verfahrenstechnisch orientiertes Institut wie das IGB ein zentrales Anliegen. Nach mehrjähriger Bauzeit konnten das Fraunhofer IGB und das Fraunhofer IPA zum Jahresbeginn ihr neues gemeinsames Technikumgebäude beziehen. In dem modernen Neubau befinden sich nun Labors und Technika, in denen das IGB in den Bereichen Lebensmittel- und Medizintechnik sowie Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung forscht und entwickelte Verfahren im industrienahen Maßstab darstellen kann. Für den Forschungsstandort Stuttgart stellt Fraunhofer somit weitere wichtige Infrastrukturen bereit, um auch künftig Innovationen für die Region, das Land Baden-Württemberg, Deutschland und Europa voranzutreiben. Nach dem abge- schlossenen Einzug wurde das Gebäude im Sommer mit einem Festakt offiziell eingeweiht. Das Fraunhofer IGB bietet eine breite Palette an Technologien zur Behandlung von chemisch und biologisch belasteten Prozessabwässern aus verschiedensten Industriebereichen an. Im Rahmen der Veranstaltungsreihe »Potenziale – Wirtschaft trifft Wissenschaft« der IHK Region Stuttgart zeigten IGB- Experten am 10. Mai 2017, wie biologische und chemisch- physikalische Verfahren sowie Adsorptions- und Membranpro- zesse für unterschiedliche Anwendungen entwickelt, optimiert 20. Kolloquium zur Abwasser- und Abfallbehandlung »Technologie mit Zukunft« Bereits zum 20. Mal richtete das Fraunhofer IGB im Oktober 2017 sein Kolloquium zur Abwasser- und Abfallbehandlung aus. Unter dem Motto »Technologie mit Zukunft« sprachen hier Experten des IGB und von Forschungspartnern über die neuesten Entwicklungen in der Abwassertechnik, z. B. über Aspekte wie Energieeffizienz von Kläranlagen oder neue 2 6
2 3 Möglichkeiten zur Nutzung des gereinigten Wassers und von entstandenem Biomethan. Insbesondere stand das Trendthe- ma »Wasser 4.0« im Fokus, also das Potenzial der Digitalisie- rung in der Wasserwirtschaft. Aktuelle Messen Wir freuen uns auf Ihren Besuch an unserem Stand. OpenDay bei Schwarzwaldmilch: Energie sparen mit Mikrowellen Zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie hat das Fraunhofer IGB an einer neuen Technologieplattform geforscht, um hochviskose Milchprodukte mittels Mikrowellen vorzuwärmen. Im November 2017 konnte das Konsortium die im Projekt entwickelte Versuchsanlage mit einer Live-Demons- tration Interessenten aus der Lebensmittelindustrie vorführen. Da der Einsatz der Mikrowellentechnologie das Fouling und den Reinigungsaufwand in Pasteurisierungsanlagen deutlich reduziert, können Zeit, Energie, Wasser und Kosten eingespart werden. Die Präsentation erfolgte im Rahmen eines »Open Day« im Offenburger Werk der Schwarzwaldmilch GmbH, die als Projektpartner an der Entwicklung beteiligt war. Phosphor – Ein kritischer Rohstoff mit Zukunft 3 Beim jährlichen Phosphorkongress Baden-Württembergs geht es um die technischen Möglichkeiten und Marktmechanismen für das Recycling von Phosphor aus Abwasser, Klärschlamm und Klärschlammasche. Im November 2017 konnten die Kongressbesucher zudem an einer Fachexkursion an das Fraunhofer IGB teilnehmen. Nach der Präsentation verschie- dener Anlagen und Konzepte zur Abwasserreinigung und Rückgewinnung von Nährstoffen in Stuttgart, besichtigten die Teilnehmer die am IGB entwickelte PhosKa-Pilotanlage zur Phosphor-Rückgewinnung aus Gülle beim Projektpartner im fränkischen Kupferzell. Analytica 10. – 13. April 2018, München Leuna-Dialog 26. April 2018, Leuna IFAT 14. – 18. Mai 2018, München ACHEMA 11. – 15. Juni 2018, Frankfurt am Main PSE 17. – 21. September 2018, Garmisch-Partenkirchen parts2clean 23. – 25. Oktober 2018, Stuttgart formnext 13. – 16. November 2018, Stuttgart Internationale Grüne Woche / nature.tec 18. – 27. Januar 2019, Berlin Energy Storage 12. – 14. März 2019, Düsseldorf Weitere Informationen und aktuelle Veranstaltungen: www.igb.fraunhofer.de/messen 2 7
HIGHLIGHTS 2017 1 NACHWUCHSFÖRDERUNG Fraunhofer for s cht im Auf trag d er Zukunf t. Um die s e s Ziel zu erreichen wollen w ir heute s chon sicher s tel - l en, das s auch in Zukunf t klug e Tal ente ihr W is s en und ihre Fähigkeiten b ei Fraunhofer einbring en. Das Fraunhofer I GB und das Fraunhofer- I ns titut s zentrum Stut tgar t engagieren sich intensiv für die Nachwuchs - förd erung und b oten 2017 w i e d er z ahlreiche Verans t altung en an, um jung e M ens chen für eine K ar ri ere b e i Frau nh ofe r zu b e g e i s te r n. Da s Z i e l i s t , b e i S c hül e r inn e n u n d S c hül e r n s c h o n fr üh e in I nte re s s e fü r M I N T- Fächer (Mathematik, Informatik, Natur wissenschaf t und Technik) zu wecken und Studierenden be - rufliche Per sp ek ti ven in d er ang ewand ten F or s chung zu eröf fnen. Fraunhofer Talent School 1 Girls‘ Day Im März 2017 ermöglichte es die Fraunhofer Talent School Schülerinnen und Schülern ab 15 Jahren, einen intensiven Ein- blick in die Arbeitswelt von Forscherinnen und Forschern bei Fraunhofer zu erhalten. Im Rahmen der Talent School bieten die Stuttgarter Institute jedes Jahr dreitägige Workshops an, in denen sich die Gäste selbst in verschiedenen wissenschaft- lichen Arbeiten versuchen können. Das Hauptaugenmerk liegt dabei stets auf der Praxisnähe. Das Fraunhofer IGB beteiligte sich mit dem Workshop »CSI Stuttgart«: Dabei stellte die Arbeitsgruppe Funktionelle Genomanalysen der Abteilung Molekulare Biotechnologie die Schülerinnen und Schüler vor die Aufgabe, einen spannenden Kriminalfall zu lösen. Mithilfe von Speichelproben der Verdächtigen durften die 10 Teilneh- merinnen und Teilnehmer eine molekulare Charakterisierung durchführen, um einen genetischen Fingerabdruck zu erstel- len, der die Überführung des Täters ermöglicht. www.stuttgart.fraunhofer.de/talents Der Girls‘ Day ist ein bundesweiter Aktionstag, der junge Mädchen und Frauen dazu ermutigen soll, eine Karriere in MINT-Berufen anzustreben, die einst als klassische Männer- domänen galten. Das Bundesministerium für Bildung und For- schung hatte den Girls‘ Day bereits 2001 ins Leben gerufen, um solche Vorurteile zu bekämpfen und Hemmnisse abzubau- en, damit Mädchen ihr eigenes Potenzial erkennen und voll entfalten können. Das Fraunhofer-Institutszentrum Stuttgart hat diese Initiative schon früh unterstützt und lädt seit 2003 Schülerinnen im Alter von 10 bis 16 Jahren auf den Stuttgarter Fraunhofer-Campus ein. Dort öffnen die Institute seither jedes Jahr ihre Labors und Arbeitsräume für die Besucherinnen, um ihnen einen Einblick in die verschiedenen Forschungsgebiete zu gewähren. In diesem Jahr bot das Fraunhofer IGB zwei Führungen zu den Themen »Plasmatechnologie« und »Tissue Engineering – maßgeschneiderte Gewebe aus dem Labor« an. www.stuttgart.fraunhofer.de/girlsday 2 8
2 BOGY – Berufs und Studienorientierung am Gymnasium Kurzpraktika im Rahmen der »Berufsorientierung am Gymna- sium«, kurz BoGy, sollen Schülerinnen und Schülern helfen, einen für sie passenden Berufsweg zu finden. Auch am Fraunhofer-Institutszentrum Stuttgart nehmen die Institute jedes Jahr mehrere BoGy-Praktikanten bei sich auf. Das Ziel ist, junge Menschen schon frühzeitig für eine Karriere in der Wissenschaft zu motivieren. Fraunhofer wendet sich dabei an Schülerinnen und Schüler mit ausgeprägtem Interesse an na- turwissenschaftlichen und technischen Themen. Im Jahr 2017 waren insgesamt 14 Schülerinnen und Schüler für jeweils eine Woche zu Gast am Fraunhofer IGB. www.stuttgart.fraunhofer.de/bogy Bildungspartnerschaft mit Hegel-Gymnasium Wenn es darum geht, junge Menschen schon früh für Berufe in der Wissenschaft zu begeistern, engagiert sich das Fraun- hofer-Institutszentrum Stuttgart auch auf lokaler Ebene. Seit 2015 besteht deswegen eine Bildungspartnerschaft zwischen dem Institutszentrum und dem Hegel-Gymnasium in Stutt- gart-Vaihingen. Mit gemeinsamen Aktionen und Institutsbe- suchen sollen den Schülerinnen und Schülern Berufs- und Kar- riereperspektiven in der anwendungsorientierten Forschung nahegebracht werden. So besuchten am 19. Juli 2017 elf Schülerinnen und Schüler der Klassenstufe 10 das Fraunhofer IGB und nahmen dort an einem praxisorientierten Workshop zum Thema »Nachwachsende Rohstoffe« teil. Fraunhofer Wissenschaftscampus Stuttgart 2 speziell an weibliche Nachwuchskräfte in naturwissenschaftli- chen und technischen Fächern. Die Teilnehmerinnen erhalten tiefe Einblicke in die Forschungsarbeit sowie wertvolle Angebote zur Stärkung ihrer persönlichen und fachlichen Kompetenzen. Neben Vorträgen und Diskussionen standen auch praxisbezogene Workshops auf dem Programm. Am Fraunhofer IGB absolvierten 12 Studentinnen einen eintägigen Workshop zum Thema »Forschungsfeld Gesundheit«. www.fraunhofer.de/wissenschaftscampus Duale Ausbildung am Fraunhofer IGB Neben der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses engagiert sich Fraunhofer auch in hohem Maße für die nicht- universitäre Ausbildung. Deswegen bildet das Fraunhofer IGB junge Frauen und Männer in verschiedenen Ausbildungsbe- rufen aus. Zum Jahresende 2017 waren am Fraunhofer IGB und seinem Partnerinstitut IGVP an der Universität Stuttgart insgesamt 19 Auszubildende beschäftigt. Im wissenschaftli- chen Bereich sind diese als Biologie- und Chemielaboranten tätig, in der Verwaltung entweder als Fachinformatiker oder als Kaufleute für Büromanagement. Im Rahmen ihrer dualen Ausbildung durchlaufen diese Nachwuchskräfte neben der Berufsschule mehrere Stationen am Institut, sodass sie die verschiedenen Arbeitsbereiche einer Forschungseinrichtung kennenlernen können. Auf diese Weise erwerben sie die notwendigen Qualifikationen für eine spätere Karriere in der Forschung oder der Industrie. Auch wenn sich die Auszu- bildenden im Anschluss an ihre Ausbildung für ein Studium entscheiden, werden sie vom Institut darin unterstützt. www.igb.fraunhofer.de/ausbildung Der Fraunhofer Wissenschaftscampus ist eine mehrtägige Informationsveranstaltung für Studentinnen und Absolven- tinnen in MINT-Studienfächern, die jährlich an wechselnden Fraunhofer-Standorten stattfindet. Im September 2017 war Stuttgart an der Reihe. Der Wissenschaftscampus richtet sich Weitere Informationen zu Ausbildung und Nachwuchsförderung: www.igb.fraunhofer.de/karriere 2 9
3 0
KOMPETENZEN DIE FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunhofer- Gesellschaft. Die 1949 gegründete Forschungsorganisation betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsunter- nehmen sowie die öffentliche Hand. Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit 72 Institute und Forschungseinrichtungen. Mehr als 25 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 2,3 Mrd €. Davon fallen knapp 2 Mrd € auf den Leistungsbereich Vertragsforschung. Rund 70 Prozent dieses Leistungsbereichs erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus der Industrie und mit öffentlich finanzierten Forschungsprojekten. Rund 30 Prozent werden von Bund und Ländern als Grundfinanzierung beigesteuert, damit die Institute Problemlösungen entwickeln können, die erst in fünf oder zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden. Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltech- nologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die Wirkung der angewandten Forschung geht über den direkten Nutzen für die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und Ent- wicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbe- werbsfähigkeit der Region, Deutschlands und Europas bei. Sie fördern Innovationen, stärken die technologische Leistungs- fähigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner Technik und sorgen für Aus- und Weiterbildung des dringend benötigten wissenschaftlich-technischen Nachwuchses. Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer- Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persönlichen Entwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten, an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studierenden eröffnen sich aufgrund der praxisnahen Ausbildung und Erfahrung an Fraunhofer-Instituten hervorragende Einstiegs- und Entwicklungschancen in Unternehmen. Internationale Kooperationen mit exzellenten Forschungs- partnern und innovativen Unternehmen weltweit sorgen für einen direkten Zugang zu den wichtigsten gegenwärtigen und zukünftigen Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen. Namensgeber der als gemeinnützig anerkannten Fraunhofer- Gesellschaft ist der Münchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer (1787 – 1826). Er war als Forscher, Erfinder und Unternehmer gleichermaßen erfolgreich. Stand der Zahlen: Januar 2018 www.fraunhofer.de Fraunhofer-Zentrale in München. 3 1
KOMPETENZEN Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft Molekulare Biotechnologie Werkstoffoberflächen oder innere Grenzflächen müssen häufig andere Eigenschaften aufweisen als sie das Material im Volumen besitzt. Die Abteilung bietet Verfahren an, um Ma- terialien aus der Gasphase oder nasschemisch zu beschichten, und entwickelt polymere und anorganische Materialsysteme mit großer Oberfläche wie z. B. Partikel, poröse Membranen, Vliese und Schäume – und Biomaterialien, insbesondere Hydrogele. Für die Kontrolle der Prozessschritte und die Charakterisierung von Materialoberflächen steht eine Vielzahl analytischer Verfahren zur Verfügung. Neben der Qualität der Produkte steht vor allem die Material- und Energieeffizienz der entwickelten Verfahren im Vordergrund. Kompetenzen Abscheidung dünner Mono- oder Multischichten aus der Gasphase (u. a. plasmagestützt) Chemische Modifizierung von Oberflächen (Tauch- beschichtung, Rakeln etc.) Herstellung und Beladung funktionaler Nanopartikel mit- tels Polymerisationstechniken und Sprühtrocknung Phaseninversionsprozesse zur Herstellung polymerer und keramischer Membranen Synthese biokompatibler Polymere, chemische Modifizie- rung von Biomolekülen, Entwicklung von Biomaterialien Analyse von Grenzflächenspannung, -topographie, -adsorption sowie der chemischen Zusammensetzung von Oberflächen Plasma-Prozessdiagnostik Die Biologisierung der Industriegesellschaft ist einer der wich- tigen Trends des 21. Jahrhunderts. Mit neuen Sequenziertech- nologien, Proteomanalysen, der gezielten Veränderung von Organismen aller Art und der Entwicklung enzymatischer oder fermentativer Produktionsverfahren lassen sich neue Prozesse für die Herstellung von Fein- und Grundchemikalien, aber auch für die Entwicklung von Diagnostika und Therapeutika entwickeln. Wir setzen diese neuen Prozesse für die Entwick- lung von Diagnostika in der Infektionsforschung und in der personalisierten Medizin ein, ebenso bei der Entwicklung antimikrobieller Wirkstoffe und für die Herstellung therapeu- tischer Proteine. Im Bereich der industriellen Biotechnologie wandeln wir nachwachsende Rohstoffe mit biotechnischen Prozessen in neue Produkte für die chemische Industrie um. Kompetenzen Molekularbiologische Aufarbeitungen klinischer Proben Diagnostische Microarrays Next-Generation Sequencing (NGS) Bioinformatische Workflows für NGS-Daten Herstellung stabiler Zelllinien und Expressionsstämme Zellbasierte Assays (GLP) und komplexe 3D-Infektions- modelle Virusähnliche Partikel und therapeutische Viren Proteinreinigung und -charakterisierung Stamm- und Enzymscreening Entwicklung und Scale-up von Bioprozessen Kontakt Hon.-Prof. Dr. Christian Oehr Telefon +49 711 970-4137 christian.oehr@igb.fraunhofer.de Kontakt apl. Prof. Dr. Steffen Rupp Telefon +49 711 970-4045 steffen.rupp@igb.fraunhofer.de 3 2
Physikalische Prozesstechnik Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik Die Abteilung Physikalische Prozesstechnik entwickelt verfah- renstechnische Technologien, Prozesse und Prozesskompo- nenten, die auf physikalischen oder physikalisch-chemischen Prinzipien beruhen. Dabei ist es unser Ziel, industrielle Prozes- se gleichermaßen wirtschaftlich und nachhaltig zu gestalten. Dies erreichen wir durch eine Minimierung des Rohstoff- einsatzes und die Rückgewinnung von Wertstoffen in einer den Primärrohstoffen ebenbürtigen Qualität sowie durch die Einsparung und Wiedernutzung von Energie. Unsere Entwick- lungen richten sich einerseits an Hersteller von Prozesskompo- nenten und verfahrenstechnische Anlagenbauer, andererseits an Anwender aus Industriebereichen wie Metallverarbeitung, Lebensmittelindustrie, Biotechnologie oder Wasserwirtschaft. Die Schwerpunkte der Abteilung liegen in der Entwicklung (bio-)verfahrenstechnischer Prozesse entlang der Wertschöp- fungsketten in den Bereichen Wassermanagement, Abwas- serreinigung, Bioenergie, Umwelttechnik, Algentechnologie, Produktgewinnung aus organischen Roh- und Reststoffen sowie der Grenzflächenbiologie. Ausgehend von den verfah- renstechnischen Prozessen werden innovative Ansätze zur Entwicklung von Systemkonzepten für das Energie-, Abfall- und Wassermanagement in Industrie und Kommunen erarbei- tet. Bei der Gestaltung industrieller Prozesse sind für uns vor allem die Aspekte der Ressourcen- und Energieeffizienz sowie integrative Bioraffinerie-Konzepte im Sinne der Bioökonomie von Bedeutung. Kompetenzen Thermo-chemische Wärmespeicherung (adsorptiv und Kompetenzen Prozessentwicklung in Bioreaktoren vom Labor- bis zum absorptiv) Pilot- und technischen Maßstab Verdampfung und Trocknung mit überhitztem Dampf Entwicklung und Betrieb von Demonstrationsanlagen unter Gewinnung volatiler Fraktionen Zellaufschluss und Extraktion mit Hochdrucktechnik Chemisch-physikalische Wasseraufbereitung (mechanisch, (Real labore) für aerobe und anaerobe Abwasserreinigung, Hochlastfaulung, Bioenergie, Algentechnik Analytik der Substrate und Fermentationsprodukte, elektrolytisch, photolytisch) Protein analytik Elektrolytische und photolytische Synthese Elektrophoretische Stofftrennung Primäre / sekundäre Stoffgewinnung Prozesse und Verfahren zur Rückgewinnung von organi- schen und anorganischen Stoffen für die Landwirtschaft Stabilisierung flüssiger Lebensmittel und biogener Produkte Integration der Technologien in kundenspezifische Prozesse Konstruktion, Bau und Betrieb von Demonstratoren Echtzeit-Massenspektrometrie Isolierung und Aufreinigung biotechnisch hergestellter Produkte (Membranverfahren, Prozess-Chromatographie, Flüssig-Flüssig-Extraktion, Extraktion mit überkritischem CO2) Entwicklung und Betrieb von Testapparaturen für anti- mikrobiell ausgerüstete Materialien Bewertung mikrobieller Kontaminationen Prozesssimulation und -automatisierung (Mat-Lab / Siemens-Programmierung) Kontakt Dipl.-Ing. Siegfried Egner Telefon +49 711 970-3643 siegfried.egner@igb.fraunhofer.de Kontakt Dr.-Ing. Ursula Schließmann Telefon +49 711 970-4222 ursula.schliessmann@igb.fraunhofer.de 3 3
KOMPETENZEN Zell- und Tissue Engineering Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat, Institutsteil Straubing Die Abteilung adressiert Fragestellungen im Tissue Engi- neering und in der regenerativen Medizin. Ein Fokus ist, aussagefähige humane Testsysteme als Ersatzmethoden für Tierversuche zu etablieren. So nutzen wir für die Kosmeti- ka- und Wirkstoffentwicklung humane primäre Zellen sowie adulte oder induziert-pluripotente Stammzellen, um 2D- und 3D-In-vitro-Gewebe aufzubauen. Mithilfe mikrofluidischer Systeme bilden wir zudem die kleinste funktionelle Einheit eines Gewebes als Organ-on-a-Chip nach, um sie für das Hochdurchsatz-Screening potenzieller Wirkstoffe weiterzuent- wickeln und zu validieren. Kompetenzen Tissue Engineering mit humanen gewebespezifischen Primär zellen sowie adulten und induziert-pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) zum Aufbau dreidimensionaler Gewebemodelle Patentiertes, humanes 3D-Hautäquivalent Mikrofluidische Organ-on-a-Chip-Systeme Akkreditierte Prüfung der Zytotoxizität nach DIN ISO 10993-5 Akkreditierte Prüfung der Phototoxizität kosmetischer Substanzen Entwicklung und Modifizierung von Biomaterialien (gemeinsam mit Grenzflächentechnologie und Material- wissenschaft) Kontakt In-vitro-Testsysteme Sibylle Thude Telefon +49 711 970-4152 sibylle.thude@igb.fraunhofer.de Attract-Gruppe »Organ-on-a-chip« Jun. Prof. Peter Loskill Telefon +49 711 970-3531 peter.loskill@igb.fraunhofer.de 3 4 Im Institutsteil BioCat stehen die Entwicklung neuer Bio- und chemischer Katalysatoren und deren Anwendung in technisch relevanten synthetischen und elektrochemischen Verfahren im Fokus. Ausgehend von Substraten wie Biomasse, CO2, organischen und anorganischen Reststoff- oder Abfallströ- men nutzen wir das komplette Spektrum der Katalyse, um nachhaltig und ressourcenschonend neue chemische Produkte herzustellen. Daneben erarbeitet BioCat neue katalytische Verfahren zur Herstellung längerkettiger Kohlenwasserstoffe, um Überschussstrom aus der regenerativen Energieerzeugung chemisch speichern und bei Bedarf nutzen zu können. Kompetenzen Chemische (homogene und heterogene) Katalyse, Bio- katalyse (Enzyme, Ganzzellkatalyse), Elektrokatalyse, Katalysatorscreening und organische Synthese Molekularbiologische und technische Optimierung von Enzymen und Enzymreaktionen Analytik von Naturstoffen und chemischen Reaktionen (u. a. hochauflösende NMR, Hochdurchsatz-LC-MS, GC-MS) Kontakt Fraunhofer IGB Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat, Institutsteil Straubing Schulgasse 11a | 94315 Straubing www.biocat.fraunhofer.de Prof. Dr. Volker Sieber Telefon +49 9421 187-300 volker.sieber@igb.fraunhofer.de
Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, Institutsteil Leuna Das Fraunhofer CBP entwickelt und skaliert chemische und biotechnologische Verfahren zur Nutzung nachwachsender und petrochemischer Rohstoffe von der Rohstoffaufbereitung, über verschiedene Konversionsprozesse bis zur Abtrennung und Aufarbeitung der Produkte. Durch die Bereitstellung von Infrastruktur und flexibel einsetzbaren Technikumsanlagen sowie hochqualifiziertem Personal schließt das CBP die Lücke zwischen Labor und industrieller Umsetzung und ermöglicht Partnern aus Forschung und Industrie, Prozesse bis in produk- tionsrelevante Dimensionen zu skalieren und Verfahrensent- wicklungen zu beschleunigen. Kompetenzen Rohstoffaufbereitung – integrierte Pilotanlage für den Aufschluss von Lignocellulosen Biotechnologische Verfahren – modular einsetzbare Prozesskapazitäten zur Lösung verfahrenstechnischer Fragestellungen bis 10 m3 Reaktorvolumen Kultivierung von Mikroalgen in automatisierten Gewächs- haus- und Freilandanlagen mit einem Gesamtvolumen der Photobioreaktoren von 11,7 m3 Chemische Verfahren – kontinuierliche Anlagen mit Durch- sätzen bis 20 kg / h und Batchreaktoren bis 1 m3 auch unter hohen Prozessdrücken oder ATEX-Anforderungen Produktaufarbeitung zur Abtrennung und Aufreinigung der Wertstoffe, z. B. durch Destillation oder Extraktion Kontakt Fraunhofer CBP Am Haupttor | Tor 12, Bau 1251 | 06237 Leuna www.cbp.fraunhofer.de Dipl.-Chem. (FH) Gerd Unkelbach Telefon +49 3461 43-9101 gerd.unkelbach@cbp.fraunhofer.de 3 5
AUSGEWÄHLTE FORSCHUNGSERGEBNISSE 2017
4 Fraunhofer-Leitprojekte 26 Fraunhofer-interne Projekte 55 von Bundesministerien geförderte Projekte 11 von Bundesländern geförderte Projekte 201 Projekte 69Industrieprojekte 10 Projekte mit Universitäten und Kommunen oder von Stiftungen gefördert 26 EU-Projekte
GESUNDHEIT 3 8
Eine schnellere und genauere Diagnostik mit tels molekularbiologischer Ans ät ze, neue Heilungschancen durch di e re g e n e rat i ve M e dizin und indi v idualisi e r te T h e ra p i eans ät ze – unte r and e re m durch e in a b g e - stimmtes Wechselspiel z wischen (biologisier tem) Implantat und physiologischem Umfeld – sind wissen - schaf tliche Trends, die vor dem Hintergrund einer gestiegenen Lebenser war tung an Bedeutung gewinnen. Da m i t e inh e r g e ht d i e N ot w e n d i g ke i t , d i e W ir k s a m ke i t vo n M e d ik a m e nte n zu e r h ö h e n, b e i s p i e l s w e i s e durch o ptimi er te F or muli erung en und di e g ezi elte Freis et zung von W irk s tof fen an ihrem W irkor t. In diesen Themenfeldern erarbeitet das Fraunhofer IGB Lösung en mit dem Ziel, die medizinische Versorgung von Patienten zu verbessern und gleichzeitig Kosten im Gesund- heitswesen senken zu können. Ein Schwerpunkt ist dabei die Entwicklung dreidimensionaler organoider In-vitro-Modelle aus menschlichen Geweben, die bereits in der präklinischen Forschung Aussagen über Wirkung und Nebenwirkung potenzieller Wirkstoffkandidaten erlauben – und Tierversuche ersetzen können. Dem gestiegenen Gesundheitsbewusstsein tragen wir mit neuen produktschonenden Extraktions-, Aufarbeitungs- und Stabilisierungsverfahren für Lebensmittel Rechnung, die sich auch für Kosmetika einsetzen lassen. Darüber hinaus stellen wir Algeninhaltsstoffe mit antioxidativer oder entzündungs- hemmender Wirkung bereit. Technologieplattform Formulierung und Freisetzungssysteme Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von funktio- nellen Inhaltsstoffen oder Wirkstoffen ist der Transport der Substanzen an ihren Zielort, beispielsweise in ein Gewebe oder eine Zelle. Am Fraunhofer IGB entwickeln wir Strukturen, die Stoffe gezielt zum Wirkort transportieren (Drug Delivery) und dort kontrolliert abgeben (Drug Release). Den Wirkstoff formulieren wir beispielsweise in eine Matrix, die aus bioba- sierten, polymeren oder silikatischen Materialien in Form von (Nano-)Partikeln oder Schichten besteht. Hierzu nutzen wir verschiedene Verfahren, wie beispielsweise Sprüh techno lo- gien, Lösungsmittelverdampfung, Emulsionen oder Dispersio- nen. Einen neuen Ansatz zum Verpacken und zum gezielten Transport von Wirkstoffen verfolgen wir mit virusähnlichen Partikeln (Virus-like Particles) als Vehikel. Vernetzung und Kooperation Mit unseren Kompetenzen tragen wir zum Angebot des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences bei, die Wirkstoffentwicklung von ersten Screenings bis zur Herstellung von Prüfmustern abdecken zu können. Als Partner der Fraunhofer- Allianz Food Chain Management leisten wir mit der Entwicklung schonender Verarbeitungsprozesse für Lebens mittel einen Beitrag zur Gesundheitsvorsor- ge. Darüber hinaus sind wir in den Fraunhofer-Allianzen Big Data und Genera- tive Fertigung vernetzt. 3 9
GESUNDHEIT Lebensmittel und Kosmetik Zwischenprodukte der Agrar- und Lebensmittelproduktion enthalten mitunter wertvolle Inhaltsstoffe, die häufig noch un- genutzt bleiben. Um funktionelle Inhaltsstoffe wirtschaftlich und produktschonend abzutrennen, entwickeln wir Verfah- ren zur Extraktion und Fraktionierung mittels Hochdrucktech- nik in Kombination mit der Druckwechseltechnik (PCT) sowie elektrophoretische und mechanische Trennverfahren für die Aufreinigung der Inhaltsstoffe. Für die Produktion von Mikro- algeninhaltsstoffen mit antioxidativen oder entzündungshem- menden Eigenschaften – beispielsweise Omega-3-Fettsäuren (EPA) und Carotinoiden wie Fucoxanthin, Lutein oder Astaxan- thin – entwickeln wir Extraktionsverfahren mit überkritischen Fluiden und Hochdruckflüssigextraktion. Zudem erarbeiten wir neue physikalische Verfahren zur Stabilisierung und Konservie- rung von Lebensmitteln, Kosmetika und Arzneistoffen sowie pflanzlichen Extrakten. Da Verfahren wie die Druckwechsel- technik bei niedrigen Temperaturen arbeiten, wird die biolo- gische Funktion wertvoller Inhaltsstoffe, etwa von Vitaminen, nicht beeinträchtigt. Für die energieeffiziente Trocknung von Lebens- und Futtermitteln mit überhitztem Wasserdampf erar- beiten wir in unseren Demonstrationsanlagen optimierte Ver- fahren. Wirkstoffentwicklung Häufig liegt die Ursache einer Erkrankung in einem fehlerhaf- ten Zusammenspiel körpereigener Moleküle, etwa aufgrund veränderter Rezeptoren oder Enzyme, denen in den zellulären Signalketten oder Stoffwechselwegen eine entscheidende Rolle zukommt. Mit verschiedenen Screening-Systemen, von einfachen zellbasierten Assays bis hin zu komplexen humanen Gewebemodellen mit Komponenten des Immunsystems können wir das Zusammenspiel unterschiedlicher Zelltypen, z. B. bei Autoimmunerkrankungen wie Psoriasis oder Derma- titis, aber auch Wirt-Pathogen-Interaktionen auf molekularer Ebene analysieren, um neue Zielstrukturen für die Entwicklung von Antibiotika oder zur Unterstützung der eigenen Immun- abwehr zu identifizieren. Für die Untersuchung von Wirkung und Nebenwirkungen po- tenzieller Wirkstoffe entwickeln wir dreidimensionale In-vitro- Gewebemodelle und Organ-on-a-Chip-Systeme auf Basis humaner primärer oder iPS-Zellen, die Tierversuche ersetzen und die Aussagekraft präklinischer Resultate erhöhen können. Zudem erarbeiten wir Verfahren zur Herstellung von Pharma- proteinen: von der Etablierung neuer Expressionsvektoren, über die Stammentwicklung bis hin zur Aufreinigung der Pharmazeutika. 4 0
ANGEBOTE FÜR DIE PERSONALISIERTE MEDIZIN Beschichtungen und Biomaterialien für Medizintechnik und regenerative Medizin Bei der Herstellung von Medizinprodukten spielen die Eigenschaften der verwendeten Materi- alien und die Wechselwirkung zwischen Material und biologischem System eine entscheidende Rolle. Das Fraunhofer IGB entwickelt bioaktive, biokompatible oder bioinerte Materialien für den Einsatz in Medizin und Medizintechnik, z. B. für Stents, Katheter und Implantate. Die Bio- kompatibilität der Materialien testen wir mit einem akkreditierten Prüfverfahren nach DIN EN ISO 10993-5. Für Implantate untersuchen wir Zell-Material-Wechselwirkungen und entwickeln Materialien wie elektrogesponnene, bioabbaubare Fasern oder Hydrogele, die zu Biotinten für die additive Fertigung von Gewebemodellen weiterentwickelt werden. Neben biologischen Trägern entwi- ckelt das Fraunhofer IGB auch miniaturisierte Röhrchen – als künstliche Versorgungssysteme für größere Gewebemodelle. Molekulare Diagnostik Die genaue Diagnose einer Erkrankung ist notwendige Grundlage jeder Therapie und Basis für eine personalisierte Medizin. Für einen möglichst eindeutigen Nachweis entwickeln wir am Fraunhofer IGB daher neue, molekularbiologische diagnostische Verfahren – auf Nuklein- säurebasis (diagnostische Microarrays, Nachweisverfahren mittels DNA-Hochdurchsatzse- quenzierung) oder über zelluläre Reportersysteme (Pyrogen-Assay-System). Mithilfe dieser Informationen können Maßnahmen für eine spezifische Behandlung eingeleitet oder personali- sierte Medikamente für unterschiedliche Bevölkerungsgruppen entwickelt werden. Speziell zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten führt die Kombination von Methoden der funktionellen Genomanalyse mit unserer Expertise in der Zellkulturtechnik und der Infektionsbiologie zu einem Alleinstellungsmerkmal in der Entwicklung von Infektionsmodellen und Diagnostika. 41
GESUNDHEIT 1 BIOPRINTING – GEDRUCKTE BIOMATERIALIEN BILDEN FUNKTIONALE KNOCHENGEWEBE UND GEFÄSSE D i e M e dizin d er Zukunf t is t bi o l o gis ch. U m das Ko nze pt bi o l o gis cher I mplant ate und p er s o nalisi er barer T herapi en W irklichkeit werd en zu las s en, o ptimi eren W is s ens chaf tl er am Fraunhofer I G B bi o l o gis che Ma - teriali en für di e Verar b eitung mit 3 D - Druck-Ver fahren Wie das klassische Tissue Engineering verfolgt auch das Bio- printing das Ziel, biologische oder biologisch funktionelle Ge- webe im Labor herzustellen. Die gedruckten In-vitro-Gewebe sollen als Testsysteme Fragen zur Wirksamkeit von Wirkstoff- kandidaten beantworten und damit helfen, Tierversuche zu ersetzen oder in Zukunft als biologische Implantate geschä- digte Gewebe zur Regeneration anregen oder substituieren. Flexible Formen und standardisierte Bedingungen durch additive Herstellung »Um im Labor Gewebe aufzubauen, die ebenso gut funkti- onieren wie ihre natürlichen Vorbilder, benötigen wir neben dem Biomaterial auch Herstellungsprozesse, die uns hin- sichtlich der Formgebung möglichst wenig Grenzen setzen«, erläutert Borchers. »Für die Körperzellen, die wir aus Gewebe isolieren und im La- bor vermehren, müssen wir dazu eine Umgebung schaffen, in der sie ihre spezifischen Funktionen auch über längere Zeit er- füllen können«, schildert Dr. Kirsten Borchers eine der Heraus- forderungen. Die beste künstliche Umgebung für die Zellen ist die, die den natürlichen Bedingungen im Körper möglichst nahekommt. »Die Aufgabe der Gewebematrix übernehmen in unseren gedruckten Geweben daher Biomaterialien, die wir aus den Molekülen der natürlichen Gewebematrix herstellen«, erklärt die Wissenschaftlerin. Damit die Biomaterialien mittels 3D-Druck in Form gebracht werden können, müssen aber auch ihre Fließeigenschaften an die jeweils verwendete Drucktechnik angepasst werden. Nach dem Druckprozess wird die erzeugte Struktur dann zusätzlich durch eine zellverträgliche Vernetzungsreaktion stabilisiert. Die- sen Herausforderungen stellen sich Borchers und ihre Kollegen Prof. Dr. Günter Tovar und Dr. Achim Weber mit ihrem Team. 4 2 »Additive Verfahren bieten diesbezüglich große Flexibilität. Mit ihrer Hilfe lassen sich dreidimensionale Objekte, die zuvor am Computer entworfen wurden, Schicht für Schicht aufbau- en«, so Weber. Die flexible Formgebung ist dabei vor allem in Hinblick auf die Vision, gedruckte biologische Implantate zu fertigen, von Bedeutung. Denn moderne bildgebende Diagno- severfahren, die heute vielfach schon im medizinischen Alltag eingesetzt werden, können genau die digitalen 3D-Daten liefern, die für individualisierte Implantate erforderlich sind. Borchers ergänzt: »Die additive Verarbeitung von Gewebe- matrix und Zellen zu Gewebemodellen bietet aber noch einen weiteren Vorteil. Automatisierung und digitale Steuerung könnten in Zukunft garantieren, dass die Fertigung unter kon- trollierten und standardisierten Bedingungen erfolgen kann«.
80 70 60 50 40 30 20 10 0 a P k n i l u d o m r e h c i e p S 2 d1 d14 d21 d28 *** * * Gelmatrix ohne HAp Standard- medium Gelmatrix ohne HAp Knochen- medium Gelmatrix mit HAp Standard- medium Gelmatrix mit HAp Knochen- medium 3 Auf dem heutigen Stand der Technik werden 3D-Druckver- fahren genutzt, um in einfach aufgebauten Gewebemodellen unterschiedliche Zellen und Biomaterialien sowie Strukturen wie Perfusionskanäle für die Versorgung der Zellen zu kom- binieren. Der Forschungszweig, der sich mit dem Aufbau von biologischen Strukturen mithilfe von additiven Fertigungsver- fahren befasst, wird als Bioprinting bezeichnet. Ein Materialbaukasten mit natürlichen Biopolymeren Typischerweise hat die Gewebematrix die Konsistenz eines stark wasserhaltigen Gels. Im Knochen sind zusätzlich mine- ralische Komponenten eingelagert. Damit liefert die extrazel- luläre Matrix (EZM) die mechanische Stabilität von Geweben. Darüber hinaus ist die Gewebematrix aber auch an der interzellulären Kommunikation beteiligt. Diese umfassenden Funktionen sind nicht einfach durch synthetische Materialien nachzubilden. wasserunlöslich sind. Über das Verhältnis der eingeführten maskierenden Acetyl- und der reaktiven Methacrylfunktionen lassen sich sowohl das Fließverhalten der Lösungen als auch die Quelleigenschaften der vernetzten Hydrogele einstellen. Optimierte Biotinten für biologisch funktionelle Gewebe Die »Biotinte« ist das Biomaterial in seiner unvernetzten, druckbaren Form: Durch gezielte Variation der Zusammenset- zung werden Biotinten für den Druckprozess und gleichzeitig für die Förderung gewebespezifischer Funktionen optimiert. Auf Basis des verfügbaren Materialbaukastens konnte Bor- chers mit ihren Kolleginnen und Kollegen bereits erfolgreich »Knochentinten« und »Vaskularisierungstinten« herstellen. Beide Biotinten sind Dispersionen aus Biomolekülen und ge- webetypischen Zellen, die sich über Dispensierprozesse stabil in eine 3D-Struktur bringen lassen. »Unser Ansatz ist daher, die aus dem Portfolio der Natur rekrutierten Biopolymere für die technische Verarbeitung zu optimieren«, sagt Borchers. Natürliche, biofunktionale Mole- küle der Gewebematrix wie Gelatine, Heparin, Hyaluronsäure und Chondroitinsulfat werden am IGB chemisch mit zusätzli- chen Funktionen versehen. »Durch ›Maskierung‹ bestimmter Seitenketten der Biomoleküle können wir beispielsweise intermolekulare Wechselwirkungen reduzieren und dadurch die Viskosität und das Gelierverhalten von Gelatinelösungen beeinflussen«, erklärt die Wissenschaftlerin. Andererseits kön- nen reaktive Gruppen eingefügt werden, um die Biomoleküle beispielsweise durch einen Lichtstimulus chemisch zu Hydro- gelen zu vernetzen, die unter physiologischen Bedingungen 1 3D-Druck von Knochentinte. 2 Der Zusatz von Hydroxylapatit (HAp) zu Knochen tinte steigert die Remodellierung der Matrix während der Kultivierung von osteogen differenzierten mesenchymalen Stammzellen. 3 Kapillarbildung in Vaskularisierungstinte. 4 3
GESUNDHEIT 4 Knochentinte Die Knochentinte enthält einen Massenanteil von 13 Prozent vernetzbarer Biopolymere und als gewebespezifisches minera- lisches Additiv einen Massenanteil von 5 Prozent Hydroxylapa- tit (HAp). Der Anteil von HAp ist so abgestimmt, dass die Vitalität der eingesetzten mesenchymalen Stammzellen und die Vernetzungsreaktion der Hydrogele nicht beeinträchtigt werden. Der Anstieg der Viskosität der Tinte aufgrund der Zu- gabe des HAp ist durchaus erwünscht. Durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses der verfügbaren Gelatinederivate mit unterschiedlichen Gelierfähigkeiten kann dann beispielsweise eine Geliertemperatur von 21,5 °C eingestellt werden. Die Knochentinte besitzt damit eine exzellente Extrudierbarkeit bei Raumtemperatur (Abb. 1). Im Rahmen von Forschungsarbeiten konnte gezeigt werden, dass nach der Venetzung der Tinte zum Hydrogel die minera- lische Komponente die Remodellierung der Matrix durch die darin enthaltenen Zellen förderte. Die mechanische Festigkeit der Gele erhöhte sich im Verlauf der vierwöchigen Kulti- vierung deutlich stärker, wenn HAp in der Matrix enthalten war, als in Trägergelen ohne HAp (Abb. 2). Raman-spektro- skopische Analysen lassen vermuten, dass der beobachtete Effekt hauptsächlich auf eine zunehmende Mineralisierung der Matrix zurückzuführen ist. Zusätzlich weisen knochenty- pische Markerproteine darauf hin, dass die mesenchymalen Stammzellen in den gedruckten Matrices zu Knochenzellen differenzierten. Vaskularisierungstinte Die Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff über gefäß- artige Strukturen ist vor allem für größere In-vitro-Gewebe wichtig, da Diffusionsvorgänge zu lange dauern. Die Endo- thel zellen, die die Gefäße von innen auskleiden, spielen bei der Neubildung und dem Wachstum neuer Gefäße eine wichtige Rolle. Die Vaskularisierungsmatrix muss andere Eigenschaften auf- weisen als die Knochenmatrix. Sie muss in erster Linie weich und weniger stark vernetzt sein, damit die Endothelzellen migrieren können und Kapillargefäße ausbilden. Die am IGB entwickelte Vaskularisierungstinte enthält daher nur 5,75 Pro- zent Massenanteil vernetzbarer Biopolymere. Diese besitzen zudem einen niedrigen Methacrylierungsgrad und vernetzen somit weniger stark als die Knochentinte. Durch den Zusatz von Gelatinederivaten mit Maskierung können am IGB weiche Vaskularisierungsgele mit hoher Wasseraufnahmekapazität hergestellt werden. Durch Variieren des Anteils unmodifi- zierter Gelatine (welche bereits bei Raumtemperatur geliert), konnte eine Biotinte hergestellt werden, die bei Raumtempe- ratur stabil druckbar ist. Bringt man mikrovaskuläre Endothel- zellen in diese Gele ein, findet die Ausbildung kapillarähnlicher Strukturen statt (Abb. 3). Einzeln oder in Kombination können die Biotinten eingesetzt werden, um vaskularisierte Gewebemodelle aufzubauen (Abb. 4, 5 und 6). 4 4
5 6 UNSER ANGEBOT Am IGB eingesetzte additive Verfahren Inkjet-Druck Pneumatisches und extrusionsbasiertes Dispensieren Biomaterialien mit justierbaren Eigenschaften, z. B. Derivate von Gelatine, Kollagen Hyaluronsäure, Chondroitinsulfat, Heparin Chemische Modifizierungen, z. B. für Quervernetzung mit Methacrylgruppen, Thiol- gruppen, Benzophenone Biopolymere kommen auch im Bereich pharmazeutischer und kosmetischer Formulierungen zum Einsatz. Gelatine als tieri- sches Nebenprodukt hat auch vielfache technische Anwen- dungen. Das Fraunhofer IGB bietet Dienstleistungen in den Bereichen Entwicklung, Beratung und Technologietransfer. www.igb.fraunhofer.de/bioprinting Kontakt Dr. Kirsten Borchers Telefon +49 711 970-4121 kirsten.borchers@igb.fraunhofer.de zur Verminderung physikalischer Wechselwirkungen Zusammenarbeit und Partner mit Acetylgruppen (DE 10 2012 219 691 B4 2015) Das wissenschaftlich anspruchsvolle und herausfordernde Funktionen Einstellbare Viskosität Einstellbares Gelierverhalten Wasserunlösliche Hydrogele mit einstellbarer Festigkeit Wirkstoffspeicher mit einstellbarer Freisetzungskinetik Prozessangepasste Fluideigenschaften Zellverträgliche und gewebespezifische Matrices Analytik, z. B. NMR Rheologie Druckprüfungen unter physiologischen Bedingungen Zytokompatibilität (nach DIN ISO) Pyrogengehalt (zellbasierter Assay) Zellen und Gewebe Primärzellen, z. B. mesenchymale Stammzellen, Knor- pelzellen, Endothelzellen, Hautzellen, reife Fettzellen Expansion, 2D- und 3D-Kultivierung (Immun-)Histologie und Zellkulturassays Durchflusszytometrie zur Charakterisierung von Zellen und -überständen Forschungsfeld Bioprinting bedarf auch implizit der Erforschung grundlegender Fragestellungen. Das IGB arbeitet daher eng mit seinem Partnerinstitut an der Universität Stuttgart, dem Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP, zusammen. Hier betreut Dr. Kirsten Borchers zusammen mit Prof. Dr. Günter Tovar (und bis 2017 auch mit Prof. Dr. Petra Kluger) Doktorarbeiten und studentische Abschlussarbeiten im Bereich Biomaterialentwicklung. Die vorgestellten Ergebnisse sind Teil der Doktorarbeit von Annika Wenz (Stipendium der Carl Zeiss Stiftung) und der Master arbeit von Julia Rogal. 4 3D-Druck von unterschiedlichen Biotinten. 5 Gewebemodell für vaskularisierten Knochen. 6 3D-Druck von Knochentinte in Bioreaktor. 4 5
GESUNDHEIT 1 2 Albuminbasierte Beschichtung beschleunigt Anwachsen von Stammzellen an Titanimplantate Es ist bekannt, dass Albuminbeschichtungen die Adhäsion von Bakterien an Kunststoff- oder Metalloberfl ächen stark redu- zieren. Das Fraunhofer IGB hat nun gezeigt, dass Beschich- tungen aus vernetztem Albumin auch das Anwachsen von Stammzellen an Oberfl ächen aus Ti6Al4V beschleunigen, ei- ner in der Medizintechnik häufi g eingesetzten Titanlegierung. Bereits nach einer Minute adhärierten erste mesenchymale Stammzellen (aus Knochenmarkaspiraten) auf den beschich- teten Oberfl ächen (Abb. 2). An unbeschichtetem Ti6Al4V konnten zu diesem frühen Zeitpunkt keine adhärenten Zellen nachgewiesen werden. Nach 30 Minuten war die Zellzahl auf beiden Oberfl ächen ähnlich, wobei auf vernetztem Albumin häufi g eine deutlich stärkere Spreitung der Zellen und damit eine höhere Oberfl ächenbelegung beobachtet wurde. Der Effekt war robust und wurde sowohl auf Ti6Al4V-Blechen mit unterschiedlichen Rauigkeiten nachgewiesen als auch auf Sub- straten, die additiv mittels Laserschmelzen Ti6Al4V erzeugt wurden. Die vernetzte Albuminschicht konnte mit gängigen Sterilisationsmethoden (Gamma-Strahlung, Elektronenstrahl) ohne Funktionsverlust sterilisiert werden. Nach der Implantation von Prothesen in Knochengewebe können schwere Infektionen auftreten. Sie werden durch Bakterien verursacht, die bereits im Verlauf der Operation an die Implantatoberfl äche gelangen. Die Funktionalisierung der Oberfl äche von Ti6Al4V-Legierun- gen mit vernetztem Albumin kann den vielzitierten »Wettlauf an die Oberfl äche« – den Wettbewerb von Mikroorganismen und Gewebezellen um die Besiedelung von Oberfl ächen – substanziell zugunsten von MSC verschieben. Gerne bringen wir die entwickelten Beschichtungen in weiterführende Studi- en für Medizintechnikunternehmen ein. Die Arbeiten wurden im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Theranostische Implantate« durchgeführt. www.igb.fraunhofer.de/albumin Kontakt Dr. Kirsten Borchers Telefon +49 711 970-4121 kirsten.borchers@igb.fraunhofer.de Neue bioabbaubare Knochenersatzmaterialien für die regenerative Medizin In unserer alternden Gesellschaft leidet eine wachsende Zahl von Patienten an Defekten des Skelettes, z. B. durch Unfall- verletzungen oder Krebserkrankungen. Das Interesse an der Entwicklung neuer Knochenersatzmaterialien ist daher groß. Doch obwohl es bereits möglich ist, die komplexe Struktur des Knochens mit additiven Verfahren nachzustellen, ist es bisher nicht gelungen, die aus Metall oder Polymeren bestehenden Implantatmaterialien so zu modifi zieren, dass sie das Wachs- tum von Knochenzellen fördern. 4 6
I G N A G N E N E B O R P 3 Standardisierte Aufbereitung … … 2. / 3. Generation Sequenzierung … … Bioinformatische Analyse D N U F E B R E H C S N Z D E M I I I Im internationalen, vom BMBF geförderten Projekt Intelbio- comp wurde daher ein neuartiges 3D-Polymer-Knochener- satzmaterial auf der Basis von Polycaprolacton (PCL) entwi- ckelt, welches die Einheilung in den Knochen beschleunigen kann. An der polytechnischen Universität Tomsk, Russland, wurde ein derartiges Trägermaterial mit unterschiedlicher Orientierung der Polycaprolactonfasern hergestellt, um die extrazelluläre Matrix entsprechend der In-vivo-Struktur nach- zubilden. Eine zusätzliche Modifizierung der Oberfläche mit Silicium-Hydroxylapatit soll zudem die Bioaktivität und das Knochenwachstum des neuen Hybridmaterials verbessern. Die Analyse der zelladhäsiven und osteoinduktiven Eigenschaften der neuen Materialien an humanen mesenchymalen Stamm- zellen (engl. human Mesenchymal Stem Cells, hMSC) am Fraunhofer IGB zeigte, dass die Adhäsion und Proliferation von hMSC signifikant durch das neuartige Design des entwickelten Hybridmaterials verbessert werden konnte. Durch die neuartigen Herstellungsverfahren konnten erstmals bioaktive, das Wachstum von Knochenzellen fördernde Ersatz- materialien hergestellt und zudem die Kosten für den individu- ellen Knochenersatz deutlich reduziert werden. Die im Projekt entwickelten zellbasierten Testverfahren zur Bestimmung der Zelladhäsion und der Osteoinduktion stehen nun am Fraunho- fer IGB für Tests verschiedener Knochenersatzmaterialien zur Verfügung. www.igb.fraunhofer.de/intelbiocomp Kontakt Gabriele Vacun Telefon +49 711 970-4027 gabriele.vacun@igb.fraunhofer.de Molekulare Diagnostik der nächsten Generation Die Diagnostik von Infektionskrankheiten beruht überwiegend auf bereits seit über 100 Jahren angewandten mikrobiologi- schen Techniken: der Kultivierung von Krankheitserregern. Von Nachteil hierbei ist, dass das Wachstum der Pathogene ein zeitaufwändiger Prozess ist und sich einige davon gar nicht oder nur unter besonderen Bedingungen kultivieren lassen. Zudem fällt das Ergebnis oft negativ aus, obwohl der Erkran- kung eine Infektion zugrunde liegt. Die Gruppe Funktionelle Genomanalysen entwickelt deshalb mit Kunden und Partnern aus Industrie und Klinik innovative molekulare Verfahren zur Erregerdiagnostik durch Analysen der Erbinformation der Pathogene. Der dreistufige Prozess umfasst die optimale Vorbereitung der Probe, die Hochdurch- satz-Sequenzierung (engl. Next-Generation Sequencing, NGS) und die bioinformatische Auswertung mittels proprietärer diagnostischer Algorithmen. Die neue Technologie umgeht damit langwierige Kultivie- rungsverfahren und macht die Detektion offen für alle Erre- ger: Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten. So wird die Diagno- se nicht nur schneller, sondern auch deutlich zuverlässiger. Die NGS-Daten können zudem nicht nur zur Erregerdiagnostik, sondern auch zur Identifizierung neuer Biomarker verwendet werden. In diesem Bereich verfügt die Arbeitsgruppe Funkti- onelle Genomanalysen über umfassende Erfahrungen in den Indikationen Sepsis, Endokarditis, Fruchtwasserinfektionen, aber auch dem Biomarker-Screening, der Genomcharakterisie- rungen von Krankheitserregern oder Mikrobiomstudien. 1 Hüftimplantat aus Titan. 2 Mesenchymale Stammzellen (rot) auf Albumin- beschichtung (grünlich fluoreszierend) und unbe- schichtetem Ti6Al4V (schwarz) nach einer Minute. 3 Dreistufiger Prozess zur molekularen Infektions diagnostik mittels NGS. 47
GESUNDHEIT 1 Schon jetzt birgt diese Art der Infektionsdiagnostik das Potenzial für einen universellen Einsatz in der Klinik. Mit Se- quenziergeräten der dritten Generation rückt darüber hinaus die Point-of-Care-Sofortdiagnostik in greifbare Nähe, wie wir in erfolgreichen Pilotstudien zeigen konnten. www.igb.fraunhofer.de/infektionsdiagnostik Kontakt Dr. Kai Sohn Telefon +49 711 970-4055 kai.sohn@igb.fraunhofer.de Identifizierung von Erregern sexuell übertragbarer Erkrankungen durch hochparallele molekulare Diagnostik mittels DNA-Microarray Sexuell übertragbare Infektionserkrankungen (engl. Sexually Transmitted Diseases, STDs), wie Gonorrhoe, Syphylis, Chla- mydien und Trichomonaden, sind von zunehmender globaler Bedeutung für die individuelle und reproduktions-assoziierte Gesundheit. Die Entwicklung einer spezifischen STD-Diag- nostik ist integrierter Bestandteil einer von der World Health Organization (WHO) entwickelten Strategie zur Bekämpfung dieser Erkrankungen. Dabei wird der Entwicklung von Point-of-Care-Tests (POCTs), die eine Diagnostik unabhängig von Zentrallaboren in unmittelbarer Nähe der Betroffenen ermöglicht, eine strategische Bedeutung für Therapie und Überwachung beigemessen. 4 8 Die Gruppe Infektionsbiologie und Array-Technologien der Abteilung Molekulare Biotechnologie entwickelt im Auftrag der Immundiagnostik AG Bensheim DNA-basierte Microarrays zur hochparallelen Diagnostik von STDs. Die durch Pilze, Bak- terien, Viren bzw. Protozoen hervorgerufenen Erkrankungen sollen mithilfe des zu entwickelnden Tests hochsensitiv und molekular differenziert und dadurch schnell und adäquat the- rapiert werden. Für die Diagnostik der STDs identifizieren wir zunächst geeignete Target-Regionen der Erreger, entwickeln dann erregerspezifische Primer und amplifizieren zeitgleich die Erreger-Targets mittels Multiplex-PCR (Polymerase Chain Reaction). Nach Aufbringen der Primer auf Träger (Glasträger oder 8-Strip Tube oder Mikrotiter-Platte) stehen letztendlich hochparallele und hochsensitive DNA-Microarrays für den Nachweis der Erreger-Targets zur Verfügung. Dabei ist es das Ziel, eine semi- oder vollautomatische Bearbeitung der Proben zu erreichen – möglichst integriert in einen POCT, um so eine vereinfachte und kostengünstige Diagnostik zu ermöglichen. www.igb.fraunhofer.de/std-diagnostik Kontakt apl. Prof. Dr. Susanne Bailer Telefon +49 711 970-4180 susanne.bailer@igb.fraunhofer.de 1 Parallele Diagnostik von Infektionserregern. 2 Zellbasierter Reportergen-Assay in Zellkulturplatten. 3 Infektion von Hautmodellen mit C. albicans in der Anwesenheit (rechts) und Abwesen heit (links) von Immunzellen.
2 3 Steuerung des angeborenen Immunsystems als Therapiemöglichkeit Rezeptoren des angeborenen Immunsystems wie Toll-like- Rezeptoren (TLR) spielen eine Schlüsselrolle bei der Entste- hung von akuten und chronischen Entzündungskrankheiten des Menschen. Das Indikationsspektrum reicht von Allergien und Tumoren bis hin zu Autoimmunerkrankungen. Unser Ziel ist, neue Wirkstoffe zu entwickeln, die Mechanismen der an- geborenen Immunität modulieren, um sie für die Therapie von entzündlichen Prozessen und dermatologischen Erkrankungen wie Lupus, atopischer Dermatitis oder Psoriasis einzusetzen. In einem gemeinsamen Projekt mit der Hebrew University (HU) wurden bereits erste vielversprechende Ergebnisse zum Einsatz immunmodulatorischer Stoffe für die Behandlung von inflammatorischen Erkrankungen erzielt. Mit computerbasier- ten Methoden identifiziert unser Partner HU neue Agonisten und Antagonisten von angeborenen humanen Immunrezepto- ren, die für die oben genannten Indikationen relevant sind. Für die Validierung der rezeptormodulierenden Eigenschaften der identifizierten Wirkstoffe werden am Fraunhofer IGB patentierte zellbasierte Assays und 3D-Gewebemodelle einge- setzt. Die besten Verbindungen werden weiter im Tiermodell durch Partner validiert. Aus Millionen von Verbindungen wurden hier bereits 200 – 300 Antagonisten verifiziert. Für TLR9 beispielsweise wurden zehn Antagonisten gefunden, die in nanomolaren Konzentrationen wirksam sind. Die komple- mentären Kompetenzen der Partner – das Verfahren zur mole- kularen Modellierung an der HU und die am IGB entwickelten und patentierten zellbasierten TLR-Screening-Assays und 3D-Gewebemodelle – schaffen einen entscheidenden Mehr- wert im Hinblick auf die Erfolgsaussichten des anspruchsvollen Ziels, neue TLR-basierte Immunmodulatoren für die Therapie und Prophylaxe entzündlicher Erkrankungen zu finden. www.igb.fraunhofer.de/jrhdd Kontakt Dr. rer. nat. Anke Burger-Kentischer Telefon +49 711 970-4023 anke.burger-kentischer@igb.fraunhofer.de Identifizierung von Schutzmechanismen der Haut mithilfe von immunologischen 3D-Gewebemodellen Die menschliche Haut bildet eine wichtige Barriere gegen Mikroorganismen wie zum Beispiel den humanpathogenen Hefepilz Candida albicans. Bei der Analyse von Mechanismen der Wirt-Pathogen-Interaktionen, die etwa bei der Adhäsion und Invasion des Pathogens von Bedeutung sind, bieten 3D-Gewebemodelle große Vorteile: Sie stellen die natürliche Infektionsumgebung wesentlich besser nach als die klassische 2D-Zellkultur. Durch die Integration von menschlichen Immunzellen in ein 3D-Hautmodell haben wir ein Testsystem entwickelt, das die Analyse von Abwehrmechanismen gegen eindringende Pathogene ermöglicht. Mithilfe dieses Gewebemodells konn- ten wir bereits dermale Fibroblasten als Zelltyp identifizieren, der eine signifikante Rolle beim Schutz der Haut gegen eine C.-albicans-Invasion spielt. Aufgrund seiner Eigenschaften ermöglicht das Hautmodell umfangreiche zelltypspezifische, molekularbiologische und funktionelle Analysen. Diese zeigten, dass insbesondere der Immunrezeptor TLR2 und der Botenstoff Interleukin-1̀ eine entscheidende Rolle dabei spielen, Fibroblasten in einen antimikrobiellen Status zu versetzen bzw. eine antimikrobielle Antwort auszulösen, und zwar in Abhängigkeit von einer aku- ten Pilzinfektion und der Anwesenheit von CD4-T-Zellen. 4 9
GESUNDHEIT 1 2 Diese Studien wollen wir in Zukunft auf andere Pathogene und Epithelien ausweiten, um einen umfassenderen Auf- schluss über epitheliale Barriere-Funktionen zu erhalten. Dies wird neue Möglichkeiten zur Behandlung von Infektions- und Immunerkrankungen eröffnen, indem Immunmodulatoren gezielt spezifische Signalwege beeinflussen. www.igb.fraunhofer.de/imresfun Kontakt Dr. Andreas Kühbacher Telefon +49 711 970-4133 andreas.kuehbacher@igb.fraunhofer.de Mikrophysiologische In-vitro-Modelle bzw. Organ-on-a-Chip- Systeme (OoC-Systeme) stellen eine neue Technologie dar, die die bisherige Entwicklung von Arzneimitteln revolutionieren kann. Durch die Integration von physiologisch relevantem, menschlichem Gewebe in eine mikrofluidische Umgebung bie- ten OoCs viele Vorteile, wie beispielsweise ein gewebeähnli- ches Mikromilieu und die Vaskularisierung. Das in diesem Pro- jekt entwickelte Retina-on-a-Chip-System (Abb. 1) kombiniert menschliche iPSC-basierte ROs und OoCs und ist damit in der Lage, eine physiologische Interaktion von Photorezeptoren und dem umliegenden retinalen Pigmentepithel zu ermögli- chen (Abb. 2). Diese Interaktion ist entscheidend für die Funk- tionalität der Retina und war bisher in vitro nicht nachweisbar. Der entwickelte Retina-on-a-Chip hat daher großes Potenzial als physiologisch relevantes Testsystem für die Entwicklung und Erprobung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe sowie der Erforschung von Krankheitsursachen. Retina-on-a-Chip – Physiologisches 3D-Modell der menschlichen Retina www.igb.fraunhofer.de/retina-chip Kontakt Jun. Prof. Dr. Peter Loskill Telefon +49 711 970-3531 peter.loskill@igb.fraunhofer.de Degenerative Erkrankungen der Netzhaut (Retina) wie die altersbedingte Makuladegeneration oder Retinitis pigmentosa sind die häufigsten Ursachen für den Verlust des Sehvermö- gens. Bestehende In-vitro- oder In-vivo-Modellsysteme für die Erprobung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe sowie die mechanistische Forschung können den Aufbau und die Kom- plexität der menschlichen Retina nur sehr begrenzt darstellen. Neue Errungenschaften auf dem Gebiet der Stammzellbiolo- gie, insbesondere der induzierten pluripotenten Stammzellen (engl. Induced Pluripotent Stem Cells, iPSC), ermöglichen es, komplexe dreidimensionale Gewebestrukturen nachzubilden. Stammzellbasierte Retina-Organoide (RO) bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen und imitieren dadurch einen großen Teil der Struktur des Retinagewebes. Allerdings sind auch ROs noch stark limitiert, vor allem in Hinblick auf die Interaktion der Photorezeptoren mit dem umliegenden Gewe- be, deren Maturierung sowie der Vaskularisierung. 5 0
3 4 Gewinnung von Eicosapentaensäure (EPA) und Fucoxanthin aus Mikroalgen Die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum ist unter geeigne- ten Kultivierungsbedingungen in der Lage, große Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, beispielsweise Eicosapen- taensäure (EPA, 20:5 ̀-3), sowie photosynthese-assoziierte Pigmente wie Fucoxanthin zu bilden. Beide Inhaltsstoffe besitzen verschiedene gesundheitsfördernde und antioxidative Eigenschaften, weshalb die Gewinnung von entsprechenden Extrakten für die Lebensmittel-, Futtermittel- sowie Kosmetik- industrie von großem Interesse ist. Im Rahmen des Projektes BioÖkonomie Baden-Württemberg wurde die Kieselalge P. tricornutum in Flachplatten-Airlift- Reaktoren (FPA-Reaktoren) im semi-kontinuierlichen Betrieb bei unterschiedlichen Lichtintensitäten kultiviert und der Einfluss der Lichtverfügbarkeit auf die Zusammensetzung der Biomasse hinsichtlich des EPA- und Fucoxanthingehalts unter- sucht. Dabei zeigte insbesondere der Fucoxanthingehalt eine signifikante Abhängigkeit von der relativen Lichtverfügbarkeit, das heißt dem Verhältnis von Lichteintrag (auf der Reaktor- oberfläche) zu Gesamtbiomasse im Reaktor und Zeit (in µmol Photonen g Biotrockenmasse–1 s–1). In Verbindung mit einer optimierten und gesteuerten Nährstoffversorgung konnten im FPA-Reaktor Fucoxanthingehalte von über 2 Prozent (w / w) erreicht werden. Sowohl EPA als auch Fucoxanthin konnten nach mechanischem Zellaufschluss mittels subkritischer Hoch- druckextraktion durch Einsatz geeigneter organischer Löse- mittel mit Ausbeuten von über 90 Prozent gewonnen werden (Abb. 4). Die Extrakte wurden hinsichtlich ihrer ernährungs- physiologischen Eigenschaften am Institut für Ernährungswis- senschaften der Universität Hohenheim untersucht und zeigen eine hohe antioxidative sowie antiinflammatorische Kapazität. Mit den gewonnenen Extrakten stehen der Lebensmittel-, Futter mittel- sowie Kosmetikindustrie natürliche Extrakte mit gesundheitsfördernden Eigenschaften zur Verfügung, welche nun in entsprechende Produkte weiterverarbeitet werden können. www.igb.fraunhofer.de/algen-ernaehrung Kontakt Dr. Ulrike Schmid-Staiger Telefon +49 711 970-4111 ulrike.schmid-staiger@igb.fraunhofer.de 1 Retina-on-a-Chip. 2 Interaktion von Photorezeptoren des Retina- Organoids mit retinalem Pigmentepithel. 3 Mikroskopaufnahme der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum. 4 Aufgereinigtes Fucoxanthin als Pulver. 51
CHEMIE UND PROZESS- INDUSTRIE
Di e chemis che I ndus tri e g ehör t zu d en b e d eutends ten und for s chungsintensi v s ten Branchen in D eut s ch - land. Viele Innovationen in der Automobil -, Elek tro - und Elek tronikindustrie, Bauwir t schaf t oder Verpa - c ku n g s te c hnik wä re n o hn e d e n B e i t ra g d e r Ch e m i e ni c ht m ö g li c h. Da b e i i s t d i e Ch e m i e - u n d P roze s s - indus tri e, m ehr als all e and eren Branchen, g ekennzeichnet durch rohs tof f- und energi eintensi ve P roze s s e. Die Abhängigkeit vom Import der Rohstoffe, die Begrenztheit der fossilen Ressourcen weltweit – auch im Wettbewerb mit der energetischen Nutzung – und die Notwendigkeit, Aus- wirkungen auf das Klima und die Umwelt zu berücksichtigen, rücken deshalb auch in unseren Arbeiten Ansätze in den Vordergrund, fossile Ressourcen besser zu nutzen oder zu substituieren. Technologieplattform Aufarbeitungstechnologien Eine Schlüsselaufgabe bei vielen Prozessen in Chemie und Biotechnologie ist die Abtrennung von Molekülen aus Gemi- schen. Das Fraunhofer IGB hat eine breite Palette verschie- denster Trennverfahren etabliert und verfügt über entspre- chende Anlagen sowohl im Labor- als auch im Pilotmaßstab. Membran- und Adsorptionsverfahren, elektrophysikalische und thermische Verfahren, aber auch Kristallisations-, Extrak- tions- und Chromatographieverfahren werden im Rahmen eigener Forschungsarbeiten ständig weiterentwickelt und für verschiedene Anwendungen optimiert. Ein Alleinstellungs- merkmal ist, die Verfahren flexibel zu kombinieren und unter dem Gesichtspunkt der Ressourceneffizienz in Prozessketten zu integrieren. Vernetzung und Kooperation Unsere ausgeprägte Vernetzung mit anderen Instituten der Fraunhofer- Verbünde Life Sciences und Werkstoffe, Bauteile – MATERIALS sowie der Fraunhofer-Allianzen Nanotechnologie, Textil, Polymere Oberflächen POLO® und Reinigungstechnik, zu Universitäten und anderen Forschungseinrich- tungen ist ein Garant für die kompetente Bearbeitung auch interdisziplinärer Fragestellungen. 5 3
CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE ANGEBOTE FÜR DIE BIOÖKONOMIE Fermentation und Biokatalyse Unsere Arbeiten zielen auf die Entwicklung und Optimierung biotechnologischer (fermentativer oder biokatalytischer) Prozesse zur Herstellung von Chemikalien aus nachwachsenden Rohstof- fen oder biogenen Reststoffen. Diese bieten neben milden Reaktionsbedingungen und hoher Spezifität eine nahezu unerschöpfliche Produktvielfalt. Optimierte Transformationsprozesse erreichen wir auch durch die Kopplung mit chemischen Prozessen. Unser Leistungsspektrum umfasst das Screening nach neuen Chemokatalysatoren, industriell nutzbaren Enzymen und Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) sowie die Entwicklung von Produktionsverfahren für Fein- und Basischemikalien inkl. des Scale-ups und der Produktaufarbeitung. Biobasierte Chemikalien Aus verschiedenen Rohstoffen untersuchen wir die Herstellung von Drop-in- und Basischemi- kalien als Intermediate ebenso wie von Feinchemikalien und Spezialitäten. Fermentations- und Aufarbeitungsverfahren wurden am Fraunhofer IGB beispielsweise für C2-Verbindungen (Ethylen, Essigsäure, Ethanol), C3-Verbindungen (Propen, Propanol, Propandiol, Propionsäure, Milchsäure), Dicarbonsäuren (Äpfelsäure, Itaconsäure, Furandicarbonsäure) sowie für Amino- säuren oder Proteine (Thaumatin, Bacteriorhodopsin) erfolgreich bearbeitet. Ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen, Algenlipiden oder biogenen Reststoffen konnten wir neue Wege zur Herstellung von Grundstoffen für die Kunststoffindustrie (langkettige Dicarbonsäuren, Tri- glycerid- und Fettsäureepoxide, Lactame) aufzeigen. Weitere Beispiele sind Aromaten, Lignine, Phenole und Furane sowie Extraktstoffe und deren Derivate (Terpene, Phytosterol, Campher und gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Olefine und langkettige Alkane. Ausgewiesene Expertise besitzen wir in der mikrobiellen Herstellung von Biotensiden für An- wendungen als Detergenzien, Emulgatoren und Wirkstoffe in Kosmetik und Pflanzenschutz. Bioraffinerie-Konzepte Ein nachhaltiger Ansatz für die Herstellung chemischer Produkte ist die möglichst vollständige Verwertung von Biomasse nach dem Prinzip einer Bioraffinerie. Verschiedene land- und forst- wirtschaftliche Reststoffe (Stroh, Holzabfälle) sowie organische Reststoffe unterschiedlicher Industriezweige (Molke, Krabbenschalen und Insektenpanzer, Terpene) konnten wir bereits erfolgreich als Rohstoffquelle erschließen und durch fermentative oder biokatalytische und kombinierte chemische Prozesse zu Basischemikalien umsetzen, die weiter zu Feinchemikalien oder Biopolymeren aufgearbeitet werden. Die parallele oder anschließende energetische Nut- zung der Restbiomasse schließt den Kreislauf und erhöht den Gesamtwirkungsgrad. 5 4
Funktionale Oberflächen und Materialien Für die Oberflächen vieler Werkstoffe, z. B. industrieller Bautei- le oder technischer Textilien, sind häufig andere Eigenschaften erwünscht, als sie das Material im Volumen besitzt. Am Fraun- hofer IGB entkoppeln wir die Volumen- von den Oberfläche- neigenschaften durch Grenzflächenverfahrenstechnik. Ober- flächen von Kunststoffen, Keramiken oder Metallen verleihen wir neue Eigenschaften, indem wir dünne Schichten auftragen oder definierte Funktionen an Oberflächen erzeugen. Hierzu setzen wir Gasphasenprozesse (CVD, PVD, PECVD), nassche- mische Verfahren oder kombinierte Verfahren ein. Für offen- porige polymere Schäume mit funktionellen Gruppen haben wir eine einstufige Synthesestrategie entwickelt. Elektrochemische Umwandlung Mit der Energiewende und dem Ausbau der regenerativen dezentralen Stromerzeugung steht zukünftig – witterungsab- hängig – kostengünstiger Strom zur Verfügung. Wird dieser fluktuierend anfallende Überschussstrom flexibel für elekt- rochemische Reaktionen genutzt, können Basischemikalien nachhaltig hergestellt werden. Hierfür entwickeln wir Kata- lysatoren und geeignete Elektroden, Elektrolyse-Verfahren und Apparate. Im Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« entwickelt das Fraunhofer IGB ein einstufiges Verfahren, um Ethen elektrochemisch in nur einem Verfahrensschritt herzustellen. Eine Elektrolysezelle, in der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasserstoffperoxid herstel- len lässt, ist bereits als Prototyp am Fraunhofer IGB verfügbar. In verschiedenen weiteren Projekten nutzen wir regenerativ erzeugten Strom, um atmosphärisches CO2 zu binden und zu Chemikalien umzuwandeln. 5 5
CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE n e t i e h n E i e d n e d l i i b e n o o K l A. brasiliensis ohne Licht mit Licht 104 103 102 101 100 1 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Zeit in h Kombinierte Oberfl ächenanalytik www.igb.fraunhofer.de/esca Kontakt Dr. Jakob Barz Telefon +49 711 970-4114 jakob.barz@igb.fraunhofer.de Verbesserte Innenraumluft durch photokatalytisch aktive Anstriche Die Gesundheit und unser Wohlbefi nden werden in Innen- räumen negativ durch anwesende Schadstoffe beeinfl usst. Schadstoffe sind beispielsweise ausgasende Verbindungen aus Möbeln und Teppichen, oder eine Belastung der Atemluft mit Sporen aus vorhandenem Schimmel. Schadstoffabbauende Farben für Außenanwendungen sind bereits mit Titandioxid als aktivem Material etabliert, eine Herausforderung ist je- doch, diese Wirkung auch mit normaler Raumbeleuchtung zu erzielen. Im Rahmen des EU-Projektes OSIRYS hat das Fraunhofer IGB in Kooperation mit der Firma SICC GmbH eine photokataly- tisch aktive Innenraumfarbe entwickelt. Die Wirkung beruht auf der Bildung aktiver Sauerstoff-Spezies bei Bestrahlung mit Licht, die organische Verbindungen chemisch angreifen. Das Fraunhofer IGB hat hierbei die photokatalytische Aktivität verschiedener kommerziell erhältlicher Materialien unter an- wendungsrelevanten Bedingungen untersucht. Dabei wurde die Wirkung gegen organische Verbindungen und Mikroorga- nismen bewertet. Selbst bei rein mechanischen Funktionsbauteilen stellt sich die Frage, wie diese am besten verklebt, vor Korrosion geschützt oder dekorativ beschichtet werden können. Da alle Herstel- lungsschritte an der Oberfl äche eines Bauteils Spuren hinter- lassen, z. B. Rückstände von Trennmitteln partiell oder fl ächig anhaften, hilft die Analyse der Oberfl äche bei der Suche nach geeigneten Ausrüstungsverfahren. Auch bei etablierten Ver- fahren können Probleme wie versagende Verklebungen, sich ablösende Beschichtungen, mangelnde elektrische Leitfähig- keit u. v. m. auftreten. Oberfl ächenanalytik kann die Ursachen aufdecken, um die Fehlerquelle zu beseitigen. Während der Untersuchung einer Oberfl äche stellt man häufi g fest, dass die gewählte Analysemethode nur einen Teil der benötigten Informationen liefert und eine weitere Mess- methode zielführend wäre. Standardmäßig müsste nun die Probe ausgebaut und der anderen Messmethode zugeführt werden – und dabei die zuvor untersuchte Messstelle wieder- gefunden werden. Am Fraunhofer IGB steht nun ein ESCA (Elektronenspektro- skopie zur chemischen Analyse mit Kratos Axis Supra, auch XPS) zur Verfügung, mit dem wir dieses Problem umgehen, da eine Probe mit mehreren integrierten Geräten analysiert werden kann. So wurde das Gerät individuell erweitert und beinhaltet zusätzlich zu einem XPS der neusten Generation REM-EDX (Rasterelektronenmikroskop mit Röntgenmikroana- lyse) und ein AES (Augerelektronenspektroskop). Auch ein ISS (Ion Scattering Spectroscopy zur Wasserstoffdetektion) ist vorhanden und liefert insbesondere bei Polymeroberfl ächen die wichtige Information des Wasserstoffgehalts an der Oberfl äche. Das Gerät verfügt zudem über eine Argonionen- Cluster-Quelle zur Anfertigung von Tiefenprofi len. So gerüstet können auch komplexe Schichtaufbauten oder Schadstellen mit hoher Ortsaufl ösung untersucht werden. Die Methoden können natürlich auch einzeln angewendet werden. 5 6
3 4 Mit dem aktivsten TiO2-Material wurde von der Firma SICC eine Anstrichfarbe formuliert. Dieses Coating für Innenräume zeigt mit Norm-Büroleuchten eine hohe Aktivität gegen Mikroorganismen, beispielsweise Sarcina lutea und Aspergillus brasiliensis, dem Verursacher des schwarzen Schimmels. Bei Aspergillus brasiliensis konnte nach 3 Tagen Belichtung eine Reduktion der koloniebildenden Einheiten (KBE) von 10 000 auf 10 und nach 7 Tagen auf Null erzielt werden. Ohne Licht fand keine Bakterienreduktion statt. Ähnliche Werte wurden für Sarcina lutea erhalten. Ein kommerzieller Vertrieb soll über die SICC GmbH erfolgen. www.igb.fraunhofer.de/osirys Kontakt Dr. Michaela Müller Telefon +49 711 970-4140 michaela.mueller@igb.fraunhofer.de Die Kombination von Inkjet-Druck und bekannter Polyurethan- chemie hat ein hohes Potenzial für die zukünftige Herstellung von Funktionsmaterialien. Derzeit konzentrieren wir uns auf die Herstellung von Polyurethanschaumstoffen mittels Zwei-Komponenten-Reaktiv-Inkjet-Druck. Dabei werden zwei Tinten (isocyanatfunktionale und beispielsweise hydroxyfunk- tionale Tinte), die jeweils eine reaktive Komponente enthalten, getrennt in einem Verfahren schichtweise gedruckt. Die hyd- roxyfunktionale Tinte enthält ein Polyethylenglykol (PEG) als Hauptträger, kombiniert mit einem Vernetzer und Katalysa- toren. Die zweite Tinte enthält die reine Isocyanatverbindung Hexamethylendiisocyanat, um durch chemische Reaktion die poröse Polyurethanstruktur zu erhalten. Mit diesem Verfahren ist es uns erstmals gelungen, ohne weitere mechanische Ver- mischung der beiden reaktiven Tinten, Polyurethanschäume herzustellen. Durch Variation der Tinten ist es denkbar, orts- aufgelöst unterschiedlich definierte Oberflächeneigenschaften in situ zu erzielen. www.igb.fraunhofer.de/inkjet Formulierung reaktiver Tinten – Reaktiver Inkjet-Druck von Polyurethanschäumen Neuartige additive Fertigungsprozesse werden derzeit in einer Vielzahl von Forschungsfeldern bearbeitet. Der digitale Inkjet- Druck erzeugt dabei kleine, gleichmäßig große Tröpfchen, die als Mikrobausteine eingesetzt werden können. Damit lassen sich auf innovative Weise ortsaufgelöste Strukturen neuer, aber auch bekannter Materialien erzeugen. Daher fokussiert das Fraunhofer IGB seine Forschung auf den Inkjet- Druck als Fertigungswerkzeug zur Individualisierung von Produktionsprozessen. Kontakt Dr. Achim Weber Telefon +49 711 970-4022 achim.weber@igb.fraunhofer.de 1 Mit dem Kratos Axis Supra kann eine Probe zugleich mit chemischen und bildgebenden Verfahren analysiert werden. 2 Reduktion der KBE durch Belichtung am Beispiel A. brasiliensis. 3 Auftrag der entwickelten Beschichtung über Sprühpistole. 4 Reaktivdruck mittels Fujifilm Dimatix Inkjet Drucker. 5 7
CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE 1 2 Hydrophobe Proteine zur Oberflächenfunktionalisierung Die Bindung funktioneller Proteine an Materialoberflächen kann diesen neue Eigenschaften verleihen. Eine solche Bio- logisierung bietet vielerlei Vorteile, ist industriell von hoher Relevanz und kann als Strategie für die Textilveredelung von großer ökonomischer und ökologischer Bedeutung sein. Dies gilt insbesondere für die Herstellung von wasserabweisenden Textilien, welche bisher vorwiegend mit umweltschädlichen fluorierten Kohlenwasserstoffen ausgerüstet werden. Für die biologische Alternative verwenden wir im Projekt »Entwicklung eines natürlichen fluorcarbonfreien Hydropho- bierungsmittels für Textilien auf Basis von Proteinen« rekom- binant hergestellte hydrophobe Proteine, sogenannte Hyd- rophobine, die natürlicherweise von Pilzen gebildet werden, sowie ebenfalls natürliche Cellulose-Ankerproteine. Gene, die die jeweiligen Proteintypen codieren, werden rekombinant modular so assembliert, dass neuartige bifunktionale Fusions- proteine in Bakterien mit etablierten biotechnologischen Me- thoden aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden können. Mit dem Ankerprotein binden die Fusionsproteine an die Oberflächen; die Hydrophobine verleihen dem Hybridma- terial die hydrophoben Eigenschaften. 1 Die mit Funktionsproteinen ausgerüsteten Textilien weisen hydrophobe Eigenschaften auf. 2 Führung durch die Fermentationsanlagen des Fraunhofer CBP. 3 Kraftstoffadditive aus Isobuten: Vom Zucker zum Kraftstoff. 5 8 Das Ergebnis der bisherigen Arbeiten brachte eine exklusive Toolbox an verschiedenen Proteinen hervor, die ohne jegliche chemische oder physikalische Vorfunktionalisierung der Materialoberflächen auf diesen aufgebracht werden können. Dies führt zu einer veränderten Oberflächenenergie und damit zu einer starken Hydrophobierung der Oberflächen. Derzeit arbeiten wir an einer Optimierung der Aufarbeitung und der wässrigen Formulierung der Fusionsproteine für die Anwendung, um den Prozess noch effektiver zu machen. Weiterführende Projekte sind geplant, bei denen auch andere cellulosehaltige Materialoberflächen als Substrat verwendet werden sollen. www.igb.fraunhofer.de/hydrophobine Kontakt Dr. Michael Richter Telefon +49 9421 187-353 michael.richter@igb.fraunhofer.de Demonstrationsworkshop zur fermentativen Carbonsäureherstellung Im April 2017 organisierte das Fraunhofer IGB und sein Insti- tutsteil Fraunhofer CBP zusammen mit dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI) einen Demonstrationsworkshop in Leuna für Vertreter aus Forschung und Wirtschaft sowie Studie- rende. Im Mittelpunkt des Workshops stand die Vorstellung des europäischen Projektes »Bio-QED«, insbesondere der Itaconsäure-Wertschöpfungskette. Highlights der Projektergebnisse und erzielten Effekte – einschließlich der Herstellung von Zuckern aus lignocellulo- sehaltigem Material mit dem von Fraunhofer entwickelten Organosolv-Verfahren (Dr. Christine Roßberg, Fraunhofer CBP) – waren die Nutzung der weißen Biotechnologie zur
Genetisch modifi zierter Mikroorganismus Enzymatische Decarboxylierung KRAFTSTOFFE Additive und Drop-Ins BIOBASIERTES ISOOKTAN ISOBUTEN BIOBASIERTES ETBE GLUCOSE SACCHAROSE 3 Bildung von Hydroxylalkansäuren Ethyl-tert-butylether Herstellung von Basischemikalien (Dr. Susanne Zibek, Fraun- hofer IGB) und das Scale-up des Fermentationsprozesses zur Herstellung von Itaconsäure unter Verwendung des Pilzes Aspergillus terreus sowie Produktrückgewinnung und -reini- gung durch Kristallisation (Dr. Katja Patzsch, Fraunhofer CBP). Darüber hinaus wurden weitere Beispiele aus Forschung und Industrie vorgestellt, wie Aufreinigungsverfahren mittels Membranfi ltrationstechnik (Prof. Gerd Braun, TH Köln), die fermentative Herstellung von Carotinoiden (Prof. Reinhard Pätz, HS Anhalt), das Scale-up des Verfahrens zur fermenta- tiven Gewinnung von Isobuten aus Zucker und der Bau einer Pilotanlage (Tino Elter, Fraunhofer CBP) sowie die Herstellung von Biotensiden und Epoxiden aus Pfl anzenölen (Dr. Susanne Zibek, Fraunhofer IGB). Abgerundet wurde der Workshop durch einen Rundgang durch die Pilotanlagen des Fraunhofer CBP und ein Get-together zur Diskussion aktueller Themen aus Forschung und Entwicklung der Bioökonomie. Das Projekt »Bio-QED« konnte 2017 mit der Demonstration der Itaconsäurefermentation im 10-m³-Maßstab und anschlie- ßender Aufarbeitung mittels kontinuierlicher Kristallisation zu mehreren hundert Kilogramm Itaconsäure erfolgreich abge- schlossen werden. www.igb.fraunhofer.de/bioqed Kontakt Dr.-Ing. Katja Patzsch Telefon +49 3461 43-9104 katja.patzsch@cbp.fraunhofer.de Biobasierte Kraftstoffadditive aus Zucker Die Firma Global Bioenergies betreibt gemeinsam mit dem Fraunhofer CBP eine Demonstrationsanlage zur fermentativen Herstellung von biobasiertem Isobuten aus Zuckern. Isobuten ist eines der Schlüsselmoleküle der petrochemischen Industrie und wird derzeit kommerziell ausschließlich aus fossilen Quel- len, hauptsächlich aus Erdöl, gewonnen. Eine Umwandlung des biobasierten Analogons zu Kraftstoffen und Kraftstoff- additiven ist vielversprechend und wurde im Rahmen des Projekts »Bio-FAA« untersucht und realisiert. Hierbei stand die Umwandlung zu Isooktan und Ethyl-tert-butylether (ETBE) im Fokus. Etablierte Verfahrenskonzepte wurden auf die biogene Rohstoffquelle angepasst und die Machbarkeit an den am CBP betriebenen integrierten Technikums- und Pilotanlagen erfolgreich demonstriert. Schließlich standen entsprechende Probenmengen an biogenen Kraftstoffadditiven zur Verfü- gung und konnten gegenüber den am Markt verfügbaren Pro- dukten validiert werden. Während der Projektlaufzeit erfolgte im Februar 2017 die weltweit erste Produktion von vollständig erneuerbarem ETBE. www.igb.fraunhofer.de/biofaa Kontakt Dr. Daniela Pufky-Heinrich Telefon +49 3461 43-9103 daniela.pufky-heinrich@cbp.fraunhofer.de 5 9
CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE 1 2 ChitoTex – Insektenbasiertes Chitosan zur Beschichtung von Textilien Insektenbasiertes Protein wird derzeit als Haustierfutter genutzt und wurde im Sommer 2017 als Fischfutter in der Aquakultur zugelassen. Die Nebenprodukte der Proteinher- stellung besitzen hohe Anteile an Chitin, einem stickstoffhalti- gen acetylierten Polysaccharid. Derzeit wird der Hauptteil des deacetylierten Derivats Chitosan noch aus Krabbenschalen gewonnen. Die Nutzung von regional verfügbarem insekten- basierten Chitosan zur Anwendung als Textilbeschichtung ist der Fokus in ChitoTex. Die Identifikation von Reststoffströmen mit einem Chitin- gehalt von mehr als 30 Prozent, basierend auf eigens dafür entwickelten Analysemethoden, legte den Grundstein zur Etablierung von Aufreinigungsverfahren des Polysaccharids. Zusammen mit seinen Partnern hat das Fraunhofer IGB 15 chitindegradierende Enzyme identifiziert und hergestellt, die den Weg für eine rein biotechnologische Wertschöpfungs- kette zur Chitosanherstellung ebnen. Das Insektenchitosan zeigte in physikalisch-chemischen Untersuchungen zu Krab- benchitosan analoge Eigenschaften und ist aufgrund dieser für die Anwendung als Schlichtemittel geeignet. Neben der anwendungstechnischen Charakterisierung konnte das unmo- difizierte Chitosan bereits zur Textilbeschichtung getestet und erste Untersuchungen hinsichtlich der hydrophoben Modifika- tion des Chitosans erfolgreich abgeschlossen werden. 1 Nach der letzten Häutung der Puppe zur Fliege bleiben chitinhaltige Exuvien zurück. 2 Geschälte Rapssaaten zur Gewinnung von Wertstoffen und neuen Produkten. 3 Anlage zur Herstellung von Ligninbruch- stücken am Fraunhofer CBP. 6 0 Insektenbasiertes Chitosan hat sich als lokale Alternative zu krabbenbasiertem Chitosan in vielerlei Hinsicht etabliert. Auf der Basis dieser Resultate wurde bereits ein Nachfolgeprojekt zur Anwendung von hydrophobisiertem Chitosan zur Textil- beschichtung initiiert. Zudem sollen in Kooperation mit den Proteinherstellern die Forschungsaktivitäten verstärkt und auch auf andere Seitenströme ausgeweitet werden. www.igb.fraunhofer.de/chitotex Kontakt Dr.-Ing. Susanne Zibek Telefon +49 711 970-4167 susanne.zibek@igb.fraunhofer.de Pilotierung eines innovativen Verfahrens zur Aufbereitung von Raps Mit dem Kickoff-Meeting im September 2017 erfolgte der Startschuss für das vom BMEL geförderte Projekt »EthaNa«. Elf Partner aus Industrie und Forschung entwickeln unter Koordination des Fraunhofer CBP ein neuartiges Verfahren zur Aufbereitung von Raps. Im Vergleich zum etablierten Extraktionsverfahren mit dem Lösungsmittel Hexan wird hier der Aufschluss und die Wertstoffgewinnung mit Ethanol durchgeführt. Dies ermöglicht eine deutliche qualitative Verbesserung der Produkte Rapsöl und Rapskernkonzentrat. Hinzu kommt die Isolierung neuer, bislang nicht aus Raps produzierter Wertstoffe wie sekundäre Pflanzeninhaltstoffe oder Proteinfraktionen. Ziel des auf drei Jahre ausgelegten Projekts ist die Errichtung einer Pilotanlage am Fraunhofer CBP und die Demonstration des Gesamtprozesses: von der Schälung der Rapssaat über den anschließenden Aufschluss bis zur Gewinnung des Öls aus den Rapskernen. Erste Prozesseinheiten des Verfahrens sollen im Herbst 2018 in Betrieb gehen. Die Herstellung von Produktmustern an
3 Rapsöl und Rapskernkonzentrat sind für Ende 2019 geplant. Mustermengen im 100-Kilogramm- bis Tonnen-Maßstab werden zunächst für weiterführende Untersuchungen und die Bewertung der Produktfraktion in der Nahrungsmittel- und Futtermittelindustrie genutzt. www.igb.fraunhofer.de/ethana Kontakt Dr. Daniela Pufky-Heinrich Telefon +49 3461 43-9103 daniela.pufky-heinrich@cbp.fraunhofer.de Ligninbasierte Polyurethane Lignine gehören mit einem Anteil von bis zu 30 Prozent in verholzter Biomasse zu den häufigsten organischen Verbin- dungen. Aufgrund der Heterogenität ihrer aromatischen Strukturen lassen sie sich jedoch nur schwer in chemische Anwendungen überführen. Im Verbundvorhaben »Lignoplast« arbeitete ein Konsortium unter Koordination des Fraunhofer CBP an neuen Verfahren, um unterschiedliche Lignine unter anderem in Polyurethansys- temen einsetzen zu können. Je nach Vorbehandlungsmethode weisen Lignine unterschiedliche Eigenschaften auf, die eine weitere Veredelung maßgeblich beeinflussen. So galt es, sowohl schwefelhaltige Lignine aus Zellstoffprozessen zu prozessieren als auch schwefelfreie Lignine aus Bioraffinerie- Prozessen (z. B. aus dem Organosolv-Verfahren, welches das Fraunhofer CBP ebenfalls intensiv weiterentwickelt). Die basenkatalytische Spaltung erwies sich als geeignetes Verfahren, um alle untersuchten Lignintypen in kleinere, ein- facher aufgebaute Phenolderivate zu zerlegen. Basierend auf Voruntersuchungen am Fraunhofer ICT wurde die mehrstufige Prozesskette, eine kontinuierliche basenkatalysierte Spaltung und die anschließende Separation und Aufreinigung der Produkte, erfolgreich am Fraunhofer CBP in den Pilotmaßstab übertragen. Verbundpartner nutzen die entstandenen Ligninbruchstücke zur Herstellung hochwertiger Polyurethanschäume oder als Polyole für Polyurethanbeschichtungen von Langzeitdüngern. Anwendungstests zeigten positive Eigenschaften, zum Teil auch zusätzliche Vorteile wie eine biologische Abbaubarkeit. Um eine zukünftige Kommerzialisierung zu erreichen, sind weitere Arbeiten notwendig. Eine ständige Verfügbarkeit der Rohstoffe, verbesserte Prozessstabilität sowie die ökonomi- sche Bilanzierung des Gesamtverfahrens wird in Folgeaktivitä- ten angestrebt. www.igb.fraunhofer.de/lignoplast Kontakt Dipl.-Chem. (FH) Gerd Unkelbach Telefon +49 3461 43-9101 gerd.unkelbach@cbp.fraunhofer.de 61
CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE 1 2 Torrefizierung und Transportkonditionierung von Holz www.igb.fraunhofer.de/steambio Holz bzw. Lignocellulose ist einer der wichtigsten nach- wachsenden Rohstoffe. Im EU-Projekt »SteamBio« hat das Fraunhofer IGB einen Prozess zur Vorbehandlung und Tor- refizierung von lignocellulosehaltigen Roh- und Reststoffen weiterentwickelt, der auf dem Prinzip der Trocknung mittels überhitztem Wasserdampf bei Atmosphärendruck basiert. Bei der Torrefizierung wird die Biomasse in einer sauerstofffreien Dampfatmosphäre für eine bestimmte Prozesszeit erhitzt. Mit ca. 220 – 250 °C liegt die Prozesstemperatur unterhalb des Werts, ab dem eine Karbonisierung (Pyrolyse) stattfindet. Wasser und Hemicellulose werden mit weiteren flüchtigen Stoffen ausgetrieben und für eine Nutzung als Basischemikali- en selektiv kondensiert. Übrig bleibt ein hydrophobes Material hoher Energiedichte, das sich leicht zu einem hochreaktiven Substrat vermahlen lässt. Zur Demonstration des Prozesses im industriellen Maßstab wurde im Projekt »SteamBio« eine semi-mobile Anlage gebaut. Sie besteht aus einem 20-Fuß-Container mit Vorlagebunker und Energiezentrale sowie einem 40-Fuß-Rahmen, in dem die Reaktoren zur Trocknung und Torrefizierung, eine Vorrichtung für den Feststoffaustrag (mit Kühlung) sowie Kondensatoren für die Volatil-Fraktion untergebracht sind. Der Durchsatz der Anlage kann je nach Substrat flexibel eingestellt werden und ist für 150 kg / h Rohmaterial (erntefrische Holzhackschnitzel) ausgelegt. Ebenso können Agrarabfälle wie Rebschnitt oder Presskuchen (Oliven, Wein, Obst) prozessiert werden. Die Anlage ist für einen automatisierten, kontinuierlichen 24 / 7-Betrieb ausgelegt und wird über eine am IGB entwi- ckelte Software mit integrierter Datenerfassung gesteuert, die auch einen Fernwarteneingriff erlaubt. Installiert ist eine Heizleistung von 155 kW mittels elektrischer Elemente, um kompakt bauen, flexibel betreiben und die Energieströme besser messen zu können. Ein Demobetrieb zur Torrefizierung verschiedener Substrate und die Charakterisierung der Pro- dukte ist für 2018 geplant. 6 2 Kontakt Dr.-Ing. Antoine Dalibard Telefon +49 711 970-4130 antoine.dalibard@igb.fraunhofer.de Einstufige Elektrosynthese von Ethen aus CO2 Die Nutzung von Kohlenstoffdioxid (CO2) zur Gewinnung kohlenstoffbasierter Basischemikalien unter Nutzung re- generativer Energie, insbesondere regenerativ erzeugtem elektrischem Strom, gewinnt zunehmend an strategischer Bedeutung. Neben der stofflichen Wiederverwertung von CO2 wird hierdurch die Nutzung fossiler Ressourcen vermieden, was vor allem die wirtschaftliche Abhängigkeit von Öl- und Gasimporten verringert. Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojektes »Strom als Rohstoff« wird die elektrochemische Synthese von Ethen, einem der wichtigsten Ausgangsstoffe der petrochemischen Industrie, aus CO2 und Wasser demonstriert. Dabei entwickelt das Fraunhofer IGB nicht nur neuartige, effiziente Katalysatoren für die CO2-Reduktion zu Ethen sowie die dafür notwendige Gasdiffusionselektrode, sondern es hat auch einen De- monstrator konstruiert und gebaut, mit dem nun belastbare Aussagen zu Scale-up-Design und zur Effizienz in Hinblick auf die industrielle Nutzung des Verfahrens getroffen werden können. Dieser Demonstrator ist mit einer Prozesssteuerung für einen vollautomatischen Betrieb versehen (Abb. 2). Kernkompo- nente ist eine elektrolytische Zelle (Abb. 3) mit integrierter Gasdiffusionselektrode (GDE). Mit dem Demonstrator wird in derzeit laufenden Arbeiten die Produktion von Ethen auf 130 cm2 Membranfläche im kontinuierlichen Durchflussbetrieb
3 4 validiert. Die Anlage erlaubt zudem die gezielte Analyse der jeweils gasförmig und flüssig erzeugten Produkte. Neben Screenings von Katalysatoren und Elektrodenmaterialien können weitere Prozessparameter eingestellt und überwacht werden, um die Technologie und den Prozess zu optimieren und Aussagen über die Effizienz und Langzeitstabilität treffen zu können. Mit der Anlage können nun bisher im Labormaßstab erzielte Ergebnisse in einen ersten industrierelevanten Maßstab über- tragen werden. Der Demonstrator kann durch Anpassung der elektrolytischen Zelle zukünftig auch zu Untersuchungen zur Synthese weiterer Basischemikalien genutzt werden. Capture-Schritt konnte erfolgreich von einer traditionellen chargenweisen in eine kontinuierliche Prozessführung übertra- gen werden. Damit konnte die Produktivität deutlich erhöht und Betriebskosten durch Einsparen von Zeit und Prozessche- mikalien verringert werden. Die chromatographischen Schritte des Batch-Verfahrens wurden auf die vom Partner LEWA zur Verfügung gestellte kontinuierliche Anlage im Labormaßstab, dem ChromaConCube, übertragen und optimiert. Am Ende der Projektlaufzeit wurde, wie geplant, von Lewa eine Pilot- / Produktionsanlage zur Verfügung gestellt, die ebenfalls in Betrieb genommen wurde. Bei ersten Versuchen mit protein- haltigen Brühen wurden die Chromatographie materialien der Partner Tosoh und Atoll eingesetzt. www.igb.fraunhofer.de/ethen Kontakt Dr.-Ing. Carsten Pietzka Telefon +49 711 970-4115 carsten.pietzka@igb.fraunhofer.de Mit Abschluss des Projekts stehen potenziellen Anwendern aus der Industrie nun beide Anlagen, sowohl die Pilot- und Produktionsanlage als auch die von LEWA bereitgestellte kontinuierlich arbeitende Laboranlage (ChromaConCube), für Tests am Fraunhofer IGB zur Verfügung. www.igb.fraunhofer.de/rohstoffenergieeffizienz Aufreinigung von monoklonalen Antikörpern mit einem neuartigen kontinuierlichen Chromatographieverfahren »Intensivierung der Aufarbeitung der monoklonalen Anti- körper« lautete der Titel eines Teilprojekts, das im Rahmen des vom Land Baden-Württemberg geförderten Industry- on-Campus-Projekts »Rohstoff- und Energieeffizienz durch verfahrenstechnische Innovationen« bearbeitet wurde. Ziel des Vorhabens war die Erarbeitung von Grundlagen zur Einführung von kontinuierlichen Verfahren in der Herstellung von biopharmazeutischen Komponenten, die bisher mit tra- ditionellen Batch-Verfahren produziert wurden. Der Schwer- punkt lag dabei auf dem Aufreinigungsprozess für monoklo- nale Antikörper. Der dabei wichtigste chromatographische Kontakt Dr. Wolfgang Krischke Telefon +49 711 970-4218 wolfgang.krischke@igb.fraunhofer.de 1 Pilotanlage zur Torrefizierung von ligno cellulose haltigen Rohstoffen. 2 Demonstrator mit den Kreisläufen zur Elektrolyt- (linke Seite) und Gasführung (rechte Seite). 3 Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion. 4 LEWA Ecoprime Twin, Pilot- und Produktions- anlage. 6 3
UMWELT UND ENERGIE
Vor dem Hintergrund der welt weiten Diskus sion über Was sermangel und - ver schmut zung, Res sourcen - verknappung und K limawand el kommt d em re s s ourcen - und umwelt s chonend en W ir t s chaf ten we s entliche Bedeutung zu. Der Übergang zu einer nachhaltigen, umwelt ver träglichen und zuverlässigen Ver sorgung mit sauberem Wasser, Lebensmit teln, Rohstof fen und Energie ist daher – auch im Kontex t globaler Klima - schut z ziele – eine der zentralen Herausforderungen unserer heutigen Gesellschaf t. In nationalen und internationalen Projekten mit Partnern aus Forschung, Industrie und Kommunen entwickelt das Fraunhofer IGB innovative Verfahren, Reaktoren und neue Technologien zur nachhaltigen Ver- und Entsorgung, insbe- sondere zur Behandlung von industriellem Prozesswasser und kommunalem Abwasser, zur Wiedernutzung anfallender Rest- und Abfallstoffe und zur Erhöhung der Energieeffizienz durch Nutzung von Abwärme und regenerativer Energie. Das Geschäftsfeld »Umwelt und Energie« steht damit für fortschrittliche Entwicklungen, mit denen Emissionen in die Umwelt vermieden, Rohstoffe zurückgewonnen und regene- rativ erzeugte Energie erschlossen werden – um Wirtschaft- lichkeit mit Nachhaltigkeit zu verbinden. Lösungsansätze sind in einigen Fällen auch stark mit Themen des Geschäftsfelds »Chemie und Prozessindustrie« verknüpft. Aufbereitung von Roh- und Reststoffen Unsere Rohstoffe sind endlich und werden vielfach weder nachhaltig noch sozial verträglich in politisch instabilen Re- gionen abgebaut. Um eine wachsende Weltbevölkerung mit Rohstoffen versorgen zu können und die Abhängigkeit vom Import der Rohstoffe zu mindern, erarbeiten wir Verfahren, um Sekundärrohstoffe aus Produktions- und Abfallströmen für eine Wiederverwendung zurückzugewinnen – in einer den Primärrohstoffen gleichwertigen Qualität und mit vergleichba- rem Prozessaufwand. Neue Techniken erlauben es uns beispielsweise, Gemische anorganischer Rohstoffe (Metalle, Seltene Erden) selektiv auf molekularer bzw. atomarer Ebene aufzutrennen. Mit neuen Verfahren lassen sich wichtige Nährstoffe wie Phosphor und Ammonium aus Abwasser, Klärschlamm, Gärresten oder Gülle als Düngemittel zurückgewinnen. Die zurückbleibenden nährstoffarmen organischen Fraktionen arbeiten wir zu hu- musbildenden Bodenverbesserern auf. Vernetzung und Kooperation Um historisch gewachsene Infrastrukturen durch Systemlösungen mit neu- esten Technologien zu ersetzen, entwickeln wir integrierte Stoffstrom- und Energiekonzepte für Industrie, Kommunen und ganze Regionen. Deshalb engagieren wir uns in den Fraunhofer-Allianzen Energie, Bau und SysWasser sowie der Fraunhofer-Initiative Morgenstadt. Darüber hinaus ist das Fraun- hofer IGB über die nationale Technologieplattform SusChem Deutschland, German Water Partnership und auch international, insbesondere innerhalb Europas, hervorragend vernetzt. 6 5
UMWELT UND ENERGIE Wasser-Überwachung Trinkwasser unterliegt vielfältigen Gefährdungen. So kön- nen beispielsweise Pestizide aus der Landwirtschaft oder Chemikalien aus Industrieunfällen über das Grundwasser in kommunale Versorgungssysteme gelangen. Eine wachsende Gefahr stellt auch der Eintrag toxischer Verbindungen durch kriminelle oder terroristische Anschläge dar. Um verhindern zu können, dass kontaminiertes Trinkwasser die Verbraucher er- reicht, muss es daher bereits im Verteilungssystem überwacht werden. Das Fraunhofer IGB entwickelt Biosensoren auf der Basis lebender Zellen, die sich als Frühwarnsysteme für die kommunale Wasserversorgung oder dezentrale Versorgungs- systeme eignen. Bei der Übertragung der zellulären Reaktion in ein physikalisch messbares Signal arbeiten wir mit anderen Fraunhofer-Instituten zusammen. Wasser- und Abwassertechnik Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel. Für eine gesicherte Wasserversorgung und effiziente Wasserreinigung entwickeln wir innovative Lösungen zur Wassergewinnung sowie Wasser- managementkonzepte, die an die jeweiligen geographischen, demographischen und regionalen Rahmenbedingungen angepasst sind. Um industrielle Prozesswässer möglichst mehrfach zu verwenden, arbeiten wir an Technologien, mit denen Verunreinigungen selektiv entfernt und werthaltige Inhaltsstoffe zurückgewonnen werden können. Aerobe und anaerobe biologische Verfahren entwickeln, optimieren und kombinieren wir mit Membran- und chemisch-physikalischen Verfahren. Eine Reihe neuartiger Technologien, darunter Membranad- sorber und elektrooxidative Verfahren, setzen wir ein, um die Emission persistenter Stoffe in die Umwelt zu verhindern. Für die Reinigung von Wasser mit biologisch schwer abbaubaren organischen Bestandteilen entstehen beispielsweise nur durch die Behandlung mit Strom (Elektrolyse) oder energiereicher UV-Strahlung (Photolyse) reaktive Hydroxylradikale, welche organische Moleküle zu abbaubaren Verbindungen bzw. vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidieren – ohne Zugabe von Chemikalien. 6 6
ANGEBOTE FÜR DIE ENERGIEWENDE Energiewandlung und -speicherung Um neue regenerative Energiequellen zu erschließen, erarbeiten wir innovative Membran- technologien, etwa für effiziente Ethanol-Brennstoffzellen oder wirtschaftliche Osmose- kraftwerke. Für das Gelingen der Energiewende muss Überschussstrom gespeichert werden können. Hierzu entwickeln wir katalytische Verfahren, um elektrische Energie – vor allem durch Bindung und Reduktion von CO2 – in chemische Energiespeicher, etwa längerkettige Kohlen- wasserstoffe, umzuwandeln. Vielfach noch ungenutzt bleibt Abwärme, die bei der Stromerzeugung und vielen Industrie- prozessen anfällt. Damit überschüssige Wärme für einen zeitlich und räumlich entkoppelten Bedarf zugänglich wird, arbeiten wir an Systemen zur thermo-chemischen Langzeitspeicherung von Wärme mit Sorptionswärmespeichern. Bioenergie Die effiziente Erzeugung von Biogas aus Klärschlamm mit Anaerobtechnologien ist ein zentra- les Thema am IGB: Mehrere Kläranlagen unterschiedlicher Größe haben wir bereits auf unser Verfahren der Hochlastfaulung umgestellt und damit zu Eigenstromerzeugern gemacht. Unser Know-how zur Vergärung organischer Stoffe setzen wir ebenso für die Nutzung von Reststof- fen der Lebensmittelindustrie und der Landwirtschaft ein. Im Zuge der Dezentralisierung der Energiewirtschaft werden dabei zunehmend auch geringe Massenströme interessant. Biogas, ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid, lässt sich aber nicht nur zur Erzeugung von Strom und Wärme in Blockheizkraftwerken nutzen. Für die Abtrennung von hochreinem Methan aus Biogas als Grund- oder Kraftstoff untersuchen wir daher Absorptions- und Membran verfahren, die CO2 mit hoher Kapazität binden. 6 7 6 7
UMWELT UND ENERGIE 1 UNSER BEITRAG ZUM NEXUS WASSER – ENERGIE – ERNÄHRUNG – ROHSTOFFE Immer mehr M enschen leben auf der Erde, die es mit Was ser, Nahrung, Energie und Konsumgütern zu versorgen gilt. Dabei haben heute schon 780 Millionen Menschen keinen Zugang zu sauberem Wasser und über eine Milliarde Menschen welt weit leiden Hunger. Übermäßiger Ressourcenverbrauch und Klimawan - d el führen dazu, das s Rohs tof fe weiter zur N eig e g ehen, imm er m ehr B ö d en ero di eren und Grund was s er- re s er ven knap p er werd en. Damit ver s chär f t sich di e Konkur renz um Re s s ourcen weiter. Nachhaltigkeit durch integriertes Ressourcenmanagement Wasser ist nicht nur unser wichtigstes Lebensmittel, sondern auch elementar für die Landwirtschaft, die weltweit bis zu 70 Prozent des benötigten Wassers beansprucht. Auch der Energiesektor benötigt Wasser, etwa zum Kühlen, zum Erhitzen oder zur Nutzung der Wasserkraft selbst. Energie wiederum wird gebraucht, um Wasser aufzubereiten, zu transportieren und zu reinigen, um Dünger für die Landwirt- schaft herzustellen und Nahrungsmittel zu produzieren. Mit integrierten Konzepten berücksichtigt das Fraunhofer IGB den Nexus der Ressourcen Wasser – Energie – Ernährung – Rohstoffe. Der Begriff »Nexus« kommt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie Verknüpfung, Verbindung, Zusam- menhang. Er bringt zum Ausdruck, dass die Ressourcen nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können, auch wenn sie in getrennten Branchen bewirtschaftet werden. Die Nutzung der einen Ressource hat vielmehr immer auch Aus- wirkungen auf die anderen. 1 Klärschlamm kann effizient zu Biogas vergoren werden. 2 Anaerobe Abwasserreinigung im Bioreaktor. 6 8 Neue Herausforderungen erfordern sektorenübergreifendes Handeln Das zeigt sich treffend am Beispiel der Landwirtschaft: Der Agrarsektor produziert längst nicht mehr nur die lebensnot- wendigen Nahrungsmittel, sondern zunehmend auch Energie- träger in Form von Biokraftstoffen oder Biogas. So wird zwar verhindert, dass noch mehr Kohlenstoffdioxid aus fossilen Energieträgern freigesetzt wird. Die Konkurrenz um landwirt- schaftlich nutzbare Flächen und der zusätzliche Verbrauch von Wasser und Nährstoffen können jedoch unter Umständen die Sicherstellung mit Nahrungsmitteln beeinträchtigen. Nachhaltige Lösungen können nur dann gefunden werden, wenn das Denken in Sektoren aufgebrochen und ganzheitlich gehandelt wird. Das Fraunhofer IGB entwickelt innovative integrierte Lösungen für ein nachhaltiges Zusammenspiel der Bereiche Wasser, Energie, Ernährung und Rohstoffe für Kommunen, Landwirtschaft und Industrie – und zum Wohle der Umwelt. Dabei setzen wir auch auf das Potenzial, das sich durch den Ausbau dezentraler, regenerativer Energien im Zuge der Ener- giewende ergibt, und entwickeln beispielsweise Technologien, welche die schwankende Stromerzeugung aus Wind und Son- ne durch eine verlustfreie Speicherung des Stroms ausgleichen oder direkt mit der industriellen Wertschöpfung verknüpfen.
2 Kläranlagen: Abwasser reinigen und Energie gewinnen Die in den Industrieländern typischen zentralen Kläranlagen gehören zu den größten kommunalen Energieverbrauchern. Seit über 20 Jahren arbeitet das Fraunhofer IGB daran, auch kleinere Kläranlagen durch eine Umstellung von der aeroben Schlammstabilisierung auf eine effizientere und flexible anaerobe Hochlastfaulung zugleich zu Energieerzeugern zu machen. »Wenn Klärschlamm, der vor allem aus organischen Kohlenstoffverbindungen besteht, unter Luftausschluss mit einem effizienten Hochlastverfahren in Faultürmen behan- delt wird, wandeln ihn anaerobe Bakterien – über Säuren und Alkohole – zu beachtlichen Mengen Biogas um, einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Methan«, erläutert Dr. Marius Mohr, der am Fraunhofer IGB die Gruppe »Bioverfah- renstechnik in der Wasser- und Kreislaufwirtschaft« leitet. In Blockheizkraftwerken liefert Biogas Strom und Wärme, die den Nettoenergieverbrauch der Kläranlage deutlich reduzieren oder in manchen Fällen sogar mehr als kompensieren. In Brasilien dagegen, wo wenig zusätzliche Wärme benötigt wird, bietet sich an, Biogas im Mobilitätssektor zu verwerten. Viele Fahrzeuge sind hier werkseitig mit einem Tetrafuel- Motor ausgestattet, der neben Benzin und Ethanol auch mit komprimiertem Erdgas (Methan) betrieben werden kann. Die Fahrzeuge müssen dazu nur mit einem zusätzlichen Tank ausgerüstet werden. Das auf der Kläranlage der Stadt Franca im Bundesstaat São Paulo erzeugte Biogas wird daher nach einem vom IGB entwickelten Konzept aufbereitet und kann als Biomethan getankt werden (siehe S. 74). In beiden Fällen profitieren nicht nur die Betreiber der Kläranlage, sondern auch das Klima, da fossile Energieträger eingespart werden. Den Ansatz, durch die Vergärung organischer Substanz Energie in Form von Biogas zu gewinnen, hat das Fraunhofer IGB vor rund 10 Jahren auch auf die an organischer Fracht reichen kommunalen Abwässer übertragen. »Im Projekt DEUS 21 haben wir erfolgreich demonstrieren können, dass die organischen Inhaltsstoffe im Abwasser Biogas liefern, wenn sie semi-dezentral in anaeroben Bioreaktoren behandelt werden«, so Mohr. Je höher dabei die organischen Inhaltsstof- fe konzentriert sind, desto effizienter kann das Biogas gebildet werden. Daher werden bestenfalls auch im Haushalt anfallen- de Bioabfälle mit dem Abwasser »entsorgt«. Nachhaltige Städte: Bioabfall liefert Energie zum Kochen, Abwasser Nährstoffe für die Landwirtschaft Genau diesen Ansatz hat das Fraunhofer IGB zusammen mit der Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) in dem Projekt »Der urbane Nexus« aufgegriffen. »Für zehn ausgewählte asiatische Städte, in denen die Entwicklung einer geeigneten Abwasserinfrastruktur mit dem Wachstum der Bevölkerung nicht mithalten konnte, haben wir Konzepte für ein integriertes Ressourcenmanagement erarbeitet«, erklärt Mohr. Ein Beispiel ist die Stadt Da Nang in Vietnam, an dessen Küstenstreifen etwa 200 000 Menschen leben, deren Abwas- ser momentan noch ungenutzt in Gruben versickert. Nach Mohrs Konzept werden die Abwässer der Haushalte über ein Vakuumsystem abgeleitet. Nahe gelegene Hotels entsorgen ihre Küchenabfälle ebenfalls über diese Leitungen, um den Gehalt an organischen Kohlenstoffverbindungen zu erhöhen. Sie landen, zusammen mit den Abwässern, in einem Tank, der einen Bioreaktor speist. Abgeschlossen von Luft vergären die Bakterien die organische Fracht zu Biogas, das wiederum in den Hotels und Haushalten die Gasflammen in der Küche nährt. Das gereinigte Wasser wird (außer in der Re- genzeit) zur Bewässerung der intensiv betriebenen städtischen Landwirtschaft genutzt. Damit werden Grundwasserreserven geschont und die Gefahr, dass das Grundwasser durch nach- fließendes Meerwasser versalzt, gemindert. Da das im anaero- ben Bioreaktor gereinigte Abwasser noch reichlich Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff enthält, werden die Pflanzen auf dem Feld gleichzeitig gedüngt. Die Landwirte können auf den Einsatz weiterer Dünger verzichten. 6 9
UMWELT UND ENERGIE 3 4 Nach langen und schließlich erfolgreichen Verhandlungen über eine finanzielle Unterstützung will die Stadt Da Nang das Vakuumsystem nun auf 110 Grundstücken erproben. Wenn die Ergebnisse positiv ausfallen, ist für Ende 2018 die Umsetzung des Gesamtkonzeptes geplant, das eindrucksvoll zeigt, wie nachhaltige Lösungen aussehen, wenn die Bereiche Wasser, Energie und Ernährungssicherheit zusammen gedacht werden. Genau darum geht es auch im Projekt »Smart Water Future India«, in dem das IGB ein Konzept für das nachhaltige Ressourcenmanagement in der südindischen Millionenstadt Coimbatore entwickelt. Die Herausforderungen bei der Stadtentwicklung sollen dabei nicht getrennt nach Sektoren betrachtet, sondern Lösungen für Wasserversorgung, Energie- versorgung und Ernährungssicherheit übergreifend entwickelt und intelligent vernetzt werden. Für die Bedarfsanalyse lehnt sich das Projekt an die im Rahmen der Fraunhofer-Initiative Morgenstadt entwickelte Methodik des »Morgenstadt City Lab« an, die Mohr bereits in der georgischen Hauptstadt Tiflis erfolgreich angewandt hat (siehe Infokasten). Regionale Konkurrenz ums Wasser – Gemüsepflanzen mit Abwasser düngen und bewässern Regionale Konkurrenzen um die Ressource Wasser gibt es vielerorts, auch in den mediterranen Gemüseanbauregionen Europas. Da die Landwirtschaft zu den größten Wasserver- brauchern zählt, sind auch hier neue Konzepte und Verfahren für eine Wasserwiederverwendung gefragt. Anaerob gerei- nigtes Abwasser enthält, wie oben bereits erwähnt, nach dem Abbau der organischen Verbindungen noch reichlich anorganische Phosphat- und Ammoniumsalze – Nährstoffe, die in der Landwirtschaft dringend benötigt werden. Warum also nicht Abwasser zur Bewässerung und als Nährstoffquelle zugleich nutzen? »Im Forschungsprojekt HypoWave untersuchen wir, ob sich anaerob gereinigtes kommunales Abwasser aufgrund seines Nährstoffgehalts auch für die hydroponische Pflanzenproduk- tion wiederverwenden lässt«, sagt Marius Mohr. Bei dieser Kultivierung von Gemüsepflanzen im Gewächshaus kommen die Setzlinge ohne Erde in ihren Pflanzgefäßen aus. Dadurch versickert kein Wasser in den Boden und es verdunstet we- niger. Erste Ergebnisse eines Pilotversuchs mit Salatpflanzen zeigen, dass nur eine geringe zusätzliche Nährstoffzufuhr für ein gutes Wachstum erforderlich ist – mit dem Abwasser also auch die darin enthaltenen Nährstoffe sinnvoll wieder genutzt werden. Nährstoffrückgewinnung für die Landwirtschaft – Schonung natürlicher Rohstoffe und fossiler Energie Die Wiederverwendung von nährstoffreichem Abwasser ist auf den direkten, regionalen Einsatz beschränkt. Wenn dies nicht möglich ist, auch aufgrund gesetzlicher Vorgaben, kön- nen die im Abwasser enthaltenen Nährstoffe Phosphor und Stickstoff in fester, transportierbarer Form als Düngemittel zurückgewonnen werden – und die Basis für eine kreislaufori- entierte Landwirtschaft schaffen. Denn mit der Ernte der Pflanzen werden dem Boden Nährstof- fe entzogen, die in der heutigen modernen Landwirtschaft in erster Linie über synthetische Düngemittel ausgeglichen wer- den. Doch Lagerstätten von Rohphosphaten sind zunehmend mit Schwermetallen verunreinigt. Und die industrielle Herstel- lung von Stickstoffdünger mit dem Haber-Bosch-Verfahren verschlingt enorme Mengen an Energie: Etwa zwei Prozent der Welt-Primärenergieerzeugung und fünf Prozent des welt- weiten Verbrauchs an Erdgas gehen allein auf das Konto der Stickstoffdünger-Herstellung. 7 0
5 6 Dabei gehen die in der Pflanze gespeicherten Nährstoffe nicht wirklich verloren, sondern landen über die Nahrungskette in Bioabfällen, Gülle und Gärresten sowie im Abwasser. »Gelingt es, den Nährstoffkreislauf durch Rückgewinnung der Nährstoffe aus diesen Abfallströmen und das Recycling zu Düngemitteln zu schließen, können natürliche Rohstoffreser- ven und fossile Energieträger geschont werden«, legt Dr. Iosif Mariakakis dar, der die Gruppe Nährstoffmanagement am Fraunhofer IGB leitet. 4,3 Millionen Tonnen Phosphor pro Jahr gehen Schätzungen zufolge weltweit allein über das Abwassersystem verloren. »Mit unserem ePhos®-Verfahren haben wir einen elektro- chemischen Prozess entwickelt, mit dem Stickstoff und Phos- phor – ohne jegliche Zugabe von Salzen oder Laugen – als Magnesiumammoniumphosphat (Struvit) aus kommunalem Abwasser ausgefällt werden können«, so der IGB-Experte. Der Energiebedarf ist gering und kann vollständig aus erneu- erbaren Quellen gespeist werden. Struvit ist ein hochwertiger Langzeitdünger für die Landwirtschaft und kann direkt von den Pflanzen aufgenommen werden. Auch für Gülle konnte das IGB im Rahmen verschiedener Projekte ein Konzept entwickeln, um Phosphor als Düngersalz zurückzugewinnen. In einer mobilen, vollautomatisierten Pilot- anlage mit einem Durchsatz von einem Kubikmeter Rohgülle pro Stunde können mehr als 90 Prozent des Phosphors aus Gülle abgetrennt, gefällt und kristallisiert werden (siehe S. 73). Durch die Kombination des Fällungsschritts mit einer energie- armen Fest-Flüssig-Trennung wird zudem eine nährstoffarme Organikfraktion hergestellt, die als Bodenverbesserer einge- setzt werden kann, um insbesondere die Feuchtekapazität im Boden zu erhöhen. Das Verfahren lässt sich ebenso für die Rückgewinnung von Phosphor aus Gärresten einsetzen, die in landwirtschaftlichen Biogasanlagen anfallen. Fraunhofer Innovationsnetzwerk Morgenstadt Die »Morgenstadt« ist die Vision einer nachhaltigen, lebenswerten und zukunftsfähigen Stadt und ihrem suburbanen Umland. Ziel der Initiative ist, optimierte Technologien zu einem ganzheitlichen System in der Stadt der Zukunft zusammenzuführen. Dr. Marius Mohr ist als Experte für Wassermanagement in der Morgenstadt beteiligt. In einem interdisziplinären Team identifizierte er relevante Wirkfaktoren, aus dem ein handlungsorientiertes Modell für eine nachhaltige Stadtentwicklung erarbeitet wurde, welches über die Sektorgrenzen hinweg die gesamte Stadt im Blick hat. Im Rahmen eines Morgenstadt City Labs leitete er ein Team aus Wissenschaftlern, um der georgischen Haupt- stadt Tiflis mithilfe der zuvor erarbeiteten Methode den Weg zu einer nachhaltigen und zukunftsfähigen Stadt aufzuzeigen. 3 Landwirtschaftliche Nutzflächen in der vietnamesischen Stadt Da Nang: Zukünftig können die Bewohner gereinigtes Abwasser nutzen, um die Beete zu bewässern. 4 Im Projekt Hypowave wird untersucht, wie nährstoffreiches kommunales Abwasser für die Bewässerung von hydroponischen Anbausystemen eingesetzt werden kann. 5 Organische Bodenverbesserer, aus Gülle und Gärresten gewonnen, geben ausgelaugten Böden organische Substanz zurück und verbessern die Bodenfruchtbarkeit. 6 Mit dem ePhos®-Verfahren werden nahezu 90 Prozent des Phosphors in kommunalem Abwasser als Struvit-Dünger zurückgewonnen. 7 1
UMWELT UND ENERGIE 7 8 Erschließung neuer Wasserquellen – kostenoptimiert und dezentral In ariden und semi-ariden Gebieten kann die Trinkwasserver- sorgung oft nur noch durch die Entsalzung von Meerwasser oder Grundwasser sichergestellt werden. Technologien wie Umkehrosmose oder konventionelle thermische Verfahren sind allerdings energieintensiv und verbrauchen momentan noch große Mengen fossiler Energieträger. Das IGB arbeitet an energieeffizienten und zugleich robusten, im Hinblick auf die verwendeten Materialien kostenoptimierten Alternativen, die auch für ärmere Länder erschwinglich sind. Bei der mehrstufi- gen Vakuumverdampfung kann beispielsweise solare Wärme- energie für die Entsalzung von Salzwasser genutzt werden. In den letzten Jahren wurden auch vermehrt elektrophoretische Verfahren für die Entsalzung weiterentwickelt. »Die kapazitive Deionisierung (CDI) etwa benötigt deutlich weniger Energie im Vergleich zu einer Umkehrosmose-Anlage«, weiß Siegfried Egner, Leiter der Abteilung Physikalische Prozesstechnik am IGB. In einer Variante der Vakuumverdampfung wird das zugrundeliegende Prinzip eingesetzt, um Luftfeuchte als Was- serreservoir zu erschließen. Der Nexus-Ansatz in der Prozessindustrie in Zeiten der Energiewende Was auf Ebene der Kommunen nur langsam oder erst durch den Druck gesetzlicher Verordnungen umgesetzt wird, hat in vielen Produktionsstätten der prozessorientierten Industrien längst Einzug gehalten. Denn steigende Rohstoffpreise und Kosten bei der Abwasserentsorgung machen die Aufbereitung und Wiederverwendung von Prozesswässern und -abwässern und die Rückgewinnung von Hilfs- und Prozessstoffen für die Unternehmen zu einer wirtschaftlich attraktiven Herausforderung. Im Zuge der Energiewende und des Ausbaus der dezentralen Stromproduktion aus erneuerbaren Energien ändert sich dabei gerade die Ausgangslage: Galten elektrochemische Verfahren – vor allem für die chemische Synthese von Grundchemikalien – aufgrund ihres Strombedarfs bislang eher als unwirtschaft - lich, gewinnen sie in Zeiten, in denen akut nicht benötigter Strom aus fluktuierenden Quellen (Windkraft und Photo vol- taik) die Preise an den Strombörsen drückt, an Bedeutung. Entscheidend dabei ist, dass elektrochemische und elekt- rophysikalische Verfahren – genau wie die verschiedenen Energiespeicher – als Stromabnehmer einen Beitrag zur Netz- stabilisierung leisten können. »Wir gestalten unsere elektro- chemischen und elektrophysikalischen Zellen daher möglichst flexibel und implementieren sie so in ein Anlagensystem, dass sie in Abhängigkeit der Auslastung des Stromnetzes betrieben werden können«, erläutert Egner den Ansatz am IGB. Neben solchen flexiblen Stromnutzungsmodellen (sowie Batterien und Pumpspeichern) sind ausreichend chemische Langzeitspeicher erforderlich, um die schwankende Strom- erzeugung aus Wind und Sonne auszugleichen. In diesem Zusammenhang kann auch Biogas, zu Methan aufgereinigt, eine wichtige Rolle spielen. Es schlägt nicht nur eine Brücke zum Sektor der Mobilität, sondern kann als Langzeitspeicher auch ins Erdgasnetz eingespeist oder als stofflicher Speicher zu Methanol umgewandelt werden. Darüber hinaus wird mit neuen thermo-chemischen Sorptionswärmespeichern zur verlustfreien Langzeitspeicherung von Wärme, die am IGB entwickelt wurden, sogar die Speicherung von Strom in dieser Form effizient. 7 2
9 Ressourceneffizienz durch Wasserwiederverwendung und Wertstoffrückgewinnung Anders als in der kommunalen Abwasserreinigung werden die Verunreinigungen in industriellem Prozess- und Abwasser in hohem Maße von der Branche und dem spezifischen Fer- tigungsprozess bestimmt. Um Prozessabwasser im Sinne der Kreislaufführung wiederzuverwenden, müssen die Störstoffe mit möglichst geringem Energie- und Materialaufwand ent- fernt werden. »Neben einem Stoffstrommanagement und der selektiven Erfassung von Kontaminationen erfordert dies eine maßgeschneiderte integrierte Prozesstechnik zur spezifischen Behandlung«, führt Egner aus. Das Fraunhofer IGB hat hierzu verschiedene elektrochemische und elektrophoretische Verfahren etabliert, mit denen sich im Wasser enthaltene Hilfs- und Wertstoffe nicht nur entfernen, sondern in wiederverwertbarer Form abtrennen lassen. So können mittels Elektrodialyse oder kapazitiver Deionisierung Salze zurückgewonnen, mit Free-Flow-Elektrophorese Metall- ionen bei hohen Ausbeuten in hochreine Fraktionen überführt werden. Der Vorteil der elektrochemischen und elektropho- retischen Verfahren: Sie arbeiten ohne jeglichen Zusatz von Chemikalien. Ein solches produktionsintegriertes Wasserrecycling ermög- licht darüber hinaus auch eine größere Unabhängigkeit vom Vorkommen natürlicher Wasserressourcen und damit eine Produktion an wasserärmeren Standorten – bis hin zur voll- ständigen Unabhängigkeit von natürlichen Wasserressourcen durch Zero Liquid Discharge. 7 Durch die Kombination einer Vakuumverdamp- fung mit einem Adsorptionsschritt kann Wasser aus Luftfeuchte gewonnen werden. 8 Mit der Free-Flow-Elektrophorese werden Metalle zurückgewonnen. 9 Elektrosynthetische Verfahren verknüpfen die Energiewende mit industrieller Wertschöpfung. Power-to-Chemicals – modular, flexibel, energieeffizient Für die elektrosynthetische Herstellung von Basischemikalien als Option zum direkten Ausgleich eines Stromüberangebots entwickelt das Fraunhofer IGB Katalysatoren und geeignete Membranen, Verfahren und Apparate mit stromgeführter Betriebsweise. Im Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« beispielsweise erarbeitet das IGB ein einstufiges Verfahren, mit dem Ethen elektrochemisch in nur einem Verfahrensschritt hergestellt wird. Im EU-Projekt Celbicon wird aus CO2 durch Elektrokatalyse Methanol hergestellt, das als Substrat für eine Fermentation Verwendung findet. Eine Elektrolysezelle, in der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasserstoffperoxid herstellen lässt, ist bereits als Prototyp am IGB verfügbar. Kontakt Dr.-Ing. Marius Mohr Telefon +49 711 970-4216 marius.mohr@igb.fraunhofer.de Dr.-Ing. Iosif Mariakakis Telefon +49 711 970-4231 iosif.mariakakis@igb.fraunhofer.de Dipl.-Ing. Siegfried Egner Telefon +49 711 970-3546 siegfried.egner@igb.fraunhofer.de 7 3
UMWELT UND ENERGIE 1 2 Membranadsorber für die Abtrennung von Mikroschadstoffen Mobile modulare Pilotanlage zur biologischen Reinigung industrieller Abwässer Für die Wasserfiltration stehen heute bereits unterschiedliche Membrantypen kommerziell zur Verfügung. Gemeinsam ist diesen Membranen, dass im Wesentlichen unterschiedliche Trenngrenzen für einen Größenausschluss genutzt werden. Wir entwickeln in diesem Projekt Mixed-Matrix-Membranen, die zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden können. Dazu werden Submikro- partikel mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen herge- stellt und über einen Phaseninversionsprozess in Membranen eingebaut. Über Nassspinnen können auch partikelgefüllte Hohlfasermembranen hergestellt werden. Diese Membranen werden genutzt, um Mikroschadstoffe wie Diclofenac oder Metoprolol aus Wasser abzutrennen. Zukünftig sollen unter- schiedliche Partikel in Membranen eingebaut werden, um verschiedene Mikroschadstoffe gleichzeitig abzutrennen. www.igb.fraunhofer.de/polinom Kontakt Dr. Thomas Schiestel Telefon +49 711 970-4164 thomas.schiestel@igb.fraunhofer.de 1 Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Mixed-Matrix-Membran. 2 Mobile Pilotanlage im neuen Technikum des Fraunhofer IGB. 3 Entwurf eines Aufstellungsplans für eine Kläranlage mit 500 000 EW. 74 Die in der Industrie anfallenden Abwasserströme verursachen bei der Einleitung in kommunale Kläranlagen häufig Probleme durch schwer abbaubare Substanzen bzw. hohe CSB-Frachten (Chemischer Sauerstoffbedarf). Sinnvollerweise sollten Indust- rieabwässer in möglichst unverdünnter Form am Entstehungs- ort gereinigt werden, um die Kläranlagen nicht außergewöhn- lich zu belasten und ggf. eine Kreislaufführung des Wassers im Betrieb zu ermöglichen. Das Abwasser aus industriellen Fertigungsprozessen ist in seiner Zusammensetzung meist einzigartig und je nach Produktionszyklus variabel. Es ist daher ratsam, vor der Auslegung einer Abwasserreini- gungsanlage Pilotversuche durchzuführen. Je nach Zusam- mensetzung des Abwassers kann es sinnvoll sein, anaerobe und / oder aerobe Verfahren einzusetzen. Im Rahmen des vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg geförderten Vorhabens »Rohstoff- und Energieeffizienz durch verfahrenstechnische Innovationen« wurde ein anaerober Membranbioreaktor im Technikum des Fraunhofer IGB mit Brauereiabwasser betrieben sowie eine mobile Pilotanlage aufgebaut. Die Pilotanlage besteht aus einem anaeroben EGSB-Reaktor (engl. Expanded Granular Sludge Bed) mit einem Volumen von 370 Litern und einem aeroben Sequencing Batch Reactor (SBR) mit einem Volumen von 250 Litern. Für einen flexiblen Einsatz wurden die Module so gestaltet, dass sowohl der aerobe als auch der anaerobe Anlagenteil jeweils einzeln als auch in Kombination verwendet werden können. Abhängig von den Eigenschaften des Zulaufs und den Reinigungszielen kann eingestellt werden, welcher Anteil am Zulauf im Bypass an dem EGSB-Reaktor vorbeigeführt wird. Die Anlage ist so weit automatisiert, dass Personal nur zur Befüllung des Vorla- gebehälters benötigt wird.
3 Mitte 2018 wird die mobile Pilotanlage bei einem Pharma- unternehmen zu ihrem ersten Einsatz kommen. Danach steht sie für Versuche bei interessierten Unternehmen unterschied- licher Branchen zur Verfügung. Ergänzend unterstützt das Fraunhofer IGB bei der Entscheidung, welche Abwasserströme zusammengeführt, welche getrennt behandelt und welche nach Behandlung wieder verwendet werden können. 80 Prozent erreicht werden. Der mittlere Energiebedarf für die Behandlung von einem Kubikmeter Zentratwasser lag dabei knapp unter 0,5 kWh. Mit den gewonnenen Erkenntnissen aus der Pilotierung wird die Technologie weiter optimiert. Eine erste großtechnische Umsetzung ist auf einer norddeutschen Kläranlage mit einem Einwohnerwert (EW) von 70 000 in Vorbereitung. Sie wird dort zur Phosphatrückgewinnung aus Zentratwasser der Schlammfaulung eingesetzt. www.igb.fraunhofer.de/ioc_anaerob-aerob www.igb.fraunhofer.de/ephos Kontakt Dr.-Ing. Marius Mohr Telefon +49 711 970-4216 marius.mohr@igb.fraunhofer.de Kontakt Dr.-Ing. Iosif Mariakakis Telefon +49 711 970-4231 iosif.mariakakis@igb.fraunhofer.de ePhos® – Elektrochemische Phosphorrückgewinnung 3-) und Ammonium (NH4 Mit dem weltweit steigenden Bedarf an Lebensmitteln wächst die Nachfrage für phosphorhaltige Düngemittel. Das vom Fraunhofer IGB entwickelte Verfahren ePhos® dient der Rück- +) auf gewinnung von Phosphat (PO4 kommunalen Kläranlagen. Die Stoffe werden in einem elek- trochemischen Prozess als pfl anzenverfügbares Magnesium- Ammonium-Phosphat MgNH4PO4*6H2O (MAP oder Struvit) ausgefällt. Struvit ist ein hochwertiger Langzeitdünger und kann in der Landwirtschaft direkt als Düngemittel angewandt werden. Wesentlicher Vorteil des ePhos®-Verfahrens ist der vollständige Verzicht auf Zugabe von Chemikalien. Das zur Struvitbildung benötigte Magnesium wird mittels einer Opfer- anode in einer Elektrolysezelle zudosiert. Auf dem Betriebsgelände einer städtischen Kläranlage wurde der Dauerbetrieb einer Pilotanlage im letzten Jahr unter realen Bedingungen mit einem Durchfl uss von bis zu 3 m³ / h er- folgreich erprobt. Innerhalb des Betriebszeitraums von einem Jahr konnte eine durchschnittliche Eliminationsrate von über Gülleaufbereitung und Phosphorrückgewinnung In dem von der EU geförderten Projekt »BioEcoSIM« wurde ein Konzept entwickelt und verifi ziert, bei dem aus Gülle mittels Fällung ein phosphor- und kaliumhaltiger Dünger rückgewonnen wird, der nachweisbar pfl anzenstärkende Eigenschaften aufweist. Die entwickelte Technologie konnte in einer halbtechnischen Anlage realisiert werden. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts »PhosKa-Demo« wurde das Verfahren nun weiter aufskaliert und im Dauerbetrieb getestet. Eine mobile, vollautomatisierte Anlage mit einem Durchsatz von 1 m3 / h Rohgülle wurde ausgelegt, konstruiert und auf- gebaut. Kern der Anlage bzw. der Entwicklung ist ein Kristalli- sationsreaktor, der das Wachstum des kristallartigen Düngers für eine verbesserte Abtrennung bzw. Formulierung fördert. Die Anlage besteht aus einer Konditionierungsstufe, einer zweistufi gen Fest-Flüssig-Trennung und der nachgeschalteten Kristallisation bzw. Fällung. Nach der Inbetriebnahme wurde 7 5
UMWELT UND ENERGIE Oberfl äche: Geschwindigkeitsgröße in m / h 1 2 die Anlage bei einem potenziellen Anwender, einem landwirt- schaftlichen Betrieb mit Tierhaltung, im Dauerbetrieb getestet und weiter optimiert. Klimafreundliche Faulgasaufbereitungsanlage in Brasilien eröffnet Mit dem Verfahren können mehr als 90 Prozent des in der Gülle enthaltenen Phosphors als Düngersalz zurückgewonnen werden. Zudem wird durch die Kombination mit einer ener- giearmen und robusten Fest-Flüssig-Trennung eine nährstoff- arme Organikfraktion hergestellt, die als Bodenverbesserer eingesetzt werden kann. Auch in diesem Projekt konnte die Qualität und Düngemittel- wirkung des zurückgewonnenen Düngers im Vergleich zu mi- neralischen Phosphordüngern mit ähnlichem Phosphorgehalt durch Treibhaus- und Freilandversuche bestätigt werden. In einem weiteren Vorhaben wird der Anlage eine Stufe zur Stickstoffrückgewinnung als Ammoniumsulfat nachgeschaltet. Damit eignet sich das Verfahren für eine vollständige und effi ziente Gülleaufbereitung. www.igb.fraunhofer.de/phoska Kontakt Dr.-Ing. Iosif Mariakakis Telefon +49 711 970-4231 iosif.mariakakis@igb.fraunhofer.de 1 CFD-Simulation des entwickelten Kristallisations- reaktors. 2 IGB-Wissenschaftlerin Barbara Waelkens beim ers- ten Tankvorgang mit dem gewonnenen Biomethan. 3 Anlage im brasilianischen Franca, Sicht von einem der Faultürme aus. 4 Versuchsreaktor im Technikum des Fraunhofer IGB. 7 6 Im Dezember 2017 konnte im brasilianischen Franca eine neue Faulgasaufbereitungsanlage in Betrieb genommen werden. Damit endet das von der Internationalen Klimaschutzinitiative (IKI) des Bundesumweltministeriums geförderte Projekt »Nut- zung der Faulgase einer kommunalen Kläranlage für Trans- portzwecke«. Zur Minderung von Treibhausgasemissionen wurde hier, in Zusammenarbeit des brasilianischen Wasserver- sorgers SABESP mit dem Fraunhofer IGB, ein Demonstrations- projekt durchgeführt. Ziel des 2009 gestarteten Vorhabens war die Aufbereitung von Faulgasen auf Erdgasqualität. Mit dem entstehenden Biomethan kann künftig die betriebseige- ne Fahrzeugfl otte des Wasserversorgers betrieben werden. Die Zusammenarbeit im Rahmen des Projektes reichte von der Grundlagenermittlung über die Planung bis hin zu Bau und Inbetriebnahme der Faulgasaufbereitungsanlage, die in die Kläranlage Franca integriert wurde (Abb. 3). Auch Schulungen zum fachgerechten Betrieb der Anlage waren vorgesehen. Zu diesem Zweck reisten im Oktober 2017 acht brasilianische Delegierte nach Deutschland. In den Städten Heidelberg und Edenkoben besichtigten sie Kläranlagen mit Schlammfaulung und Faulgasnutzung und nahmen an Schulungen zum Thema Biogasaufbereitung teil. Anfang Dezember wurde die fertige Anlage in Franca erfolg- reich in Betrieb genommen. Sie kann 120 Nm3 / h Rohgas bear- beiten und erzeugt bis zu 2000 Nm3 / d Biomethan. Ein erstes Fahrzeug konnte bereits mit dem aufgewerteten Gas betankt werden (Abb. 2), wobei die Qualität des Biokraftstoffs mit 98 Prozent Methan einen sehr guten Wert erreicht. Die Anlage dient nun als Leuchtturmprojekt und könnte in den kommen- den Jahren ähnliche Projekte nach sich ziehen. In Brasilien wurde bereits vor der Inbetriebnahme vielfaches Interesse an weiteren Projekten angekündigt. Eine feierliche Einweihung der neuen Anlage erfolgte im März 2018.
3 4 www.igb.fraunhofer.de/franca Kontakt Barbara Waelkens M. Sc. Telefon +49 711 970-4124 barbara.waelkens@igb.fraunhofer.de Flexibilisierung der Hochlastfaulung vor dem Hintergrund der Energiewende Im Zuge der Energiewende nimmt der Anteil von Wind- und Solarenergie an der Stromversorgung stetig zu. Da diese Energiequellen nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen, wird neben der Energieeffizienz die Flexibilität der Stromabnahme sowie der Stromproduktion aus dezentralen Quellen immer wichtiger. Zu den dezentralen erneuerbaren Energieträgern zählt auch Biogas, das unter anderem bei der Faulung von Klärschlämmen auf Kläranlagen entsteht. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und For- schung (BMBF) geförderten Verbundforschungsprojekts ESiTI (Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch) befassten sich Wissen- schaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IGB mit der Frage, inwieweit eine Hochlastfaulung mit und ohne Mikro- filtration bei Bedarf flexibel betrieben werden kann, ohne die eigentliche Funktion zu beeinträchtigen. Die in den Untersuchungen an einer Technikumsanlage auf- gebrachten Stoßbelastungen und Temperaturänderungen (Mi- nimum 32 °C, Maximum 43 °C) führten nur zu einer leichten Reduktion des Abbaugrades und der Faulgasproduktion, nicht aber zu einem Versagen des Abbauprozesses. Erst die Zugabe eines hohen Anteils an Co-Substraten führte schließlich zur Übersäuerung. Bei allen aufgebrachten Störungen war zu beobachten, dass bei gleicher Raumbelastung die Faulung mit integrierter Mikrofiltration stabiler lief. Es ist davon auszugehen, dass in den nächsten Jahren neben der Energieeffizienz die flexible Abnahme und Erzeugung von Energie für Kläranlagen eine immer wichtigere Rolle spielt. Das Fraunhofer IGB kann hier auf Grundlage seiner Erfahrun- gen in ESiTI helfen, die besten Lösungen zu finden. www.igb.fraunhofer.de/esiti Kontakt Dr.-Ing. Marius Mohr Telefon +49 711 970-4216 marius.mohr@igb.fraunhofer.de Hochlastfaulung in Erbach (Donau) feierlich eingeweiht Mit einem Tag der offenen Tür in der Kläranlage Erbach hat Bürgermeister Achim Gaus die neugebaute Hochlastfaulung am 20. Mai 2017 offiziell feierlich eingeweiht. Bei der Hoch- lastfaulung handelt es sich um einen vom Fraunhofer IGB ent- wickelten Prozess zur anaeroben Faulung und Stabilisierung von Klärschlämmen. Dieser wurde auf der Kläranlage Erbach umgesetzt. Der erste Schritt beinhaltete Voruntersuchungen zur Vergä- rung des Rohschlammes der Kläranlage unter Hochlastbedin- gungen. Ein Planungsteam mit wissenschaftlicher Begleitung durch das Fraunhofer IGB wurde für die folgenden Schritte eingesetzt. Diese Begleitung reichte vom ersten Termin mit der Genehmigungsbehörde über die Hilfestellung bei den Ausschreibungsunterlagen, die Unterstützung während der Bauphase bis zur »Wasserfahrt« mit anschließender Inoku- lation mit Faulschlamm von einer benachbarten Kläranlage, bis hin zum Probebetrieb. Mitte Dezember 2016 folgten die 7 7
UMWELT UND ENERGIE 1 2 Abnahmen mit den ausführenden Firmen und die Bauendab- nahme mit dem Landratsamt. Damit konnte die funktionsfähi- ge Anlage an die Stadt Erbach übergeben werden. Potenzialanalyse zur Erzeugung von Biogas in Klärschlammvergärungsanlagen Die Reduzierung der zu entsorgenden Klärschlammmenge erreicht mehr als 25 Prozent. Dabei wird ein großer Teil der organischen Inhaltsstoffe von anaeroben Mikroorganismen zu Faulgas umgesetzt. Nach Reinigungsschritten verwertet ein Blockheizkraftwerk das gebildete Faulgas und erzeugt Strom und Wärme, welche auf der Kläranlage und auf dem angren- zenden Bauhof Verwendung finden. Die Hochlastfaulung sorgt dafür, dass ein großer Teil der notwendigen Energie zum Betrieb der Kläranlage aus der Schlammverwertung geliefert wird. Sowohl der elektrische Strom als auch die Wärme werden genutzt. Die Ausnutzung der Energie erreicht einen erfreulich hohen Gesamtwirkungs- grad. Die nächste Hochlastfaulung befindet sich bereits in der Bauphase. www.igb.fraunhofer.de/hlf-erbach Kontakt Barbara Waelkens M. Sc. Telefon +49 711 970-4124 barbara.waelkens@igb.fraunhofer.de 1 Eingerüstete Hochlastfaulung im Bau mit Not- fackel im Vordergrund. 2 Faulschlamm der Nachbarkläranlage kommt zur Inokulation. 3 Organische Raumbelastung als Funktion der Verweilzeit. 4 Biogasversuche am Fraunhofer IGB. 7 8 Im Rahmen des Förderprogrammes BioÖkonomie Baden- Württemberg wurde das Potenzial des Abfallstoffes Klär- schlamm zur Erzeugung von Biogas in Baden-Württemberg ermittelt. Die Studie zeigte das erweiterte Potenzial der beste- henden Kläranlagen der Größenklasse 4 zur Biogaserzeugung auf. Die Umrüstung von Kläranlagen dieser Größenklasse von der aeroben zur anaeroben Schlammstabilisierung sowie ein optimierter Betrieb von Faulbehältern mittels höherer Raum- belastung ermöglichen die Steigerung der Biogasproduktion. Anhand unserer Analyse konnten wir zeigen, dass insgesamt noch weitere 40 bis 52 GWh / a Strom und 60 bis 80 GWh / a Wärme auf den Kläranlagen in Baden-Württemberg produ- ziert werden könnten. Die Umrüstung einer Kläranlage von aerober auf anaerobe Schlammstabilisierung ermöglicht eine eigene Strom- und Wärmeproduktion. Dadurch könnten die über 60 Kommunen ohne Faulung besonders profitieren. Alleine durch die Umrüstung auf anaerobe Schlammstabili- sierung könnten zirka 40 Prozent des gesamten zusätzlichen Biogaspotenzials erreicht werden. Die Optimierung der knapp 220 bestehenden Faulbehälter durch höhere Belastung und verbesserten Betrieb würde mit den verbleibenden 60 Prozent zur Biogaspotenzialsteigerung beitragen. Neben dem Biogaspotenzial wurden, mittels Besuchen und Besprechungen mit Betreibern sowie der Auswertung von Betriebstagebüchern, die Herausforderungen einzelner Klär- anlagen und »Best Practices« zur energetischen Optimierung auf Kläranlagen identifiziert. Das Schlammmanagement, die Schlammqualität und ein effizienter Faulprozess bestimmen maßgeblich einen effektiven Feststoffabbau und die Biogas- produktion. Verschiedene Kläranlagen betreiben beispiels- weise Belebungsbecken mit unnötig hohem Schlammalter. Mehrere der evaluierten Faulbehälter werden unter besonders niedrigen Lasten betrieben (Abb. 3). Das Fraunhofer IGB konn- te im Rahmen der Studie durch eine systematische Analyse
8 7 6 5 4 3 2 1 0 ) d * 3 m ( / g k n i g n u t s a l e b m u a R e h c s i n a g r O 3 Hochlastfaulung Standardfaulung Niedrigbelastete Faulung 0 20 40 60 80 100 120 140 Hydraulische Verweildauer in d 4 sowie konkrete Maßnahmen an einigen ausgewählten Klär- anlagen zeigen, dass die Biogasproduktion aus Klärschlamm gesteigert, Schlammmengen reduziert und Entsorgungskosten minimiert werden können. www.igb.fraunhofer.de/biooekonomie-biogas Kontakt Barbara Waelkens M. Sc. Telefon +49 711 970-4124 barbara.waelkens@igb.fraunhofer.de Ganzheitliche Optimierung der Biogasprozesskette – GOBi In einem Verbundprojekt mit der Universität Hohenheim sowie verschiedenen Industriepartnern arbeitete das Fraun- hofer IGB an einer nachhaltigen Biogasprozesskette, bei der alle Prozessschritte vom Pfl anzenanbau bis zur Verwertung anfallender Reststoffe untersucht wurden. Wissenschaftler des Fraunhofer IGB charakterisierten dabei das Fermentationsver- halten und die Biogasproduktion verschiedener nachwachsen- der Rohstoffe nach Modifi kationen bei der Silierung. Für Mais-, Amaranth-, Gras- sowie Roggen-Ganzpfl anzen- silage wurden verschiedene Silierbedingungen hinsichtlich der Biogasausbeute aus den abgepressten Silagerückständen bewertet, aus denen zuvor organische Säuren als Wertstoff gewonnen wurden. Die Untersuchungen erfolgten in 1-Liter- Fed-Batch-Ansätzen unter standardisierten Bedingungen. Mit der so ermittelten Biogasausbeute aus den Silagefeststoffen und den durch Silierung gewonnenen Säuren konnte die Kas- kadennutzung aus Säureproduktion und anschließender Bio- gasproduktion der verschiedenen Silagen bewertet werden. In einer zweistufi gen Technikumsanlage (je 130 Liter, wobei jede der Stufen als Methanstufe betrieben wurde) haben wir anschließend Amaranthsilage und Grassilage nacheinander als Monosubstrate zur Biogasproduktion eingesetzt. Dabei wur- den sie hinsichtlich der Verbesserung der Produktivität sowie der Biogasausbeute und des Organik-Abbaus untersucht. Das Ziel, mit dem jeweiligen Monosubstrat und einer Verweilzeit von 25 Tagen einen stabilen, kontinuierlichen Langzeitbetrieb zur kontinuierlichen Biogasbildung zu realisieren, wurde erreicht. Für Amaranthsilage wurde im zweistufi gen Prozess mit der Verweilzeit von 25 Tagen je Stufe eine Biogasausbeute von 451 L / g oTRzugegeben (Normbedingungen) erzielt (oTR: Organischer Trockenrückstand). Der überwiegende Anteil der Biogasproduktion erfolgte dabei in Stufe 1. Durch das Verkür- zen der Verweilzeit auf 20 Tage je Stufe stieg die Biogaspro- duktivität von 561 L / m3 / d auf 638 L / m3 gleichzeitig die substratspezifi sche Biogasausbeute zurück: in Stufe 1 von 369 L / kg oTRzugegeben auf 326 L / kg oTRzugegeben. Das bedeutet, dass mit einer Verweilzeit von 20 Tagen zwar die Produktivität erhöht werden kann, allerdings nicht ohne Einbußen bei der substratspezifi schen Biogasausbeute. Durch eine etwas höhere Verweilzeit kann dies vermieden werden, sodass die größtmögliche Biogasproduktivität bei gleichblei- bender Biogasausbeute erreicht werden kann. / d an, allerdings ging www.igb.fraunhofer.de/gobi Kontakt Dr. Brigitte Kempter-Regel Telefon +49 711 970-4128 brigitte.kempter-regel@igb.fraunhofer.de 7 9
WEITERE DATEN UND FAKTEN 2017 23 Bachelorarbeiten 49 Masterarbeiten 7 Praktikumsberichte 9 Dissertationen 96 Hochschularbeiten 8 Studienarbeiten 12 neue Erfindungsmeldungen 17 neu angemeldete Schutzrechte 42 neu erteilte Schutzrechte 89 insgesamt angemeldete Patentfamilien 1844 Follower auf LinkedIn 1397 Follower auf Twitter
68 Vorträge 217 Publikationen 43 Poster 90 Artikel in Fachzeitschriften 16 Buchbeiträge 29 Vorlesungen 16 Seminare 21 Praktika, Übungen, Projektstudien 66 Lehrtätigkeiten 97 Aktivitäten in Fachausschüssen und Gremien 96 Strategische Kooperationen 23 Messen und Veranstaltungen Detaillierte Informationen www.igb.fraunhofer.de/daten
INFORMATIONSSERVICE Wünschen Sie weitere Informationen? Wir informieren Sie gern! Bitte markieren Sie auf diesem Blatt die entsprechenden Felder und senden Sie es uns per Fax, Post oder E-Mail. Periodika Absender / in Jahresbericht Online-Newsletter Name, Vorname, Titel Themenbroschüren und Produktblätter Firma / Abteilung Gesundheit Chemie und Prozessindustrie Umwelt und Energie Straße PLZ, Ort Telefon Fax E-Mail Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB Presse und Öffentlichkeitsarbeit Nobelstraße 12 70569 Stuttgart 8 2 Telefon +49 711 970-4150 Fax +49 711 970-4200 info@igb.fraunhofer.de www.igb.fraunhofer.de Online finden Sie unseren Bestellservice und Downloadbereich unter: www.igb.fraunhofer.de/ publikationen
IMPRESSUM REDAKTION UND LEKTORAT Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Antje Hetebrüg, Jan Müller M. A., Dipl.-Des. Thaya Schroeder (Bild), Dr. Claudia Vorbeck und die jeweils als Ansprechpartner oder Autoren genannten Wissenschaftler. GESTALTUNG UND PRODUKTION Dipl.-Des. Thaya Schroeder DRUCK Fraunhofer Verlag, Mediendienstleistungen, Stuttgart ANSCHRIFT DER REDAKTION Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB Dr. Claudia Vorbeck Nobelstraße 12 | 70569 Stuttgart BILDQUELLEN Altmann, Jürgen: Seite 7 Doering, Sven: Seite 35 Fogel, Walter: Seiten 15, 32 Fraunhofer IPA: Seiten 26, 27, 29 Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE) GmbH: Seite 70 Jackson, J.: Seite 25 Kleinbach, Frank: Seite 8 Krötz, Rafael: Seiten 38, 69, 72 MEV-Verlag: Seite 48 Michalke, Norbert: Seite 61 Müller, Bernd: Seiten 14, 41, 47, 49, 64 Schillinger, Stefan: Umschlag, Seiten 84 / 85 Shutterstock: Seiten 21, 46 Alle anderen Abbildungen © Fraunhofer IGB / Fraunhofer-Gesellschaft Dieser Jahresbericht wurde klimaneutral mit mineral- ölfreien Farben gedruckt. Das verwendete Papier ist aus 100 % Altpapier und die Rohstoffe stammen aus nachhaltiger Forstwirtschaft. Es ist mit dem EU Eco label AT / 11 / 002 und dem Blauen Engel ausgezeichnet. ePhos®, foxySPEC®, NANOCYTES®, Morgenstadt® und POLO® sind eingetragene Marken der Fraunhofer- Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. in Deutschland. Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich. © Fraunhofer IGB, Stuttgart 2018 8 3
Im Fokus der »Industriellen Biotechnologie« am Fraunhofer IGB steht die Etablierung und Optimierung von Prozessen, die mithilfe von Enzymen oder Mikroorganismen erfolgen. Die Skalierbarkeit der Konversionsprozesse und die Aufarbeitung der Produkte werden dabei bereits bei der Prozessentwicklung im Labormaßstab berücksichtigt.
Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und ioverfahrenstechnik IG Nobelstraße 12 70569 Stuttgart Telefon +49 711 970-4401 Fax +49 711 970-4200 info@igb.fraunhofer.de www.igb.fraunhofer.de Bleiben Sie mit uns in Verbindung: