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 2018 | 19

JAHRESBERICHT 2018 | 19

5 6 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 6 U M W E L T U N D E N E R G I E industrielle Wertschöpfung Zuckern Human- und Tierernährung Dampf unter atmosphärischem Druck 60 Anwendung von Laminarin im Pflanzenbau und der 60 Trocknung von Lebensmitteln mit überhitztem 61 Biointelligenz – Eine neue Perspektive für nachhaltige 61 Cellobioselipide – Mikrobielle Biotenside aus 62 Autofahren mit Baumrinde, Bauen mit Nussschalen 62 Hohe Konzentration an Xylonsäure durch 63 Separation und Aufreinigung von Furanderivaten 63 Äpfelsäure aus Xylose – Fermentation erstmals im 64 CELBICON – Kostengünstige Umwandlung von 64 Einstufige Elektrosynthese von Ethen aus CO2 65 Screenig von heterogenen Katalysatoren für die aus lignocellulosehaltigen Koppelströmen Kohlenstoffdioxid in Chemikalien Prozessoptimierung 1-m3-Maßstab Energiewandlung Innovation Hub Biogasanlagen: Praxistests hydoponischen Gewächshäusern 70 Fallstudien zur Wasserwiederverwendung in 70 Kooperation mit Indien durch den Water 71 MOST – Modellbasierte Prozesssteuerung von 71 HoLaFlor – Effizienzsteigerung von Biogasanlagen 72 Hochlastfaulung auf der Kläranlage Leipheim 72 Innovative Kaskadenprozesse zur Umwandlung von 73 PICK – Plasma-induzierte CO2-Konversion CO2 in Kraftstoffe und Chemikalien 74 Weitere Daten und Fakten 76 Informationsservice 77 Impressum 5

Innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft haben wir in mehreren Programmen Verantwortung für wichtige Zukunftsthemen übernommen, beispielsweise im Verbund Life Sciences. National ist das IGB hier insbesondere im Rahmen bioökonomischer Themen in zahlreichen Gremien tätig. International setzen wir uns in verschiedenen Project-Center-Anbahnungen ein, zu den Themen »Drug Discovery and Delivery« in Israel, »Wasser und Umwelt« in Südafrika sowie »Nachhaltige Chemieprodukte aus Solarenergie« in Marokko. Parallel zu den mittel- und langfristig ausgerichteten Zukunftsinitiativen haben wir im vergan- genen Jahr eine ganze Reihe positiver Veränderungen am Institut eingeleitet und erfolgreich umgesetzt. So wurden einige Entwicklungsprojekte erfolgreich abgeschlossen, spannende neue Projekte wurden auf den Weg gebracht. Ausgewählte Beispiele dafür finden Sie in die- sem Bericht. Daneben haben wir in den vergangenen Monaten auch viele organisatorische Veränderungen angestoßen und interne Prozesse neu aufgestellt. Für die Leitung der Verwaltung haben wir mit Herrn von Ritter zu Groenesteyn einen Mitarbeiter mit langjähriger Erfahrung in der Admi- nistration von Forschungsorganisationen gewinnen können. Herr von Ritter wird im April 2019 seine Arbeit am IGB aufnehmen. Am wichtigsten jedoch für die nachhaltige Entwicklung und den Erfolg des IGB sind seine Mit- arbeitenden und deren Engagement für das Institut. Das Miteinander und Füreinander weiter zu stärken und in der täglichen Praxis zu erleben, ist mir sehr wichtig. Daran werden wir weiter arbeiten. Wir sind auf einem guten Weg. Ich freue mich, wenn Sie der vorliegende Jahresbericht zu neu- en Kooperationen und der Fortführung bewährter Partnerschaften mit dem IGB inspiriert. Markus Wolperdinger Institutsleiter 7

2 Fraunhofer-Verbünde 19 Kuratoren 5 Abteilungen 8 Fraunhofer-Allianzen 2 Institutsteile 45 % Frauenanteil 388 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter 26 Nationalitäten 62 Uni-Mitarbeitende 6 BOGY-Schüler 37 Doktoranden 95 Studierende 24 Auszubildende 326 Fraunhofer-Mitarbeitende 1,7 Mio € Investitionen 13,9 Mio € Personalaufwand 26,5 Mio € Gesamthaushalt 61,2 % Eigenerträge 10,9 Mio € Sachaufwand

KURATORIUM DES FRAUNHOFER IGB Die Kuratorien der Fraunhofer- I ns titute s tehen dem Vor s t and der Fraunhofer- Ges ells chaf t und der I ns ti - tut sleitung b eratend zur S eite. I hnen g ehören Per s onen der W is s ens chaf t, der W ir t s chaf t und der öf fent- lichen Hand an. Mitglieder (Stand 31.12.2018) Dr. Susanne Arbogast Indivumed GmbH Prof. Dr. Sara Brucker Universitätsklinikum Tübingen Dr. Gerd Eßwein MinR Dr. Hans-Jürgen Froese Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) Prof. Dr. Elke Guenther AIT Austrian Institute of Technology GmbH Dr.-Ing. Bernd Krause (bis 30. Juni 2018) Gambro Dialysatoren GmbH MinDirig Dr. Jörg Wagner Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) MinR Dr. Joachim Wekerle Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg 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. Matthias Frosch (bis 1. Februar 2018) Medizinische Fakultät, Universität Würzburg Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr. h.c. Prof. E.h. Michael Resch Institut für Höchstleistungsrechnen, Universität Stuttgart Dr. Wieland Wolf ProBioGen AG MinDirig Dipl.-Ing. Peter Fuhrmann (bis 1. Mai 2018) Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg Prof. Dr. Dr. h.c. Ralf Riedel Institut für Materialwissenschaft, TU Darmstadt Ständige Gäste Prof. Dr. Herwig Brunner (Ehemaliger Institutsleiter) Dr. Jürgen Groß Robert Bosch GmbH Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht Institut für Feuerungs- und Kraftwerks- technik, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Ralf Takors Institut für Bioverfahrenstechnik, Universität Stuttgart Prof. Dr. Dieter Jahn (Vorsitzender des Kuratoriums 1999 bis 2013) 11 11

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. ochauflsende -z--naltik Molekülstrukturaufklärung, Reaktionsverfolgung, Tieftemperaturanalytik erflächen- und artikelanaltik 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 (auch zerstörungsfrei), durchflusszytome- trische Analysen 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 13

Personal Am 31. Dezember 2018 waren am Fraunhofer IGB in Stuttgart und seinen Institutsteilen in Straubing und Leuna 326 Mitar- beiterinnen und Mitarbeiter tätig, davon gut 80 Prozent im wissenschaftlichen und technischen Bereich. Der Frauenanteil betrug 48 Prozent. 62 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 2018. Der Frauenanteil am IGVP betrug 29 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: 31 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter kommen aus 26 verschie- denen Ländern außerhalb Deutschlands. Zahl der Mitarbeitenden zum 31.12.2018 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 350 300 250 200 150 100 50 0 391 365 326 92 75 76 62 2015 2016 2017* 2018 Fraunhofer IGB IGVP * seit 2017 ohne TZKME, Institutsteil Würzburg Fraunhofer IGB IGVP 81 85 9 40 17 5 16 73 326 13 9 20 4 7 3 – 6 62 15

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 187-366 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 ATTRACT-GRUPPE »ORGAN-ON-A-CHIP« 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 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 Kreislaufwirtschaft Zentrale Analytik (akkreditiert) 17

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 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 in den Leistungszentren »Mass Personalization« (Stuttgart) und »Chemie- und Biosystemtechnik« (Region Halle-Leipzig) aktiv, am Leitprojekt »Strom als Rohstoff« beteiligt und hat erfolgreich an den kürzlich abgeschlossenen Leitprojekten »Theranostische Implantate«, »Kritikalität Seltener Erden« 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 raunhofer-llianz olmere erflächen ® www.polo.fraunhofer.de Weitere Informationen zu Netzwerken des CBP: www.cbp.fraunhofer.de/netzwerk 19

1 2 hergestellt werden kann. Hierzu wurden zum einen neuartige, effiziente Katalysatoren für die CO2-Reduktion zu Ethen sowie die dafür notwendige Gasdiffusionselektrode entwickelt. Zum anderen konnte der Elektrosyntheseprozess mit einem vollau- tomatischen Demonstrator auf 130 cm2 Elektrodenfläche im Durchflussbetrieb erfolgreich validiert werden (siehe S. 64). Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprogramm eBioCO2n – Stromgetriebene CO2-Konversion durch synthetische Enzymkaskaden zur Herstellung von Spezialchemikalien Für die stromgetriebene Synthese von Chemikalien kommen nicht nur chemisch-katalytische Verfahren in Betracht. Vielmehr ist es auch denkbar, CO2-fixierende elektronenüber- tragende Biokatalysatoren mit weiteren enzymatischen Um- setzungsschritten in Form einer Enzymkaskade zur Herstellung von Feinchemikalien zu verknüpfen. Dieser Herausforderung stellt sich das Ende 2018 bewilligte Projekt »eBioCO2n«, das gemeinsam von Fraunhofer- und Max-Planck-Forschenden bearbeitet wird. Ziel des ambitionierten Projekts ist es, die Machbarkeit solch bioelektrokatalytischer Synthesen mit einem Demonstrator im 10 – 100-mL-Maßstab zu zeigen. Hierzu sollen geeignete CO2-fixierende Enzyme mittels neuer molekularer Architekturen auf Elektroden (Kathoden) assem- bliert und – je nach Zielprodukt – mit weiteren spezifischen Enzymen zu kontinuierlichen und gekoppelten Reaktionskas- kaden kombiniert werden. Als CO2-fixierende Biokatalysatoren kommen erst kürzlich entdeckte Redoxenzyme zum Einsatz, die Enoyl-CoA-Carboxylasen / Reduktasen (ECRs). Sie gehören zu den effizientesten CO2-umwandelnden Biokatalysatoren, die bisher beschrieben wurden. Fraunhofer-Leitprojekt »Kritikalität Seltener Erden« – Substitution, Effizienz, Recycling Seltene Erden zählen als Bestandteil vieler Hightech-Produkte zu den strategisch wichtigsten Rohstoffen für die deutsche Industrie. Für einen effizienteren Einsatz dieser wertvollen Elemente haben acht Fraunhofer-Institute in dem nun abge- schlossenen Gemeinschaftsprojekt neue Lösungen entwickelt. Dazu gehören optimierte Fertigungsverfahren, Konzepte für Recyclingprozesse und -technologien sowie neue Materialien, die Seltene Erden ersetzen können. Am Fraunhofer IGB lagen die Schwerpunkte bei der Aufarbeitung und Wiederver- wendung von Rezyklatmaterial aus gebrauchten Magneten, welches durch Wasserstoffversprödung hergestellt wurde. Für die Freisetzung der Seltenen Erden aus den Rezyklatmatrices wurden biochemische und chemische Leachingverfahren optimiert und zur Aufkonzentrierung Filtrationsmembranen mit selektiven Adsorberpartikeln entwickelt. Dabei konnten wir zeigen, dass mit Phosphonatgruppen belegte Partikel, die in die Membranen eingearbeitet wurden, eine selektive An- reicherung von Dy und Nd möglich ist und diese auch selektiv wieder eluiert werden können. Eine sortenreine Trennung konnte dann mittels der im Hause entwickelten Free-Flow- Elektrophorese erzielt werden. Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« – Ethen aus CO2 Der mit der Energiewende verbundene Ausbau von Windkraft und Fotovoltaik lässt das Stromangebot aus fluktuierenden Energiequellen weiter ansteigen. Im Leitprojekt »Strom als Rohstoff« haben zehn Fraunhofer-Institute neue elektrochemi- sche Verfahren entwickelt, um Überschussstrom zur Produkti- on von Chemikalien zu nutzen. Das Fraunhofer IGB hat dabei in einem Teilprojekt ein Verfahren erarbeitet, mit dem Ethen, einer der wichtigsten chemischen Ausgangsstoffe, mit nur einem Verfahrensschritt elektrochemisch aus CO2 und Wasser 2 1

3 (Sustainable Process Industry through Resource and Energy Efficiency) geförderten Projekt eine kombinierte elektroche- misch-chemische Technologie zur Herstellung von Ethylenoxid aus biobasiertem CO2. Der CO2EXIDE-Ansatz führt Physiker, Chemiker, Ingenieure sowie Kommunikationsexperten aus fünf Forschungseinrichtungen, zwei Industrieunternehmen und drei KMU im Projekt zusammen. Mit ihren innovativen Schlüsseltechnologien tragen sie dazu bei, dass ein beispiello- ses Verfahren auf der Grundlage von CO2, erneuerbaren Ener- gien und Wasser entwickelt und so der Chemie- synergetisch mit dem Energiesektor verbunden werden kann. Neue Projekte in Säule III »Gesellschaftliche Herausforderungen« UNRAVEL Seit dem 1. Juni 2018 koordiniert das Fraunhofer CBP das Projekt UNRAVEL (siehe S. 62) in der öffentlich-privaten Partnerschaft BBI, kurz für Bio-Based Industries. In vier Jahren Projekt laufzeit werden zehn europäische Partner fortschritt- liche Vorbehandlungs-, Trenn- und Konversionstechnologien für komplexe lignocellulosehaltige Biomasse entwickeln. 3 Das Projekt bringt Spezialisten verschiedener Bereiche zusam- men, die mit ihrer Expertise die gesamte Wertschöpfungskette abdecken. Dies beinhaltet die Rohstoffzusammensetzung, die chemische Zellstoffherstellung und -vorbehandlung, die Enzymproduktion, die Polymerchemie, die Separations- und Reaktortechnik, die technoökonomische und Nachhaltigkeits- bewertung sowie die Wissensvermittlung, -verwertung und -kommunikation. SUSBIND Das Konsortium SUSBIND entwickelt, produziert und testet seit dem 1. Mai 2018 für insgesamt vier Jahre biobasierte Bindemittel als Alternative zu den derzeit oftmals formalde- hydhaltigen Bindemitteln auf fossiler Basis, die für Holzwerk- stoffplatten in der Möbelproduktion verwendet werden. Ziel des Projekts ist es, auf fossilen Rohstoffen basierende Chemikalien durch solche aus erneuerbaren Ressourcen zu ersetzen. Überschüssiges Rohmaterial aus bestehenden eu- ropäischen Bioraffinerien wird für die Herstellung von Binde- mitteln und Zwischenprodukten verwendet. SUSBIND hat sich zum Ziel gesetzt, diese biobasierten Bindemittel bei führenden Holzwerkstoffherstellern für zwei Produkttypen herzustellen und zu validieren: P2-Spanplatten und mitteldichte Faserplat- ten. Das Fraunhofer IGB ist an diesem BBI-Projekt mit vier wei- teren Forschungseinrichtungen sowie fünf Industriepartnern unter der Koordination der RTDS Group beteiligt. Abgeschlossene Projekte Im Jahr 2018 konnten wir erfolgreich unsere ersten beiden Horizont-2020-Projekte ELSi sowie SteamBio abschließen. Ausblick Wir befinden uns nun bereits im vorletzten Jahr von Horizont 2020 und planen auch für 2019 einige neue Projekteinreichungen. Überdies blicken wir mit großer Spannung auf das neunte Rahmenprogramm für Forschung und Innovation »Horizon Europe« und beteiligen uns an einer Vielzahl aktuell stattfin- dender Vorbereitungsmaßnahmen. 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

2 und Systemen IMWS in Halle (Saale) und in Marokko der Green Energy Park sowie das Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles, die Université Mohammed VI Politechnique und die OCP Group. Dabei soll eine Technologie etabliert werden, mit deren Hilfe Ammoniak auf nachhaltigem Weg synthetisiert werden kann: unter Verwendung von Stick- stoff aus Luft und Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse mittels regenerativer Energie gewonnen wird. Das Kick-off- Meeting des Projekts, an dem Dr. Lénárd-István Csepei das IGB vertrat, fand im November 2018 in Marokko statt. Die Kooperation greift auch die Afrika-Strategie des BMBF auf und stärkt auf diese Weise die Forschungszusammenarbeit zur Umsetzung der Ziele für nachhaltige Entwicklung der Verein- ten Nationen sowie zur Nutzung von Synergiepotenzialen auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene, eines der darin formulierten fünf zentralen Handlungsfelder. Neuseeland – Baumrinde als Rohstoff Die globale Relevanz von IGB-Themen zeigte sich auch bei einem Workshop in Neuseeland: Dort fand im Juni am SCION Research Institute in Rotorua ein gemeinsames Arbeitstreffen zum Thema Bark Biorefinery statt. Ziel dieses Workshops war es, ein Konzept für die nachhaltige Verwertung von Rinden- abfällen zu entwickeln sowie Interessenvertreter als Akteure entlang einer potenziellen Wertschöpfungskette von Rinden- produkten zu verbinden. Im Rahmen des Treffens wurden im Besonderen folgende Aspekte diskutiert: Erste Ansätze zur Skalierung der Rindenverarbeitung in Neuseeland und deren Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Entwicklung von Produkten und Identifikation von Märk- ten, um eine komplette Wertschöpfungskette bis zu Endanwendungen aufzubauen. Erstellen einer SWOT-Analyse für das Thema, um Chancen gemeinsam nutzen zu können. In einem nächsten Schritt wird ein konkretes Projekt ausgear- beitet, das gemeinsam vorangetrieben wird, wenn Vertreter des SCION 2019 zum Gegenbesuch ans IGB kommen. Japan und Hongkong – Bioökonomie in Fernost Initiiert durch den Fraunhofer-Verbund Life Sciences reisten Vertreter des IGB und CBP im Oktober 2018 nach Japan und Hongkong, um dort Akquisitionsgespräche in den Themenfel- dern Bioökonomie und industrielle Biotechnologie zu führen. In Japan erhielt die IGB-Delegation Unterstützung durch das Fraunhofer Representative Office Japan, sodass sich das Ins- titut bei namhaften Unternehmen vorstellen und den Grund- stein für zukünftige Kooperationen legen konnte – nach dem Vorbild einer bereits bestehenden Zusammenarbeit des CBP mit einer japanischen Biotechnologiefirma. In Hongkong führ- ten die IGB-Vertreter auf Initiative des Verbundes Gespräche mit Repräsentanten der Hongkong PolyU zur Gründung eines gemeinsamen Project Center. In diesem soll in den Bereichen biokompatible Materialien, industrielle Biotechnologie und Umweltverfahrenstechnik zusammengearbeitet werden. Kontakt Dipl.-Agr.-Biol. Sabine Krieg MBA Telefon +49 711 970-4003 sabine.krieg@igb.fraunhofer.de 2 5

1 Dr.-Ing. Christopher Probst mit Retina-on-a-Chip bei Sciene2Start-Wettbewerb erfolgreich Studentin Teresa Krumm erhält Boehringer-Ingelheim- Preis für ihre Bachelorarbeit Die Studentin Teresa Krumm erhielt im November 2018 einen Studienpreis des Pharmaunternehmens Boehringer Ingelheim für ihre Bachelorthesis zum Thema »CRISPR / Cas9-induzierter Knockout der Thymidinkinase 1«. Krumm schloss mit dieser Arbeit erfolgreich ihr Bachelorstudium der Pharmazeutischen Biotechnologie an der Hochschule Biberach ab. Für ihre Thesis arbeitete sie am IGB in der Forschungsgruppe Molekulare Zell- technologie und wurde dabei von Gruppenleiterin Dr. Anke Burger-Kentischer betreut. Forschenden des IGB und der Universität Tübingen ist es gemeinsam gelungen, die komplexe menschliche Netzhaut in einem mikrophysiologischen System nachzubilden. Das so geschaffene Retina-Modell soll dabei helfen, neue Behand- lungsmöglichkeiten für Augenerkrankungen zu erforschen. Federführend bei diesem ambitionierten Vorhaben war IGB- Wissenschaftler Dr.-Ing. Christopher Probst, der am Institut in der Forschungsgruppe »Organ-on-a-Chip« tätig ist. Mit ihrer »Retina-on-a-Chip«-Innovation erreichten Probst und sein institutsübergreifendes Team im Sommer 2018 den dritten Platz beim Science2Start-Wettbewerb. Dieser wird von der BioRegio STERN Management GmbH ausgerichtet, die sich der Förderung der Biotechnologie und der Life Sciences in Baden-Württemberg verschrieben hat. Dr. Markus Wolperdinger spricht beim Global Climate Action Summit 2018 1 Beim Global Climate Action Summit in San Francisco im September 2018 trafen sich internationale Entscheider aus Politik, Forschung und Wirtschaft, um über Lösungen für das Problem des Klimawandels zu diskutieren. Neben zahlreicher Prominenz aus aller Welt nahm auch Dr. Markus Wolperdinger an dem Gipfeltreffen teil und referierte als Gastredner über den Beitrag der angewandten Forschung zum Klimaschutz. Der IGB-Institutsleiter besuchte den Summit als Mitglied einer Delegation des Landes Baden-Württemberg, die unter der Ägide von Ministerpräsident Winfried Kretschmann nach Kali- fornien und in die kanadische Region Ontario gereist war, um mögliche wirtschaftliche und wissenschaftliche Kooperationen auszuloten. 2 7

2 3 Biointelligenz – Eine neue Perspektive für nachhaltige Wertschöpfung? Aktuelle Messen und Veranstaltungen Innerhalb des Fraunhofer-Projekts BIOTRAIN (siehe S. 61) un- tersuchten das IGB und weitere Fraunhofer-Institute gemein- sam die Möglichkeiten einer nachhaltigen Wertschöpfung durch Anwendung von Materialien, Strukturen und Prinzipien der belebten Natur in der Technik. Ziel dieses Vorhabens war die Analyse, welchen Beitrag die biologische Transformation der industriellen Wertschöpfung für den Wirtschaftsstandort Deutschland leisten kann. Die Ergebnisse dieser Studie wurden Ende Juni 2018 im Fraunhofer-Forum in Berlin vorgestellt. Energy Storage 12. − 14. März 2019, Düsseldorf ICE Europe 12. − 14. März 2019, München Hannover Messe 1. − 5. April 2019, Hannover 3rd Joint Symposium on Nanotechnology 9. – 10. April 2019, Stuttgart Tag der Medizintechnik 3 Chemspec Europe 26. − 27. Juni 2019, Basel Am Tag der Medizintechnik 2018 im Fraunhofer-Forum in Berlin brachte der Fraunhofer-Verbund Life Sciences Fraunhofer-Wissenschaftler sowie Experten aus Politik und Wirtschaft zusammen, um über aktuelle Entwicklungen und Herausforderungen in der Biomedizintechnik zu informieren. Hon.-Prof. Dr. Christian Oehr, stellvertretender Leiter des IGB, vertrat das Institut am Medizintechnik-Tag und hielt einen Vortrag über die Forschungsschwerpunkte des IGB: biofunktionale Materialien, Next-Generation Diagnostics und Organ-on-a-Chip-Systeme. Biosurfactants International Conference 25. − 27. September 2019, Stuttgart 22. Kolloquium zur Abwasser- und Abfallbehandlung 8. Oktober 2019, Stuttgart Messe K 16. − 23. Oktober 2019, Düsseldorf parts2clean 22. − 24. Oktober 2019, Stuttgart SEPAWA Kongress 23. − 25. Oktober 2019, Berlin Bio-Europe 11. – 13. November 2019, Hamburg 2 9

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2 BOGY – Berufs- und Studienorientierung am Gymnasium Duale Ausbildung am Fraunhofer IGB Die Wahl des passenden Berufs ist eine der wichtigsten Entscheidungen im Leben junger Menschen. Deswegen absolvieren Gymnasiastinnen und Gymnasiasten in Baden- Württemberg zwischen der 9. und 11. Klasse einwöchige BOGY-Kurzpraktika (Berufs- und Studienorientierung am Gymnasium), die ihnen schon früh eine Orientierungshilfe bieten sollen. Das Fraunhofer-Institutszentrum Stuttgart unter- stützt diese Initiative. Schülerinnen und Schülern mit Interesse an Naturwissenschaft und Technik sollen einen Einblick in die Welt der angewandten Forschung erhalten und sich über Stu- dien-, Berufseinstiegs- und Karrieremöglichkeiten informieren können. Deswegen vermittelt das Institutszentrum jedes Jahr mehrere BOGY-Praktikumsplätze an den Stuttgarter Instituten. Das IGB nahm 2018 an zwei Terminen im April und Oktober insgesamt sechs Schülerinnen und Schüler auf. www.stuttgart.fraunhofer.de/bogy Karrieretag »Wissen schafft Zukunft« 2 Der Karrieretag des Fraunhofer-Institutszentrums Stuttgart richtet sich an Studierende sowie an Hochschulabsolventinnen und -absolventen. Im Mittelpunkt der Veranstaltung stehen dabei die verschiedenen Berufseinstiegsmöglichkeiten für junge Akademikerinnen und Akademiker. Beim Karrieretag erfahren die Teilnehmenden, dass sie bereits im Studium, nach ihrem Abschluss oder auch später noch als Berufserfahrene bei Fraunhofer in die angewandte Forschung einsteigen können. Fraunhofer-Mitarbeitende auf verschiedenen Karrierestufen – Hiwis, Doktoranden und Führungskräfte – berichten dabei im Rahmen der »Insider-Einblicke« von ihren persönlichen Erfahrungen und geben wertvolle Tipps für den Berufseinstieg. Darüber hinaus erhalten die Gäste im Rahmen von Institutsführungen einen Einblick in den Arbeitsalltag von Fraunhofer-Forschenden. Neben jungen Akademikerinnen und Akademikern steigen am IGB auch Auszubildende ins Berufsleben ein, denn auch die nicht-universitäre Ausbildung wird bei Fraunhofer großgeschrieben. So absolvierten zum Jahresende 2018 am IGB und am IGVP, dem IGB-Partnerinstitut an der Universität Stuttgart, insgesamt 18 junge Frauen und Männer eine Be- rufsausbildung, von denen sieben im Jahr 2018 neu am IGB eingestellt wurden. Das Angebot an Ausbildungsberufen ist dabei breit gefächert. In der Verwaltung erlernen Kaufleute für Büromanagement ihre Profession und in der IT-Abteilung werden Fachinformatiker geschult. Im wissenschaftlichen Be- reich bildet das Institut Biologie- und Chemielaboranten aus. Die Auszubildenden in der Verwaltung durchlaufen innerhalb von drei Jahren mehrere Stationen am Institut. So lernen sie die verschiedenen Arbeitsbereiche eines Forschungsinstituts kennen und erwerben alle benötigten Qualifikationen, die für eine spätere Karriere in der Forschung oder in der Industrie wichtig sind. Darüber hinaus unterstützt das IGB seine Auszu- bildenden auch, wenn sie nach Abschluss der Ausbildung ein Studium anstreben. www.igb.fraunhofer.de/ausbildung Weitere Informationen zu Ausbildung und Nachwuchsförderung: www.igb.fraunhofer.de/karriere 3 3

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 26 600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von mehr als 2,5 Milliarden Euro. Davon fallen mehr als 2,1 Milliarden Euro 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 Institu- te 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 2019 www.fraunhofer.de Fraunhofer-Zentrale in München. 3 5

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 des Bioökonomie- Ansatzes 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 Stabilisierung flüssiger Lebensmittel und biogener Produkte Zellaufschluss und Extraktion mit Hochdrucktechnik Chemisch-physikalische Wasseraufbereitung (mechanisch, elektrolytisch, photolytisch) Primäre / sekundäre Stoffgewinnung Prozesse und Verfahren zur Rückgewinnung von organischen und anorganischen Stoffen für die Landwirtschaft Elektrolytische und photolytische Synthese Elektrophoretische Stofftrennung Integration der Technologien in kundenspezifische Prozesse Konstruktion, Bau und Betrieb von Demonstratoren (Real labors) für aerobe und anaerobe Abwasserreinigung, Hochlastfaulung, Bioenergie, Algentechnik Analytik der Substrate und Fermentationsprodukte, Protein analytik 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 7

Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, Institutsteil Leuna Das Fraunhofer CBP entwickelt und skaliert chemische und biotechnologische Verfahren zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe von der Rohstoffaufbereitung, über verschiedene Konversionsprozesse bis zur Abtrennung und Aufarbeitung der Produkte. Durch die Bereitstellung von Infrastruktur und flexibel einsetzbaren Technikumsanlagen sowie hochqualifi- ziertem Personal schließt das CBP die Lücke zwischen Labor und industrieller Umsetzung und ermöglicht Partnern aus Forschung und Industrie, Prozesse bis in produktionsrelevante Dimensionen zu skalieren und Verfahrensentwicklungen 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 9

16 Projekte mit Universitäten und Kommunen oder von Stiftungen gefördert 61Industrieprojekte 2 Fraunhofer-Leitprojekte 32 Fraunhofer-interne Projekte 49 von Bundesministerien geförderte Projekte 14 von Bundesländern geförderte Projekte 194 Projekte 20 EU-Projekte

NACHHALTIGE WERTSCHÖPFUNG DURCH »BIOLOGISCHE TRANSFORMATION« IGB: Vorreiter und Keyplayer der biologischen Transformation Ausgehend vom gesellschaftlichen Mehrwert neuer und nachhaltiger Produkte bei gleichzeitigem Erhalt von Funkti- onalität und Qualität fokussiert das IGB seine Arbeiten seit mehr als 40 Jahren auf die Entwicklung biotechnologischer Prozesse und biobasierter Produkte, die unter anderem in den Branchen Medizin, Pharmazie und Diagnostik, Lebensmittel- verarbeitung, Chemie und erneuerbare Energie Anwendung finden. Dabei wurden am IGB schon frühzeitig industrielle Wertschöpfung und Umweltaspekte als Lösung für nachhalti- ges Wirtschaften miteinander verknüpft. Mit seinem Engagement im Innovationsprozess der biolo- gischen Transformation greift das Institut aktiv die Heraus- forderungen einer biologisierten medizinischen Versorgung der Menschen auf und führt einzelne Wertschöpfungsketten – »vom Rohstoff zum Produkt«, die »Natur als chemische Fabrik«, »Nexus Wasser, Ernährung und Energie« – zu gesamtheitlichen Wertschöpfungskreisläufen für die Produk- tionssysteme der Zukunft zusammen. Auf welche Fülle das Institut hierbei zurückgreift, wird anhand der nachfolgend ausgewählten Beispiele für die verschiedenen biologischen »Systemebenen« aufgezeigt. Die »Biologische Transformation« hat längst begonnen. Wie die »Digitale Transformation«, die durch das Internet und die Nutzung von Smart Phones aus dem Alltag der Menschen nicht mehr wegzudenken ist, hat sie mit neuen biologischen Wirkstoffen die Medizin und mit dem Systemansatz der Bioökonomie, den wir aufgrund seiner großen Bedeutung für die Forschungsstrategie des Instituts an anderer Stelle separat betrachten, auch die Art des Produzierens verändert. Vor allem im Zusammenspiel mit den digitalen Technologien und künstlicher Intelligenz einerseits und dem Ineinandergreifen von Lebens-, Material- und Produktionswissenschaften ande- rerseits werden zukünftig weitreichende Neuerungen möglich werden. Als Beispiel sind selbstlernende Systeme denkbar, deren Lernprozesse durch die Nachbildung von Prozessen ech- ter Zellen in Kombination mit digitalen Algorithmen gesteuert werden und Einsatz in der Herstellung völlig neuer Produkte finden. Nach der Definition der Fraunhofer-Gesellschaft macht sich die biologische Transformation Prinzipien, Materialien und Strukturen der belebten Natur zunutze. Diese sind nicht zwangsläufig mit dem Einsatz biologischer Systeme (Zellen, Gewebe) – als der höchsten Integrationsstufe – gleichbedeu- tend. Vielmehr können die Produktionssysteme der Zukunft die Prinzipien der Biologie bzw. ihre Materialien und Struktu- ren auch imitieren und adaptieren. Das heißt, die Produktion der Zukunft hat von der Natur bzw. ihren Prinzipien und Prozessen gelernt und wendet diese für biotechnologisch her- gestellte Pharmaka und eine »biologisierte Medizin« oder – im Falle anderer Sektoren – im Sinne natürlicher Stoffkreisläufe an. 4 3

SYSTEMEBENEN DER BIOLOGISCHEN TRANSFORMATION AM IGB Bioinspirierte Materialien und biologisierte Oberflächen Überall dort, wo Materialien in Kontakt mit biologischen Systemen kommen, spielen die Eigenschaften der Materialien und ihre Wechselwirkung mit der physiologischen Umgebung eine entscheidende Rolle. Bei Medizinprodukten liegt für uns die Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen dem technischen und dem biologischen System im Fokus. Je nach Zielstellung verändern wir die Oberfläche des eingesetzten Materials so, dass die Funktion der biologischen Komponente nicht nur nicht beeinträchtigt (biokompatibel), sondern in vielen Fällen sogar unterstützt wird (bioaktiv). Je nachdem, ob die Grenzflächen aneinanderhaften sollen (Implantate) oder gegeneinander bewegt werden (Gelenke), sind über die chemischen Eigenschaften hinaus auch adäquate mechanische Eigenschaften gefordert, die den Verbund stabilisieren. Zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften kommt die dritte Dimension ins Spiel. Aus der zweidimensionalen Grenz- fläche wird eine dreidimensionale Grenzphase. Für diesen Fall hat die Natur spezielle Materialien mit ungewöhnlichen mechanischen Eigenschaften entwickelt und kombiniert. Ein Beispiel etwa sind Gelenke. Mit seinen besonderen viskoelasti- schen Eigenschaften sorgt der Gelenkknorpel, zusammen mit der Synovialflüssigkeit bzw. ihrer definierten Viskosität, dafür, dass Gelenke auch unter stärkerer mechanischer und intermit- tierender Belastung ihre Funktion erfüllen können. Derartige Systeme in die Technik umzusetzen, erfordert noch einiges an grundlegender Forschung. Der Knorpel beispielsweise ist bezüglich seiner mechanischen Eigenschaften anisotrop aufgebaut. Diese Herausforderung gehen wir mit speziellen Drucktechniken unter Einsatz von am IGB entwickelten »Bio- tinten« an. Neue Materialien aus der Matrix von Geweben, bioinspirierte Strukturen und biofunktionale oder biologisierte Oberflächen werden so in Zukunft dafür sorgen, dass medizintechnische Hilfsmittel, Prothesen und Implantate besser verträglich sind. Mit Materialien, welche die biochemischen und mechanischen Eigenschaften von natürlichen Geweben nachbilden, können Irritationen im Organismus minimiert und die Haltbarkeit medizintechnischer Produkte verlängert werden: In Zukunft werden Materialien zur Verfügung stehen, die vollständig vom Körper integriert werden können und dadurch patientenge- recht und gleichzeitig kostengünstig sind. Enzyme – Spezifische Umsetzung unter milden Bedingungen Die Katalysatoren biologischer Zellen sind Enzyme, Proteine, die sämtliche chemische Reaktionen im Stoffwechsel be- werkstelligen. Enzyme haben zahlreiche Alltagsbereiche des Menschen erobert, von Waschmitteln, über Shampoo bis Zahnpasta. Als Sensoren messen sie zuverlässig Schadstoffe und helfen bei der Bestimmung des Blutzuckergehalts von Diabetikern. Biokatalysatoren sind hochspezifisch in Bezug auf das umgesetzte Substrat und lassen sich auch zur Herstellung chemisch schwer zugänglicher Verbindungen einsetzen. Die biokatalytisch hergestellten Produkte sind, aufgrund dieser Spezifität, von hoher Reinheit – Nebenprodukte entstehen nicht. Das IGB setzt Enzymreaktionen für eigene Entwicklungen ein, stellt neue Enzyme aber auch im Kundenauftrag her. Die Ent- wicklung beginnt mit dem Screening geeigneter Enzyme, z. B. in Bodenproben oder in Sequenz-Datenbanken. Sind Kandida- ten gefunden, werden Bakterien oder Hefen für die effiziente Herstellung der Enzyme eingesetzt und die Kultivierung vom Labor- bis in den Technikumsmaßstab optimiert. 4 5

Humane Gewebe- und Organmodelle für aussagekräftige präklinische Tests Rückgewinnung und Wiederverwendung – Stoffkreisläufe nach dem Vorbild der Natur Gewebe und Organe bestehen aus verschiedenen diffe- renzierten Zellen, die über zelluläre Kommunikations- und Regelmechanismen jeweils spezifi sche Funktionen für eine gemeinsame Aufgabe übernehmen. Um diese Mechanismen verstehen und in einem handhabbaren System abbilden zu können, bauen wir Modelle humaner Gewebe und Organe im Labor nach, mit denen die menschliche Physiologie und deren Krankheiten wesentlich besser als im Tiermodell nachgebildet werden können. Abfälle entstehen in der belebten Natur nicht. Im biologischen Kreislauf bilden Pfl anzen und Mikroalgen aus Kohlenstoffdi- oxid und anorganischen Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel mittels Fotosynthese organische Substanz, die über die Nahrungsketten anderen Organismen zum Aufbau ihrer Biomasse dient. Über die Atmung und den mikrobiellen Abbau abgestorbener organischer Substanz stehen am Ende wieder CO2 und Nährstoffe für neue Biosynthesezyklen zur Verfügung. Komplexe, aus humanen Zellen aufgebaute Modelle enthalten auch Komponenten des Immunsystems und wir nutzen sie als Testsysteme zur Entwicklung und Evaluierung neuer Pharma- zeutika. Mit 3D-Gewebemodellen können auch Testsysteme mit gestörten Steuer- und Regelmechanismen aufgebaut wer- den (z. B. aus Patienten-Biopsien oder über gezielt veränderte menschliche Zellen), an denen Wirkstoffe die diese Störung ausgleichen validiert werden können. Die Kultivierung der kleinsten funktionellen Einheit eines Organs in künstliche mikrofl uidische Systeme, sogenannte Organ-on-a-Chip-Systeme, ist eine weitere neue Technolo- gie zur Bereitstellung aussagekräftiger Testsysteme für die Arzneimittelentwicklung. Das IGB baut solche Organchips aus humanen induziert pluripotenten Stammzellen auf. Diese hiPS-Zellen lassen sich gezielt differenzieren, sodass auch Gewebe gewonnen werden, die sich nicht aus primären Biopsien isolieren lassen. Da die Zellen des Organ-Chips im mikrophysiologischen System auf Arzneimittelkandidaten so reagieren, wie dies auch im menschlichen Organismus der Fall wäre, können mit ihnen Wirkstoffe, die im Tierversuch nicht evaluierbar sind, untersucht – und Tierversuche vermehrt ersetzt werden. Die IGB-Forschung auf der Systemebene »Umwelt« orientiert sich an den natürlichen, vom Menschen nicht beeinfl ussten bzw. gestörten Stoffkreisläufen. So ist das Ziel bei unseren Konzepten zur Aufbereitung von Abwasser, Inhaltsstoffe in einer verwertbaren Form zurückzugewinnen. In unserem Systemansatz »Semi-dezentrales integriertes Wassermanage- ment« nutzen wir anaerobe Mikroorganismen, um die im Abwasser vorhandene Organik zu Biogas umzusetzen. Die verbleibenden Nährstoffe können in pfl anzenverfügbarer Form gefällt oder, mit dem gereinigten Wasser, zur düngen- den Bewässerung genutzt werden. Neben den heute in der westlichen Zivilisation üblichen Abwasserreinigungsanlagen, bei denen Nährstoffe in nicht recyclingfähiger Form entsorgt, anstatt zur Rückführung in den biologischen Kreislauf aufbereitet werden, ist es vor allem die industrielle Landwirtschaft, die den natürlichen Kreisläufen Nährstoffe entzieht. Mit der Ernte der Pfl anzen werden die Nährstoffe aus dem Agrarökosystem entfernt, eine Rückführung fi ndet kaum statt. Dies macht die Zufuhr synthetischer Düngemittel notwendig. Mit neuen patentierten Technologien setzen wir auf die Rückgewinnung von Nähr- stoffen aus Abwasser und Gülle, Gärresten und Reststoffen der Lebensmittelindustrie und auf eine Landwirtschaft, die sich an natürlichen Stoffkreisläufen orientiert. 47

Eine schnellere und genauere Diagnostik mittels neuer Sequenziertechnologien und moleku- larbiologischer Ansätze, neue Heilungschancen durch individualisierte Therapieansätze – unter anderem durch ein abgestimmtes Wechselspiel zwischen (biologisiertem) Implantat und physiologischem Umfeld – sind wissenschaftliche Trends, die vor dem Hintergrund einer gestie- genen Lebenserwartung an Bedeutung gewinnen. Damit einher geht die Notwendigkeit, die Wirksamkeit von Medikamenten zu erhöhen, beispielsweise durch optimierte Formulierungen und die gezielte Freisetzung von Wirkstoffen an ihrem Wirkort. In diesen Themenfeldern erarbeitet das Fraunhofer IGB Lösungen mit dem Ziel, die medizini- sche Versorgung von Patienten zu verbessern und gleichzeitig Kosten im Gesundheitswesen senken zu können. Ein Schwerpunkt ist dabei die Entwicklung dreidimensionaler In-vitro- Modelle aus menschlichen Geweben bis hin zu Organ-on-a-Chip-Systemen, die als humane Testsysteme bereits in der präklinischen Forschung Aussagen über Wirkung und Nebenwirkung potenzieller Wirkstoffkandidaten erlauben – und Tierversuche ersetzen können. Die personali- sierte Medizin ist ein weiteres vielversprechendes Anwendungsfeld der Organchips. 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 ab- decken zu können. Darüber hinaus sind wir in der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung vernetzt. Mit dem Fraunhofer Project Center for Drug Discovery and Delivery @ Hebrew University of Jerusalem, Israel, haben wir einen wichtigen Partner zur Identifizierung neuer Immunmodulatoren und deren Formulierung für die Bekämpfung von Infektionskrankheiten und immunmediierten Erkrankungen. 4 9

Wirkstoffentwicklung und Testsysteme 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 nachstellen und analysieren, um neue Zielstrukturen für die Entwicklung von Antibiotika oder zur Unterstützung der eigenen Immunabwehr zu identifizieren. Für die Untersuchung von Wirkung und Nebenwirkungen potenzieller 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 Pharmaproteinen: von der Etablierung neuer Expressionsvek- toren, über die Stammentwicklung bis hin zur Aufreinigung der Pharmazeutika. Einen neuen Ansatz verfolgen wir mit der Entwicklung »the- rapeutischer« Viren. In diesem Feld nutzen wir die Fähigkeit von Viren, Krebszellen abzutöten. Am IGB wird über Virus En- gineering ein modularer onkolytischer viraler Vektor basierend auf HSV1 für die Krebstherapie maßgeschneidert. 51

3 4 Zuverlässigere Sepsis-Erregerdiagnostik der nächsten Generation Organ-on-a-Chip-Plattformen zur Untersuchung von beigem Fettgewebe Bei der Therapie von Sepsis ist eine schnelle Behandlung mit dem richtigen Antibiotikum entscheidend für das Überleben des Patienten. Dies ist jedoch nicht immer zielgerichtet mög- lich, da mit dem derzeitigen Standard, der Blutkultur, nur in etwa 30 Prozent der Fälle ein Nachweis des Erregers gelingt. Am Fraunhofer IGB wurde daher ein neues, molekulardiag- nostisches Verfahren entwickelt, mit dem DNA-Fragmente von Krankheitserregern im Blut der Patienten mittels Parallel- sequenzierung (Next-Generation Sequencing, NGS) und bioinformatischen Algorithmen nachgewiesen und die Erreger dadurch hochspezifisch und sensitiv identifiziert werden kön- nen (Abb. 3). In einer aktuellen klinischen Studie in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Heidelberg konnten wir mit dieser Technologie für 50 Patienten mit septischem Schock im Vergleich zur Blutkultur deutlich mehr positive Ergebnisse zur Errege ridentifikation erzielen (71 Prozent gegenüber 11 Pro- zent). Eine Jury aus unabhängigen Intensivmedizinern betrach- tete 96 Prozent der positiven NGS-Ergebnisse als plausibel und hätte die Therapie von 53 Prozent der Patienten nachträglich angepasst, da diese oft über- oder untertherapiert waren. In der Gruppe dieser nicht adäquat behandelten Patienten war die Sterblichkeit der Patienten um 13 Prozent erhöht. Diese konkreten Auswirkungen auf den Behandlungserfolg zeigen eindrücklich das enorme Potenzial, das eine zuverlässigere, sensitivere Erregerdiagnostik mit sich bringt. Die retrospekti- ven Beobachtungen sollen Anfang 2019 in einer multizentri- schen Studie validiert werden. Die Aktivierung von braunem und beigem Fettgewebe (engl. brown / beige adipose tissue, BAT) und das »Browning«, die Erzeugung von BAT in weißen Fettgewebedepots, hat in den letzten Jahren großes Interesse in der biomedizinischen Forschung geweckt. Dies liegt vor allem an der Entkopplung der mitochondrialen Atmungskette in BAT, einem biochemi- schen Prozess, welcher speziell für neue Therapieansätze von Adipositas und Diabetes erhebliches Potenzial besitzt. Studien an menschlichem Gewebe sind jedoch derzeit in diesem Feld noch selten und schwierig zu realisieren. Konzepte und Tech- nologien zur Untersuchung des Browning für pharmakologi- sche Studien und die personalisierte Medizin existieren derzeit nur eingeschränkt. Im Rahmen eines vom Deutschen Akademischen Austausch- dienst (DAAD) unterstützten Kollaborationsprojekts forschte die Talenta-geförderte IGB-Nachwuchswissenschaftlerin Julia Rogal zwei Monate an der University of California at Berkeley in den USA und entwickelte ein innovatives mikrofluidisches System (Abb. 4) zur Integration von (beigem) Fettgewebe. Dieser BAT- on-a-Chip ermöglicht eine Vielzahl unterschiedlicher Assays, beispielsweise um die Aktivierung / Blockierung der Funktionali- tät von BAT, die Induktion des Browning in weißem Fettgewebe und die Charakterisierung der endokrinen und metabolischen Funktion von BAT zu untersuchen. Das BAT-on-a-Chip-System eröffnet somit vielfältige Möglichkeiten als In-vitro-Modell so- wohl für generelle Screens zur Identifikation von Substanzen, die Browning induzieren, als auch für Ansätze zur patientenspe- zifischen Untersuchung der Wirkung von Therapieansätzen. www.igb.fraunhofer.de/sepsis-studie www.igb.fraunhofer.de/bat-on-a-chip Kontakt Dr. Silke Grumaz Telefon +49 711 970-4084 silke.grumaz@igb.fraunhofer.de Kontakt Julia Rogal Telefon +49 711 970-4085 julia.rogal@igb.fraunhofer.de 5 3

kombinatorischer Raum von 180 Eigenschaften Zufalls- stichprobe Filter für 5 Eigenschaften schrittweise Eliminierung optimiertes Ergebnis globales Minimum Gesamtheit der besten Lösung umfassend? umfassende Suche 60 Moleküle, die im zellbasierten Assay getestet wurden potenzieller Antagonist 56 TLR9 Antagonisten 3 17 hochaktive TLR9 Antagonisten FPC_DD@HUJI: Wirkstoffsuche und Formulierung für Infektionen und Autoimmunerkrankungen Im Fokus des 2018 bewilligten »Fraunhofer Project Center for Drug Discovery and Delivery« an der Hebrew University in Jerusalem, Israel (FPC_DD@HUJI), steht die Entdeckung neuer und die Validierung identifi zierter Verbindungen (Abb. 3) und Nanopartikel-Delivery-Systeme für Virusinfektionen und Autoimmunerkrankungen. Eine Kombination aus Computational Chemistry und einem pa- tentierten Reportergen-Assay wird mit dem Ziel eingesetzt, neue Pattern recognition receptors (PRR) Antagonisten und Agonis- ten zur Modulation der angeborenen Immunantwort zu fi nden. Von 1,8 Millionen kommerziell verfügbaren Molekülen wurden in einem Vorläuferprojekt bereits 17 potenzielle Antagonisten mit hohem IC50-Wert identifi ziert und zum Patent angemeldet. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Entwicklung neuer therapeutischer Strategien gegen Herpes-simplex-Viren (HSV). Herpesviren verursachen lebenslange latente Infektionen in neuronalen Zellen und können derzeit nicht eliminiert werden. Verbindungen wie antimikrobielle Peptide töten zwar den Virus, sind aber gleichzeitig auch sehr toxisch für eukaryo- tische Zellen. Aus diesem Grund entwickeln wir liposomale Formulierungen mit optimalen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Gerichtete liposomale Transportsysteme wer- den zur Verkapselung spezifi scher Substanzen und siRNAs, welche die Virusreplikation blockieren, eingesetzt und mithilfe von 2D- und 3D-zellbasierten Testsystemen untersucht. Erste Navigator-Peptid-Phospholipid-Formulierungen zeigten eine verbesserte Abgabe der Wirkstoffe an neuronale Zellen. www.igb.fraunhofer.de/fpc-dd Kontakt Dr. Anke Burger-Kentischer Telefon +49 711 970-4023 anke.burger-kentischer@igb.fraunhofer.de 5 5

Die chemische Industrie gehört zu den bedeutendsten und forschungsintensivsten Branchen in Deutschland. Viele Innovationen in weiteren Branchen, die Grundchemikalien und Materialien einsetzen oder weiterverarbeiten, wären ohne den Beitrag der Chemie nicht möglich − etwa in der Automobil-, Elektro- und Elektronikindustrie, Bauwirtschaft oder Verpackungstechnik. Dabei ist die Chemie- und die gesamte Prozessindustrie, mehr als alle anderen Branchen, ge- kennzeichnet durch rohstoff- und energieintensive Prozesse. Die Abhängigkeit vom Import der Rohstoffe, die Begrenztheit der fossilen Ressourcen weltweit – auch im Wettbewerb mit der energetischen Nutzung – und die Notwendigkeit, Auswirkungen 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. Mit neuen und optimierten Konversionsverfahren, energieeffizienten Aufarbeitungstechnolo- gien, produktschonenden Stabilisierungsverfahren und neuen Produkten auf der Basis bioge- ner Reststoffe und Mikroalgen adressiert das IGB nicht nur die klassischen Chemiebranchen, sondern auch die Lebensmittel-, Futtermittel- und Kosmetikindustrie. Vernetzung und Kooperation Das IGB ist hervorragend mit anderen Instituten vernetzt innerhalb der Fraunhofer-Verbün- de Life Sciences und Werkstoffe, Bauteile – MATERIALS sowie der Fraunhofer-Allianzen Food Chain Management, Nanotechnologie, Textil, Polymere Oberflächen POLO® und Reinigungstechnik. Auch die enge Anbindung zu Universitäten und anderen Forschungs- einrichtungen ist ein Garant für die kompetente Bearbeitung auch interdisziplinärer Fragestellungen. 5 7

Elektrochemische Synthese von Chemikalien Fermentations- und Aufarbeitungsverfahren wurden am Fraunhofer IGB für C2-Verbindungen, C3-Verbindungen, Dicarbonsäuren (Äpfelsäure, Itaconsäure, Furandicarbonsäure) sowie für Aminosäuren oder Proteine erfolgreich bearbeitet. Ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen, Algenlipiden oder biogenen Reststoffen konnten wir neue Wege zur Her- stellung von Grundstoffen für die Kunststoffindustrie (lang- kettige Dicarbonsäuren, Triglycerid- und Fettsäureepoxide, Lactame) aufzeigen. Weitere Beispiele sind Aromaten, Lignine, Phenole und Furane sowie Extraktstoffe und deren Derivate (Terpene, Phytosterole, Campher) und gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Olefine und langkettige Alkane. Ausgewiesene Expertise besitzen wir zudem in der mikrobiellen Herstellung von Biotensiden für Anwendungen als Detergenzien, Emulgatoren und Wirkstoffe in Kosmetik und Pflanzenschutz. Mit dem Ausbau der regenerativen Stromerzeugung fällt kostengünstiger Überschussstrom an, der – alternativ zur Speicherung – auch flexibel für die elektrochemische Syn- these von Basischemikalien eingesetzt werden kann. Hierfür entwickeln wir Katalysatoren und geeignete Elektroden, Elektrolyse-Verfahren und Apparate. Im Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« hat das Fraunhofer IGB ein einstufiges Verfahren entwickelt, um Ethen elektrochemisch in nur einem Verfahrensschritt herzustellen. Eine Elektrolysezelle, in der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasser- stoffperoxid herstellen lässt, ist ebenfalls bereits als Prototyp am Fraunhofer IGB verfügbar. In verschiedenen weiteren Projekten nutzen wir regenerativ erzeugten Strom, um atmo- sphärisches CO2 zu binden und in Chemikalien umzuwandeln. Hierbei kombinieren wir zunehmend auch elektrochemische mit biotechnischen Verfahren. 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 Oberflächen- eigenschaften 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. 5 9

3 4 Biointelligenz – Eine neue Perspektive für nachhaltige industrielle Wertschöpfung Cellobioselipide – Mikrobielle Biotenside aus Zuckern Mit endlichen Ressourcen und unseren derzeitigen Produkti- onssystemen kann, auch mit einer tiefgreifenden Digitalisie- rung, eine gerechte Befriedigung der materiellen Bedürfnisse zukünftiger Generationen nicht sichergestellt werden. Eine Transformation zu nachhaltigen Produktionsweisen mit neuen Materialien, geschlossenen Kreisläufen und dem Einsatz zu- kunftsfähiger Technologien erscheint dringender denn je. Gleichzeitig bieten sich mit dem wachsenden Wissen über biologische Prozesse und den neuen Möglichkeiten der Digitalisierung neue Potenziale, die biologischen, technischen und informatorischen Sphären zu integrieren. Die »Biologische Transformation der industriellen Wertschöpfung« wird daher als systematische Anwendung des Wissens über biologische Prozesse zum Zweck der ganzheitlichen Optimierung von Produktionssystemen verstanden. Sechs Fraunhofer-Institute identifizieren im Projekt BIOTRAIN die Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken einer biologi- schen Transformation der industriellen Wertschöpfung für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Die umfangreiche Analyse stützt sich auf intensive Literaturrecherchen, über 120 Interviews mit nationalen und internationalen Experten aus Forschung und Wirtschaft sowie zahlreiche Workshops mit insgesamt über 200 Teilnehmern. Aufbauend auf dieser Analyse werden zudem Basistechnologien und ihre Potenziale untersucht, Entwicklungspfade sowie Handlungs- und Gestal- tungsempfehlungen für die öffentliche Hand erarbeitet. Mikrobielle Biotenside wie Cellobioselipide (CL) werden von Mikroorganismen auf der Basis von Zuckern hergestellt. Aufgrund ihrer grenzflächenaktiven und antimikrobiellen Eigenschaften können sie in Kosmetika oder Reinigungsmit- teln eingesetzt werden. Basierend auf diesen Eigenschaften besitzen sie großes Potenzial als nachhaltige Alternative zu petrochemisch hergestellten Tensiden. Um dieses Potenzial ausschöpfen zu können, entwickelt die Gruppe Industrielle Biotechnologie Fermentations- und Aufreinigungsverfahren, die möglichst hohe Raum-Zeit-Ausbeuten erlauben und damit ökonomisch sind. Mit einem Ustilago-maydis-Stamm konnten wir CL-Kon- zen tra tionen über 20 g / L herstellen. Diese wurden vom Schüttelkolben in den Reaktormaßstab (1 L, 10 L) übertragen (Abb. 4). Durch kontinuierliche Abtrennung des während der Fermentation entstehenden Schaumes konnte eine Fraktion mit hoher Cellobioselipid-Konzentration gesammelt werden. Wird diese Schaumfraktion direkt aufgereinigt, so benötigt man für die Extraktion der Cellobioselipide, im Vergleich zur herkömmlichen Aufreinigung des gesamten Reaktorinhalts, nur noch sieben Prozent der Lösemittelmenge. Die einzelnen Prozessschritte werden nun mittels Lebens- zyklusanalyse und einer techno-ökonomischen Evaluierung entwicklungsbegleitend bewertet. Für prozesstechnische Stellschrauben, die mithilfe dieser Bewertungen identifiziert werden, erfolgt danach eine experimentelle Validierung. Die hierdurch ermittelten Erkenntnisse dienen der stetigen Verbes- serung der Ökonomie und Ökologie des Gesamtprozesses. www.igb.fraunhofer.de/biotrain www.igb.fraunhofer.de/biotenside Kontakt Marc Beckett M. Sc. Telefon +49 711 970-4074 marc.beckett@igb.fraunhofer.de Kontakt Dr.-Ing. Susanne Zibek Telefon +49 711 970-4167 susanne.zibek@igb.fraunhofer.de 61

3 4 Separation und Aufreinigung von Furanderivaten aus lignocellulosehaltigen Koppelströmen Äpfelsäure aus Xylose – Fermentation erstmals im 1-m³-Maßstab Biobasierte Furanderivate wie 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) besitzen insbesondere als biogene Bausteine für Polymeranwendungen eine immer größere Bedeutung. Das Fraunhofer CBP beschäftigt sich intensiv mit der Abtrennung und Aufreinigung von Furanderivaten aus Prozesswässern der hydrothermalen Umwandlung lignocellulosehaltiger Rohstoffe und wendet dabei verschiedene thermische, mechanische und physikalisch-chemische Trennverfahren an. Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgten u. a. in den vom BMBF geförderten Projekten »KomBiChemPro« und »BBChem« sowie in dem von der EU geförderten Projekt »SteamBio«. Zur Abtrennung der gelösten und ungelösten Inhaltsstoffe setzen wir Cross-Flow-Membrananlagen (Abb. 3) ein. Zielset- zung ist die Separation von Mono- und Oligomeren bzw. die Reduzierung des Wasseranteils zur energetischen Optimierung des Aufreinigungsprozesses. Die Cross-Flow-Membranfiltrati- on spielt zudem bei der Abtrennung temperaturempfindlicher Substanzen wie 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) und Ameisensäure eine bedeutende Rolle. Furfuralderivate lassen sich aus den Wässern auch erfolgreich mittels Rektifikation abtrennen, wie wir im Pilotmaßstab mit einem Durchsatz von 2,5 kg / h demonstrieren konnten. Untersuchungen zur Flüssig / Flüssig-Extraktion und Adsorption / Desorption zeigten eine gezielte Trennung der Carbonsäuren von den Furanderivaten. Hier konnten wir die prinzipielle Machbarkeit zur Abtrennung der Furanderivate aus Prozesswässern der hydrothermalen Umsetzung bis in den 100-Liter-Maßstab erfolgreich darlegen. Äpfelsäure wird bislang vor allem in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt. Sie verbessert die Haltbarkeit von Backwaren und dient als Lieferant für den sauren Ge- schmack von Marmeladen und Säften. Aber auch ihr Potenzial als Baustein für die Chemieindustrie ist erheblich. Zusammen mit Bernstein- und Fumarsäure gehört sie zur Gruppe der C4-Dicarbonsäuren. C4-Säuren können u. a. in 1,4-Butandiol (BDO) umgewandelt werden – eine wichtige Vorstufe für eine Vielzahl von Chemikalien, darunter Kunststoffe, Polymere und Harze, deren Anwendungsspektrum von Golfbällen bis hin zu Druckfarben und Reinigungsmitteln reicht. Die fermentative Herstellung der Äpfelsäure wurde in Zusam- menarbeit der Arbeitsgruppen Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer IGB und Biotechnologische Verfahren am Fraun- hofer CBP entwickelt. Die Fermentation erfolgte mit dem Pilz Aspergillus oryzae (Abb. 4), welcher nach dem GRAS-Status (engl. generally recognized as safe) der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) als unbedenklicher Lebensmittelzusatzstoff gekennzeichnet ist. Der Stamm kann neben Glucose auch den C5-Zucker Xylose verwerten, der als Hauptbestandteil der Hemicellulose aus Holzreststoffen ge- wonnen werden kann. Zunächst wurde der Prozess im Labor- maßstab optimiert, in Rührreaktoren etabliert und schließlich erstmals mit dem Substrat Xylose bis in den 1-m³-Maßstab erfolgreich skaliert. Die Produktaufarbeitung konnte mittels Kristallisation demonstriert werden. Damit stehen ausreichen- de Produktmuster für Anwendungstest zur Verfügung. www.cbp.fraunhofer.de/furanderivate www.igb.fraunhofer.de/kombichempro Kontakt Christian Bartsch Telefon +49 3461 43-9115 christian.bartsch@igb.fraunhofer.de Kontakt Dipl.-Chem. (FH) Gerd Unkelbach Telefon +49 3461 43-9101 gerd.unkelbach@igb.fraunhofer.de 6 3

3 4 Screening von heterogenen Katalysatoren für die Energiewandlung Aufgrund der täglichen und saisonalen Diskrepanz zwischen Verfügbarkeit und Bedarf regenerativer Energie sind neue Szenarien der Energiespeicherung Gegenstand intensiver Forschung. Methanol ist ein vielseitiger chemischer Grundstoff und spielt auch als Energieträger eine immer größere Rolle für die Energiewende. Für die Synthese von Methanol aus Kohlen- stoffdioxid und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff wurden am Institutsteil BioCat zwei Verfahren zur Katalysatorsynthese optimiert. Für das anschließende Screening der Katalysatoren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit stehen verschiedene Reak- torsysteme zur Verfügung. Nach dem Stand der Technik werden Katalysatoren für die Methanolsynthese mittels Kopräzipitation über mehrere Zwischenstufen aus kupferhaltigen Lösungen hergestellt. Mit dem Ziel, bei dieser Katalysatorsynthese im industriellen Maßstab Energie, Zeit und Ressourcen einzusparen, wurde das Verfahren am Institutsteil BioCat des Fraunhofer IGB für den kontinuierlichen Betrieb optimiert (Patent angemeldet). Eine weitere innovative Methode zur Katalysatorsynthese basiert auf der Auflösung von Metallverbindungen in tief eutektischen Lösungsmitteln, gefolgt von der Karbonisierung (WO2016 / 180973A1). Für das Screening von heterogenen Katalysatoren in Gaspha- senreaktionen stehen am Institutsteil Straubing zwei Reak- torsysteme zur Verfügung. Ein Mehrzweck-Screening-System besteht aus vier parallelen Reaktorrohren und Online-GC / MS- Analyse (Abb. 3 + 4). Über ein spezielles Gasdosiermodul können technisch relevante Synthesegasgemische unter- schiedlicher CO / CO2 / H2 / H2O-Verhältnisse eingestellt werden. Das System erlaubt das Screening von Katalysatoren und Reaktionsbedingungen im Hochdurchsatz. Zudem ermöglicht es die Bewertung der Langzeitstabilität von Katalysatoren unter optimalen Betriebsbedingungen und die quantitative Erfassung und Analyse der flüssigen Produkte. Das Design ermöglicht auch die Durchführung verschiedener anderer Reaktionen wie Methanisierung, Fischer-Tropsch-Synthese und chemische Umwandlung von Methanol in Olefine oder flüssige Kraftstoffe sowie die Ammoniaksynthese. Ein Einrohrsystem für die Testung von Katalysatoren bei Atmosphärendruck wurde selbst entworfen und gebaut. Hier stehen zwei Betriebsgrößen mit maximal einem bzw. 50 Gramm Katalysatorbeladung zur Verfügung. Das System ermöglicht die Untersuchung von Reaktionskaskaden wie der Methanolsynthese, die an den Methanol-to-Olefin-Prozess gekoppelt sind. www.igb.fraunhofer.de/katalysator-screening Kontakt Dr. Lénárd-Istvan Csepei Telefon +49 9421 187-364 lenard-istvan.csepei@igb.fraunhofer.de 6 5

Vor dem Hintergrund der weltweiten Diskussion über Wassermangel und -verschmutzung, Res- sourcenverknappung und Klimawandel kommt dem ressourcen- und umweltschonenden Wirt- schaften wesentliche Bedeutung zu. Der Übergang zu einer nachhaltigen, umweltverträglichen und zuverlässigen Versorgung mit sauberem Wasser, Lebensmitteln, Rohstoffen und Energie ist daher – auch im Kontext globaler Klimaschutzziele – eine der zentralen Herausforderungen unserer heutigen Gesellschaft. In nationalen und internationalen Projekten mit Partnern aus Forschung, Industrie und Kommu- nen entwickelt das Fraunhofer IGB innovative Verfahren, Reaktoren und neue Technologien zur nachhaltigen Ver- und Entsorgung, insbesondere zur Behandlung von industriellem Prozess- wasser 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 regenerativ erzeugte Energie erschlossen werden – um Wirtschaftlichkeit mit Nachhaltigkeit zu verbinden. Lösungsansätze sind in einigen Fällen auch stark mit Themen des Geschäftsfelds Chemie und Prozessindustrie verknüpft. Vernetzung und Kooperation Um historisch gewachsene Infrastrukturen durch Systemlösungen mit neuesten Technolo- gien zu ersetzen, entwickeln wir integrierte Stoffstrom- und Energiekonzepte für Industrie, Kommunen und ganze Regionen. Deshalb engagieren wir uns in den Fraunhofer-Allianzen Energie und SysWasser sowie der Fraunhofer-Initiative Morgenstadt. Darüber hinaus ist das Fraunhofer IGB national über German Water Partnership und auch international hervorra- gend vernetzt. So arbeiten wir im Bereich Wasserbehandlung und Wassernutzung mit der Universität Stellenbosch in Südafrika zusammen und auch in Indien werden die Beziehun- gen, die über verschiedene Projekte entstanden sind (siehe S. 70), intensiviert. 6 7

Die effiziente Erzeugung von Biogas aus Klärschlamm mit An- aerobtechnologien ist ein zentrales Thema am IGB: Mehrere Kläranlagen unterschiedlicher Größe haben wir bereits auf unser Verfahren der Hochlastfaulung umgestellt und damit zu energieautarken Betrieben gemacht. Unser Know-how zur Vergärung organischer Stoffe setzen wir aber ebenso für die Nutzung von Reststoffen der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie ein. Im Zuge der Dezentralisierung der Energiewirtschaft werden hierbei zunehmend auch geringe Massenströme interessant. Vielfach noch ungenutzt bleibt Abwärme, die bei der Stromerzeugung und vielen Industrieprozessen anfällt. Damit überschüssige Wärme für einen zeitlich und räumlich ent- koppelten Bedarf zugänglich wird, arbeiten wir an Systemen zur thermo-chemischen Langzeitspeicherung von Wärme mit Sorptionswärmespeichern Wandlung und Speicherung erneuerbarer Energie Um neue regenerative Energiequellen zu erschließen, erarbei- ten wir innovative Membrantechnologien, etwa für effiziente Ethanol-Brennstoffzellen oder wirtschaftliche Osmosekraft- werke. Für das Gelingen der Energiewende muss Überschuss- strom gespeichert werden können. Hierzu entwickeln wir katalytische Verfahren, mit denen elektrische Energie – vor allem durch Bindung und Reduktion von CO2 – in chemische Energiespeicher, etwa längerkettige Kohlenwasserstoffe, um- gewandelt wird. Auch die flexible elektrochemische Synthese von Grundchemikalien ist eine Option, die wir in verschiede- nen Ansätzen erforschen (siehe Geschäftsfeld Chemie und Prozessindustrie). In diesem Kontext nimmt Biogas unter den erneuerbaren Energieträgern eine Sonderstellung ein. Das Gemisch aus Me- than und Kohlenstoffdioxid lässt sich nicht nur zur Erzeugung von Strom und Wärme in Blockheizkraftwerken nutzen, son- dern – nach Abtrennung von hochreinem Methan – auch als Kraftstoff und Ausgangsstoff für Grundchemikalien. Biogas kann so nicht nur als temporärer Energiespeicher dienen, viel- mehr kann es den Energiesektor mit den Sektoren Mobilität und Chemie koppeln. Für die Abtrennung von hochreinem Methan aus Biogas untersuchen wir daher Absorptions- und Membranverfahren, die CO2 mit hoher Kapazität binden, wie auch neue stoffliche Verwertungspfade. 6 9

5 0 0 29 0 29 34 0 29 34 39 29 34 39 44 Zeit [d] 29 30 30 30 34 39 Zeit [d] 44 Essigsäure 49 Zeit [d] 1 0 44 49 54 0 Buttersäure CO2 CH4 49 54 0 54 2 CO2 CH4 34 39 44 39 44 49 1 Zeit [d] 54 49 Essigsäure Essigsäure Essigsäure Essigsäure 0 Propionsäure Propionsäure Propionsäure Buttersäure Buttersäure Buttersäure CO2 CO2 CO2 CO2 CH4 CH CH CH4 Propionsäure 54 8 8 8 Buttersäure 500 350 300 250 200 150 100 50 R T o g k / L N n i e t u e b s u a n a h t e M Methanausbeute Produktivität 10 20 30 50 60 70 0 80 Verweilzeit in d Essigsäure Zeit [d] Essigsäure Propionsäure Propionsäure Buttersäure Essigsäure Propionsäure Buttersäure CO2 25 25 25 20 20 20 ] l / l o m m 15 15 15 [ n o i t a r t n e z n o k e r u ä S 10 10 10 5 5 5 0 0 0 29 29 29 34 39 39 39 44 Zeit [d] Zeit in d Zeit in d 49 54 Essigsäure Propionsäure Buttersäure CO2 CH4 2 2 2 1 1 1 0 0 0 1,8 1,6 1,2 1 0,8 0,6 0,2 0 0 7 7 7 6 6 6 5 5 5 4 ] h / N l [ g n u g u e z r e s a G 3 3 3 CH4 h h / / N N L L n n i i g g n n u u g g u u e e z z r r e e s s a a G G d * L / L N n i t ä t i v i t k u d o r p n a h t e M 4 L L / / l l o o m m m m n n i i n n o o i i t t a a r r t t n n e e z z n n o o k k e e r r u u ä ä S S 3 3 MOST – Modellbasierte Prozesssteuerung von Biogasanlagen: Praxistests HoLaFlor – Effi zienzsteigerung von Biogasanlagen Das Entwicklungsziel des MOST-Teilprojekts »Praxistests« war, die Betriebssicherheit von Biogasanlagen durch frühes Erken- nen einer Betriebsstörung zu erhöhen, sodass ein rechtzeitiges Reagieren möglich ist und dadurch die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen erhöht werden kann. Dafür wurden im Technikumsmaßstab verschiedene Betriebs- situationen experimentell nachgestellt, indem betriebliche Parameter geändert und deren Auswirkungen auf den Prozess dokumentiert wurden. Diese Experimente führten gezielt zu extremen Situationen im Biogasprozess, um so das Verhalten und die Reaktionen der messbaren Parameter verfolgen und daraus geeignete Vorgehensweisen ableiten zu können. Die Erkenntnisse fl ießen in ein vom Projektpartner Helmut- Schmidt-Universität Hamburg entwickeltes Simulationspro- gramm ein. Die Ergebnisse dieser Versuche haben besonders eindeutig die stufenweise Reaktion der Biogasproduktion wiedergeben kön- nen (Abb. 3), welche durch die direkte Korrelation zwischen Säurekonzentration und Biogasproduktion charakterisiert ist. Die Datendichte der Online-Messungen erlaubte, den Wechsel zu einem bevorzugten Stoffwechselweg minutengenau zu identifi zieren. Darüber hinaus konnten weitere Zusammenhän- ge dargestellt werden, die aktuell noch nicht in den Standard- modellen wie ADM1 aufgezeigt sind. Die stöchiometrische Aufteilung der Stoffwechselprodukte ist annähernd korrekt, eine thermodynamische Betrachtung ist bei den Extremfällen ebenso relevant. Biogasanlagen, die nachwachsende Rohstoffe als Substrate einsetzen, werden meist mit Verweilzeiten von 40 Tagen be- trieben. Auch deutlich längere hydraulische Verweilzeiten von bis zu 90 Tagen sind keine Seltenheit. Im Forschungsprojekt »HoLaFlor« war es daher das Ziel, eine Biogasanlage auch mit kürzeren Verweilzeiten stabil mit konstanten Biogasraten zu betreiben und gleichzeitig die Methanproduktivität zu steigern. Für eine Biogasanlage im Technikumsmaßstab mit Maissilage als Monosubstrat konnten am IGB erfolgreich kurze Verweil- zeiten zwischen 15 und 30 Tagen sowie entsprechende orga- nische Raumbelastungen zwischen 2,9 und 5,8 g / L*d realisiert werden. Parallel dazu wurde das herkömmliche Verfahren mit einer Verweilzeit von 70 Tagen als Referenz untersucht. Es zeigte sich, dass die Methanproduktivität mit zunehmendem Durchsatz ohne signifi kante Einbußen bei der Methanaus- beute für Verweilzeiten von 15 bis 30 Tagen von 0,9 NL / L*d auf 1,7 NL / L*d gesteigert werden konnte. Die entsprechende Methanausbeute lag dabei zwischen 284 NL / kg oTR und 303 NL / kg oTR. Im Vergleich dazu wurde im Betrieb mit 70 Tagen Verweilzeit eine Produktivität von nur 0,4 NL / L*d er- zielt, mit einer Methanausbeute von 341 NL / kg oTR (Abb. 4). Die Ergebnisse belegen eindrucksvoll, dass durch eine geeig- nete Anlagentechnik Biogasanlagen mit deutlich kürzeren Ver- weilzeiten betrieben und dadurch zwei- bis vierfach höhere Methanproduktivitäten erreicht werden können als im Betrieb mit herkömmlicher Verfahrensweise und langen Verweilzeiten. www.igb.fraunhofer.de/most www.igb.fraunhofer.de/holafl or Kontakt Barbara Waelkens M. Sc. Telefon +49 711 970-4124 barbara.waelkens@igb.fraunhofer.de Kontakt Dr. Brigitte Kempter-Regel Telefon +49 711 970-4128 brigitte.kempter-regel@igb.fraunhofer.de 7 1

3 PiCK – Plasma-induzierte CO2-Konversion Ziel des PiCK-Projekts ist, CO2 als Chemierohstoff und zur chemischen Speicherung von Energie nutzbar zu machen und dadurch einen Teil zu den angestrebten Klimazielen beizutra- gen. Durch eine kosteneffiziente und ressourcenschonende Kombination aus Plasma- und Membranprozess soll CO2 in O2 und CO aufgespalten werden, welches als Ausgangsprodukt für die Synthese von Plattformchemikalien wie Methanol die- nen kann. Der Membranprozess wird dabei benötigt, um die Rekombination von CO und O2 zu CO2 zu verhindern. Am IGB wurde hierzu eine geeignete Membran (Abb. 3) entwickelt, die einerseits effizient Sauerstoff abtrennen und andererseits im Plasma eingesetzt werden kann. Die Membran besteht aus einem gemischtleitenden keramischen Material (LawCaxCoyFezO3–̀; LCCF), das bereits als CO2-tolerant beschrie- ben wurde. Mittels eines etablierten Nassspinprozesses und anschließendem Sintern konnten erstmals gasdichte LCCF- Kapillaren reproduzierbar hergestellt werden, die sowohl CO2- stabil (> 200 h) als auch für die Abtrennung von Sauerstoff geeignet sind (O2-Permeanz von 1,0 ml min–1 cm–2 bei 900 °C). Die vom Fraunhofer IGB hergestellten Kapillaren wurden am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechno- logie (IGVP) der Universität Stuttgart in einem CO2-Plasma un- tersucht. Diese zeigen eine sehr gute thermische Stabilität und eine gute Sauerstoffpermeanz im Plasma (2,3 ml min–1 cm–2 bei 1 kW). Solche Kapillaren wurden bisher in der Literatur noch nicht beschrieben. Im nächsten Schritt wird an der Optimie- rung der Abtrennleistung durch Erhöhung der Membranfläche im Plasma gearbeitet. Dies erfolgt durch eine Erhöhung der Anzahl der eingebauten Hohlfasermembranen im Plasma. www.igb.fraunhofer.de/pick Kontakt Dr. Thomas Schiestel Telefon +49 711 970-4164 thomas.schiestel@igb.fraunhofer.de 7 3

85 Aktivitäten in Fachausschüssen und Gremien 126 Strategische Kooperationen 86 Hochschularbeiten 49 Masterarbeiten 4 Dissertationen 8 Praktikumsberichte 2 Studienarbeiten 21 Messen und Veranstaltungen 23 Bachelorarbeiten 2154 Follower auf LinkedIn 1577 Follower auf Twitter Detaillierte Informationen www.igb.fraunhofer.de/daten

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 Bayerl, Günther: Seiten 12, 37, 59 Doering, Sven: Seite 59 Fogel, Walter: Seite 36 Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE) GmbH: Seite 70 Kleinbach, Frank: Seite 7 Krötz, Rafael: Seiten 31, 48 Michalke, Norbert: Seite 62 Müller, Bernd: Seiten 36, 38 ö_konzept: Seite 44 Shutterstock: Seiten 18 / 19, 43, 47, 50, 52, 64 Alle anderen Abbildungen © Fraunhofer IGB / Fraunhofer-Gesellschaft Dieser Jahresbericht wurde klimaneutral mit Farben auf Pflanzenölbasis 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. BioEcoSIM®, 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 2019 7 7