Der Exzellenzcluster Circular Bioengineering wird vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) mit 16 Millionen Euro gefördert. Diese Mittel fördern die nächsten fünf Jahre die Forschung an nachhaltigen Materialien und Bioprozessen für eine zirkuläre Bioökonomie in Österreich.
Rund 100 Forschende der Universität Graz, der Technischen Universität Graz, der Universität Wien und der Technischen Universität Wien arbeiten unter der Leitung der BOKU University interdisziplinär daran, den Übergang von erdölbasierten zu erneuerbaren Ressourcen zu fördern und den Ressourcenverbrauch zu senken.
Circular Bioengineering: Nachhaltige Bioprozesse für die Zukunft erforschen
Die Ausbeutung begrenzter Ressourcen zur Herstellung von Konsumgütern schafft kurzfristig Wohlstand, gefährdet jedoch langfristig die Lebensgrundlage von Mensch und Tier. Der Exzellenzcluster Circular Bioengineering erforscht daher zirkuläre, umweltfreundliche Bioprozesse sowie innovative Materialien aus erneuerbaren Rohstoffen. Ziel ist es, den Ressourcenverbrauch zu senken, den Übergang von erdölbasierten auf erneuerbare Energieträger zu fördern und letztlich wirtschaftliches Wachstum von Ressourcenverbrauch zu entkoppeln.
„Wir erforschen nicht nur neue umweltfreundliche Methoden und Verfahren zur Produktion biobasierter Chemikalien und Materialien, sondern analysieren auch deren Auswirkungen auf Umwelt und Gesellschaft, um die bestmöglichen Lösungen für die Zukunft zu finden“, erklärt Roland Ludwig, Forschungsdirektor des Exzellenzclusters Circular Bioengineering und stellvertretender Institutsleiter am Institut für Lebensmitteltechnologie der BOKU. Als Konsortialführer ist die BOKU University auch mit den Instituten für Molekulare Modellierung und Simulation unter der Leitung von Chris Oostenbrink sowie Chemie nachwachsender Rohstoffe unter der Stellvertretung von Antje Potthast vertreten.
Umstellung von erdölbasierten auf biobasierte Materialien für eine zirkuläre Bioökonomie
Der Exzellenzcluster Circular Bioengineering widmet sich nicht nur der Optimierung bestehender Verfahren, sondern erforscht auch nachhaltige Ansätze zur Nutzung erneuerbarer Energien für die Produktion von Materialien und Chemikalien. Diese sollen recycelt, modifiziert und schließlich wieder in ihren natürlichen oder naturnahen Zustand zurückgeführt werden, um in den Kohlenstoffkreislauf integriert zu werden. In diesem Bereich bringen insbesondere die Universität Wien und die Technische Universität Graz ihre Fachkompetenz ein.
Im Exzellenzcluster ist die TU Graz mit dem Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik unter der Leitung von Bernd Nidetzky sowie dem Institut für Molekulare Biotechnologie unter der Leitung von Robert Kourist vertreten. Die Grazer Forschenden konzentrieren sich insbesondere auf die Schnittstelle zwischen Biowissenschaften und Verfahrenstechnik. „Wir beschäftigen uns dabei vor allem mit zwei Schwerpunkten“, erklärt Bernd Nidetzky, der die TU Graz auch im Board of Directors des Clusters vertritt: „Zum einen forschen wir an der Umwandlung von CO2 in Bioplastik durch spezialisierte Bakterien, wobei die größte Herausforderung in der präzisen Steuerung der Reaktionsbedingungen und der Skalierung liegt. Zum anderen optimieren wir enzymatische Prozesse zur Veredelung von Abfällen und erneuerbaren Rohstoffen, wie etwa die Verwertung von Zelluloseresten zur Herstellung hochwertiger Chemikalien.“
Im Zentrum der Forschung der am Exzellenzcluster beteiligten Gruppen der Universität Wien (Fakultät für Chemie) stehen grüne Material- und Verbundwerkstofftechnologien (Institut für Materialchemie), analytische Chemie und Prozessmodellierung (Institut für Analytische Chemie). „Modernste Technologien, multidimensionale Daten, computergestützte Simulationen und KI sind unsere Werkzeuge zur Optimierung zirkulärer Prozesse und Materialien“, erklärt Gunda Köllensperger, Leiterin des Instituts für Analytische Chemie und Mitglied des Board of Directors. Zudem bewertet das Konsortium die ökologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Auswirkungen der verwendeten Rohstoffe und der daraus entstehenden Produkte über deren gesamten Lebenszyklus. Langfristig soll so der Übergang von erdölbasierten zu biobasierten Materialien gelingen und eine zirkuläre Bioökonomie etabliert werden.
Vier Programme für eine nachhaltigere Kreislaufwirtschaft
Die interdisziplinären Forschungsvorhaben des Exzellenzclusters Circular Bioengineering teilen sich in vier eng miteinander verbundene Programme für eine nachhaltigere Kreislaufwirtschaft:
- * Green Cycles of Renewable Materials
Ein zentraler Baustein der Kreislaufwirtschaft ist die Umwandlung, Veredelung und das Upcycling erneuerbarer Energieträger wie z. B. Biomasse. Biobasierte, natürliche Verbundstoffe bieten zwar bereits einen vielversprechenden Ersatz für fossile Rohstoffe in der Chemieindustrie, doch viele der derzeit genutzten Prozesse sind weder umweltfreundlich noch energieeffizient. Zudem entstehen aus Biomasse häufig Materialien wie synthetische Polymere, die biologisch nicht abbaubar sind. Der Exzellenzcluster entwickelt daher grüne Verfahren, die irreversible chemische Veränderungen der Biomasse vermeiden. Stattdessen werden biologisch abbaubare, wiederverwendbare Materialien erforscht, die nach ihrer Nutzungsdauer leicht entsorgt werden können. Weitere Forschungsschwerpunkte liegen auf Technologien zur CO2-Bindung und -Verwertung.
- * Self-Sustainable Microbial Systems
Die mikrobielle Produktion von Chemikalien, Kraftstoffen, Lebensmitteln, Futtermitteln und Medikamenten bietet das Potenzial für eine nachhaltige Versorgung mit organischen Produkten. Dies erfordert jedoch einen Paradigmenwechsel bei den eingesetzten Rohstoffen, insbesondere den Kohlenstoff- und Stickstoffquellen. Anstelle landwirtschaftlicher Rohstoffe fokussiert sich die biotechnologische Produktion auf alternative Ressourcen wie CO2, Abfallströme oder Elektrizität. Mithilfe mikrobieller Gemeinschaften und Enzyme werden effizientere Stoffwechselwege in der Bioproduktion ermöglicht. Dies kommt nicht nur der Nahrungs- und Futtermittelindustrie zugute, sondern auch der Landwirtschaft durch nachhaltige Düngemittel, der chemischen Industrie mit „grünen Chemikalien“ und der Medizin durch moderne Biopharmazeutika.
- * Biocatalytic Processes for Sustainable Synthesis
Dieses Programm zielt darauf ab, nachhaltige Synthesewege in der organischen Chemie zu entwickeln, mit einem besonderen Fokus auf Redoxreaktionen zur Herstellung von Pharmazeutika, Polymeren und anderen Verbindungen. Dazu gehören die Erforschung regio-, chemo- und stereoselektiver Reaktionen wie der oxidativen C-C-Bindungsbildung und der Alkoholoxidation sowie die Untersuchung der Mechanismen, die diese Selektivitäten steuern. Außerdem wird die Weiterentwicklung von photonen- und elektronengetriebenen Bioprozessen für praxisnahe Anwendungen angestrebt. Wolfgang Kroutil, einer der Programmleiter von der Universität Graz, sieht hier großes Potenzial: „Unsere Forschung zielt darauf ab, alltägliche Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen, nachhaltige Herstellungsverfahren zu entwickeln und abgenutzte Produkte wieder in den Kreislauf zurückzuführen. Beispielsweise erschließen wir Holz als Rohstoff für chemische Verbindungen und entwickeln neue, nachhaltigere Wege für die Produktion von Pharmazeutika.“
- * Circular Prospects
Der Exzellenzcluster Circular Bioengineering untersucht die Auswirkungen von Bioprodukten auf den Kohlenstoffkreislauf und die Biodiversität der Erde. Welche Nebenwirkungen treten bei der End-of-Life-Nutzung dieser Produkte auf? Wie können biogene CO2-Emissionen reduziert werden? Und wie lässt sich Biomasse effizient verarbeiten und nutzen? Neben diesen Fragen wird auch die wirtschaftliche Machbarkeit des Projekts eingehend geprüft.
Chemie und Biotechnologie: Schlüssel für nachhaltige Kreislaufwirtschaft
Marko Mihovilovic von der Technischen Universität Wien unterstreicht die Bedeutung des Exzellenzclusters Circular Bioengineering und hebt die entscheidende Rolle der Chemie für die Zukunft hervor: „Die Transformation unserer Wirtschaft und Gesellschaft hin zu mehr Nachhaltigkeit ist die zentrale Herausforderung unserer Generation. Circular Bioengineering entwickelt innovative technologische Ansätze, um Material- und Produktionskreisläufe zu schließen. Die Fakultät für Technische Chemie der TU Wien ist stolz darauf, mit ihrem Know-how im Bereich Green Engineering & Technologies einen wesentlichen Beitrag zu diesem Exzellenzcluster zu leisten. So gestalten wir den notwendigen Wandel möglichst effizient und gesellschaftlich verträglich. Gemeinsam ebnen wir den Weg für die Chemie als zentrale Problemlösungskraft der Zukunft.“
Das Exzellenzcluster Circular Bioengineering Team
Roland Ludwig, BOKU University (Director of Research)
Gunda Köllensperger, Universität Wien
Wolfgang Kroutil, Universität Graz
Marko Mihovilovic, Technische Universität Wien
Bernd Nidetzky, Technische Universität Graz
Chris Oostenbrink, BOKU University
Antje Potthast, BOKU University