Bessere Ressourcen- und Energiekreisläufe für nachhaltigere Nahrungsmittel - Wissenschaftsjahr 2020/21 - Bioökonomie

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12.10.2020

Bessere Ressourcen- und Energiekreisläufe für nachhaltigere Nahrungsmittel

Kurz & Knapp
  • Insekten sind eine effiziente Nahrungsressource um der Nahrungsmittelknappheit und ressourcenaufwendigen Nahrungsmittelproduktion zu begegnen.
  • Bioreaktoren auf Insektenbasis schaffen sowohl die Grundlage für den Aufbau und die Regelung eines effizienten Nahrungsmittelproduktionssystems als auch für eine Erhöhung der Nahrungsmittelbandbreite auf Fische und Pflanzen.
  • Mathematische Methoden und Modelle sowie gezielte Experimente um Stoff- und Energiekreisläufe helfen bei der Regelung der Nahrungsmittelproduktion.

Insekten als ergiebige Nahrungsressource

Ein Beitrag von Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Streiff und Dr.-Ing. Arne-Jens Hempel, Technische Universität Chemnitz

Die Verdichtung urbanen Lebens im Zuge des Bevölkerungswachstums und Klimawandels gehört zu den größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Hinzu kommt die weltweit zunehmende Verknappung von Anbauflächen für die Ernährung einer stetig wachsenden Weltbevölkerung. Das ist die Ausgangslage, vor deren Hintergrund die Technische Universität Chemnitz an nachhaltigen Lösungen zur Produktion hochwertiger und gesunder Lebensmittel für künftige Generationen forscht. Ein Lösungsansatz: Insekten.

Insekten sind größtenteils winzig, aber ergiebige Protein- und Fettlieferanten. In der Verbindung von Insekten- und Fischzucht mit Pflanzenbau sieht Prof. Stefan Streif von der Professur Regelungstechnik und Systemdynamik der TU Chemnitz ein künftiges Einsatzfeld bioökonomischer Forschung.

Köpfe des Wandels

Stefan Streif studierte Technische Kybernetik an der Uni Stuttgart und der University of Sheffield in England. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme und der Universität in Magdeburg folgten mehrere Forschungstätigkeiten im In- und Ausland. Seit 2015 ist er Professor an der Technischen Universität Chemnitz und betreibt Grundlagenforschung. Seine Forschungsergebnisse kommen in Projekten zum Thema Nachhaltigkeit zum Einsatz.

Arne-Jens Hempel studierte bis 2005 Elektrotechnik mit der Vertiefung Systemtheorie an der Technischen Universität Chemnitz und am Royal Institute of Technology Schweden. Im Jahr 2011 wurde er im Bereich unscharfe Klassifikationsmethoden mit summa cum laude promovierte und arbeitet seit 2015 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Regelungstechnik und Systemdynamik. Im Rahmen seiner Forschung beschäftigt er sich mit regelungstechnischen Methoden für die biobasierte Produktion.

Von der mathematischen Gleichung zum Insekten-Bioreaktor

An der TU Chemnitz stehen vor allem Insektenlarven der schwarzen Soldatenfliege „Hermetia illucens“ im Forschungsfokus. Hierfür bedienen sich die Forscherinnen und Forscher der mathematischen Modellierung auf der einen Seite und der experimentellen Validierung der Modelle auf der anderen Seite.

Im Rahmen der Modellierung wird das Larvenwachstum zunächst mathematisch beschrieben. Ausgehend von der Bilanzierung des Larvenstoffwechsels ergibt sich ein Satz von mathematischen Modellgleichungen, der die Mechanismen der Energie- und Ressourcenaufnahme, -umwandlung sowie -abgabe abbildet. Die Parameter in diesen Gleichungen werden durch experimentelle Daten bestimmt.

Das wichtigste Werkzeug der Forscherinnen und Forscher für diesen experimentellen Teil ist ein eigens konzipierter Bioreaktor im Miniaturformat, in dem die Insekten gezielt aufgezogen werden. Dafür ist der Bioreaktor einerseits mit Sensorik wie Temperatur-, Feuchte-, Kohlendioxid- und Sauerstoff-Sensoren zur Erfassung der metabolischen Larvenaktivität ausgestattet. Andererseits umfasst die Ausstattung des Bioreaktors ein breites Repertoire an Regelungsmöglichkeiten. Dazu gehören Beleuchtungsspektrum, Heizung, Kühlung sowie Be- und Entfeuchtung.

Darüber hinaus erhalten die Forscherinnen und Forscher aus der Analyse und Simulation der mathematischen Modelle ein tieferes Verständnis für die vielfältigen Wechselwirkungen bei der Insektenproduktion. Dieses ganzheitliche Verständnis stellt die „Grundlage für vorausschauende Regelungsmaßnahmen dar, mittels welcher die Energieeffizienz erhöht oder der Ressourceneinsatz optimiert werden kann“, erläutert Streif.

Bioreaktor: Insekten, Fische und Pflanzen im ressourceneffizienten Kreislaufsystem

Ein weiterer vielversprechender Lösungsansatz für die nachhaltige, biobasierte Nahrungsmittelproduktion ist die intelligente Vernetzung verschiedener agrarischer Systeme – vor allem Fische, Pflanzen, Pilze und Insekten. Aktuell entwickelt die TU Chemnitz gemeinsam mit Partnerinnen und Partnern aus Wissenschaft und Forschung ein Gesamtsystem mit weitgehend geschlossenen Energie- und Stoffkreisläufen, die durch intelligente Regelungsmethoden gesteuert und optimiert werden.

Synergetisch grün produzieren – Aquaponik als Vorbild

Ein gut beforschtes Beispiel eines Kreislaufsystems ist die Verknüpfung von Fischzucht und Pflanzenbau. In Erweiterung mit Insekten kann etwa das durch Larven- und Fischwachstum produzierte Kohlendioxid direkt als „Dünger“ für die Pflanzen verwendet werden, wodurch der CO2-Fußabdruck des Gesamtsystems minimiert wird. Der durch Pflanzen produzierte Sauerstoff wird durch Insekten und Fische verstoffwechselt und der Kreislauf geschlossen.

„Aus regelungstechnischer Sicht gilt es, die verschiedenen biologischen und technischen Komponenten sowie Stoffströme auf unterschiedlichen Ebenen der biobasierten Produktionssysteme optimal aufeinander abzustimmen und zu vernetzen“, erläutert Stefan Streif. „Ähnlich zu einem Ökosystem ergänzen sich die Ressourcenkreisläufe von Fischen, Pflanzen, Pilzen und Insekten so gut, dass sie ein nahezu geschlossenes, synergetisches System bilden.“

Die hier veröffentlichten Inhalte und Meinungen der Autorinnen und Autoren entsprechen nicht notwendigerweise der Meinung des Wissenschaftsjahres 2020/21 – Bioökonomie.​