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Wie lässt sich die industrielle Produktion rasch auf Treibhausgasneutralität umstellen?

Im vom Fraunhofer ISI geleiteten Projekt »DekarbInd« wurde gemeinsam mit
dem Wuppertal Institut nicht nur ein ganzheitliches Bewertungsschema für
Technologien zur klimaneutralen Umstellung industrieller
Produktionsprozesse entwickelt, sondern auch Eckpunkte für eine
Dekarbonisierung der Stahl- und Zementindustrie ausgearbeitet. Die
Erkenntnisse hierzu flossen in mehrere Roadmaps ein, die über einen
Zeitraum von zwei Jahren hinweg entstanden. Basis hierfür waren mehrere
Stakeholder-Workshops, die Vertreter:innen aus Industrie, Gesellschaft,
Politik und Wissenschaft zusammenbrachten.

Deutschland soll bis 2045 treibhausgasneutral werden – doch allein 2021
emittierte die deutsche Industrie etwa 181 Millionen Tonnen
CO2-Äquivalente. Auf sie entfällt damit gut ein Viertel beziehungsweise 24
Prozent der nationalen Treibhausgasemissionen. Etwa zwei Drittel der
industriellen Emissionen stammen aus der energieintensiven Industrie,
wovon wiederum die Hälfte von der Stahl- und Zementindustrie verursacht
wird.

Aufgrund ihrer prozessbedingten Emissionen sowie hoher Prozesstemperaturen
gestaltet sich die Dekarbonisierung hier besonders herausfordernd. Für ihr
Gelingen sind innovative technologische Konzepte und langfristig angelegte
politische Rahmenbedingungen essentiell, um der Industrie
Planungssicherheit für notwendige Investitionen zu geben.

Genau hier setzte das Projekt »DekarbInd« an: Darin entwickelten
Forschende des Fraunhofer ISI und des Wuppertal Instituts unter anderem
Eckpunkte für Roadmaps zur Dekarbonisierung der Stahl- und
Zementindustrie. In mehreren Workshops tauschten sich Stakeholder:innen
aus Wirtschaft, Industrie, Verbänden, gesellschaftlichen
Interessengruppen, Politik, Behörden und Wissenschaft über zwei Jahre
hinweg partizipativ aus. Ausgangspunkte beider Roadmaps waren die
Erarbeitung gemeinsamer Visionen, möglicher Transformationspfade,
Identifikation von Treibern und Hemmnissen sowie die Ausarbeitung
konkreter Maßnahmen und Handlungsfelder.

Vision für 2050: Derkarbonisierung bis spätestens 2050

Der für die Stahlindustrie erarbeiteten Roadmap liegt die Vision einer
Dekarbonisierung bis 2050 zugrunde – und dass der Industriezweig sowohl
global wettbewerbsfähig bleibt als auch weiterhin ein hohes
gesellschaftliches Ansehen genießt. Bei der Transformation erscheint vor
allem der Bau neuer, mit grünem Wasserstoff betriebener
Direktreduktionsanlagen als vielversprechend, wenngleich diese teuer sind.
Außerdem sollen der Schrotteinsatz in der Stahlproduktion erhöht sowie die
Dekarbonisierung der Elektrostahlproduktion vorangetrieben werden.

Haupthindernisse für den Wandel sind derzeit ein noch offener
regulatorischer Rahmen und das Fehlen einer handelsüblichen Definition für
»grünen Stahl«. Maßnahmen sollten hier direkt ansetzen: Zum Beispiel
sollte das »Fit für 55«-Paket, welches verbindliche Rechtsvorschriften zum
EU-Ziel der Reduzierung der Netto-Treibhausgasemissionen bis 2030 um
mindestens 55 Prozent schafft, stellenweise konkretisiert werden. Auch
könnten einheitliche Standards für die Bilanzierung der CO2-Intensität von
Stahlprodukten helfen, auch um die Entstehung von Leitmärkten für grünen
Stahl zu begünstigen.

Knappe Ressourcen wie etwa von Wasserstoff sind ein weiteres Hemmnis, dem
mittels einer zusätzlichen Versorgung über internationale Märkte begegnet
werden sollte. Um dem Mangel an hochwertigem Schrott entgegenzuwirken, der
vor allem auf fehlende Recycling-Geschäftsmodelle und eine schlechte
Recycelbarkeit von Endprodukten zurückzuführen ist, könnten eine bessere
Produktregulierung sowie eine verbesserte FuE-Förderung Abhilfe schaffen.

Bezüglich der Zementindustrie benennt die Roadmap ebenfalls die Vision
einer Dekarbonisierung bis spätestens 2050, die mittels einer deutlichen
Reduzierung der brennstoffbedingten CO2-Emissionen erreicht werden soll.
Die Bereitstellung von Energie soll mittel- bis langfristig vollständig
durch CO2-neutralen Strom, Wasserstoff oder Biomasse erfolgen. Diese
Energieträger sind jedoch schon heute knapp und werden dies auch in
Zukunft bleiben, was ein Haupthemmnis darstellt. Für die Zementindustrie
sind sie daher noch nicht wirtschaftlich einsetzbar und gehen mit
entsprechend hohen Kosten einher.

Die Verwendung neuer Zemente und Betonbautechniken könnten die
Dekarbonisierung ebenfalls vorantreiben und sollte weiter erforscht
werden, damit sie künftig in ausreichenden Mengen verfügbar sind. Für
verbleibende, nicht anderweitig vermeidbare CO2-Mengen ist der Aufbau von
CO2-Abscheideanlagen an Klinkeröfen erforderlich, die spätestens ab ca.
2030 sukzessive im industriellen Maßstab aufgebaut werden sollten.

Weitere Treiber wie zum Beispiel die Digitalisierung und der Einsatz von
KI könnten Herstellungsprozesse insgesamt effizienter machen. Als
wichtigste Handlungsfelder werden mittel- und langfristig eine
kontinuierliche Weiterentwicklung von gesetzlichen Regelwerken und
Rahmenbedingungen gesehen.

Ganzheitliches Bewertungsschema für Technologien

Neben den auf die Zukunft ausgerichteten Roadmaps wurde im Projekt
»DekarbInd« auch ein stärker auf die gegenwärtige Anwendung von
klimaneutralen Technologien abzielendes ganzheitliches Bewertungsschema
entwickelt. Dr. Ali Aydemir, der am Fraunhofer ISI das Projekt »DekarbInd«
leitete, erklärt dazu: »Neben rein techno-ökonomischen Kriterien spielen
ökologische, soziale und systemische Aspekte bei industriellen
Technologien eine zunehmend wichtigere Rolle. Unser im Projekt
entwickeltes Entscheidungsinstrument auf Excel-Basis ist weniger ein
Bewertungsschema im klassischen Sinne, sondern soll vielmehr helfen,
langfristige Entwicklungen zu berücksichtigen und mögliche Einschränkungen
und Konflikte frühzeitig zu erkennen.«

Die Anwendung funktioniert dabei in drei Schritten: Zunächst werden
einzelne Technologien oder technische Maßnahmen erfasst, die dann in einem
zweiten Schritt untereinander verglichen werden – zum Beispiel »CO2-arme
Technologien zur Dampferzeugung«. Im dritten und letzten Schritt erfolgt
die Einordnung, Visualisierung und Interpretation der Ergebnisse, um
positive und problematische Aspekte einer betrachteten Technologie zu
identifizieren.

Die vergleichende Bewertung der Technologien erfolgt anhand von Kriterien
wie ihres Einsatzhorizonts und der technischen Verfügbarkeit oder ihrer
Effizienz. Das dabei entstehende Wissen richtet sich explizit an
Expert:innen, welche die Ergebnisse abschließend bewerten.

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Sportmedizin am HDZ NRW erhält Lizenz des Landessportbundes

Für weitere drei Jahre hat der Fachbereich für Sportkardiologie am Herz-
und Diabeteszentrum NRW (HDZ NRW) die offizielle Anerkennung als
sportmedizinische Untersuchungsstelle des Landessportbundes Nordrhein-
Westfalen erhalten. Gemeinsam mit 23 weiteren lizensierten
Untersuchungsstellen des Landes wird das HDZ NRW damit auch zukünftig
Aufgaben der sportmedizinischen Betreuung von Landeskaderathleten und
Nachwuchssportlern des Verbundsystems Schule und Leistungssport
übernehmen.

Die Abteilung für Sportkardiologie innerhalb der Klinik für Allgemeine und
Interventionelle Kardiologie/Angiologie unter der Leitung von Prof. Dr.
Volker Rudolph wurde 1999 am HDZ NRW eingerichtet. Schwerpunktmäßig
beurteilen hier die Oberärzte Dr. Klaus-Peter Mellwig, Dr. Hendrik Bante
und Dr. Karl-Otto Dubowy als Kinder Kardiologe mit ihrem Team die
körperliche Fitness von Menschen mit angeborenen und erworbenen
Herzerkrankungen sowie nach chirurgischen oder kardiologischen Eingriffen.
Um bei sportlichen Aktivitäten gesundheitliche Schäden zu vermeiden, sind
eine präzise Diagnostik sowie eine erfahrene Beurteilung der individuellen
körperlichen Belastbarkeit und der Herz-Kreislaufverhältnisse
erforderlich, insbesondere auch bei Erkrankungen der Herzkranzgefäße oder
bei auffälligen Herzrhythmusstörungen.

Bei der Betreuung von Leistungssportlern spielt die Leistungsdiagnostik
mit dem Fahrrad-, Laufband- oder Ruder-Ergometer eine wichtige Rolle.
Messungen der Sauerstoffaufnahme, der Kohlendioxidabgabe sowie die
gleichzeitige Erfassung der Herzfrequenz und die Laktatbestimmung geben
Aufschluss über die vorhandene Ausdauerkapazität. Entsprechende
sportmedizinische Daten der über den Landessportbund betreuten
Sportlerinnen und Sportler fließen unter Berücksichtigung der
datenschutzrechtlichen Vorgaben in eine spezielle Datenbank für
Leistungssport in Deutschland ein.

Besondere Expertise hat sich das HDZ NRW in der sportkardiologischen
Untersuchung und Betreuung von gesunden wie chronisch kranken Kindern und
Jugendlichen sowie mit dem regionalen Präventionsprojekt „Sport mit Herz“
erworben. Zudem bildet das Herzzentrum im Fachbereich „Sportkardiologie“
fachärztlich aus zur Erlangung der Zusatzqualifikation „Sportkardiologie
Level 1 bis 3“. Das HDZ NRW ist regelmäßiger Kongress- und
Veranstaltungsort für wissenschaftliche Symposien zu den Themen „Herz und
Leistungssport“.

Als Spezialklinik zur Behandlung von Herz-, Kreislauf- und
Diabeteserkrankungen zählt das Herz- und Diabeteszentrum Nordrhein-
Westfalen (HDZ NRW), Bad Oeynhausen, mit 36.000 Patientinnen und Patienten
pro Jahr, davon 14.800 in stationärer Behandlung, zu den größten und
modernsten Zentren seiner Art in Europa. Unter einem Dach arbeiten fünf
Universitätskliniken und drei Universitäts-Institute seit mehr als 30
Jahren interdisziplinär zusammen. Das HDZ NRW ist seit 1989
Universitätsklinik der Ruhr-Universität Bochum. Die Professorenschaft des
HDZ NRW ist zusätzlich seit 2023 Mitglied der Medizinischen Fakultät OWL
der Universität Bielefeld. Die Einrichtung ist bekannt als größtes
Herztransplantationszentrum in Deutschland.

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Ergotherapie-Tagung an der HS Gesundheit

Unter dem Motto „Betätigung leben im Miteinander von Praxis und
Hochschule“ kommen Ergotherapeut*innen, Alumni, Studierende,
Wissenschaftler*innen und weitere Interessierte zusammen

Das Department für Angewandte Gesundheitswissenschaften der Hochschule für
Gesundheit (HS Gesundheit) lädt praktizierende Ergotherapeut*innen,
Alumni, Studierende, Wissenschaftler*innen, Studieninteressierte und alle
weiteren Interessierten am 20. Januar 2024 unter dem Motto „Betätigung
leben im Miteinander von Praxis und Hochschule“ nach Bochum zur ersten
Ergotherapie-Tagung ein. Der Fokus der Veranstaltung liegt auf einer noch
besseren Verzahnung von Lehre, Praxis und Wissenschaft nach der
betätigungsorientierten Ergotherapie, bei der der interprofessionelle
Dialog einen wichtigen Programmpunkt darstellt.

Zentral wird es darum gehen, wie die Betätigungsorientierung im
praktischen Alltag gelebt werden kann und wie (auch inhaltliche)
Verbindungswege zwischen der Hochschulwelt und der Praxis weiter
ausgestaltet werden können. Das Motto der Tagung 2024 fasst diese beiden,
aneinander angrenzenden Fragestellungen zusammen und lädt dazu ein, einen
inhaltlichen interaktiven Austausch mitzugestalten, in dem Erfahrungswerte
aus der gelebten Praxis sowie dem Studium geteilt und diskutiert werden.

Ferner möchte der Studiengang Ergotherapie mit dieser Tagung eine
Plattform für eine noch engere Verzahnung zwischen der Lehre im
Hochschulumfeld und der gelebten Praxis bieten. Sowohl bestehende
Partner*innen als auch an zukünftigen Kooperationen interessierte
Ergotherapiepraxen und Einrichtungen sind herzlich eingeladen.

„Die Tagung soll von persönlichen und interprofessionellen Gesprächen
geprägt sein“, sagt Prof. Dr. Verena Baumgart, Professorin der
Ergotherapie. „Im Mittelpunkt steht der Austausch mit Studierenden,
Wissenschaftler*innen, Interessierten und anderen Praktiker*innen, für den
es verschiedene Formate geben wird.“ Zudem stehen innovative Vorträge aus
der Forschung und der Praxis auf dem Programm, ebenso Workshops und
verschiedene Angebote in den Skills-Labs sowie Poster- und Foto-
Ausstellungen zu Bachelorarbeiten, Forschungsprojekten und aus der
interprofessionellen Lehre. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit,
potenzielle neue Praktikant*innen und Mitarbeiter*innen kennenzulernen und
die eigene Praxis, Einrichtung oder Institution vorzustellen.

Die Veranstaltung findet am 20. Januar 2024 von 9:30 bis 16:45 Uhr auf dem
Gesundheitscampus in Bochum statt. Die Teilnahme ist für alle
Teilnehmenden kostenlos. Jedoch sind die Plätze begrenzt, so dass eine
Anmeldung vorab über die Tagungswebseite für den Einlass erforderlich ist.

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Zellfreie Suche nach neuen Antibiotika durch Kopplung von Synthetischer Biologie mit KI

Illustration zur Kopplung von Deep Learning und Synthetischer Biologie zur Wirkstoffsuche  Elizaveta Bobkova  Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Bobkova
Illustration zur Kopplung von Deep Learning und Synthetischer Biologie zur Wirkstoffsuche Elizaveta Bobkova Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Bobkova

Die zunehmende Resistenz von Bakterien gegen Antibiotika stellt eine
wachsende globale Gesundheitsbedrohung dar. Forschende des Max-Planck-
Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg entwickelten nun mit
Hilfe der Synthetischen Biologie und Künstlicher Intelligenz (KI) einen
effizienteren Ansatz zur Entdeckung und Herstellung neuer antimikrobieller
Peptide, die gegen ein breites Spektrum von Bakterien wirken können.

Bioaktive Peptide spielen eine Schlüsselrolle in Gesundheit und Medizin.
Derzeit sind mehr als 80 peptidbasierte Medikamente im Einsatz, die alle
aus natürlichen Quellen isoliert wurden. Es wird jedoch geschätzt, dass
Antibiotikaresistenzen jedes Jahr weltweit mehr als eine Million
Todesfälle verursachen. Es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2050 auf 10
Millionen ansteigen wird, so dass dringend neue Methoden benötigt werden,
um die Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe zu beschleunigen. Ein
ungenutztes Potenzial liegt im nicht-natürlichen Bereich, wo
schätzungsweise eine Anzahl von 20 hoch 10 bis zu 20 hoch 30 verschiedene
Peptide noch unerschlossen sind.

In Zusammenarbeit mit mehreren Labors am MPI für terrestrische
Mikrobiologie, der Universität Marburg, dem MPI für Biophysik, dem
Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr, dem iLung Institut und INRAe
Frankreich hat ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts
unter der Leitung von Prof. Tobias Erb eine neue Pipeline für die
Entwicklung bioaktiver Peptide entwickelt.

"Beim Deep Learning lernt ein neuronales Netzwerk mit Algorithmen, die
durch das menschliche Gehirn inspiriert sind, aus großen Datenmengen.
Diese Art des maschinellen Lernens ist für die Entdeckung von Peptiden und
für das De-novo-Design sehr vielversprechend. In der Regel folgt darauf
jedoch die chemische Herstellung von Peptiden für experimentelle Tests,
was recht schwierig und zeitaufwändig ist. Die Zahl der Peptide, die
chemisch hergestellt werden können, ist daher sehr begrenzt", erklärt Amir
Pandi, Doctoral Student in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Tobias Erb und
Erstautor der Studie.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte das Forscherteam eine
zellfreie Proteinsynthese (CFPS) für die schnelle und kostengünstige
Herstellung von antimikrobiellen Peptiden (AMPs) direkt aus DNA-Templates.
Das neue Protokoll bietet eine effiziente und kostengünstige
Hochdurchsatzmethode für das AMP-Screening.

Das Team verwendete zunächst sogenanntes generatives Deep Learning, um
Tausende von AMPs de novo zu entwerfen, und anschließend prädiktives Deep
Learning, um diese auf 500 Kandidaten einzugrenzen. Von diesen Kandidaten
wurden durch das Screening mit der zellfreien Pipeline 30 funktionelle
AMPs identifiziert, die die Forscher durch Molekulardynamiksimulationen
und die Bestimmung ihrer antimikrobiellen Aktivität und Toxizität weiter
charakterisierten.

Bemerkenswerterweise zeigten sechs der AMPs ein breites Wirkungsspektrum
gegen multiresistente Erreger und es kam zu keiner bakteriellen
Resistenzentwicklung.

"Wir haben von der Kombination aus zellfreier synthetischer Biologie,
künstlicher Intelligenz und Hochdurchsatzverfahren sehr profitiert. Indem
wir die Anzahl der Kandidaten erhöhen, die in weniger als 24 Stunden
experimentell getestet werden können, steigt die Chance, aktive AMPs zu
finden", sagt Amir Pandi. "Unsere CFPS-Pipeline ergänzt nicht nur die
jüngsten Fortschritte im computergestützten Wirkstoffdesign. Sie hat auch
das Potenzial, die Beziehung zwischen Design und Funktion bioaktiver
Peptide schneller und kostengünstiger zu erforschen".  Tobias Erb fügt
hinzu: "Diese neue Methode an der Schnittstelle von synthetischer Biologie
und maschinellem Lernen wird für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
interessant sein, die in den Bereichen Biomedizin und bioaktiven
Peptidengineering arbeiten."

Zu den nächsten Schritten gehören die weitere Verbesserung der Ausbeute
bei der Peptidproduktion sowie der Einsatz von KI und Ansätzen der
synthetischen Biologie, um neue AMPs zu entwickeln, die stabiler und
weniger toxisch sind oder eine spezifische Wirkungsweise haben. Die
Forscher planen auch den Einsatz erweiterter generativer KI-Modelle. Dabei
lernt die Maschine molekulare Repräsentationen für gewünschte
Eigenschaften, was die Erfolgsquote bei der Identifizierung von
Wirkstoffkandidaten erhöhen würde.

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