Zusammenfassung

Um die Ernährungssicherheit bei gleichzeitiger Deckung des steigenden Bedarfs der Energiewirtschaft und der verarbeitenden Industrie zu gewährleisten, muss die Produktion durch biologische Systeme erhöht und die Nutzung der Ressourcen effizienter gestaltet werden. Diese zukunftsweisende Wirtschaft, die auf biobasierten Ressourcen und zirkulären Prozessen basiert, wird Bioökonomie genannt. Um das Potenzial geeigneter Wertschöpfungsketten zu heben, müssen Skalierungshemmnisse aufgelöst und Innovationslücken geschlossen werden. Zu diesem Zweck hat das RootCamp als Innovationshub mit den Bioeconomy Deep Dives ein Format entwickelt, das auf einer zukunftsgerichteten Analyse basiert und die Identifikation dieser Limitationen ermöglicht.

Unter direkter Beteiligung relevanter Akteurinnen und Akteure aller Wertschöpfungsstufen werden verschiedene Problemstellungen im Bereich der Bioökonomie analysiert, um die konkrete Umsetzung von Lösungsansätzen zu ermöglichen. Die Bioeconomy Deep Dives wurden von der Landwirtschaftlichen Rentenbank und dem Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Heimat (BMLEH) in Auftrag gegeben. Nachdem zunächst das Themengebiet Nutzhanf näher betrachtet wurde, wird im zweiten Durchgang des Formats die Lignin-Wertschöpfungskette untersucht.

Als nach Zellulose und Hemizellulose häufigste organische Verbindung der Erde ist Lignin in riesigen Mengen verfügbar und birgt ein substanzielles Transformationspotenzial. Mit etwa 20 bis 30 Prozent der Trockenmasse verholzter Pflanzen verleiht Lignin pflanzlichem Gewebe Druckfestigkeit und Beständigkeit. Insbesondere bei der Herstellung von Zellstoff fällt Lignin in großen Mengen an: Es wird in industriellen Prozessen separiert und in der Regel zur Deckung des Energiebedarfs der Zellstoffanlagen verbrannt.
Seit einigen Jahren wird an einer stofflichen Verwertung dieses Rohstoffs gearbeitet. Die Ideen und Forschungsinitiativen sind vielfältig. Dennoch ist Lignin trotz seiner Verfügbarkeit und vielseitigen Nutzungsmöglichkeiten mit Hindernissen konfrontiert.

Durch die Analyse der einzelnen Stufen der Lignin-Wertschöpfungskette konnten verschiedene Innovationslücken und Skalierungshemmnisse in der Valorisierung identifiziert werden: Lignin ist als Polymer sehr komplex, kein homogenes Material und stellt Forschende sowie Verarbeitende in der chemischen Industrie vor technologische Herausforderungen. Häufig erfordert es die Erstellung neuer Rezepturen für Produkte, da bestehende Inhaltsstoffe nicht direkt ersetzt werden können. Zudem fehlt den Akteurinnen und Akteuren eine Plattform zum Informationsaustausch sowie eine Übersicht über kommerziell verfügbare Lignine. Eine weitere Herausforderung bilden die Kostenstruktur und fehlende Anreize für die Verarbeitung von Lignin, da derzeit die Verwendung petrochemischer Ressourcen bei der Herstellung vieler Materialien noch profitabler und unkomplizierter ist. Darüber hinaus bergen chemische Modifikationen von Lignin das Risiko, unter restriktive Regelwerke zu fallen. Viele Anwendungen schaffen es nicht, vom Labormaßstab in den breiten Markt überzugehen.

Es können folgende Empfehlungen gegeben werden: Für die Akteurinnen und Akteure ist es essenziell, sich besser zu vernetzen, Wissen zu teilen und einen Marktüberblick zu gewinnen. Eine verbindende Plattform, die idealerweise auf Initiative der Industrie entsteht, könnte eine gute erste Anlaufstelle sein. Des Weiteren ist die Schaffung eines „Level-Playing-Fields“ wichtig, das biogenen Materialien bessere Chancen einräumt, sich gegenüber fossilen Alternativen am Markt zu behaupten. Ebenso kann die Förderung von Pilotanlagen, die Anreizsetzung zur Herstellung und Nutzung biobasierter Materialien oder eine Standardisierungsinitiative für Ligninqualitäten dafür sorgen, dass Innovationen schneller auf den Markt kommen, zuverlässig verfügbar und skalierbar sind. Nur so kann die Ressource Lignin ihr volles Potenzial ausschöpfen und zur Transformation der Wirtschaft hin zur Bioökonomie beitragen.

Das BMLEH hat den vorliegenden Bericht als Informationsunterlage von den Verfassern, RootCamp und Landwirtschaftliche Rentenbank, entgegengenommen.

Summary

To ensure food security while simultaneously meeting the growing demand from the energy and processing industries, production through biological systems must be increased and resource use made more efficient. This forward-looking economy, based on bio-based resources and circular processes, is referred to as the bioeconomy. To unlock the potential of suitable value chains, scaling barriers must be removed and innovation gaps closed. For this purpose, RootCamp, as an innovation hub, has developed the Bioeconomy Deep Dives, a format that, based on a future-oriented analysis, enables the identification of these limitations. Through the direct involvement of relevant actors from all stages of the value chain, various challenges in the field of bioeconomy are analyzed to facilitate the concrete implementation of solution approaches. The Bioeconomy Deep Dives are commissioned by Landwirtschaftliche Rentenbank and the Federal Ministry of Food, Agriculture and Home Affairs. Following the first edition focused on industrial hemp, the second round of the format centers on the lignin value chain.

As the most abundant organic compound on Earth after cellulose and hemicellulose, lignin is available in vast quantities and holds substantial transformation potential. Accounting for about 20–30 percent of the dry mass of woody plants, lignin provides plant tissue with compressive strength and durability. In particular, in pulp production, lignin accumulates in large quantities: it is separated during industrial processes and typically burned to cover the energy needs of pulp mills. For several years, efforts have been made to utilize this resource in material applications. The ideas and research initiatives are diverse, yet despite its availability and versatile potential uses, lignin faces barriers.

By analyzing the individual stages of the lignin value chain, various innovation gaps and scaling barriers in valorization have been identified: lignin, as a polymer, is highly complex, non-homogeneous, and presents researchers and processors in the chemical industry with technological challenges. It often requires the development of new product formulations, as it is not possible to directly substitute existing ingredients. In addition, stakeholders lack both a platform for information exchange and an overview of commercially available lignins. Another challenge lies in cost structures and the absence of incentives to process lignin: at present, the use of petrochemical resources in the production of many materials remains more profitable and straightforward. Furthermore, chemical modifications of lignin carry the risk of falling under restrictive regulations. Many applications fail to move beyond the laboratory scale into broad market adoption.

Several recommendations are emerging: first, it is essential for stakeholders to be better connected, share knowledge, and gain a market overview. The establishment of a unifying platform, ideally initiated by industry, could serve as a valuable first point of contact. Furthermore, the  creation of a “level playing field” is important—granting biogenic materials better opportunities to compete in the market against fossil alternatives. In addition, supporting pilot plants, incentivizing the production and use of bio-based materials, and launching a standardization initiative for lignin qualities can help ensure that innovations reach the market faster, are reliably available, and can be scaled. Only then can the resource lignin realize its full potential and contribute to the transformation of the economy towards a bioeconomy.

The BMLEH has received the present report as an informational document from the authors, RootCamp and Landwirtschaftliche Rentenbank.