30 November 2011

ACHEMA-Trendbericht Nr. 3: Was ist dran an der Bioökonomie?

Forum BioBasedWorld at ACHEMA 2012 vom 18. bis 22. Juni behandelte drei Hauptfragen zum Thema

  • Biobasierte Hochleistungschemikalien für vielseitige Einsatzzwecke
  • Neue Separations- und Synthesegeräte, Mess- und Regeltechniken ermöglichen hybride Produktionsprozesse
  • Dezentrale Wertschöpfung beflügelt die Analytik

Was ist dran an der “biobasierten Ökonomie”? Wie marktreif sind die Verheißungen für die Sektoren der erneuerbaren Energien, der Lebens- und Futtermittel, der Feinchemie und Bulk-Chemikalien, die Angebote für die Textil- und Druckindustrie, für den Maschinenbau und IT? Auf der BioBasedWorld at ACHEMA 2012 treffen sich vom 18. bis 22. Juni Technologie-, Prozess- und Produktentwickler, Business Development und Senior Executives aus der ganzen Welt, um diese Fragen zu diskutieren. Schon heute bieten Biotechnologie und nachwachsende Rohstoffe Lösungen für die Herausforderungen von morgen.

Die Sekrete des gemeinen Spaltblättlings auf Partnersuche
Schizophyllum commune, zu deutsch: den gemeinen Spaltblättling, kennen die meisten vom Sehen. Er krautet in Kolonien aus toten Bäumen und wunder Rinde. Seit Anfang der 1990er Jahre weiß man, dass der Pilz sich vor Selbstverfaulung schützt, indem er seine Oberfläche mit Hydrophobinen beschichtet. Das sind Proteine, ca. 100 bis 150 Aminosäuren lang, die wasserabweisend sind und sich gut in Fett lösen. Die genauere wissenschaftliche Untersuchung ergab, dass Hydrophobine aber auch die gegenteilige Eigenschaft besitzen: Hydrophobine sind wie Seifen amphiphil. Diese Multifunktionalität ist nutzbar für viele Produkte mit Kundenmehrwert. Doch die Natur schob dem lange einen Riegel vor – 1 mg der Hydrophobine verteilt sich auf einem Quadratmeter Pilzoberfläche. “Zu wenig, um es je für Menschen nutzbar zu machen” sagt Claus Bollschweiler, Entwickler bei BASF Performance Chemicals and Biologicals. “Nur mit Biotechnologie und Gentechnik gelingt es, ein in der Natur so seltenes, aber hocheffizientes Protein im Großmaßstab herzustellen und für Produktinnovationen verfügbar zu machen.”

Erst seit wenigen Jahren kann man mit gentechnischen Methoden und durch Fermentation Hydrophobine im Tonnenmaßstab produzieren. Erste Anwendungen sind funktionelle Beschichtungen von Baustoffen: Wasserabweisende Isolierschäume oder beispielsweise bemalbare Fugendichtmasse aus Silikon. Erst durch die Oberflächenbehandlung mit dem Pilzprotein nimmt das Silikon Farbe auf. Das Anwendungsspektrum ist so breit wie offen für Neuentwicklungen. Die Pilzproteine könnten vielleicht zukünftig zum Beispiel auch in der Kosmetik zur Rehydrierung menschlicher Haut oder zum Färben der Haare von Edelhunden und Katzen eingesetzt werden. Das geschieht durch ihre Verknüpfung zu keratinbindenden, natürlichen oder synthetischen Polypeptiden.

Dieselben Hydrophobine ließen sich möglicherweise ebenso zur funktionellen Verbesserung von Pharmazeutika und Textilien einsetzen wie bei Futtermitteln für Aquakulturen. Eine große Zukunft wird ihnen in der Chemieproduktion von thermoplastischen Partikeln vorausgesagt, wo die elektrostatische Aufladung von Polystyrolschäumen ein fortwährendes Problem darstellt. Man versucht dies mit Partikelbeschichtungen zu verhindern, doch bei den herkömmlichen Verfahren kommt es typischerweise zum Verkleben der Partikel und damit zur Beeinträchtigung der Rieselfähigkeit.

Der Phantasie für mögliche Anwendungen für solche und andere biotechnologisch herge-stellte Naturstoffe (z.B. Bernsteinsäure, mikrobielle Brennstoffzellen) sind kaum Grenzen gesetzt. Das gilt ebenso für viele weitere Zwischen- und Vorprodukte, welche die Biotechnologie heute auf den Markt bringt. Doch letztlich sind die Anwendungen kundengetrieben: Die Entwickler, die biotechnologische Produkte im industriellen Maßstab herstellen, müssen Kontakt zu denjenigen – häufig kleinen oder mittelständischen – Unternehmen bekommen, die diese für ihre Spezialanwendungen nutzen können. So müssen denn auch die Sekrete des gemeinen Spaltblättlings noch jene Partner finden, die zwar viel von ihren Produkten, Nischenmärkten und Endkunden verstehen, aber noch wenig von den Geschäftsmöglichkeiten ahnen, die ihnen heute schon biotechnologische Entwicklungen abseits der Medienpfade bieten.

Intelligente Geräte und Prozesstechnologien für Anlagen im Parallel- und Wechselbetrieb
Unter dem Eindruck volatiler Rohstoffmärkte, von Zahlungsausfällen und Finanzkrisen, angesichts neuer Handelsprotektionismen in den Agrar- und Nahrungsmittelmärkten und konfrontiert mit dem regulatorischen Tauziehen um Pflanzengentechnik halten sich Unter-nehmen spürbar zurück, wenn es darum geht, auf bisher verlässliche Rohstoffquellen zu verzichten, Komponenten mit bewährten Eigenschaften auszutauschen und Produktionsprozesse neuen Materialien anzupassen oder gar ganze Anlagen mit neuen Technologien aufzubauen. Investitionen ja, Technologierevolution nein – me-too-Produkte nein, Neues ja, sagen die Verantwortlichen. So liegen Komponenten, Module, Prozesslösungen und Anla-gen im Trend, welche die Verarbeitung unterschiedlicher Rohstoffe für dasselbe Endprodukt und kleine Testserien ermöglichen. Die Erwartungen an die Biotechnologie sind hochgesteckt:

  • Null-Abfall und Verwertung der stofflichen Nebenströme
  • Verarbeitung heterogener Rohstoffe und Ausgangschemikalien zur Erzeugung derselben Endprodukte
  • Unterbrechungsfreier Wechsel in der Fertigung multipler Produkte
  • Nutzung bestehender Infrastrukturen

Außerhalb der Pharmaindustrie hat es bislang nur wenige biotechnologische Lösungen gegeben, die bezahlbar waren und im Großmaßstab solchen Erwartungen gerecht wurden. Das liegt am Gegenstand: Die Produkte sind in der Regel Vor- und Zwischenprodukte aus biologischem und damit variablem Material. Sie sind selten “von der Stange” und benötigen in der Regel ergänzende Expertise, damit ein verkaufbares (End-) Produkt entsteht. Auch die Bioverfahrenstechnik funktioniert nicht nach dem “Kaufen- und Stecker-rein-Prinzip”. Es braucht stets die kundenspezifische Anpassung, und die Käufer müssen sich darauf verlassen, dass der After-Sales-Service verlässlich berät und nicht im Nachhinein die Preise anhebt.

In den letzten Jahren hat die Kombination verschiedener Technologieplattformen an Fahrt gewonnen. Selbststeuernde Maschinenkomponenten, intelligente Mess- und Regeltechniken, modulare Extraktions-, Separations- und Kühlsysteme und miniaturisierte Fraktionierungs- und Synthesemaschinen sorgen dafür, dass Biotechnologieanwendungen praxistauglich für den Industrieeinsatz sind. So sind immer mehr Laborautomaten mit herstellerunabhängigen Schnittstellen zu den Kundengeräten ausgestattet. Nicht zuletzt haben Anwender damit größere Wahlfreiheit bei begleitenden Reagenzien. In Fermentern kommen mittlerweile inline-Sensoren zum Einsatz, deren Elektroden autoklavierbar sind und eine mobile Messung spezifischer Prozessparameter in Flüssigkeiten ermöglichen. Neue pH-Differenzsensoren vermeiden in Kombination mit spezialisierten Puffergelen (z.B. Maleinsäure, Diallylamin) die Nachteile gängiger Referenzsysteme (KCI-Halbzelle) und eröffnen damit die Möglichkeit zu Echtzeit-pH-Messungen unter wechselnden Temperaturbedingungen.

Ähnlich stürmisch geht die Entwicklung bei Separatoren voran, die eine lukrative (und klimafreundliche) Verwertung von Nebenströmen eröffnen. So wird in China seit Herbst letzten Jahres eine große Algenproduktionsanlage betrieben, bei der die Algen mit anfallendem und gereinigtem Rauchgas eines Kohlekraftwerkes gefüttert werden. Die Algenanlage kann pro Tag bis zu 2.500 kg CO2 in Form von Biomasse fixieren. Dazu nehmen die Algen das Kohlendioxid auf und verstoffwechseln es u.a. zu Fetten und Kohlehydraten. Spezielle Separatoren ernten diese Algen und konzentrieren die Biomasse auf. Am Ende wird durch den Verkauf wertvoller Proteine an die Futtermittelindustrie aus Abluft ein zusätzlicher Mehrwert generiert. In diesen wie in vielen anderen Fällen ermöglicht die Kombination von Maschinenbau, Elektronik, IT und Biotechnologie die Optimierung bestehender Produktionsprozesse und die Generierung profitabler Neuprodukte.

Auf der Basis der neuen Möglichkeiten zieht der Anlagenbau nach. Dabei geht es bisher weniger um neue Bioraffinerien als um die Modernisierung von Altanlagen und Kostenoptimierung ihres Outputs. In der Petroindustrie sind Bio-Ethanol und Pflanzenöle, welche den fossilen Kraftstoffen zugemischt werden, erst der Anfang. Noch stammt das meiste von Feldfrüchten. Der gesellschaftliche Konsens ist jedoch, die Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden. Die nächste Generation von Biokraftstoffen wird nicht mehr aus Lebensmitteln gewonnen, sondern aus Holz, Stroh, Speiseresten und pflanzlichen oder tierischen Industrieabfällen. Mehrere Pilotanlagen laufen bereits.

Auch die Chemieindustrie steht in den Startlöchern, um aus Agrarrohstoffen Plattformche-mikalien wie etwa Glyzerin oder Stärke zu produzieren. Auch dazu braucht es Komponenten, Geräte und Prozesstechnik, welche die Produktionsabläufe flexibel halten und den wechselnden Rohstoffen anpassen, ohne den Gesamtbetrieb zu gefährden. Im Anlagenbau geht es zusätzlich darum, oft erhebliche Logistikkosten zu reduzieren. Das Kraftwerk kommt zum Rohstoff und das heißt, Rohöl und Biomasse im Wechsel- oder Parallelbetrieb zu verarbeiten. Heute steht man erst am Anfang mit diesem Konzept der Zusatzverfeuerung und -gasifizierung von Pflanzenöl oder Ethanol am Standort einer bestehenden Petroraffinerie bzw. eines Elektrizitätswerks. Ein Beispiel bietet das brasilianische Petrochemieunternehmen Braskem. Seit Herbst 2010 arbeitet eine Parallelanlage, die bis zu 200.000 Tonnen Ethylen und Polyethylenharze aus Zuckerrohr-Ethanol produzieren kann. Die Produktionslinie wurde in unmittelbarer Nachbarschaft zum bestehenden Petrochemiewerk gebaut und nutzt dessen Polymerisierungsanlage mit.

Noch sind auf dem Weltmarkt organische Kohlenwasserstoffe billiger als biobasierte Rohs-toffe. Doch die Preisschere zu den erneuerbaren Rohstoffen schließt sich, und das heißt auf absehbare Zeit nicht Ersatz von Erdöl, sondern Wechselnutzung heterogener Rohstoff-quellen. “Rohstoffe aus Biomasse konkurrieren auch in der Zukunft mit den petrochemischen” fasst Alfred Oberholz, ehemaliger Forschungsvorstand von Evonik Degussa, die Entwicklung zusammen: “Am Ende wird der Wert des C-Atoms am Markt gleich sein, egal ob es aus Biomasse oder aus petrochemischen Rohstoffen gewonnen wurde.”

Dezentrale Wertschöpfung beflügelt die Analytik
Ob im Energiesektor, bei Lebens- und Futtermitteln, in der Feinchemie oder bei Clean Technologies, die Wertschöpfungsketten dezentralisieren sich – Biotechnologie hin oder her. Die Verarbeiter rücken in die Nähe der Rohstofflieferanten und Kunden. Globale Unternehmen agieren wie Regionalanbieter, indem sie spezifische Produktlinien aufbauen, während Regionalanbieter den Großen gleich Inhaltsstoffe, Zutaten oder Produktionskomponenten global einkaufen. Damit wird die Wertschöpfung komplexer. Es steigen die Einkaufs- und Lieferrisiken. Wie toxisch ist die spezifische Substanz? Hat der Transportunternehmer ununterbrochen gekühlt? Ist das Silo wirklich wie gefordert vorher gereinigt worden? Ist die Ware unterhalb des behördlichen Schwellenwerts kontaminiert, das hochwertige Fett wirklich in der Lieferung enthalten, und zu welchem Anteil?

Nukleinsäuretests, Massenspektrometer, tragbare Elisa und Fluoreszenzdetektoren schaffen trotz Dezentralisierung und globaler Beschaffung Sicherheit für den Einkauf und die Kunden – nämlich dort wo es um Echtzeitkontrolle von Originalprodukt und der Qualität, um frühe Prävention von Vergiftungsrisiken und um schnelle Entscheidungen zu erschwinglichen Kosten geht. Häufig stützen sich die Tests auf biotechnologische Komponenten in den zu untersuchenden Waren, so etwa beim Auslesen von DNA-Barcodes oder photochromen Pigmenten aus genetisch optimierten Bacteriorhodopsinen, die mit dem Tintenstahldrucker aufgetragen werden, zum Schutz gegen Produktpiraten und Fälscher.

Die fortgeschrittene Analytik befördert ihrerseits die Dezentralisierung der Wertschöpfung. So sind hochsensitive DNA-Tests heute in der Lage, geringste Mengen von GVOs zu detektieren, die wiederum potente Großabnehmer von Lebens- und Futtermitteln dazu veranlassen, ihr Einkaufsverhalten zu ändern. Sie setzen eigene Schwellenwerte unterhalb der behördlich definierten fest. Dabei kommen zunehmend tragbare Messgeräte und Kits, sog. Point-of-Use-Tests, zum Einsatz. Sie ergänzen die klassische Mikrobiologie und Expertise im Großlabor. Darauf reagieren wiederum die Anbieter, indem sie Produkte entlang der Analysemöglichkeiten entwickeln und die bedienten Märkte stärker voneinander entkoppeln. So etwa, wenn Chargen für Zentraleuropa keine oder nur nicht deklarierungsbedürftige GMO-Anteile enthalten, während dies nebensächlich ist für Lieferungen in den Rest der Welt.

Die Karten werden neu gemischt, quer zu bestehenden Zulieferketten, nationalen und Branchenzugehörigkeiten. In globalisierten Wirtschaftsbeziehungen ist der Einsatz biotechnologischer Methoden und Verfahrenstechniken, die kosteneffizient sind und Produkte mit Mehrwert schaffen, nicht aufzuhalten. Freilich, Innovationen tropfen nicht zum Markt. Tech-nologieanbieter können sich nicht darauf verlassen, dass ihre Angebote selbsterklärend sind. Sie müssen sich um ihre Kunden bemühen. Wer aber als potenzieller Kunde wartet, bis der Außendienst mit der Innovation an seiner Türe klopft, der hat schon den Wettbewerb verloren. So brauchen denn beide Seiten – Technologieanbieter und -abnehmer – Plattformen zur gezielten Begegnung und zum persönlichen Gespräch. Die BioBasedWorld at ACHEMA 2012 ist eines der wenigen Foren weltweit, die dies einem Querschnitt der Industrie bietet.

Source: Achema-Trendbericht, Pressemitteilung, 2011-11-30.

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