13 April 2011

Chemische Produkte aus Biomasse

Studie analysiert biobasierte Herstellungsverfahren chemischer Zwischen- und Endprodukte

In welchem Maßstab werden erdölbasierte Produkte in der Zukunft abgelöst durch Kunststoffe, Hydrauliköle und Lacke aus Raps, Mais oder Stroh? Die Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) des VDI Technologiezentrums ist dieser Frage in einer neuen Studie nachgegangen. Die zentralen Ergebnisse lesen Sie hier.

Die Studie “Biomasse – Rohstoff der Zukunft für die chemische Industrie” hat biobasierte Herstellungsverfahren bei 26 Vorläufersubstanzen, den sogenannten Plattformchemikalien, untersucht. Bei elf dieser Plattformchemikalien ist laut Studie eine starke Entwicklungsdynamik zu biobasierter Produktion zu verzeichnen. So werden beispielsweise die Produktionskapazitäten für Bernsteinsäure und der ausschließlich aus Biomasse hergestellten Polymilchsäure (PLA) weltweit ausgebaut.

Die Studie zeigt jedoch auch, dass die Produktionsmengen der meisten, neuerdings aus Biomasse hergestellten Produkte noch vergleichsweise gering sind. Damit biobasierte Produktionsverfahren auch im großindustriellen Maßstab kostengünstig und kompetitiv umgesetzt werden können, sind noch zahlreiche technologische Herausforderungen zu meistern, wie die Studie beschreibt:

Herausforderungen in der industriellen Biotechnologie
Erfolgreiche Fermentationsprozesse in der industriellen Produktion sind in der Regel das Ergebnis von zeitintensiven und langwierigen Screening-, Entwicklungs- und Optimierungsarbeiten. Die generellen Arbeitsschritte zur Etablierung neuer Fermentationsverfahren oder deren Optimierung umfassen die Rohstoffauswahl, das Primär-Screening nach neuen Organismen oder Enzymen, die genotypische und die phänotypische Optimierung des biologischen Systems. Daran schließt sich die Prozessentwicklung und das Upscaling, also die Maßstabsvergrößerung und schließlich das Downstreaming an. Für die einzelnen Schritte stehen Verfahren aus der Mikrobiellen Genomik, der Bioinformatik, dem Metabolic Engineering, dem Enzymdesign oder dem Prozessdesign zur Verfügung.

Mikroorganismen müssen modifiziert werden
Optimierungsbedarf besteht für jeden neuen Prozess auf verschiedenen der genannten Verfahrensstufen. Bedarf besteht zum Beispiel hinsichtlich neuer oder zu modifizierender Mikroorganismen oder bei der Erforschung neuer Biokatalysatoren etwa zum Abbau der pflanzlichen Zellwände. Enzyme, die in hydophobem Milieu arbeiten oder immobilisierte Enzyme, sind ebenfalls von großem Interesse.

Eine weitere große Herausforderung liegt in der Aufreinigung bzw. dem Downstreaming der Produkte, also der Produktextraktion aus Fermenterbrühen. Die Mengen an wässrigem Medium sind meistens sehr groß und darüber hinaus muss das Produkt oftmals auch noch aus dem Organismus isoliert werden. Für das Downstreaming stehen mechanische, thermische, elektrische und physiko-chemische Verfahren zur Verfügung.

Kostenfaktor Aufreinigung
Die Aufreinigung ist ein großer Kostenfaktor und macht zwischen 30-80% der Gesamtkosten aus. Häufig ist neben dem Downstreaming auch das Upscaling, also die Übertragung der biotechnologischen Reaktionen im Labor- oder Technikumsmaßstab in die großtechnische Produktion eine echte Herausforderung.

Bei der industriell angewandten Fermentation, wie zum Beispiel bei der Produktion von Glutaminsäure oder Lysin durch Corynebacterium glutamicum kommt meist das Fed-batch-Verfahren zum Einsatz. Auch verschiedene Biopharmazeutika, wie Insulin, Interferon oder Wachstumshormone werden so hergestellt. Das Fed-batch-Verfahren ist ein diskontinuierlicher Prozess, der sich vom reinen Batch-Verfahren durch die gezielte Zufütterung von Nährstofflösung unterscheidet.

Vorteile des Fed-batch-Verfahrens sind höhere Endkonzentrationen an Biomasse, die Verhinderung einer Substratinhibierung der Wachstumsrate und die Umgehung einer Katabolitrepression. Beim Primär-Screening, also der Suche nach neuen Organismen, kommt wegen der sehr hohen Stückzahlen jedoch ausschließlich das wesentlich einfachere und kostengünstigere Batch-Verfahren im Schüttelreaktor zum Einsatz.

Neue biologische Produktionssysteme und optimierte Biokatalysatoren
Die bisherigen biochemischen, biomolekularen, bioinformatischen, genetischen Verfahren oder auch das Metabolic Engineering haben zur Einführung neuer biologischer Produktionssysteme und optimierter Biokatalysatoren geführt. Die in der Studie näher beschriebene Systembiologie und die Synthetische Biologie eröffnen noch weitere Möglichkeiten, insbesondere für die Anpassung oder Erzeugung von Mikroorganismen. Diese könnten dann zum Beispiel (Algen)-Biomasse gezielt in Energie und chemische Stoffe oder Lignin in die gewünschten Produkte umsetzen.

Weitere Informationen

Source: process.vogel.de, 2011-04-13.

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