13 Juni 2008

nova-Kongressbericht: Biokonversion 2008

Forschung und Entwicklung als Schwerpunkt der Industriellen Biotechnologie in Deutschland

Am 12. und 13. Mai fand in der Geschäftstelle des Dechema. e.V. das von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) und dem Bundesminsterium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) organisierte Symposium Biokonversion 2008 statt. Im Mittelpunkt standen die Fortschritte der Forschung und Entwicklung Industrieller Biotechnologie auf der Basis Nachwachsender Rohstoffe in Deutschland.

Weiße Biotechnologie stellt in Deutschland einen zentralen Schwerpunkt der industriellen Forschung und der staatlichen Forschungsförderung dar, daran ließen Initiatoren und Teilnehmer der Veranstaltung keinen Zweifel aufkommen. In Zeiten absehbarer Ressourcenabnahme beim Erdöl und einem entsprechend kontinuierlich steigenden Ölpreis stellt die Nutzung Nachwachsender Rohstoffe im Bereich stofflicher Anwendungen die einzige Alternative dar, betonte die parlamentarische Staatssekretärin Ursula Heinen in ihrem Grußwort zum Auftakt des Symposiums. Dieses widmete sich in zahlreichen Beiträgen und einem vielfältigen Themenmix der Fortschritte in Forschung, Entwicklung und Anwendung Industrieller Biotechnologie in Deutschland.

Potenziale und Verfügbarkeit der Rohstoffe für die Zukunft
Einen Schwerpunkt zu Beginn der Tagung stellte die Frage nach der Verfügbarkeit der Rohstoffe für die Industrielle Biotechnologie dar. Dabei konzentrierte sich die Diskussion vor allem auf das Potenzial der Biomassenutzung sowie auf die Verfügbarkeit von Zucker als Basisrohstoff. Dr. Ernst-Oliver Freiherr von Ledebur, Sprecher des Johann Heinrich von Thünen-Instituts, stellte die Verfügbarkeit landwirtschaftlicher Biomasse vor dem Hintergrund der Diskussion um die Flächenkonkurrenz mit Nahrungsmitteln und der Energie- und Rohstoffpreise dar. Sein Fazit: Das Verhältnis von landwirtschaftlichen Erträgen zu den Lagerbeständen zur Nahrungsversorgung nimmt bereits seit Jahren unabhängig vom Anbau Nachwachsender Rohstoffen ab und führt entsprechend zu Engpässen und Preissteigerungen. Hauptfaktoren sind vielmehr die ständig wachsende Weltbevölkerung sowie die globale Veränderung im Konsumverhalten.

Vor dem Hintergrund des zunehmenden Bedarfs an Nachwachsenden Rohstoffen für energetische und industrielle Nutzung sind Ertragssteigerungen und die Nutzung der gesamten Biomasse notwendig. Einen Weg, dies durch Pflanzenbiotechnologie zu erreichen, zeigte Dr. Hinrich Hartung von der KWS Saatgut. In seinem Institut wird Mais gezüchtet und gentechnisch so modfiziert, dass er im mitteleuropäischen Klima einen möglichst hohen Biomasseertrag liefert. Grundlage sind italienische Sorten, denen Kältetoleranz und Kurztagswachstum durch deutsche beziehungsweise südamerikanische Sorten mitgegeben werden. Die auf diese Weise modifizierten Pflanzen liegen in ihrem Biomasse- und Zelluloseertrag deutlich höher als etablierte Sorten, können jedoch nicht als Futterpflanzen genutzt werden, da sie in Mitteleuropa nicht zur Reife kommen.

Dr. Fridolin Krausmann von der Universität Klagenfurt betrachtet ebenfalls die Biomasseproduktion, stellt sie jedoch in einen ökologischen Zusammenhang. Er betrachtet das Phänomen der gesellschaftlichen Aneignung der Netto-Primärproduktion (human appropriation of net primary production – HANNP), demnach sich die Menschheit aktuell etwa 25% der gesamten Biomasse der Erde zu Nutze macht. Den Weltmarkt für Zucker als aktuellem und künftigem Hauptrohstoff bei der Nutzung Nachwachsender Rohstoffe sowie die Wechselwirkungen mit dem Etanolmarkt betrachtete Dr. Helmut Ahlfeld vom Marktforschungsinstitut F.O. Licht. Entgegen anderslautenden Pognosen erwartet er keine Preissteigerungen. Im Gegenteil: Aufgrund einer seit Jahren gesteigerten Überproduktion von Zucker in Brasilien, Indien und Thailand geht er von einem offensiven Verkauf der Zuckereserven und einem entsprechenden Preisrückgang aus. Auf lange Sicht prognostiziert er stabile Preise auf hohem Niveau durch die Konkurrenznutzung für die Ethanolproduktion sowie durch verteuerte Kosten für die Zuckererzeugung infolge ansteigender Ölpreise.

Produkte Industrieller Biotechnologie
Die Evonik Industries AG ist eine der Firmen, die eine Vorreiterrolle in der Industriellen Biotechnologie spielen und daher in diesem Bereich über mehrjährige Erfahrung verfügen. Entsprechend facettenreich ist das Spektrum der Nutzungs- und Forschungsansätze aus dem Hause Evonik. Dr. Andreas Karau stellte die Erfolgsgeschichte der fermentativen Herstellung von Aminosäuren zum Einsatz in der Pharmaindustrie dar. Diese Hauptproduktionsmethodik aller heute im industriellen Maßstab benötigten Aminosäuren konnte sich nach etwa dreijähriger Entwicklungs- und Forschungszeit gegenüber der bisher vorherrschenden Chromatographie bzw. Extraktion etablieren.

Dr. Oliver Thum von Evonik-Goldschmidt beleuchtete Probleme bei der biokatalytischen Produktion hochviskoser Kosmetikbestandteile und daraus resultierende Anlagenentwicklungen. Die spezifischen Ansprüche des Mediums führten zur Entwicklung von Blasensäulen als Alternative zu herkömmlichen Rührkesseln, bei denen die Enzyme durch Scherkräfte zerstört wurden. Auch Dr. Achim Marx berichtete als Vertreter der Evonik. Er stellte die fermentative Herstellung von 3-Hydroxyisobuttersäure als Beispiel für die Produktion einer zentralen Bulk-Chemikalie vor, die über den bakteriellen Zellstoffwechsel gewonnen werden kann.

Verknüpfung mit der Grundlagenforschung
Wie sehr die Anwendung der Industriellen Biotechnologie mit der Grundlagenforschung verwoben ist, wurde an vielen Stellen des Symposiums deutlich. Zur Nutzung fermentativer Prozesse ist grundsätzlich ein umfassendes und tiefgehendes Verständnis der Systembiologie der als Produzenten in Frage kommenden Mikroorganismen notwendig. Voraussetzung hierfür sind Kenntnisse über das Genom als genetische Grundlage, über das Metabolom als Stoffwechselgrundlage und über des Proteom als Basis der für die Prozesse wichtigen Proteine und Enzyme. Um die gewünschten Endprodukte durch biokatalytische Prozesse zu erzeugen, setzen die Forscher sowohl auf das Auffinden brauchbarer Enzyme und deren Design als synthetische Enzyme, als auch auf das Metabolic Engineering und die gentechnische Rekombination zur Herstellung optimaler Fermentationsorganismen. Professor Dr. Wolfgang Liebl von der Technischen Universität München betonte darüber hinaus die Bedeutung der Kenntnis bakterieller Biodiversität sowie der Metagenome und Metaproteome. Diese existieren vor allem in extremophilen Organismenaggregaten und können nicht über einzelne Bakterienstämme kultiviert werden.

Wege zur Zellulose-Bioraffinerie
Eines der Hauptziele der Industriellen Biotechnologie ist die Nutzung von Lignozellulosen als Rohstoff für Zucker. Lignozellulose stellt in Form von Holz den im größten Maßstab vorhandenen Nachwachsenden Rostoff dar. Anders als Stärke entzieht dieser sich allerdings aufgrund seiner Struktur und Unlöslichkeit bis heute weitgehend dem enzymatischen Aufschluss und der Nutzung. Dr. Jochen Michels (DECHEMA) stellte die Ergebnisse der Bemühungen dar, eine Bioraffinerie zum Aufschluss der Zellulose zu konstruieren. In einem ersten Schritt soll eine Extraktion nutzbarer Stoffe für Pharmaka, Aromen und Duftstoffe erfolgen. Im Buchenholz, das als Modell genutzt wird, ist dieser Schritt wenig effektiv. Verwertbare Stoffe wie Betulin und Betulinsäure sind in Fraktionen von weniger als 0,1% zu gewinnen. Zweiter Schritt ist ein Lösungsmittelaufschluss und eine mehrphasige Komponententrennung, bei der Lignin, Hemizellulose und Zellulose gewonnen werden. Die von der Arbeitsgruppe entwickelten Verfahren führen zu einem Zelluloseaufschluss beim Buchenholz von etwa 82%, Endprodukte sind Glucose und Xylose in Lösung sowie kristallines Lignin. Eine Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist jedoch stark von einer hochpreisigen Nutzung des Lignins, beispielsweise als Ersatz der Phenole in MDF-Platten, abhängig – nur über diese Finanzierung kann der gewonnen Zucker mit dem Weltmarktzucker konkurrieren.

Eine effektivere und kostengünstigere Aufspaltung verspricht sich das Konsortium um Professor Liebl aus der Nutzung ionischer Flüssigkeiten als Medium, um Zellulose zu lösen und dann in flüssiger Phase enzymatisch aufzuschließen. Bislang scheitern diese Ansätze an der fehlenden Vefügbarkeit von Enzymen, die in Ionischen Flüssigkeiten stabil und aktiv sind.

Proteinpolymere, Bernsteinsäure und Tenside
Ein vollständiger Überblick über alle Forschungsinitiativen Industrieller Biotechnologie, die auf dem Symposium vorgestellt wurden, würde den Rahmen dieses Berichts sprengen, deshalb sollen einige der Vorträge nur angeschnitten werden. So stellte Dr. Markus Pietzsch von der MLU Halle-Wittenberg einen neu entwickelten Kunststoff auf der Basis pflanzlicher Proteinen vor, der über Transglutaminase vernetzt wird. Der als Folie entwickelte Werkstoff ist sehr schnell abbaubar und in einer ersten Phase der Markteinführung für Mulchfolien vorgesehen. Prof. Dr. Christoph Syldatik von der Universität Karlsruhe konzentrierte sich auf die Optimierung von Rhamnolipiden, die als bakteriogene Biotenside genutzt werden können. Dr. Steffen Rupp und Dr. Ulrich Fehrenbacher vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) produzieren über Hefen und andere Pilze langkettige Dicarbonsäuren, die zur Herstellung von Polyamiden oder Polyurethanen genutzt werden könnten. Dr. Karlheinz Bretz vom Fraunhofer-Institut UMSICHT wiederum optimiert die fermentative Gewinnung von Bernsteinsäure. Dr. Hubert Bahl von der Universität Rostock versucht, die biotechnologische Herstellung von Butanol und Aceton, die bereits seit dem ersten Weltkrieg bekannt ist und großtechnisch betrieben wurde, wieder wirtschaftlich zu machen und die Organismen entsprechend biotechnisch zu optimieren. Einen stärker anlagenorienterten Ansatz stellte Prof. Dr. Dirk Weuster-Botz aus dem Fachbereich Maschinenwesen an der TU München vor. Als Bio-Verfahrenstechniker arbeitet er an der Optimierung der Fermentationsanlagen.

Perspektiven der Industriellen Biotechnologie
Am Ende der abschließenden Podiumsdiskussion stand vor allem die Erkenntnis, dass die Industrielle Biotechnologie als Zukunftstechnologie viel Potenzial hat, zugleich aber noch viele Probleme zur Etablierung bewältigt werden müssen. Zentrale Aufgaben sind die hinreichende und zugleich nachhaltige Bereitstellung von Biomasse sowie die Koppel- und Kaskadennutzung Nachwachsender Rohstoffe in der chemischen Industrie, unter anderem durch die stoffliche Nutzung von Biogas in Form von Methanol. Die Erwartungen an innovative neue Produkte und Forschungsansätze sind hoch. Weitere Herausforderungen stellen die notwendige Effizienz und Konkurrenzfähigkeit gegenüber etablierten Prozessen dar sowie die internationale Konkurrenz. Auch soziale Aufgaben stehen der Industriellen Biotechnologie bevor – notwendig ist eine umfassende und hochwertige Ausbildung sowie eine positive Information der Öffentlichkeit über die Chancen der biotechnologischen Nutzung Nachwachsender Rohstoffe.

(Vgl. Meldung vom 2008-06-03.)

Source: nova-Eigenrecherche, 2008-06-13.

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