Die Natur als chemische Fabrik

Erdöl wird immer teurer, fossile Rohstoffe gehen langsam zur Neige. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe und nachhaltige Produktionsprozesse bieten alternative Lösungen. Besondere Bedeutung kommt der weißen Biotechnologie zu, bei der Chemikalien und chemische Grundstoffe mit biotechnologischen Verfahren hergestellt werden.

Die Prozesse werden vor allem dann nachhaltig und stehen nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, wenn Restbiomasse aus der Forst- und Landwirtschaft oder Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie als Substrate für die Mikroorganismen genutzt werden.

Kunststoff und Lacke aus Raps
Bei der Herstellung von Biodiesel aus Rapsöl fällt als Nebenprodukt Rohglyzerin an. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Rohglyzerin in 1,3-Propandiol umsetzen lässt – einen chemischen Grundstoff für die Herstellung von Polyestern oder Holzlacken.

Bislang wird 1,3-Propandiol chemisch synthetisiert. Es gibt aber auch Mikroorganismen, die Glyzerin zu 1,3-Propandiol umsetzen können. Das Bakterium Clostridium diolis produziert 1,3-Propandiol in vergleichsweise hoher Ausbeute. Allerdings setzte das Bakterium zwar Glyzerin, nicht aber Rohglyzerin um. Der Grund: Der schwarz gefärbte, wie verbrauchtes Motoröl aussehende Reststoff Rohglyzerin enthält aus dem Rapsöl übrig gebliebene Fettsäuren. Diese müssen zunächst abgetrennt werden. „Zudem hemmen sowohl das Substrat Glyzerin als auch das Produkt 1,3-Propandiol bei höheren Konzentrationen das Wachstum der Bakterien“, nennt Dr. Wolfgang Krischke vom IGB eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung des biotechnologischen Prozesses. „Durch eine kontinuierliche Betriebsführung des Bioreaktors konnten wir dieses Problem weitgehend lösen. Denn bei annäherndem Vollumsatz des Glyzerins entfällt dessen Hemmwirkung. Auf diese Wei-se konnten wir einen stabilen Prozess mit hohen Produktkonzentrationen erzielen.“

Aus Rapsöl lässt sich noch ein weiteres chemisches Zwischenprodukt gewinnen – langkettige Dicarbonsäuren. Sie können bei der Herstellung von Polyamiden und Polyestern eingesetzt werden. Bisher lassen sich langkettige Dicarbonsäuren jedoch chemisch nur schwer synthetisieren. Eine Alternative ist die biotechnologische Herstellung. „Im Rapsöl sind Fettsäuren an Glyzerin gebunden. Werden diese abgespalten, können die freien Fettsäuren beispielsweise von verschiedenen Hefen der Gattung Candida zu Dicarbonsäuren umgesetzt werden“, erläutert Susanne Zibek vom IGB. Gemeinsam mit Kollegen hat sie einen fermentativen Prozess entwickelt, der mit gentechnisch modifizierten Hefen arbeitet, und bei dem die Spaltung des Rapsöls sowie die Umsetzung der Fettsäuren zu Dicarbonsäuren simultan erfolgt.

Feinchemikalien aus Krabbenschalen
Chitin ist nach Zellulose das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde. Der nachwachsende Rohstoff fällt in der Aquakultur und bei der Verarbeitung von Meeresfrüchten wie Krabben in großen Mengen als Abfall an. Forscher des IGB untersuchen, ob sich Chitin durch den Einsatz von mikrobiellen Chitinasen als nachwachsender Rohstoff für die chemische Industrie erschließen lässt. Chitin kann von vielen Bakterien durch Chitinasen abgebaut werden. Diese Chitinasen spalten das lineare, unlösliche Homopolymer aus beta-1,4-verknüpften N-Acetyl-Glucosamin-Einheiten zu Oligo- oder Monomeren. Ziel ist es, das Chitin zu Monomeren abzubauen, die anschließend hydrothermal zu gut modifizierbaren Grundbausteinen der Polymerchemie wie z. B. Stickstoffheterozyklen umgesetzt werden.
Holz und Stroh nutzbar machen:
Basischemikalien aus Lignocellulose
Lignocellulose, der am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff, ist Hauptbestandteil von Reststoffen wie Stroh oder Holz.. Lignocellulosehaltige Materialien können durchaus durch fermentative oder chemische Verfahren wichtige Grundstoffe für die chemische Industrie liefern. Aufgrund ihrer chemischen Struktur sind sie gegenüber einem enzymatischen Angriff sehr beständig. Daher sind eine Reihe neuer Methoden und Methodenkombinationen notwendig, um zu technisch verwertbaren Bausteinen für chemische Folgeprodukte zu gelangen. Das Fraunhofer IGB entwickelt hierfür eine Kombination enzymatisch-fermentativer Prozesse mit unterschiedlichen Aufschlussverfahren, um verschiedene Zucker herzustellen. In weiteren Schritten können daraus neben Basischemikalien wie Acetat auch Biokraftstoffe wie Bioethanol oder Biobutanol gewonnen werden. Damit wollen die Wissenschaftler das Konzept eines integrierten Prozessansatzes vom Rohstoff Lignocellulose bis zur Produktgewinnung im Sinne einer Bioraffinerie umsetzen.
Mikroalgen – nachhaltiger Rohstoff für Wertstoffe und regenerative Energie
Algen sind eine bislang wenig genutzte natürliche Rohstoffquelle, die eine Vielzahl chemischer Grundstoffe mit hohem Wertschöpfungspotenzial für die Pharma- und die Nahrungsmittelindustrie produzieren. Etwa natürliches Astaxanthin, ein roter Farbstoff mit antioxidativen und gesundheitsfördernden Eigenschaften, oder die Omega-3-Fettsäure EPA, die essenziell für den Menschen ist: Ein ernährungsbedingter Mangel an EPA wird in Zusammenhang mit einem erhöhten Risiko für Zivilisationskrankheiten wie Herzinfarkt und Schlaganfall gebracht.

Algen bzw. ihre Produkte dienen auch als Rohstoffe für die industrielle Biotechnologie oder regenerative Energieversorgung. Speicherlipide der Algen etwa können ähnlich wie Rapsöl zur Herstellung von Biotreibstoff genutzt werden. Ein wichtiger Aspekt bei der Algenkultivierung ist die Nachhaltigkeit: Algen brauchen – wie die Pflanzen – nur Kohlendioxid und Licht, Nitrat und Phosphor für ein schnelles Wachstum. Mit der am Fraunhofer IGB entwickelten Reaktorplattform kann sogar das Kohlendioxid aus Verbrennungsprozessen (Rauchgas) direkt als Kohlenstoffquelle für das Algenwachstum eingesetzt werden. Umweltschonender Nebeneffekt: Das von den Algen gebundene CO2 gelangt nicht in die Atmosphäre.

„Die Weiße Biotechnologie nutzt die Natur als chemische Fabrik. Herkömmliche chemische Produktionsprozesse werden durch den Einsatz von Mikroorganismen oder Enzymen ersetzt“, erläutert Prof. Thomas Hirth, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, den Ansatz.