In welchem Ma\u00dfstab werden erd\u00f6lbasierte Produkte in der Zukunft abgel\u00f6st durch Kunststoffe, Hydraulik\u00f6le und Lacke aus Raps, Mais oder Stroh? Die Zuk\u00fcnftige Technologien Consulting (ZTC) des VDI Technologiezentrums ist dieser Frage in einer neuen Studie nachgegangen. Die zentralen Ergebnisse lesen Sie hier.<\/b><\/p>\n
Die Studie “Biomasse \u2013 Rohstoff der Zukunft f\u00fcr die chemische Industrie” hat biobasierte Herstellungsverfahren bei 26 Vorl\u00e4ufersubstanzen, den sogenannten Plattformchemikalien, untersucht. Bei elf dieser Plattformchemikalien ist laut Studie eine starke Entwicklungsdynamik zu biobasierter Produktion zu verzeichnen. So werden beispielsweise die Produktionskapazit\u00e4ten f\u00fcr Bernsteins\u00e4ure und der ausschlie\u00dflich aus Biomasse hergestellten Polymilchs\u00e4ure (PLA) weltweit ausgebaut.<\/p>\n
Die Studie zeigt jedoch auch, dass die Produktionsmengen der meisten, neuerdings aus Biomasse hergestellten Produkte noch vergleichsweise gering sind. Damit biobasierte Produktionsverfahren auch im gro\u00dfindustriellen Ma\u00dfstab kosteng\u00fcnstig und kompetitiv umgesetzt werden k\u00f6nnen, sind noch zahlreiche technologische Herausforderungen zu meistern, wie die Studie beschreibt:<\/p>\n
Herausforderungen in der industriellen Biotechnologie<\/b>
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 Prim\u00e4r-Screening nach neuen Organismen oder Enzymen, die genotypische und die ph\u00e4notypische Optimierung des biologischen Systems. Daran schlie\u00dft sich die Prozessentwicklung und das Upscaling, also die Ma\u00dfstabsvergr\u00f6\u00dferung und schlie\u00dflich das Downstreaming an. F\u00fcr die einzelnen Schritte stehen Verfahren aus der Mikrobiellen Genomik, der Bioinformatik, dem Metabolic Engineering, dem Enzymdesign oder dem Prozessdesign zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
Mikroorganismen m\u00fcssen modifiziert werden<\/b>
Optimierungsbedarf besteht f\u00fcr 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 Zellw\u00e4nde. Enzyme, die in hydophobem Milieu arbeiten oder immobilisierte Enzyme, sind ebenfalls von gro\u00dfem Interesse.<\/p>\n
Eine weitere gro\u00dfe Herausforderung liegt in der Aufreinigung bzw. dem Downstreaming der Produkte, also der Produktextraktion aus Fermenterbr\u00fchen. Die Mengen an w\u00e4ssrigem Medium sind meistens sehr gro\u00df und dar\u00fcber hinaus muss das Produkt oftmals auch noch aus dem Organismus isoliert werden. F\u00fcr das Downstreaming stehen mechanische, thermische, elektrische und physiko-chemische Verfahren zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
Kostenfaktor Aufreinigung<\/b>
Die Aufreinigung ist ein gro\u00dfer Kostenfaktor und macht zwischen 30-80% der Gesamtkosten aus. H\u00e4ufig ist neben dem Downstreaming auch das Upscaling, also die \u00dcbertragung der biotechnologischen Reaktionen im Labor- oder Technikumsma\u00dfstab in die gro\u00dftechnische Produktion eine echte Herausforderung.<\/p>\n
Bei der industriell angewandten Fermentation, wie zum Beispiel bei der Produktion von Glutamins\u00e4ure 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 Zuf\u00fctterung von N\u00e4hrstoffl\u00f6sung unterscheidet.<\/p>\n
Vorteile des Fed-batch-Verfahrens sind h\u00f6here Endkonzentrationen an Biomasse, die Verhinderung einer Substratinhibierung der Wachstumsrate und die Umgehung einer Katabolitrepression. Beim Prim\u00e4r-Screening, also der Suche nach neuen Organismen, kommt wegen der sehr hohen St\u00fcckzahlen jedoch ausschlie\u00dflich das wesentlich einfachere und kosteng\u00fcnstigere Batch-Verfahren im Sch\u00fcttelreaktor zum Einsatz.<\/p>\n
Neue biologische Produktionssysteme und optimierte Biokatalysatoren<\/b>
Die bisherigen biochemischen, biomolekularen, bioinformatischen, genetischen Verfahren oder auch das Metabolic Engineering haben zur Einf\u00fchrung neuer biologischer Produktionssysteme und optimierter Biokatalysatoren gef\u00fchrt. Die in der Studie n\u00e4her beschriebene Systembiologie und die Synthetische Biologie er\u00f6ffnen noch weitere M\u00f6glichkeiten, insbesondere f\u00fcr die Anpassung oder Erzeugung von Mikroorganismen. Diese k\u00f6nnten dann zum Beispiel (Algen)-Biomasse gezielt in Energie und chemische Stoffe oder Lignin in die gew\u00fcnschten Produkte umsetzen.<\/p>\n
Weitere Informationen<\/b><\/p>\n