Industrielle Biotechnologie: Schwieriger Wechsel der Rohstoffbasis<\/p>"},"content":{"rendered":"
Nie waren biogene Rohstoffe so begehrt wie heute. Das Ringen um erneuerbare Kohlenstoffquellen ist schon im Gang, auch wenn neue F\u00f6rdertechniken die fossilen Rohstoffvorr\u00e4te strecken. Die Industrie wird auf mittlere Sicht ihre Rohstoffbasis erweitern, auf lange Sicht sogar erneuern m\u00fcssen. Eine der Schl\u00fcsseltechnologien auf dem Weg zu einer Wirtschaft auf Basis nachwachsender Rohstoffe ist die industrielle Biotechnologie. Deren mikrobielle Produktionsst\u00e4tten brauchen Biomasse. Doch welche wird es sein und haben wir genug davon?<\/p>\n
Wie begehrt Biomasse ist, h\u00e4ngt von der Art der Biomasse ab. Ums Holz ist bereits ein Kampf entbrannt, beim Bioabfall herrscht noch Gelassenheit. Dass sich die Konkurrenz um nachwachsende Rohstoffe versch\u00e4rfen wird, erscheint realistisch. Mit wachsender Weltbev\u00f6lkerung w\u00e4chst auch der Bedarf an Nahrungs- und Futtermitteln. Das Dilemma: Weide,- Acker- und Waldfl\u00e4chen sind begrenzt, der Bedarf an Biomasse ist enorm, sofern sie als (Teil-)Ersatz f\u00fcr fossile Rohstoffe Einzug in die Industrie halten soll. Damit nicht genug. Weil Fl\u00e4chen begrenzt sind und sich zwischen den vielen M\u00f6glichkeiten Biomasse zu nutzen Konkurrenzen entwickeln, gilt es Priorit\u00e4ten zu setzen. Unter der Bezeichnung 5F-Kaskade haben Experten eine Reihenfolge erstellt, in der Biomasse am sinnvollsten zu nutzen ist (OECD, 2011, S. 16). Nahrungs- und Futtermittel sollen Vorrang genie\u00dfen, dann folgen Spezial- und Massen-Chemikalien sowie Inhaltsstoffe f\u00fcr Arzneimittel, dann kommen Fasern und Biomaterialien (Holz, Zellstoff und Papier), erst dann Treibstoffe und Bioenergie, das Ende bilden schlie\u00dflich D\u00fcnger und Bodenverbesserer.<\/p>\n
Doch das ist noch Zukunftsmusik. Hintergrund der 5F-Kaskade ist, dass man die energetische Nutzung, also die Verbrennung, so sp\u00e4t wie m\u00f6glich in den Lebenslauf der Biomasse setzen will. Damit bleibt CO2 m\u00f6glichst lange gebunden und die Biomasse kann vor der Verbrennung erst noch andere Wertsch\u00f6pfungsprozesse durchlaufen. Aktuell, Beispiel Bio-Ethanol oder Holzpellets, wandert Biomasse sehr fr\u00fch in die Verbrennung. Es dominiert die singul\u00e4re Nutzung. Kaskaden gibt es im Moment kaum. Sie erfordern, Stoffstr\u00f6me neu zu ordnen und neue Technologien f\u00fcr die Umwandlung der Biomasse in Wertstoffe zu entwickeln.<\/p>\n
In Deutschland wurden im Jahr 2012 rund 110 Millionen Tonnen Erd\u00f6l in Industrie- und Energieprozessen umgesetzt. Kraftstoffe, Schmierstoffe, Treibstoffe, Chemikalien, Kunststoffe – eine Industrie ohne \u00d6l k\u00f6nnen wir uns heute nicht mehr vorstellen. Zu wichtig, zu dominant ist dieser Rohstoff.<\/p>\n
Momentan ist Biomasse die einzige regenerative Kohlenstoffquelle. Vielleicht k\u00f6nnen eines Tages auch Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid aus Industrieprozessen – also ein Gro\u00dfteil dessen, was wir als Abgas bezeichnen – wieder aufbereitet werden zu Kohenstoffverbindungen, die die Industrie wiederum verwerten kann. Allerdings: Regenerativ ist dieser Weg nicht, weil der Kohlenstoff nach wie vor aus fossilen Quellen wie \u00d6l, Gas oder Kohle stammt.<\/p>\n
Die erste Generation biobasierter Chemikalien verwendet Rohstoffe, die auch als Nahrungs- oder Futtermittel verwendet werden. Die zweite setzt auf Non-Food-Biomasse, die vor allem Zellulose, Hemizellulose oder Lignozellulose enth\u00e4lt. Noch werden vor allem essbare Bio-Rohstoffe genutzt. Aber die Nachhaltigkeitsdebatte r\u00fcckt biogene Reste und Abf\u00e4lle der Industrie und deren schwer fassbare Stoffstr\u00f6me in den Blick (Raschka, Carus, 2012). Ob es eines Tages \u00fcberhaupt noch Bioabf\u00e4lle geben wird, darf bezweifelt werden. Sie werden zu Wertstoffen und damit zur Basis von Wertsch\u00f6pfungsprozessen.<\/p>\n
Verf\u00fcgbar, konkurrenzf\u00e4hig und nachhaltig sollte die Biomasse sein – in Europa gilt dies zum Beispiel f\u00fcr Reststoffe aus der Ernte von Rundholz oder f\u00fcr sogenanntes Landschaftspflegegut, also Pflanzenschnitt von Stra\u00dfenr\u00e4ndern, Parks, Wiesenst\u00fccken und \u00c4hnlichem. Beim Rundholz folgt jedoch umgehend die Einschr\u00e4nkung: Die Nachfrage aus klassischen Holzverwertungsbranchen ist so hoch, dass Holz kaum f\u00fcr die Herstellung von anderen Wertstoffen verf\u00fcgbar sein wird. Selbst f\u00fcr Holzreste aus der Forstwirtschaft sind die Verwertungspotenziale bereits voll ausgesch\u00f6pft.<\/p>\n
Vielleicht kommen Algen noch gro\u00df ins Spiel. Sie nehmen CO2 auf und wandeln es im Stoffwechsel zu Kohlenwasserstoffen um. Ob sie zur Alternative f\u00fcr Pflanzen aus Feld, Wald und Wiese werden, ist wegen des fr\u00fchen Entwicklungsstandes noch nicht abzusch\u00e4tzen. Was f\u00fcr sie spricht, ist nicht nur ihr CO2-basierter Stoffwechsel. Sie sind auch attraktiv, weil sie auf Fl\u00e4chen kultviert werden k\u00f6nnen, auf denen sich weder Land- noch Forstwirtschaft betreiben l\u00e4sst.<\/p>\n
Den Biotreibstoffen der ersten Generation (1G), die St\u00e4rke aus Nahrungsmitteln wie Mais, Zuckerpflanzen, Weizen oder \u00d6l aus \u00d6lsaaten wie Raps einsetzen, setzt die Nachhaltigkeitsdebatte zu. Der \u00dcbergang zu anderen nachwachsenden Rohstoffen, die nicht mit Nahrungs- und Futtermitteln konkurrieren, weil sie nicht auf St\u00e4rke basieren, steht an. Der Wechsel auf die Non-Food-Schiene ist m\u00fchsam. “F\u00fcr Lignozellulose, die Rohstoffbasis der zweiten Generation, ist die Aufschlusstechnologie noch nicht ausgereift”, sagt Hartmut Grammel, Professor f\u00fcr Industrielle Mikrobiologie an der Hochschule Biberach. Herk\u00f6mmliche Bakterien oder Hefen k\u00f6nnen die Hemizellulosen, die in der Lignozellulose enthalten sind, nur schwer verwerten. Grund ist der molekulare Aufbau. Hemizellulosen sind gr\u00f6\u00dftenteils aus Zuckerbausteinen mit f\u00fcnf Kohlenstoffatomen (C5-Zucker) aufgebaut. Mikroorganismen, die in der Biotechnologie eingesetzt werden, bevorzugen vor allem den C6-Zucker Glukose, der in Zellulose und St\u00e4rke vorhanden ist. Doch es gibt Organismen, die C5-Zucker verwerten k\u00f6nnen.<\/p>\n
Wesentlich gr\u00f6\u00dfere Probleme bereitet das komplexe Biopolymer Lignin. Auch dieses Molek\u00fcl ist f\u00fcr klassische Mikroorganismen der Biotechnologie kaum zu knacken. Es gibt zwar Pilze, die Lignin zersetzen k\u00f6nnen. Zur Massenkultur im Bioreaktor taugen sie jedoch noch nicht. Mit Hochdruck wird nach Enzymen gefahndet, die die Lignozellulose und mit ihr insbesondere das sperrige Lignin aufschlie\u00dfen.<\/p>\n
Ist das Lignin erst aufgebrochen, k\u00f6nnten die passenden Mikroben die C5-Zucker der Hemizellulose in Produkte oder Produktvorstufen umgewandeln. Dabei gen\u00fcgt es nicht, dass Aufschluss und Konversion, also die chemische Umwandlung der Molek\u00fcle, gelingen. Enzyme und Organismen m\u00fcssen im gro\u00dftechnischen Prozessma\u00dfstab stabil arbeiten. An dieser H\u00fcrde ist schon mancher Verfahrensentwurf gescheitert.<\/p>\n
Die weltweite Bioethanolproduktion \u00fcbersteigt die des Biodiesels (Fetts\u00e4uremethylester) fast um das Vierfache (P\u00f6yry Management Consultant Oy, S. 22). Es gibt Bio-Ethanol-Anlagen der zweiten Generation (2G-Ethanol-Anlagen), also Anlagen, die mit Non-Food-Substraten wie Zellulose arbeiten, im Pilot- und Demonstrationsma\u00dfstab. Wenige gro\u00dftechnische Anlagen sind im Bau. Die einzige gro\u00dfe (Jahreskapazit\u00e4t: 75 Mio. Liter) steht in Crescentino (Italien) und transformiert Reisstroh und Energiepflanzen zu Ethanol. In Straubing erprobt der Spezialchemiekonzern Clariant eine weitere 2G-Anlage im Demo-Ma\u00dfstab (1,26 Mio. Liter). Sie setzt Zellulose als Substrat ein.<\/p>\n
In \u00dcbersee sind einige 2G-Anlagen f\u00fcr die Herstellung von biobasierten Produkten im (Probe-)Betrieb, der Beweis ihrer Wirtschaftlichkeit steht noch aus (Krieger, 2014). Die Wettbewerbsf\u00e4higkeit von 2G-Treibstoffen ist in hohem Ma\u00dfe vom Preis und der Effizienz der Enzyme und Mikroben abh\u00e4ngig (P\u00f6yry Management Consultant Oy, S. 21). Auch die mikrobielle Produktion von Biodiesel (bislang nur chemisch), der nur in Europa eine gewisse Rolle spielt, hat das Entwicklungsstadium noch nicht verlassen.<\/p>\n
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung von Biotreibstoffen ist die Synthesegas-Fermentation. Jede Biomasse l\u00e4sst sich thermochemisch in ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid zerlegen. Bestimmte anaerobe Bakterien, zum Besipiel manche Clostridium-Arten, nutzen CO, CO2 und H2 als Kohlenstoff- und Energiequelle und produzieren daraus Ethanol, Butanol oder Chemikalien wie Essigs\u00e4ure, Lactate, Butyrate, 2,3-Butandiol und Aceton. Verschiedene St\u00e4mme dieser Bakterien mit modifizierten Stoffwechselwegen werden f\u00fcr die kommerzielle Herstellung der Synthesegas-Fermentation in Pilot- und Demonstrationsanlagen genutzt (Coskata, INEOS Bio und LanzaTech).<\/p>\n
Bislang ist die Synthesegas-Produktion fossilbasiert; CO, CO2 und H2 stammen aus Erd\u00f6l oder Erdgas. Biomasse oder organischer M\u00fcll machen zurzeit nur 0,5 Prozent der Rohstoffbasis aus. Als gr\u00f6\u00dfte Herausforderung f\u00fcr den industriellen Einsatz der Synthesegas-Fermentation gilt der effiziente Transfer von der gasf\u00f6rmigen in die fl\u00fcssige Phase. Nur wenn sich die Gase ausreichend im fl\u00fcssigen N\u00e4hrmedium l\u00f6sen, ist eine wichtige Voraussetzung erf\u00fcllt, dass die Mikroorganismen die gasf\u00f6rmigen N\u00e4hrstoffe im erforderlichen Umfang aufnehmen k\u00f6nnen.<\/p>\n
Das Synthesegas l\u00e4sst sich auch im Fischer-Tropsch-Reaktor zu fl\u00fcssigen Kohlenwasserstoffketten umwandeln und wie fossiles Erd\u00f6l in bestehenden Raffinerien veredeln. Als technisch noch unausgereift gilt das einstufige Verfahren der Pyrolyse, bei dem Biomasse ohne zus\u00e4tzlichen Sauerstoff erhitzt und direkt in organische Fl\u00fcssigkeiten umgesetzt wird.<\/p>\n
Der globale Markt f\u00fcr Biotreibstoffe wird sich bis 2021 auf voraussichtlich 136 Mrd. Euro verdoppeln. Auf Basis angek\u00fcndigter Projekte wird die Produktion von 2G-Ethanol dann etwa sechs Prozent der aktuellen 1G-Ethanol-Produktion ausmachen (P\u00f6yry Management Consultant Oy, S. 23). Die Zukunft der Biotreibstoff-Industrie h\u00e4ngt in hohem Ma\u00dfe von politischen Rahmenbedingungen ab. Durch die neuen Regelungen zur CO2-Emissionsminderung im Verkehr kommt den Kraftstoffen der zweiten Generation eine gr\u00f6\u00dfere Bedeutung zu, weil sie bei der CO2-Minderung h\u00f6her bewertet werden als Kraftstoffe der ersten Generation. Damit wird der Bedarf an nachwachsenden Rohstoffen steigen. Sie stehen, da es um 2G-Kraftstoffe geht, nicht in Konkurrenz zu Nahrungs- und Futtermitteln.<\/p>\n
Ebenfalls ein Energietr\u00e4ger der zweiten Generation ist Biogas. Die dezentrale Biogas-Produktion in Deutschland, das als Technologief\u00fchrer gilt, deckt vier Prozent des deutschen Bruttostromverbrauchs (Fachverband Biogas, 14.07.2014). Die anaerobe Verg\u00e4rung von Biomasse ist kommerziell verf\u00fcgbar. Jedoch stagniert der Ausbau mit Biogasanlagen wegen der Neufassung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG). Es reduziert die Einspeiseverg\u00fctung weiter, weshalb Anlagenbetreiber bef\u00fcrchten, dass sich Neuanlagen nicht mehr rechnen k\u00f6nnten.<\/p>\n
Im Energiemix spielt Biogas trotzdem eine wichtige Rolle. Aufbereitet zu Biomethan\/Bioerdgas k\u00f6nnte es nach Berechnungen der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (14.06.2014) zehn Prozent des Erdgasverbrauchs, bis 2020 15 Prozent decken und entsprechend viel fossiles Gas ersetzen.<\/p>\n
Identifiziert sind sie schon, die Schl\u00fcsselmolek\u00fcle, die Grundlage einer k\u00fcnftigen gr\u00fcnen Chemie sein k\u00f6nnten. Schl\u00fcsselmolek\u00fcle besitzen mehrere funktionelle Gruppen, \u00fcber die sich viele Reaktionswege er\u00f6ffnen und Zwischenprodukte herstellen lassen, die sich wiederum dank ihrer Kombinationsm\u00f6glichkeiten zu einer Reihe von Folge- und Endprodukten prozessieren lassen. Zumindest im Labor stehen Prozesse f\u00fcr C3-, C4-, C5-, C6- und auch C10- und C12-Verbindungen zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
Es zeichnet sich ab, dass in naher Zukunft durch Fermentation von Zucker mithilfe ma\u00dfgeschneiderter Mikroben hochwertige, hochreine erneuerbare Plattform-Chemikalien wie Bernsteins\u00e4ure, 1,4-Butandiol (BDO), Isobutanol, Essigs\u00e4ure oder Isopren produziert werden k\u00f6nnen. Die Verfahren sollen mit petrochemischen Prozessen konkurrieren k\u00f6nnen.<\/p>\n
In der chemischen Industrie sind 2G-Umwandlungsprozesse noch die Ausnahme, wie die biotechnologische Herstellung der Feinchemikalien Zitronens\u00e4ure und Aminos\u00e4uren. Ebenfalls bekannt, erfolgreich und noch immer auf Wachstumskurs sind industrielle Enzyme. Sie z\u00e4hlen auch zu Chemieprodukten, die mithilfe nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden. Die zweistelligen Wachstumsraten (Erickson, 2012, S. 180 ff.) deuten darauf hin, dass auch in diesem Segment der Bedarf an biobasierten Rohstoffen steigen wird. Die Mikroorganismen wollen auch in Zukunft gut gef\u00fcttert werden.<\/p>\n
Fr\u00fch erfolgreiche Bioprodukte, die im industriellen Ma\u00dfstab hergestellt werden – wie 1,3-Propandiol (PDO) \u00fcber Fermentation aus Mais-Zucker (DuPont Tate & Lyle Bio Products Company LLC) -, zeigten, dass wettbewerbsf\u00e4hige Preise und Leistung genauso wichtig f\u00fcr den kommerziellen Erfolg sind wie Umweltvorteile und Nachhaltigkeit. So spart die biotechnologische PDO-Synthese gegen\u00fcber dem petrochemischen Verfahren deutlich Energie und Klimagase. \u00c4hnliches gilt f\u00fcr Polymilchs\u00e4ure (PLA, vor allem durch NatureWorks LLC), Polyhydroxyalkanoate oder Polyethylen (Erickson, 2012). Kommerziell relevant wird Nachhaltigkeit in der Produktion aber erst dann, wenn die Kunden bereit sind, f\u00fcr gr\u00fcne Verfahren mehr zu bezahlen oder wenn die Preise f\u00fcr CO2-Zertifikate erheblich steigen.<\/p>\n
In Europa wurde bislang eher die Bioenergie gef\u00f6rdert. Die Europ\u00e4ische Kommission hat als Antwort darauf eine \u00f6ffentlich-private Initiative (BIC: Biobased Industries Consortium) gestartet, um die Kommerzialisierung biobasierter Produkte zu beschleunigen. 3,8 Milliarden Euro – zwei Drittel davon privat finanziert – sollen bis 2020 in die Hand genommen werden.<\/p>\n
Die biobasierte Wirtschaft lebt gro\u00dfenteils noch von Erwartungen (wie bei Bioplastik), denn die Kommerzialisierung der industriellen Biotechnologie muss f\u00fcr einige Produkte noch eine Reihe von H\u00fcrden \u00fcberwinden, ehe sie den kapitalintensiven Schritt in gro\u00dfvolumige Verfahrensprozesse geht (Chen, 2012). Der Makro\u00f6konom Dr. Sven Wydra vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr System- und Innovationsforschung ISI, der gerade einen Innovationsreport zur Industriellen Biotechnologie f\u00fcr das B\u00fcro f\u00fcr Technikfolgenabsch\u00e4tzung beim Deutschen Bundestag erstellt: \u201eWir sind noch am kommerziellen Anfang. Viele der Potenziale liegen noch vor uns”, so der \u00d6konom zum Stand der stofflichen Nutzung.<\/p>\n
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Quellen:<\/p>\n
Chen, G.-Q.: New challenges and opportunities for industrial biotechnology. Microbial Cell Factories 2012; doi:10.1186\/1475-2859-11-111<\/p>\n
Erickson, B.; Nelson, J. E.; Winters, P.: Perspective on opportunities in industrial biotechnology in renewable chemicals. Biotechnology Journal 2012; doi: 10.1002\/biot.201100069<\/p>\n
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR): Marktanalyse Nachwachsende Rohstoffe. Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe 2014, Band 34<\/p>\n
Fachverband Biogas: Anlagenneubau tendiert gegen Null, 14. Juli 2014<\/p>\n
Krieger, K.: Renewable energy: Biofuels heat up. Nature 2014, doi: 10.1038\/508448a<\/p>\n
OECD: Industrial Biotechnology and Climate Change. 2011<\/p>\n
P\u00f6yry Management Consultant Oy: Macro developments on the bio-based fossil transition. Bioconsept 2013<\/p>\n
Raschka, A., Carus, M.: Industrial material use of biomass Basic data for Germany, Europe and the world. nova-Institute GmbH 2012<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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