Wer mit biotechnologischen Fermentationsprozessen Geld verdienen will, sollte sein Substrat mit Bedacht w\u00e4hlen. Denn das “Futter” f\u00fcr Bakterien verschlingt in der Regel zwei Drittel der gesamten Herstellungskosten. Professor Peter D\u00fcrre kennt das Problem gut. Der erfahrene Ulmer Biotechnologe verfolgt seit Jahren einen eigenen Weg: Er setzt auf kohlenstoffhaltige Synthesegase als Alternative zu st\u00e4rke- oder zuckerhaltigen Substraten f\u00fcr zum Beispiel Ethanol-produzierende Bakterien. Die f\u00fchrenden Unternehmen der chemischen Industrie hierzulande verfolgen diese neue Route mit gro\u00dfem Interesse: Noch sitzen BASF, LANXESS, Bayer, Evonik und Co auf dem Beifahrersitz. Aber das k\u00f6nnte sich rasch \u00e4ndern, berichtet D\u00fcrre, wenn gerade angelaufene Vorhaben Erfolg haben.<\/p>\n
Die Tank-und-Teller-Debatte hat, zumindest in Europa, den Substratwechsel weg von potenziellen Nahrungsmitteln auf Basis von Zucker oder St\u00e4rke hin zur Zellulose forciert. Erd\u00f6lschwemme und damit einhergehender Preisverfall treiben aber viele Biotreibstoff-Hersteller in wirtschaftliche Bedr\u00e4ngnis. Ein langer Atem auf dem schwierigen Weg zur 2. Treibstoffgeneration scheint gefragt. Den hat British Petroleum nicht mehr und stellte Ende 2014 alle Aktivit\u00e4ten zu Zellulose-Ethanol ein (Biofuel Digest, 18.1.2015).
\nUnterdessen setzt LanzaTech – langj\u00e4hriger Kooperationspartner von Prof. Peter D\u00fcrre, Direktor des Instituts f\u00fcr Mikrobiologie und Biotechnologie der Universit\u00e4t Ulm – die Synthesegas-Fermentation an chinesischen Stahlstandorten bereits gro\u00dftechnisch um. Zun\u00e4chst soll aus Gasgemischen durch Mikroorganismen Ethanol produziert werden. Dann aber, ist D\u00fcrre \u00fcberzeugt, werden h\u00f6herpreisige Produkte folgen, sobald gen\u00fcgend Organismen zu deren Produktion zur Verf\u00fcgung stehen.<\/p>\n
Wenn die Zeit f\u00fcr Zellulose-Ethanol noch nicht reif scheint, bleiben aktuell als alternative Kohlenstoffquelle Gase. Nicht nur in China, an vielen anderen Kraftwerk-Standorten gibt es Kohlenstoff-enthaltende Gasgemische in rauen Mengen. Diese sind um Gr\u00f6\u00dfenordnungen billiger als Roh\u00f6l und sicherlich noch in 50 Jahren verf\u00fcgbar, lautet die Rechnung f\u00fcr die gasbasierte Kraftstoffproduktion. Der Kohlenstoff findet sich entweder als Kohlendioxid (CO2<\/sub>) in den industriellen Abgasen von Kraftwerken oder der Industrie (Stahl, Zement) und ben\u00f6tigt zur Reduktion Wasserstoff. Oder der Kohlenstoff ist eben als Kohlenmonoxid (CO) in Synthesegas (kurz: Syngas) enthalten, einer Mischung aus CO und Wasserstoff (H2<\/sub>), das die chemische Industrie schon nutzt. Bislang werden industrielle Abgase wie Kohlenmonoxid oder -dioxid nur verheizt oder wie beispielsweise in Stahlwerken oder Erd\u00f6lraffinerien in die Atmosph\u00e4re entlassen.<\/p>\n Das “Kohlenstoff-Recycling” hat \u00f6konomischen Charme, wenngleich es nur einen kleinen Beitrag zur Verringerung des Treibhauseffekts leisten k\u00f6nne, schr\u00e4nkt D\u00fcrre ein. Neben LanzaTech setzen INEOS Bio und Coskata (ebenfalls USA) auf das Gas-Substrat.<\/p>\n Der Ansatz der Gas-Fermentation sei relativ einfach, sagt D\u00fcrre. In den Fermenter werden Abgasstr\u00f6me geleitet, die die Bakterien wachsen lassen. Geeignet sind hierf\u00fcr die anaeroben, autotrophen Bakterien der Gattung Clostridium, die D\u00fcrre seit 30 Jahren erforscht, oder m\u00f6glicherweise aerobe, CO-oxidierende Bakterien, wie die der Gattung Oligotropha. Bekannt ist, dass homoacetogene autotrophe Bakterien, wie die der Gattung Clostridium, unter Sauerstoffabschluss aus in Syngas enthaltenem CO Acetat, Ethanol und auch 2,3-Butandiol bilden. Biotechnologen machen sich hierbei den Wood-Ljungdahl-Stoffwechsel zunutze, der Kohlenmonoxid mit Wasserstoff zu den gew\u00fcnschten Zielprodukten umsetzen kann.<\/p>\n Damit diese Mikroben Gase effizient verwerten, m\u00fcssen spezielle Verfahrenstechniken und Reaktoren entwickelt und die Mikroorganismen mittels Metabolic Engineering so getunt werden, dass sie Basis-Chemikalien f\u00fcr die Industrie sowie Biokraftstoffe in ausreichender Ausbeute herstellen. Ein von D\u00fcrre koordiniertes Vorhaben (Gase als neue Kohlenstoffquelle f\u00fcr biotechnologische Fermentationen) zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Ralf Takors (Uni Stuttgart, Institut f\u00fcr Bioverfahrenstechnik) und Prof. Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz (TU M\u00fcnchen, Lehrstuhl f\u00fcr Bioverfahrenstechnik) wird durch das Bundesforschungsministerium mit rund 3,3 Mio. Euro gef\u00f6rdert. Es hat eine Laufzeit von drei Jahren und l\u00e4uft seit 1. M\u00e4rz 2015.<\/p>\n Ihre Tauglichkeit als chemische Produktionsplattformen sollen beweisen: Clostridium aceticum, C. carboxidivorans, C. ljungdahlii und C. ragsdalei. Der Fokus liegt auf der Produktion von l\u00e4ngerkettigen Kohlenstoffverbindungen, die gro\u00dfe industrielle Bedeutung als Ausgangsstoffe f\u00fcr Synthesen, L\u00f6sungsmittel oder Biotreibstoffe haben. Hierzu geh\u00f6ren zum Beispiel Isobutanol (C4-Produkt), Isoprenoide (Basis C5-Produkt), Hexanol (C6-Produkt) und bifunktionelle Molek\u00fcle wie 1,4-Butandiol und 1,6-Hexandiol – letztere haben nach D\u00fcrres Worten allerh\u00f6chste Bedeutung f\u00fcr die chemische Industrie, die nahezu geschlossen im wissenschaftlichen Beirat dieses Projektes vertreten ist.<\/p>\n Ein grunds\u00e4tzliches Problem der Anaerobier m\u00fcssen D\u00fcrre und Kollegen l\u00f6sen, denn Clostridien wachsen mit sehr wenig Energie. Sollen aber neue energieverbrauchende Synthesewege eingebracht werden, produzieren sie entweder sehr wenig oder gar nicht. Das soll Oligotropha carboxidovorans leisten. Diese Gruppe von Mikroben verstoffwechselt Kohlenmonoxid aerob, was verfahrenstechnisch deutlich anspruchsvoller ist, weil CO und O2<\/sub> zusammen eine explosive Mischung ergeben. Als sauerstoffatmender Organismus verf\u00fcgt dieser \u00fcber eine Atmungskette und produziert damit effektiver energiereiche Verbindungen wie ATP. So verf\u00fcgen diese Mikroorganismen \u00fcber viel mehr Energie, als die Anaerobier. Ebenfalls mit mikrobieller Gas-Fermentation besch\u00e4ftigt sich ein EU-Projekt (ERA-IB-2, CO2<\/sub>CHEM), das am 1. M\u00e4rz 2015 angelaufen ist und von D\u00fcrre koordiniert wird. Das Konsortium von Vertretern aus Academia (Ulm, Frankfurt, Nottingham und Kopenhagen) und Industrie (LanzaTech und Siemens) will binnen drei Jahren aus dem anaeroben Mikroorganismus Acetobacterium woodii einen kommerziellen Fermentationsprozess auf Basis von CO2<\/sub> und H2<\/sub> zur Herstellung der Plattformchemikalie 3-Hydroxypropions\u00e4ure (3-HP) entwickeln. Damit soll eine wirtschaftlichere Alternative zur bisherigen biotechnologischen Fermentation, die auf Zucker als Substrat angewiesen ist, aufgezeigt werden. Dass sich chemische Grundprodukte wie Propen, 1,4-Butadien, Ethylglykol, 1,4-Butandiol und 1,6-Hexandiol auf Basis von Syngas mit Hilfe des mikrobiellen Produktionsorganismus Clostridium ljungdahlii<\/em> wirtschaftlich herstellen lassen, wollen Forscher aus baden-w\u00fcrttembergischen Einrichtungen (D\u00fcrre\/Uni Ulm; Takors und Hauer\/Uni Stuttgart sowie Syldatk\/KIT) demonstrieren. Das baden-w\u00fcrttembergische Wissenschaftsministerium unterst\u00fctzt seit Herbst 2013 den Aufbau des Forschungsclusters \u201eNachhaltige und effiziente Biosynthesen\u201c, an dem zehn Arbeitsgruppen drei Teilprojekte umsetzen.<\/p>\n D\u00fcrre zweifelt nicht daran, dass der Substratwechsel gelingt und die mikrobielle Gas-Fermentation in f\u00fcnf bis zehn Jahren gro\u00dftechnisch umgesetzt wird. Eine Tank-oder-Teller-Diskussion wird es hier nicht mehr geben.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Wer mit biotechnologischen Fermentationsprozessen Geld verdienen will, sollte sein Substrat mit Bedacht w\u00e4hlen. Denn das “Futter” f\u00fcr Bakterien verschlingt in der Regel zwei Drittel der gesamten Herstellungskosten. Professor Peter D\u00fcrre kennt das Problem gut. 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Aerobe Gasverwerter sind n\u00f6tig<\/h3>\n
\nDie aerobe Metabolisierung von Syngas w\u00fcrde den Zugang zu komplexen und energieintensiven Produktsynthesen erschlie\u00dfen. Nach drei Jahren sollten Syngas-basierte Prozesse f\u00fcr 1,4-Butandiol, Isobutanol, 1,6-Hexandiol und Hexanol zumindest im Laborma\u00dfstab entwickelt sein.<\/p>\nAuch Europa entdeckt Gas-Fermentation<\/h3>\n
\nDie Einbindung der Technologief\u00fchrer LanzaTech und Siemens verfolgt der Ulmer Biotechnologe mit Spannung, denn der M\u00fcnchner Mischkonzern hat ein urspr\u00fcnglich f\u00fcr die Wasserstofftechnologie in der chemischen Industrie entwickeltes Ger\u00e4t im Einsatz, f\u00fcr das sich jetzt ein neuer Einsatzbereich er\u00f6ffnet.<\/p>\nLandesweiter Forschungscluster: nachhaltige und effiziente Biosynthesen<\/h3>\n