Wenn die Fischereiindustrie Krustentiere wie Hummer, Krabben oder Shrimps verarbeitet hat, landen die Reste im M\u00fcll und bleiben bisher \u00fcberwiegend ungenutzt: Alleine in der EU fielen in den letzten Jahren regelm\u00e4\u00dfig \u00fcber 250.000 Tonnen dieser Schalenabf\u00e4lle an. Dabei besteht das Au\u00dfenskelett der Tiere neben Proteinen und Calciumcarbonat vor allem aus Chitin, einem langkettigen Zuckermolek\u00fcl, aus dem wertvolle Bausteine f\u00fcr die Polymerindustrie gewonnen werden k\u00f6nnten. Wissenschaftler vom Stuttgarter Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) haben deshalb in den letzten Jahren gemeinsam mit elf internationalen Partnern einen biotechnologischen Prozess entwickelt, mit dem man diese Abf\u00e4lle zuk\u00fcnftig nachhaltig nutzen k\u00f6nnte.<\/p>\n
Krebstiere (Crustacea) sind wegen ihres Geschmacks und ihres proteinhaltigen Fleisches eine gefragte Nahrungsquelle f\u00fcr den Menschen: Krabben, Shrimps, Hummer oder Langusten sind beliebte \u201eMeeresfr\u00fcchte\u201c und haben f\u00fcr die weltweite Fischereiindustrie eine gro\u00dfe wirtschaftliche Bedeutung. Nach deren Verarbeitung zum Nahrungsmittel und dem Verkauf des Fleisches, bleibt das Au\u00dfenskelett \u2013 die Schale\u00a0\u2013 \u00fcbrig und landet in der Regel als Reststoff auf dem M\u00fcll. Alleine in der EU gehen dabei j\u00e4hrlich zwischen 250.000 und 280.000 Tonnen dieser eigentlich wertvollen Fischereiabf\u00e4lle ungenutzt verloren. Dabei k\u00f6nnten die Schalen durchaus nachhaltig verwertet werden, denn sie bestehen neben Protein und Calciumcarbonat vor allem aus Chitin. Chitin ist ein langkettiges, lineares Zuckermolek\u00fcl aus Acetylglucosamin \u2013 einem Glukosederivat \u2013, das als Monomer ein interessanter Rohstoff f\u00fcr die Polymerindustrie ist.<\/p>\n
Nutzung der Abf\u00e4lle bisher unsauber und giftig
\nIn Asien wird ein geringer Teil der biogenen Ressource bereits genutzt und in einem chemischen, nicht nachhaltigen Prozess zu ges\u00e4ubertem Chitin und der deacetylierten Form, dem Chitosan, verarbeitet, das dann in der Biomedizin oder als Nahrungsmittelzusatz Verwendung findet. Ein solch unsauberer Prozess ist aber in der EU nicht anwendbar und auch nicht gew\u00fcnscht, da er mit hohen Auflagen verbunden und damit viel zu aufwendig und zu teuer w\u00e4re. Zudem sind die europ\u00e4ischen Schalenabf\u00e4lle nicht so leicht zug\u00e4nglich, weil sie einen hohen Anteil an Calciumcarbonat enthalten, das vor der Gewinnung der Zuckerbausteine in einem Demineralisierungsprozess relativ aufwendig abgetrennt werden muss.<\/p>\n
Um die wertvolle Ressource dennoch nutzen zu k\u00f6nnen, forscht Dr. Michael Hofer vom Straubinger Institutsteil BioCat des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart schon seit einiger Zeit an der Entwicklung eines biotechnologischen Prozesses zur Verwertung von Meerestierabf\u00e4llen. Seit 2011 koordinierte BioCat unter der Leitung von Prof. Dr. Volker Sieber unter anderem das europ\u00e4ische Projekt ChiBio, in dem elf internationale Partner an einem nachhaltigen und \u201egr\u00fcnen\u201c Prozess arbeiten, der es erm\u00f6glicht, aus den Schalen der Krebstiere wertvolle Bausteine f\u00fcr die Polymerindustrie zu gewinnen. \u201eDas eigentliche Projekt wurde zwar schon 2014 abgeschlossen\u201c, berichtet Hofer. \u201eWir sind in dem Themenfeld aber weiterhin aktiv und hoffen auf eine Fortf\u00fchrung und eine erneute F\u00f6rderung von Folgeprojekten durch die EU vom Ende dieses Jahres an.\u201c<\/p>\n
Entwicklung des Verfahrens bereits erfolgreich abgeschlossen<\/p>\n
Was die internationale ChiBio-Kooperation im ersten Teil des Projekts erarbeitet hat, kann sich aber durchaus schon sehen lassen. Der Prozess an sich zur Gewinnung von Zuckermolek\u00fclen aus den Meerestierschalen steht: Der \u201eproof of principle\u201c sei erbracht, der Prozess an sich aber noch nicht wirtschaftlich genug, wie Hofer sagt. Um die Krustentiere aus europ\u00e4ischen Gew\u00e4ssern verwerten zu k\u00f6nnen, muss das Schalenmaterial zun\u00e4chst einmal in seine Bestandteile zerlegt werden. Hierf\u00fcr wurde von den irischen Projektpartnern ein mikrobiologisches Verfahren entwickelt, mit dem die Schalen bakteriell in die Bestandteile Chitin und Chitosan zerlegt werden k\u00f6nnen, und das st\u00f6rende Calciumcarbonat entfernt wird. Das Chitin bzw. Chitosan wird dann anschlie\u00dfend enzymatisch zu den einzelnen Zuckerbausteinen, den Glucosaminen, abgebaut. Dieser Teil des Verfahrens wurde vom Fraunhofer IGB, Abteilung Molekulare Biotechnologie, in Kooperation mit dem norwegischen Projektpartner entwickelt.<\/p>\n
Die Wissenschaftler des Fraunhofer IGB haben weiterhin eine Methode erarbeitet, mit der die Chitin-Monomere \u2013 Glucosamin und Acetyl-Glucosamin\u00a0\u2013 enzymatisch umgeformt und als Biopolymere genutzt werden k\u00f6nnen. Hierf\u00fcr entwickelten die Forscher eine Enzymkaskade, einen Prozess, in dem mehrere Enzyme koordiniert nacheinander arbeiten, um die Zuckermolek\u00fcle bis hin zum Zielmolek\u00fcl zu modifizieren. \u201eHierf\u00fcr haben wir uns zun\u00e4chst einmal angesehen, welche der chitinabbauenden Biokatalysatoren die Natur uns bietet\u201c, berichtet Hofer. \u201eDiese haben wir dann per Enzym-Engineering angepasst und die Ausbeute optimiert.\u201c Am Ende der vom IGB entwickelten Reaktionskette entstanden Bausteine, die f\u00fcr Polyamide von der chemischen Industrie genutzt werden k\u00f6nnen. Solche stickstoffhaltigen Verbindungen k\u00f6nnen bisher nicht aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden.<\/p>\n
Monomere f\u00fcr die chemische Industrie
\nParallel zum Verfahren, das am IGB erarbeitet wurde, entwickelte ein Wissenschaftlerteam von der Arbeitsgruppe Industrielle Biokatalyse der TU M\u00fcnchen ein Verfahren, mit dem die Chitin- und Chitosan-Rohstoffe in modifizierten Hefezellen auf nat\u00fcrliche Weise abgebaut und als Fette und \u00d6le eingelagert werden, wo sie als modifizierte Fetts\u00e4uren gewonnen werden k\u00f6nnen. \u201eEine weitere, alternative Grundlage f\u00fcr biobasierte Polymere\u201c, erkl\u00e4rt Hofer. \u201eUnd was nach der Verarbeitung in den Fischereibetrieben au\u00dfer den Schalen noch \u00fcbrigbleibt \u2013 also Fleischabf\u00e4lle und Fettreste \u2013 kann zur Biogasproduktion verwendet werden. Diese M\u00f6glichkeit hat die Abteilung Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik des IGB konzipiert.\u201c<\/p>\n
Die verschiedenen Endprodukte des von den ChiBio-Partnern entwickelten Verfahrens zur Verwertung von Krustentierschalenabf\u00e4llen wurden der Evonik Industries, einem Unternehmen der Spezialchemie, zur Verf\u00fcgung gestellt: \u201eIn den Laboren von Evonik wurde dann daran gearbeitet, aus diesen Monomeren neue, biobasierte Polymere herzustellen und zu testen\u201c, so der Straubinger IGB-Wissenschaftler. \u201eAus dieser Industriekooperation ergaben sich interessante Ergebnisse und ein neues Material mit vielversprechenden Eigenschaften. Allerdings reichte das von uns bereitgestellte Material bisher nur f\u00fcr erste Tests. Um das biobasierte Polymer weiter zu entwickeln, brauchen die Chemiker noch mehr Produkt von uns. Das ist aber momentan zu kostspielig f\u00fcr alle Partner, deshalb ruht dieser Teil des Projekts jetzt erst einmal. Aber der EU-Antrag f\u00fcr ein zweites, gro\u00dfes Projekt l\u00e4uft, und wenn dies f\u00fcr uns positiv ausgeht, k\u00f6nnen wir vielleicht schon Ende des Jahres mit weiteren Tests starten.\u201c<\/p>\n
Entwicklung weiterer Verwertungsprozesse l\u00e4uft
\nIm Moment arbeitet die Abteilung Molekulare Biotechnologie des IGB an der Nutzung gr\u00f6\u00dferer Bruchst\u00fccke aus Chitin als Additiv f\u00fcr die Textilindustrie. Hofer und sein Straubinger Team testen gemeinsam mit einem Industriepartner die M\u00f6glichkeit, ob man die Schalen direkt, ohne sie zu modifizieren, zu Pulver zermahlen und dann als F\u00fcllstoffe f\u00fcr die Polymerproduktion verwenden k\u00f6nnte. Sollte der neue, gro\u00dfe Antrag bei der EU genehmigt werden, m\u00f6chte man au\u00dferdem versuchen, au\u00dfer Krebstierschalen auch noch andere Rohstoffe wie zum Beispiel Pilze einzusetzen, um noch andere Biopolymere gewinnen zu k\u00f6nnen. Diese neuen Biopolymere w\u00e4ren beispielsweise als Zusatzstoffe f\u00fcr Kosmetika oder in Reinigungsmitteln denkbar. Dabei wird das Fraunhofer IGB erneut den Entwicklungspart der Katalysen und der Konversion der Monomere zum Produkt \u00fcbernehmen. \u201eDarauf sind wir spezialisiert\u201c, sagt Hofer. \u201eWir m\u00f6chten versuchen, Abf\u00e4lle aller Art zu Produkten umzuwandeln, die solche aus fossilen Brennstoffen wie \u00d6l oder Gas ersetzen k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n
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