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Expertenpanel

Stoffliche Nutzung von Biomasse und Kohlendioxid

Nirgendwo sonst weltweit wird derzeit mehr in die Vision einer wirtschaftlich und ökologisch nachhaltigen Produktion gesteckt als in Deutschland. Bis zu 2,4 Mrd. Euro hat das Bundesforschungsministerium für die Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie bis 2016 eingeplant. Im Kern des damit langfristig angestrebten Produktionswandels hin zu biobasierten Verfahren geht es darum, industriegeführte Konsortien zu etablieren, die den Technologietransfer von im Labor- und Pilotmaßstab oft gut funktionierenden Prozessen in die Anwendung schaffen. Dafür muss sich aber eine Voraussetzung einstellen, die in Europa schon lange nicht mehr gegeben ist: Forschung muss schnell und effizient verwertet werden.

Eckhard Boles

LABORWELT:

Welche Fortschritte gibt es bei der Entwicklung von Produktionsorganismen, die Pentosen und Hexosen aus Lignozellulose gleichzeitig zur Fermentation von Biokraftstoffen nutzen können?

Boles:

Biokraftstoffe der zweiten Generation, wie etwa Zellulose-Ethanol, entstehen durch Vergärung von pflanzlicher Biomasse. Die nach dem enzymatischen Aufschluss anfallenden lignozellulosischen Hydrolysate enthalten nicht nur leicht vergärbare Glukose (C6-Zucker) sondern auch C5-Zucker wie Xylose und Arabinose. Obwohl auch immer wieder verschiedene Bakterienarten für die Vergärung der Hydrolysate ins Spiel gebracht werden, wird generell die Hefe Saccharomyces cerevisiae aufgrund ihrer hohen Ethanolproduktionsraten und der Prozessrobustheit als der geeignetste Mikroorganismus angesehen. Der Nachteil von S. cerevisiae, nämlich die Unfähigkeit C5-Zucker zu vergären, konnte in den letzten Jahren mittels genetischer Methoden weitestgehend behoben werden. Es stehen inzwischen verschiedene industriell einsetzbare C5-vergärende Hefen zur Verfügung.

Diese Hefen können Lignozellulose-Hydrolysate mit Erträgen von über 90% der theoretischen Ethanolausbeute vergären. Jedoch werden dabei die C5-Zucker erst vergoren, nachdem die Glucose aufgebraucht ist. Das führt zu einer unerwünschten, deutlich verlängerten Prozessdauer. Die Ursache ist, dass bisher für Hefezellen keine spezifischen Aufnahmesysteme für C5-Zucker zur Verfügung stehen. Stattdessen werden C5-Zucker nur langsam und unspezifisch mit Hilfe der Importsysteme für Glukose aufgenommen.

Für andere Zuckerarten und in Bakterien konnte kürzlich gezeigt werden, dass wenn die Zellen jeweils spezifische Aufnahmesysteme ausbilden, verschiedene Zucker gleichzeitig und rascher vergoren werden können. Es besteht also dringender Bedarf hinsichtlich der Entwicklung von spezifischen C5-Transportern für Hefen.   

Prof. Dr. Eckhard Boles 
Institut für Molekulare Biowissenschaften, Goethe-Universität Frankfurt am Main, Deutschland; Mitgründer der Butalco GmbH

Jürgen Eck

LABORWELT:

Welche Fortschritte gibt es bei dem Bemühen, Chemikalien und Wertstoffe regenerativ zu erstellen, und wie ist Deutschland im internationalen Vergleich aufgestellt?

Eck:

Die Jubiläumsausgabe des Wirtschaftsmagazins Capital titelt im Mai diesen Jahres „In der Poleposition“ und weist Deutschland eine führende Rolle beim Eintritt in das Zeitalter der Nachhaltigkeit und der Bioökonomie zu. Im internationalen Vergleich haben wir diese Stellung aufgrund einer starken technologischen Grundlage insbesondere der industriellen „weißen“ Biotechnologie und den traditionell starken Ingenieurswissenschaften unter anderem im Bereich Verfahrensentwicklung und Anlagenbau erarbeiten können. Nicht zuletzt hat uns der Fakt, dass der Wirtschaftsstandort Deutschland noch nie mit Rohstoffreichtum gesegnet war, schon früher als andere über ressourceneffiziente Verfahren und Produkte nachdenken lassen.

Zur Schließung von Stoffkreisläufen muss das mittel- und langfristige Ziel klar die Erweiterung der Rohstoffbasis für die Herstellung von Chemikalien und Wertstoffen sein. Dies kann nur unter Nutzung von Lignozellulose sowie industrieller Abfallströme wie CO2 als Rohstoffe durch hochspezialisierte mikrobielle Produzentenorganismen geschehen. Ein Beispiel hierfür ist die Kooperation der RWE Power AG und der BRAIN AG zur Nutzung von CO2 aus Kraftwerksabgasen zur Herstellung von Kunststoffen und Plattformchemikalien, in der bereits erste bedeutende Meilensteine auf dem Weg zur Nutzung von CO2 als Rohstoff erzielt werden konnten. Eine solche Erweiterung der Rohstoffbasis würde Deutschland nicht nur den Ausblick auf einen schier unendlich verfügbaren Rohstoff geben, sondern auch über die Steigerung der Rohstoffeffizienz einen klaren Vorteil im globalen Wettbewerb des beginnenden Wirtschaftszyklus der Bioökonomie verschaffen.

Die „Poleposition“ haben wir erreicht, nun gilt es, diese konsequent auszunutzen und in den ersten Runden des Rennens den Vorsprung auszubauen. Die Startampel des Rennens ist spätestens mit der Bekanntgabe des „National Bioeconomy Blueprint“ der Obama-Administration am 26. April auf Grün geschaltet.

Dr. Jürgen Eck
Chief Technology Officer, BRAIN AG, Zwingenberg, Deutschland

Rick Eno

LABORWELT:

Was macht Deutschland attraktiv für einen Hersteller des Biokunststoffes PHA?

Eno:

Europa ist mit 50% Anteil der größte Markt für Bioplastik. Laut Freedonia-Gruppe soll sich der Weltmarkt für Biokunststoffe bis 2015 verdreifachen, mit Westeuropa als weiterhin größtem Verbraucher. Die zentrale Lage in Europa macht Deutschland für uns als führendem Hersteller von PHA zum idealen Standort. Sie ermöglicht es uns, den direkten Kundenkontakt zu intensivieren. Zudem bietet der BioCampus Cologne ein stimulierendes Life Sciences-Umfeld mit Firmen wie Bayer HealthCare, Sanofi-Aventis and Direvo. Von hier aus können wir sehr kosteneffizient unsere regionalen Initiativen zu erneuerbaren Chemikalien ausbauen.

Ein weiterer Grund, unser europäisches Hauptquartier in Deutschland zu errichten, ist, dass eine Vielzahl unserer Kunden hier ihren Standort hat. In Europa wollen wir insbesondere im Markt für kompostierbare Tragetaschen auf Basis unserer Mvera film- und Mirel-Marken expandieren. Diese liefern Produkte mit Eigenschaften äquivalent zu denen erdölbasierter Tragetaschen (z.B. Haltbarkeit) und können auch mit derselben Technologie und ähnlicher Produktivität wie diese verarbeitet werden. Darüber hinaus sind sie aber in Boden und Wasser abbaubar (Mirel) beziehungsweise industriell kompostierbar (Mvera).

Zudem nutzen wir unsere PHA-Technologie zur Entwicklung biobasierter C3- und C4-Chemikalien, einem 10 Mrd. US$-Weltmarkt mit Applikationen in Kunststoffteilen und Spandex (C3) sowie Farben, Klebstoffen, Windeln und Beschichtungen (C3).

Richard P. Eno
CEO and Präsident Metabolix Inc., Cambridge (Mass.), USA

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Heft 2/2012

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http://www.laborwelt.de/spezialthemen/fermenter-prozesse/biooekonomie.html

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