Geschäftsfeld 4

Das neue Potenzial für die Biotechnologie: Herausforderung Lernen von der Natur für die industrielle Nutzung

Zusammenfassung

Immer mehr pflanzliche Rohstoffe werden als Ausgangsmaterialien für hochwertige Produkte interessant. Für die Veredlung dieser sehr unterschiedlichen Rohprodukte sind ganz neue Synthesehierarchien erforderlich. Nach dem Vorbild der Natur, wo komplexe Reaktionen einstufig unter milden Bedingungen enzymatisch erfolgen, entwickelt der Fraunhofer-Verbund Life Sciences die neuen Verfahren der Biotechnologie in Übereinstimmung mit den Leitlinien »Sustainable Development« und »Responsible Care«. Der Verbund schafft die Voraussetzungen dafür, dass die erforderliche Biomasse nicht nur in Menge und Qualität zuverlässig zur Verfügung steht, sondern auch möglichst weit an die Erfordernisse der biotechnologischen Produktionsverfahren angepasst ist. Ein Ziel der Fraunhofer-Spezialisten ist, Verfahrensschritte in das pflanzliche Produktionssystem zu verlagern. Dies würde zur Konkurrenzfähigkeit der Endprodukte beitragen. Auch die blaue Biotechnologie hat ihren festen Platz im Leistungsspektrum des Verbunds. Marine Mikroorganismen – Algen, Bakterien und Zooplankton – sind durchaus für die Massenproduktion neuer Stoffe von Interesse. Enzymkatalysierte Reaktionen statt klassischer Synthesewege können Produktions- und Entsorgungskosten oft deutlich senken. Das Potenzial des Verbunds zur Optimierung vorhandener und zur gezielten Suche nach neuen Enzymen umfasst Methoden wie Genomics, Metagenomics und Proteomics. Enzyme werden durch molekulare Evolution und kombinatorische Bibliotheken für den industriellen Einsatz optimiert.

Besonders vorteilhaft kann dieses Know-how für die Forschung auf dem neuen Feld der gelben, der Insektenbiotechnologie eingesetzt werden. Hier geben neue Enzyme und antibiotisch wirksame Substanzen in bisher nicht gekannter Zahl und Vielfalt Anlass zu intensiver Forschungstätigkeit. Ganz im Sinne der Nachhaltigkeit bietet der Fraunhofer-Verbund Life Sciences die Suche nach neuen Nutzungen für Rest- und Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie, Landund Forstwirtschaft an, zusammen mit der entsprechenden Prozessentwicklung bis hin zum Pilotmaßstab. Den Schritt vom Labor in die industrielle Produktion wird in naher Zukunft das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse, Leuna, begleiten. Das Konzept der Bioraffinerie ist äußerst flexibel angelegt, sodass je nach Bedarf verschiedenste Rohstoffe als Ausgangsmaterial für Chemieprodukte eingesetzt und getestet werden können.

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Nachwachsende Rohstoffe und wertvolle Reststoffe

Steigende Rohölpreise und Krisen in den Förderländern haben Abhängigkeiten und die Begrenztheit unserer Ressourcen ins Bewusstsein gerufen. Die darauf folgende Suche nach neuen Ausgangsstoffen für die Industrie hat zu überraschenden Ergebnissen geführt und eindrucksvoll gezeigt, dass die Vielfalt der Natur bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Darüber hinaus gewinnt die nachhaltige Gestaltung von industriellen Prozessen in Chemie-, Pharmazie- und Lebensmittelindustrie zunehmend an Bedeutung vor dem Hintergrund der immer strengeren Regularien und des weltweiten Strebens nach einer nachhaltigen Entwicklung.

Biomasse stellt für die Erzeugung chemischer und pharmazeutischer Produkte die einzige Alternative zu fossilen Rohstoffen dar. Pflanzen repräsentieren dabei in ihrer Diversität ein sehr breites Rohstoffpotenzial. Über die Photosynthese entsteht ein riesiges, bisher unvollständig genutztes Spektrum unterschiedlichster chemischer Verbindungen. Von besonderem Interesse ist die Verwendung dieser nachwachsenden Rohstoffe als chemische Zwischenprodukte für Polymere und Spezialchemikalien. Eine der Herausforderungen für die Zukunft besteht darin, die industrielle Nutzung der pflanzlichen Rohstoffe auszubauen, unter gleichzeitiger Sicherung der Nahrungs- und Futtermittelproduktion und dem Schutz von Naturräumen.

Für die Verbesserung und verstärkte industrielle Nutzung biobasierter Rohstoffe und biotechnologischer Verfahren sind daher neue Ansätze in Forschung, Entwicklung und Produktion erforderlich: Ansätze, die sich an den Leitbildern »Sustainable Development« und »Responsible Care« orientieren. Der Produktstammbaum ist beim Einsatz nachwachsender Rohstoffe verzweigter als in der mineralölbasierten Linie. So können von der Natur erbrachte Syntheseleistungen genutzt werden, indem einzelne Fraktionen nachwachsender Rohstoffe isoliert und gegebenenfalls modifiziert werden. Ein anderer Weg führt über enzymatischen Bioabbau zu Plattformchemikalien – Ausgangsprodukte für biotechnologische oder chemische Synthesen.

Beiden Wegen zur Erschließung neuer Rohstoffquellen gehen die Forscher des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences intensiv nach.

Weiße und grüne Biotechnologie gehen Hand in Hand

Der Gehalt an wertgebenden Inhaltsstoffen in der Pflanze für den Einsatz in der industriellen Biotechnologie ist sowohl von der Pflanzenart als auch von der züchterischen Bearbeitung abhängig.

Grundlagen für eine zielgerichtete Verbesserung der Pflanzeneigenschaften sind die systematische Analyse der pflanzlichen Stoffwechselwege sowie umfangreiche Kenntnisse zu den natürlichen pflanzlichen Inhaltsstoffen und ihren Eigenschaften. Dies wurde durch technologische Fortschritte in der funktionellen Genomik, Proteomik und Metabolomik ermöglicht. Die Effizienz biotechnologischer Produktionsverfahren in der Industrie kann erhöht werden, wenn die Pflanzen, die das Ausgangsmaterial liefern, auf den Produktionsprozess maßgeschneidert werden. Der Abgleich der Eigenschaften mit den technologischen und wirtschaftlich interessanten Anforderungen macht eine spezifische und breitere Nutzung biogener Rohstoffe für die industrielle Biotechnologie möglich. Die Verlagerung von Verfahrensschritten in das pflanzliche Produktionssystem ist eine weitere Option. Beide Ansätze bearbeitet der Fraunhofer-Verbund Life Sciences.

Blaue und weiße Biotechnologie wirken zusammen

Die industrielle Produktion neuer Inhaltsstoffe aus marinen Organismen wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Marine Organismen werden nicht nur zur Identifizierung dieser neuen Inhaltsstoffe herangezogen, sondern ebenfalls für die Massenproduktion eingesetzt werden. Interessant sind hier vor allem marine Mikroorganismen wie einzellige Algen oder Bakterien aber auch Zooplankton oder aus marinen Organismen isolierte Zellen in Zellkultur. Sowohl die entsprechenden Organismen können vom Fraunhofer-Verbund Life Sciences unterhalten als auch speziell hierfür angepasste Reaktoren entwickelt und angeboten werden.

Wertvolle Reststoffe nutzbringend eingesetzt

Neben der gezielten Suche nach alternativen Rohstoffpflanzen gilt das Interesse der Forscher im Fraunhofer-Verbund Life Sciences den pflanzlichen Rückständen aus Lebensmittelindustrie, Forst- und Landwirtschaft. Diese enthalten häufig noch Wertstoffe wie Proteine, Fasern, Öl oder sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, die in weiteren Anwendungen genutzt werden können. Fachgerecht und werterhaltend müssen sie für eine Nutzung in technischen Anwendungen zunächst isoliert werden. Der Verbund verfügt über umfassende Erfahrung bei der Fraktionierung von verschiedenen pflanzlichen Rohstoffen und pflanzlichen Rückständen der Lebensmittelindustrie. Die Entwicklung von Fraktionierungsverfahren im Labormaßstab und auch das Scale-Up in den Pilotmaßstab gehören zum Leistungsspektrum des Verbunds.

Häufig trägt eine Modifikation der Proteine und anderer pflanzlicher Rohstoffe vor der technischen oder energetischen Nutzung dazu bei, die gewünschten physikalisch-chemischen Eigenschaften zu erzielen. Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences entwickelt innovative Prozesse zur chemischen und vor allem biotechnologischen Modifikation von pflanzlichen Wertstofffraktionen, um die Substitution mineralölbasierter Produkte bei hoher Qualität und niedrigen Kosten zu gewährleisten.

Auf nachhaltigen Wegen zu Produkten mit vielfältigem Nutzen

Mikroalgen fixieren wie die höheren Pflanzen über die Photosynthese atmosphärisches Kohlendioxid und produzieren eine Vielzahl wertvoller chemischer Verbindungen wie Farbstoffe, ungesättigte Fettsäuren oder pharmazeutisch wirksame Substanzen. Dabei wachsen sie schneller und mit höherer Produktivität als die Pflanzen an Land. Sie sind somit eine interessante, alternative Rohstoffquelle für die industrielle, weiße Biotechnologie.

Native und modifizierte biogene Rohstoffe werden schon heute in den verschiedensten Bereichen eingesetzt: Die Anwendungskonzepte erstrecken sich von der energetischen Nutzung als fester oder flüssiger Brennstoff bis hin zur industriellen Verwendung als Schmierstoff, Klebstoff oder Coatingmaterial. Aufgrund langjähriger Erfahrung und umfangreichem Know-how ist der Fraunhofer-Verbund Life Sciences ein kompetenter und attraktiver Partner für die Entwicklung, Charakterisierung und industrielle Implementierung dieser innovativen Produkte.

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Erweiterte Rohstoffbasis für biotechnologische Prozesse

Hauptaufgaben auf biotechnologischem Gebiet sind die Bereitstellung preiswerter Substrate und die Entwicklung neuer oder verbesserter Enzyme. Hinzu kommen die Entwicklung neuer und die Optimierung bestehender biotechnologischer Prozesse, die Kopplung mit chemischen Prozessen mit dem Ziel der Prozessintegration sowie die Generierung neuer und die Optimierung bestehender Aufarbeitungsverfahren.

Biotechnologische Prozesse nutzen als Kohlenstoffquelle Zucker, die entweder direkt aus Pflanzen gewonnen oder über die Hydrolyse von Polysacchariden aus stärkehaltigen Pflanzen erzeugt werden. Vor dem Hintergrund der weltweiten Diskussion über die Konkurrenz bei der Nutzung zucker- und stärkehaltiger Pflanzen auch in industriellen Bereichen gewinnt die Bereitstellung alternativer Fermentationsrohstoffe aus Lignocellulose immer größere Bedeutung. Die Institute des Fraunhofer- Verbunds Life Sciences untersuchen und entwickeln neue Enzyme und Verfahren zum Substrataufschluss auf der Basis von Lignocellulose.

Neue Biokatalysatoren

Bei der Herstellung chemischer und pharmazeutischer Produkte durch biotechnologische Verfahren kommt den Mikroorganismen oder deren Enzymen hohe Bedeutung zu. Neue Anwendungen, zum Beispiel die Gewinnung oder Modifizierung von Spezialchemikalien, erfordern neue oder verbesserte Enzyme. Enzyme als Biokatalysatoren zeichnen sich vor allem aus durch die hohe Spezifität für ihre Substrate und die stereoselektive Reaktion. Dies macht sie attraktiv für technisch-industrielle Lösungen wie die Synthese enantiomerenreiner Produkte oder Zwischenstufen. Mit dem Einsatz von Enzymen lassen sich Produktions- und Entsorgungskosten oft deutlich senken. Darüber hinaus eröffnet dieser Verfahrensweg ganz neue Marktchancen, denn vielfach machen Enzyme die Herstellung bestimmter Produkte erst möglich.

Bei der Suche nach Mikroorganismen beziehungsweise deren Enzymen spielen konventionelle Methoden eine Rolle, aber auch innovative Methoden wie das komplette Screening der Gene oder Proteine, das man als Genomics, Metagenomics und Proteomics bezeichnet.

Um effiziente und kostengünstige Prozesse zu entwickeln, konzentriert sich die Fraunhofer-Forschung auf

  • die Identifizierung und Charakterisierung neuer oder verbesserter industrieller Enzyme, vor allem durch Etablierung von Anzuchtverfahren bisher nicht kultivierbarer Mikroorganismen,
  • die Optimierung industriell nutzbarer Enzyme durch molekulare Evolution und kombinatorische Bibliotheken,
  • die Entwicklung von Prozessen zur Herstellung rekombinanter technischer Enzyme und deren Reinigung,
  • die Immobilisierung von Enzymen und die Kopplung von Bio- und Chemokatalyse.



Experten schätzen, dass der Anteil der nicht-kultivierbaren Mikroorganismen rund 99 Prozent der gesamten Population ausmacht. Um diese vielversprechende genetische Ressource nutzen zu können, wurden von den Fraunhofer-Forschern in Zusammenarbeit mit Industriepartnern metagenomische Genbibliotheken aus Umweltproben angelegt. Dafür wird die mikrobielle DNA direkt aus der Umweltprobe isoliert und in einen kultivierbaren Wirtsstamm eingebracht.

Die Metagenomik als weitere Stufe der Genomforschung an Prokaryoten erschließt die ganze Komplexität der genetischen Informationen von Mikrobengemeinschaften systematisch. Die Genbanken können mit Hochdurchsatz-Assays auf gewünschte Enzymaktivitäten gescreent werden. Auf diesem Weg konnte bereits eine Vielzahl neuer Enzyme identifiziert werden, die noch nicht in bekannten Datenbanken vertreten waren und damit uneingeschränkt nutzbar sind.

Weiterhin werden Genominformationen aus Sequenzierungsprojekten im Fraunhofer-Verbund Life Sciences systematisch genutzt, um neue Enzyme für technische Anwendungen zu isolieren.

Enzymvielfalt der gelben Biotechnologie

Die Insektenbiotechnologie oder gelbe Biotechnologie stellt ein zukunftsträchtiges Forschungsfeld für den Fraunhofer- Verbund Life Sciences dar. Insekten sind die Organismen mit der größten Biodiversität. Vier bis sechs Millionen Insektenarten stehen hier zur Verfügung gegenüber nur etwa 250.000 Pflanzenarten. Der Erfolg der Insekten in der Evolution beruht einerseits auf einer Vielfalt antibiotischer Substanzen, mit denen sie sich erfolgreich vor Infektionen schützen können, andererseits aber auch auf einer Vielfalt von Enzymen, die ihnen dabei helfen, fast alle organischen Materialien als Nahrungsquelle zu erschließen. Diese Diversität an Molekülen, die in Insekten vorkommen, zu erforschen und gezielt für die rote, grüne und weiße Biotechnologie zu nutzen, ist eine Herausforderung für die Forschung.

Die enorme Enzymvielfalt, die es Insekten erlaubt, nahezu alle organischen Materialien als Nahrungsquelle zu nutzen, stellt eine weitere sehr interessante Ressource für die weiße Biotechnologie dar. Diese kann dabei helfen, aufgrund neuartiger Eigenschaften neue oder erweiterte Anwendungsbereiche zu erschließen, Synthesewege ökonomischer zu gestalten und bisher nicht oder nur unzulänglich genutzte Reststoffe für die stoffliche oder energetische Nutzung zu erschließen.

Prozessentwicklung für Fermentation und Downstream Processing

Hohe Anforderungen an die Produktqualität und eine Renaissance der industriellen Bedeutung von Naturstoffen erfordern neue und effiziente Produktions- und Aufarbeitungsverfahren. Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences ist hier ein attraktiver Partner durch sein Know-how in der Entwicklung von Verfahren zur Biokatalyse, Fermentation und zum Downstream Processing sowie dem Upscaling bis zum Pilotmaßstab. Lösungen für eine optimierte Fermentation und für die Isolierung, Trennung und Aufreinigung von biotechnisch hergestellten Produkten mit mechanischen und thermischen Trennverfahren werden hier erarbeitet. Insbesondere kommen Membranen beziehungsweise Membranverfahren zur Anwendung, da diese Verfahren spezifisch entsprechend den jeweiligen chemischen und physikalischen Eigenschaften des Produkts wie Größe, Ladung etc. eingesetzt werden können. Als Beispiele seien Membranfiltration, Elektrodialyse und Kombinationen von Membran- mit herkömmlichen Trennverfahren oder trennstarken chromatographischen Verfahren genannt.

Schema 1: Nachwachsende Rohstoffe für chemische Produkte. Quelle: Fraunhofer IGB



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Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse, Leuna

Mineralöl ist ein begehrter Ausgangsstoff für viele Produkte wie Kunststoffe, Lacke, Waschmittel, Klebstoffe oder Kosmetika. Doch seine Verfügbarkeit ist begrenzt. Nachwachsende Rohstoffe wie Stroh, Holz, Mikroalgen und viele weitere sind jedoch in der Lage, Erdöl zu ersetzen – weltweit arbeiten Chemieunternehmen an der Entwicklung ausgefeilter Verfahren. Jedoch ist die Nutzung nachwachsender Rohstoffe in industriellen Dimensionen heute für die Unternehmen noch ein finanzieller und technologischer Kraftakt.

Mit dem Ziel, diesen kritischen Schritt auf dem Weg vom Labor in die industrielle Anwendung zu unterstützen, haben das Land Sachsen-Anhalt, der Bund und die Fraunhofer-Gesellschaft ein chemisch-biotechnologischen Prozesszentrum geplant, welches nun als Fraunhofer-Zentrum für Chemisch- Biotechnologische Prozesse CBP am Chemiestandort Leuna errichtet wird. Mit dem sehr flexibel einsetzbaren Bioraffineriekonzept bieten sich innovative Möglichkeiten, um zukünftig biologische Rohstoffe auf Basis von Ölen und Fetten, Cellulose, stärke- oder zuckerhaltigen Rohstoffen als Ausgangsstoffe für Chemieprodukte einzusetzen. So können neue Produkte und Verfahren unter Nutzung der industriellen Biotechnologie zur Anwendungsreife gebracht werden. Damit trägt das CBP dazu bei, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu reduzieren und die Kohlenstoffdioxidemissionen zu mindern.

Durch die Bereitstellung von Infrastruktur und Technikums- Miniplant-Anlagen ermöglicht das Fraunhofer CBP Kooperationspartnern aus Forschung und Industrie die Entwicklung und Skalierung von biotechnologischen und chemischen Prozessen zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe bis zum industriellen Maßstab. Sieben Prozessanlagen zur Verfahrensentwicklung und -skalierung werden sukzessive entstehen.

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor des Bioraffinerie-Konzepts ist die Einbindung von Partnern aus der Industrie von Anfang an. Die Industriepartner führen für jedes Projekt eine ökonomische und ökologische Nachhaltigkeitsanalyse durch. Die Auslegung und Konzeption der verschiedenen Anlagen erlaubt jeweils eine umfassende Effizienzanalyse, die sich auf großtechnische Produktionsverhältnisse übertragen lässt. Damit sind hier beste Voraussetzungen für den Technologietransfer geschaffen.

www.cbp.fraunhofer.de

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