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Bernsteinsäure – mit Biotech zur grünen Plattformchemikalie

„Fermentative Produktion von Bernsteinsäure“ heißt ein Projekt im Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe. Beim Projektpartner BASF SE wurde ein Bakterium isoliert, das viel versprechende Eigenschaften hat. Zum Beispiel kann es Glycerin, einen Abfallstoff aus der Biodieselherstellung, als Nährstoff zur effizienten Bernsteinsäureproduktion nutzen.

Folgt man den Voraussagen, stehen den Herstellern von biobasierten Rohstoffen für die Chemie-Industrie ertragreiche Zeiten ins Haus. Summierten sich die weltweiten Umsätze im Jahr 2008 auf umgerechnet 1,15 Milliarden Euro, sollen es im Jahr 2015 voraussichtlich 3,5 Milliarden Euro sein. Zu diesem Ergebnis kamen im vergangenen Jahr zumindest die Marktanalysten von Frost & Sullivan.

Man darf getrost davon ausgehen, dass diese Prognosen noch immer gültig sind. Eine technologische Revolution in der erdölbasierten Chemie, die den biobasierten Verfahren den Garaus machen könnte, ist nicht in Sicht. Im Gegenteil. Besonders wenn biobasierte Rohstoffe und mit ihnen die Biotechnologie umweltschonendere Prozesse ermöglichen, werden sie frischen Wind in die Petrochemie bringen. Einen solchen, vielversprechenden Fall könnte Bio-Bernsteinsäure darstellen.

Mehrere Kandidaten, ein Favorit

Bernsteinsäure

Bernsteinsäure, besser bekannt unter der Bezeichnung Succinat, ist ein Zwischenprodukt des Tricarbonsäurezyklus. Das ist ein wichtiges Detail, denn der Tricarbonsäurezyklus steht im Zentrum des Energiestoffwechsels von allen höheren Zellen und vielen Mikroorganismen. Er ist somit gut charakterisiert, seine Hauptreaktionen und auch die Nebenwege sind bestens bekannt.

Knifflig ist hingegen, den am besten geeigneten Mikroorganismus für die Produktion auszuwählen und ihn mittels Metabolic Engineering und bioverfahrenstechnischen Modifikationen zu Höchstleistungen zu treiben. Actinobacillus succinogenes, Corynebacterium glutamicum, Anaerobiospirillum succiniproducens, Mannheimia succiniproducens oder aber das Lieblingsbakterium der Mikrobiologen, Escherichia coli, sind bekannte und etablierte Kandidaten, die Bernsteinsäure herstellen können.

Im Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe wird ein weiteres Bakterium untersucht, das viel versprechende Eigenschaften offenbarte, die für die Bernsteinsäureproduktion wertvoll sind. Isoliert wurde das Bakterium erstmalig vom Projektpartner BASF SE in Ludwigshafen und auf den Namen Basfia succiniciproducens getauft. Ursprünglich aus dem Rinderpansen gewonnen, werden künftig wohl auch Bioreaktoren zu seinen Lebensräumen zählen.

Vielseitig und ausbaufähig

Bioreaktoren – potenzielle Produktionsstätten für Plattformchemikalien © BIOPRO/Bächtle

Der neue Stamm ist äußerst vielseitig hinsichtlich der einsetzbaren Substrate für die Bernsteinsäureproduktion. Da er nicht nur C6-Zucker, sondern auch C5- (Xylose) und C3-Substrate (Glycerin) verwerten kann, ist er auf lange Sicht gegen Preisschwankungen am zunehmend volatilen Rohstoffmarkt bestens vorbereitet. Füttert man die Bakterien zum Beispiel mit dem stark reduzierten Substrat Glycerin, so muss je C3-Molekül ein weiteres CO2-Molekül aus der Luft fixiert werden, um beim C4-Baustein der Bernsteinsäure zu landen. So wird das Treibhausgas zu einem wichtigen Rohstoff in der Herstellung. Zudem entstehen von Natur aus wenig Nebenprodukte. Auch auf Glukose lässt sich die Bernsteinsäure-Ausbeute mit der anderer bekannter Stämme durchaus vergleichen.

Bei der BASF ist man davon überzeugt, dass der neue Stamm eine gute Wahl ist. Um das Potenzial der neuen Produktionsmikrobe vollständig heben zu können, hat sich die BASF im BMBF-geförderten Clusterprojekt mit renommierten Partnern zusammengetan. Professor Wittmann vom Institut für Bioverfahrenstechnik der TU Braunschweig untersucht die Stoffwechselflüsse von Basfia succiniciproducens, um mit Hilfe von Metabolic Engineering zur Entwicklung leistungsstarker Produktionsorganismen beizutragen. Dieses Potenzial zu erschließen ist eine der wichtigsten Aufgaben im Clusterprojekt.

Um im Wettbewerb gegen die petrochemisch hergestellte Bernsteinsäure bestehen zu können und den Marktzugang als Plattformchemikalie in neue Wertschöpfungsketten zu bekommen, muss das fermentative Verfahren besonders effizient und kostengünstig werden. Mit diesem Ziel hat BASF eine Partnerschaft mit der holländischen Firma PURAC, dem Brancheprimus der fermentativen Milchsäureherstellung, gestartet. Auf diese Weise werden die Forschungsergebnisse aus der Clusterarbeit möglichst bald auch in den industriellen Maßstab überführt werden können.

Aus der Nische an den Mega-Markt für Basisstoffe

Gemessen an der Produktionsmenge von etwa 30.000 Tonnen pro Jahr ist Bernsteinsäure aktuell ein Nischenprodukt. Trotzdem weckt das Molekül in der chemischen Industrie großes Interesse, denn es kann zu vielen wichtigen Grundstoffen weiterverarbeitet werden. Bernsteinsäure erfüllt damit das entscheidende Kriterium, das sie in die Liga der Plattformchemikalien aufsteigen lässt. Für die Industrie sind Plattformchemikalien interessant, weil sie die Produktionsprozesse flexibler machen. Mindestens zehn wichtige Grundstoffe, darunter auch das 1,4-Butandiol, lassen sich aus Bernsteinsäure ableiten. Hinzu kommen noch Polyamide und Polyester, für die Bernsteinsäure ebenfalls eine wichtige Basisverbindung ist.

Im Moment kostet Bernsteinsäure durchschnittlich zwei bis drei Euro pro Kilogramm. Wenn es gelingt, die biobasierte Variante des Moleküls zu einem sehr günstigen Preis herzustellen, wird der Markt für Bernsteinsäure enorm wachsen.

Zudem hat die Bio-Bernsteinsäure einen positiven Nebeneffekt. Im biotechnologischen Produktionsprozess nehmen die Mikroorganismen Kohlendioxid auf. Aber das ist, wie gesagt, nur ein Nebeneffekt. Eine relevante klimaschützende CO2-Senke sollte man sich nicht erhoffen.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Milchsäure ist eine organische Säure, die in Sauermilchprodukten vorkommt. Als L-Milchsäure ist sie im Blut als auch in Organen von Säugetieren zu finden.
  • Die Bernsteinsäure ist eine organische Säure, die sowohl als Stoffwechselprodukt als auch in vielen Früchten, Gemüsen und fossilen Harzen vorkommt. Ihr Salze heißen Succinate.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Aerob bedeutet "mit Sauerstoff".
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/bernsteinsaeure-mit-biotech-zur-gruenen-plattformchemikalie/