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Biowertstoffe richtig konfektioniert

Fermentieren, isolieren, trennen und aufreinigen sind wesentliche Schritte im Workflow, um Substanzen aus nachwachsenden Rohstoffen oder aus biotechnologischer Produktion aufzuarbeiten. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart forschen an neuen effizienten Verfahren.

Die Aufarbeitung von Substanzen aus nachwachsenden Rohstoffen und aus der Bioproduktion hat Tradition am Fraunhofer IGB. Zahlreiche Innovationen haben von hier aus den Weg in die industrielle Verwertung angetreten. Dabei ist es nicht nur der industrielle Bedarf, der ein Projekt anstößt, manchmal hilft auch der Zufall. Ein Beispiel ist das Verfahren zur Verwertung von Thaumatin, einem Süßstoff aus Samen der afrikanischen Katemfe-Pflanze. Dr. Wolfgang Krischke, Gruppenleiter in der Abteilung Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik des IGB, erklärt, wie es dazu kam: „Eine Mitarbeiterin der Diakonie hatte sich auf dem Stuttgarter Fraunhofer-Gelände verlaufen und kam zufällig mit uns ins Gespräch. So erfuhren wir von dem OCAP-Projekt und der Katemfe-Pflanze.“

Dr. Wolfgang Krischke leitet am Stuttgarter IGB die Abteilung Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik. © Fraunhofer IGB

OCAP ist ein Projekt zur nachhaltigen Nutzung ehemaliger Holzeinschlagsflächen in Ghana, das unter anderem vom Deutschen Entwicklungsdienst gefördert wird. Eine der Pflanzen, die sich besonders gut für den Anbau auf solchen Flächen eignet, ist die Katamfe-Pflanze. „Die Samen enthalten Thaumatin, eine Substanz, die 2.000 mal so süß wie Zucker ist und praktisch keine Kalorien enthält. Die kommerzielle Nutzung ist auch deshalb interessant, weil Thaumatin als Lebensmittelzusatzstoff in der EU zugelassen ist", erklärt Krischke. Er hat mit seinem Team ein industrielles Verfahren zur Aufarbeitung und Reinigung entwickelt, das direkt vor Ort im Erzeugerland angewendet werden kann.

Die Experten des IGB entwickelten zunächst einen Prozess im Labormaßstab und übertrugen diesen dann auf eine afrikanische Produktionsanlage. Das Verfahren startet mit dem mechanischen Aufschluss der Samenschalen, es folgen eine wässrige Extraktion und Reinigungsschritte mit modernen Membrantechniken. Schließlich muss das Protein noch getrocknet werden, um es lager - und transportfähig zu machen. Das Ergebnis der IGB-Bemühungen kann sich sehen lassen: Seit 2004 ist die Anlage in Betrieb und ist in der Lage, Süßstoff in einer Qualität zu produzieren, die allen Regeln der Zulassungsverordnung entspricht.

Vom Bio- zum Kunststoff

Aus den Samen der Katemfe-Pflanze wird mithilfe der industriellen Aufarbeitungs- und Reinigungstechnologie des Fraunhofer IGB der Süßstoff Thaumatin gewonnen. © Fraunhofer IGB

Ein weniger exotisches Projekt ist die Produktion und Verwertung von Milchsäure. Der Zucker zur Herstellung von Milchsäure kann aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zuckerrüben, Weizen, Roggen oder Mais gewonnen werden. Auch Holz kommt als Lieferant für diverse Zucker infrage. „In unserer BioRaffinerie nutzen wir Holz als Rohstoff. Die Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe haben Verfahren zum Holzaufschluss entwickelt, die uns zum Beispiel Hemizellulosen, Zellulosen und Lignin liefern", bestätigt Krischke. Natürlich geht es seiner Gruppe nicht darum, die Rohstoffe nur irgendwie aufzuschließen - im Fokus stehen immer effiziente, optimierte Methoden, die höchsten wirtschaftlichen Nutzen versprechen.

Um aus Zucker Milchsäure oder auch andere industriell interessante Stoffe wie Acetat, Propandiol oder Butandiol herzustellen, werden Fermentationsverfahren eingesetzt. Auch hier arbeitet die IGB-Gruppe an weiteren Effizienzsteigerungen. Die Projekte werden teilweise im Rahmen des Clusters „Industrielle Prozesse mit biogenen Building Blocks und Performance Proteinen" der BMBF-Initiative „BioIndustrie 2021" gefördert.

Hohe Erträge in hoher Reinheit sind gefragt

Die am IGB entwickelte bipolare Elektrodialyse ist ein elektrochemisches Membranverfahren zur Gewinnung von Säuren und Laugen aus salzhaltigen Lösungen. © Fraunhofer IGB
Immer wenn es um Fermentation geht, geht es auch darum, möglichst die gesamte Produktmenge von der Fermentationsbrühe zu trennen, ohne die Produkte zu beeinträchtigen. Dafür wurden am IGB Membranverfahren entwickelt, die für den jeweiligen Bedarf - etwa Proteinaufreinigung - entsprechend angepasst werden. Auch die bipolare Elektrodialyse ist eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts. Bei diesem elektrochemischen Membranverfahren werden salzhaltige Lösungen in die jeweiligen Säuren und Laugen überführt. Angewandt werden solche Verfahren zum Beispiel bei der Darstellung der freien Säure aus fermentativ hergestellten Produkten wie Lactat und bei der Rückgewinnung von Säuren und Laugen aus Salzlösungen.

Neues Zentrum für industrienahe Pilotprojekte

Die Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen wird neben dem IGB noch an anderen Fraunhofer-Instituten verfolgt. „Auch das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT arbeitet an solchen Fragestellungen und kooperiert mit uns“, bestätigt Krischke. Um alle Kompetenzen an einem Standort zusammenzuführen, entsteht in Leuna für rund 50 Millionen Euro ein neues Zentrum, das Chemisch-Biotechnologische Prozesszentrum CBP. Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute IGB und ICT planen das Zentrum gemeinsam mit der InfraLeuna GmbH, der Standortbetreibergesellschaft des Chemiestandorts Leuna und der Linde KCA Dresden als Generalunternehmer. „Unsere Gruppe installiert dort quasi als Außenstelle des IGB verschiedene industrielle Pilotanlagen, um mithilfe verschiedener Organismen und Enzyme Wertstoffe herzustellen. An den Projekten sind verschiedene Firmen beteiligt“, so Krischke.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • 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.
  • Mit Kompetenz im biologischen Sinn ist die Eigenschaft eines Bakteriums gemeint, DNA von außen aufnehmen zu können.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • 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.
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Lignin ist ein hochmolekularer, aromatischer Stoff aus verschiedenen monomeren Bausteinen, der sich in die Zellwand von Pflanzen einlagern kann und dadurch zur Verholzung führt.
  • Hemicellulosen (auch Polyosen) sind Polysaccharide verschiedener Zusammensetzung, die in den Pflanzenfasern und Zellwänden von Gräsern und Getreiden sowie bei höheren Pflanzen zusammen mit Lignin und Cellulose in der holzigen Zellwand vorkommen.
  • Cellulose ist ein wasserunlösliches Polysaccharid, das den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand bildet. Die Grundeinheit der Cellulose ist die Glucose.
  • Milchsäure ist eine organische Säure, die in Sauermilchprodukten vorkommt. Als L-Milchsäure ist sie im Blut als auch in Organen von Säugetieren zu finden.
  • Propandiol oder auch Propylenglycol ist ein zweiwertiger Alkohol mit einer sehr geringen Toxizität und einem breiten Anwendungsspektrum. Es dient als Lösungsmittel bzw. Trägermittel für Farbstoffe, Antioxidationsmittel, Emulgatoren und Enzyme. Außerdem wird es z.B. in Kühlsystemen als Wärmeträger verwendet.
  • 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
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