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Fraunhofer IGB - Vom biobasierten Grundstoff zum Produkt

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik befasst sich mit angewandter Forschung in den Geschäftsfeldern Medizin, Pharmazie, Chemie, Umwelt und Energie. Das Institut sucht nachhaltige Lösungen und nutzt dabei die Natur als Vorbild.

Die industrielle Biotechnologie ist ein Schwerpunkt des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Hirth. Die Wissenschaftler und Ingenieure versuchen dabei nachwachsende Rohstoffe als biogene Rohstoffe zu erschließen. Die Arbeitsgruppe „Weiße Biotechnologie“ der Abteilung Molekulare Biotechnologie, unter Leitung von PD Dr. Steffen Rupp (Abteilungsleiter) befasst sich mit der Prozesskette, beginnend beim biobasierten Grundstoff bis zum Vorläuferprodukt, das in der chemischen oder Polymerindustrie verwendet werden kann.

Susanne Zibek, technische Biologin, Ingenieurin und Leiterin der Arbeitsgruppe, unterteilt den Prozess in verschiedene Arbeitsschritte: „ Wir untersuchen und entwickeln den Upstream-Prozess, indem wir die nachwachsenden Rohstoffe so aufbereiten, dass sie von den Mikroorganismen umgesetzt werden können“, erklärt Zibek. Ein weiterer Arbeitschritt ist die Biotransformation. Hier entwickelt das Fraunhofer IGB Verfahren, die eine Konversion des Rohstoffs in ein Produkt ermöglichen. „Wir versuchen die Stoffwechselwege zu verstehen, um so während der Fermentation die Konversion zu optimieren und eine bessere Produktausbeute zu erhalten“, so Zibek. Als Produkte können dabei zum Beispiel langkettige Dicarbonsäuren gebildet werden.


Neue Enzyme aus dem Waldboden

Die DNA der Mikroorganismen aus der Bodenprobe wird in Laborstämmen exprimiert. © Fraunhofer IGB

Neben der Stammoptimierung ist das Enzymscreening ein weiteres Mittel, um neuen Biokatalysatoren den Einzug in die industrielle Biotechnologie zu ermöglichen. Das Ziel des Screenings ist es, neue Enzyme oder Mikroorganismen zu finden und diese industriell nutzbar zu machen. Auf der Suche nach Chitinasen, die eine effiziente Umwandlung des Chitins in seine monomeren Bestandteile (N-Acetylglucosamin) ermöglichen, setzten die Forscher auf diese Technik. „Dazu untersuchten wir eine Waldbodenprobe, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Chitin enthält und somit auch Mikroorganismen, welche die Möglichkeit haben dieses abzubauen“, erklärt Zibek. Denn sowohl das Exoskelett der im Wald lebenden Insekten als auch die Zellwände von Pilzen enthalten Chitin. In Anreicherungskulturen können die in der Probe enthaltenen Mikroorganismen wachsen und anschließend die Aktivität der enthaltenen Chitinasen über spezielle Assays bestimmt werden.

Da jedoch ein großer Teil der in der Natur vorkommenden Mikroorganismen nicht kultivierbar ist, wählten die Forscher noch einen zweiten Weg und legten eine Metagenom-Bank an. „Der Vorteil hierbei ist, dass die gesamte DNA der Bodenprobe in ein kultivierbares Bakterium wie Escherichia coli eingebracht wird und somit analysierbar ist“, sagt Susanne Zibek. Im Falle des Chitins konnten die Forscher in den Anreicherungskulturen mehrere Enzyme identifizieren, die für den Chitinabbau zuständig sind.

Dicarbonsäuren als Basis für biobasierte Kunststoffe

Hefestamm Candida tropicalis © Fraunhofer IGB

Als Alternative zu fossilen Rohstoffquellen in der Kunststoffproduktion greifen die Fraunhofer Forscher auf langkettige Dicarbonsäuren zurück. „Die Herstellung langkettiger Dicarbonsäuren ist auf chemischen Wege recht problematisch, da bei langen Ketten viele Nebenprodukte anfallen“, berichtet Susanne Zibek. Das Fraunhofer IGB hat daher ein biotechnologischen Verfahren zur Herstellung von langkettigen Dicarbonsäuren entwickelt. Die Hefe Candida tropicalis kann mittels Omega-Oxidation langkettige Dicarbonsäuren herstellen, so dass aus der im Rapsöl enthaltenen Ölsäure 1,18-Octadecensäure gebildet wird. „Zunächst werden dafür die Triglyceride des Rapsöls durch eine Lipase unter anderem in die Ölsäure sowie das Glycerol gespalten“, erklärt Zibek. Anschließend kann die Hefe die alpha,omega-Dicarbonsäure herstellen. „Unser Fokus lag nun darin, den Prozess wirtschaftlicher zu machen“, so die Bioverfahrenstechnikerin. So wird die Aufreinigung des Produkts durch den Einsatz von Mineralsalznährmedium erleichtert. Darüber hinaus können durch Verfahren wie die Hochzelldichtefermentation hohe Biomassekonzentrationen erreicht werden, die letztlich zu einer hohen Konversionsrate zu dem gewünschen Produkt führen. „Unsere Prozessoptimierungen haben demnach eine hohe Produktbildungsrate als Ziel“, erklärt Zibek. Im Moment entwickelt das Fraunhofer IGB neue Stämme, die Dicarbonsäuren herstellen können, um eine Alternative zu dem pathogenen Candida-Hefestamm zu haben.


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.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • 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.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • 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.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Ein Assay ist ein standardisierter Reaktionsablauf zum Nachweis einer Substanz mit einer spezifischen Methode (Bsp.: ELISA).
  • In der weißen Biotechnologie – auch industrielle Biotechnologie genannt – werden mit Hilfe von Mikroorganismen, Zellen oder deren Bestandteilen industrielle Produkte wie z.B. organische Grund- und Feinchemikalien, Nahrungsmittel sowie Lebensmittelzusatzstoffe, technische Enzyme und Biokraftstoffe hergestellt.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Chitin ist ein Polysaccharid, das in Gliederfüßer, Pilzen, Ringelwürmern und Weichtieren vorkommt. Im Vergleich zur Cellulose trägt der Grundbaustein beta-Glucose eine N-Acetylgruppe.
  • Substrataufarbeitung
  • Bei einer Chitinase handelt es sich um ein Enzym, dass den Abbau des Chitins katalysiert.
  • Das Exoskelet dient als äußere, stabilisierende Stützstruktur für ein- und mehrzellige Organismen. Bei Arthropoden besteht es zum größten Teil aus Chitin und Calciumcarbonat.
  • In einer Anreicherungskultur werden für einen Mikroorganismus optimale Wachstumsbedingungen geschaffen, um so die Population zu vermehren.
  • Als Metagenom bezeichnet man die Gesamtheit des Erbguts der Mikroorganismen einer bestimmten Lebensgemeinschaft oder eines Lebensraums.
  • Candida tropicalis ist eine Hefe-Art, die eine hohe Virulenz beim Menschen aufweist. Sie ist auf der Haut und im Verdauungstrakt des Menschen sowie in der Umwelt zu finden.
  • Bei der Omega-Oxidation handelt es sich um eine spezielle Form des Fettsäureabbaus, bei der die Hydroxygruppe am omega-C-Atom der Fettsäure eingeführt wird.

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.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • 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.
  • Pathogenität ist die Fähigkeit, eine Krankheit zu verursachen. Man unterscheidet zwischen human-, tier- und pflanzenpathogenen Erregern, die eine Krankheit spezifisch bei Mensch, Tier oder Pflanze hervorrufen.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. In der Gentechnik wird die Transformation häufig dazu benutzt, um rekombinante Plasmide, z. B. in E. coli, einzuschleusen. Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Form der natürlichen Transformation.
  • Die Biokatalyse ist die effiziente Herstellung von chemischen Stoffen mit Hilfe von Mikroorganismen oder Enzymen.
  • 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.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Triacylglyceride (auch Triglyceride genannt) ist die chemische Sammelbezeichnung für Fette und fette Öle. Sie sind wasserunlöslich.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Ein Assay ist ein standardisierter Reaktionsablauf zum Nachweis einer Substanz mit einer spezifischen Methode (Bsp.: ELISA).
  • In der weißen Biotechnologie – auch industrielle Biotechnologie genannt – werden mit Hilfe von Mikroorganismen, Zellen oder deren Bestandteilen industrielle Produkte wie z.B. organische Grund- und Feinchemikalien, Nahrungsmittel sowie Lebensmittelzusatzstoffe, technische Enzyme und Biokraftstoffe hergestellt.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Chitin ist ein Polysaccharid, das in Gliederfüßer, Pilzen, Ringelwürmern und Weichtieren vorkommt. Im Vergleich zur Cellulose trägt der Grundbaustein beta-Glucose eine N-Acetylgruppe.
  • Substrataufarbeitung
  • Bei einer Chitinase handelt es sich um ein Enzym, dass den Abbau des Chitins katalysiert.
  • Das Exoskelet dient als äußere, stabilisierende Stützstruktur für ein- und mehrzellige Organismen. Bei Arthropoden besteht es zum größten Teil aus Chitin und Calciumcarbonat.
  • In einer Anreicherungskultur werden für einen Mikroorganismus optimale Wachstumsbedingungen geschaffen, um so die Population zu vermehren.
  • Als Metagenom bezeichnet man die Gesamtheit des Erbguts der Mikroorganismen einer bestimmten Lebensgemeinschaft oder eines Lebensraums.
  • Candida tropicalis ist eine Hefe-Art, die eine hohe Virulenz beim Menschen aufweist. Sie ist auf der Haut und im Verdauungstrakt des Menschen sowie in der Umwelt zu finden.
  • Bei der Omega-Oxidation handelt es sich um eine spezielle Form des Fettsäureabbaus, bei der die Hydroxygruppe am omega-C-Atom der Fettsäure eingeführt wird.
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