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Proteine für technische Anwendungen

Ziel der Innovationsallianz Technofunktionelle Proteine (TeFuProt) ist es, durch Verwendung von Proteinen aus landwirtschaftlichen Reststoffen neue Erzeugnisse mit hohem Ertragspotenzial für den Markt umweltverträglich zu entwickeln. Das Mannheimer Schmierstoff-Unternehmen FUCHS EUROPE SCHMIERSTOFFE GmbH wird im Rahmen dieser Allianz modifizierte Proteine aus Raps als nicht-toxische Additive auf ihre Eignung in modernen Hochleistungsschmierstoffen prüfen. Durch die Verwendung von Proteinen aus nachwachsenden Rohstoffen wird ein Beitrag zu einer biobasierten, nachhaltigen Wirtschaft geleistet.

Knöpfe aus dem Milchprotein Casein (Galalith). © privat (EJ)

Proteine wurden in der Industrie bisher hauptsächlich in Form von Enzymen eingesetzt. Man denke nur an die Bedeutung der enzymatischen Katalyse in der Lebensmittel-, Textil- und Waschmittelindustrie. Ein eindrucksvolles Beispiel ist die Enzymklasse der Subtilisine, die seit den 1960er Jahren als Waschmittelzusatz eingesetzt wird. Heute wird sie in Mengen von hunderten Tonnen pro Jahr in unterschiedlichen gentechnologisch hergestellten Varianten produziert.

Der Konkurrenzdruck um die wirkungsvollste Enzymvariante ist so groß, dass „inzwischen mindestens eine Mutation an jeder der 269 bis 275 Aminosäuren durch ein Patent geschützt ist“, erklärte Dr. Esther Gabor, Projektleiterin in den Bereichen Enzyme Discovery und Strain Development der BRAIN AG in Zwingenberg an der Bergstraße. Die BRAIN ist eines der führenden Unternehmen in der industriellen („weißen“) Biotechnologie in Deutschland. Die Enzyme werden in der Regel aus Mikroorganismen gewonnen; Subtilisin beispielsweise ursprünglich aus Bacillus subtilis.

Obwohl Proteine - abgesehen von den Enzymen - auch zu den wichtigsten Bausteinen aller Organismen gehören, führen sie als nachwachsende Industrierohstoffe heute noch weitgehend ein Nischendasein. Das war nicht immer so. Historisch spielten Proteine aus pflanzlichen und tierischen Quellen für die Chemieindustrie eine große Rolle, beispielsweise als Bindemittel für Farbstoffe und als Ausgangsmaterial in der Kunststoffchemie.

Dr. Axel Höhling, Geschäftsführer der ANiMOX GmbH und federführender Koordinator der strategischen Allianz „Technofunktionelle Proteine“ (TeFuProt), erinnerte daran, dass der vor über hundert Jahren erfundene Kunststoff Galalith, aus dem man Knöpfe, Schmuck, Radiogehäuse usw. anfertigte, aus dem Milchprotein Casein hergestellt wurde. Mit dem Aufkommen der Petrochemie verloren diese Stoffe an Bedeutung. Das aus 14 akademischen und nichtakademischen Partnern bestehende Konsortium von TeFuProt hat sich nun das Ziel gesteckt, den weitgehend in Vergessenheit geratenen und unterschätzten Rohstoff Protein aus nachwachsenden Quellen wieder für technische Anwendungen nutzbar zu machen.

Raps als Quelle technofunktioneller Proteine

Extraktionsschrot aus Rapssaaten, Rohmaterial für technofunktionelle Proteine. © Proplanta (Hamburger Getreidebörse)

Das Mannheimer Unternehmen FUCHS EUROPE SCHMIERSTOFFE GmbH, eine Tochter des weltgrößten unabhängigen Schmierstoffanbieters FUCHS PETROLUB SE, ist einer der Projektpartner in der vom Bundesforschungsministerium (BMBF) mit 50 Prozent der Gesamtsumme von 9 Mio. Euro geförderten Allianz. Das Unternehmen bietet für hunderte von Anwendungsgebieten einige tausend Schmierstoffe an. „Wir gehen davon aus, dass modifizierte Proteine - unter verschiedenen Aspekten - als Additive verwendet werden können“, erklärte Rolf Luther, Leiter Vorausentwicklung für die FUCHS-Gruppe.

Der Rohstoff steht kostengünstig zur Verfügung, da Proteine in großen Mengen in landwirtschaftlichen Reststoffen vorhanden sind, die nicht für Nahrungs- und Futtermittel verwendet werden können. Negative und toxische Folgen müssen geprüft werden, sind aber nicht zu erwarten. Proteine besitzen in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften eine enorme Vielfältigkeit, die letzten Endes auf ihrer Aminosäure-Zusammensetzung beruht, darunter Löslichkeit, Emulgier- und Fließverhalten sowie die Bildung von Protein-Lipid-Filmen. Da Proteine in ihren Aminosäuren sowohl hydrophobe als auch hydrophile Komponenten besitzen, können sie als Tenside wirken und als Lösungsvermittler bzw. zur Verstärkung der Dispergierbarkeit eingesetzt werden. Durch Modifikationen und Substitutionen lassen sich diese Eigenschaften im gewünschten Sinne verändern.

BMBF-Staatssekretär Dr. Georg Schütte (links) und TeFuProt-Konsortialführer Dr. Axel Höhling bei der Prämierung der Allianz anlässlich der Deutschen Biotechnologietage in Stuttgart 2013. © BioDeutschland/Gerlinde Trinkhaus

Als Rohmaterial für TeFuProt dienen pflanzliche Speicherproteine, die von Reststoffe aus Ölsaaten gewonnen werden - vor allem aus Raps. Der Konsortialführer Höhling rechnete bei der Vorstellung des Projektes vor, dass in der Europäischen Union 2012 bei der Rapsölgewinnung über 19 Millionen Tonnen an Extraktionsschroten und Presskuchen anfielen; davon wurden etwa zwei Drittel als Futtermittel verwendet. Die restlichen 4,5 Millionen Tonnen, die für eine technische Nutzung infrage kommen, bestehen zu etwa 40 Prozent aus nutzbarem Protein. Das sind 1,8 Millionen Tonnen jährlich - ein gewaltiges Potenzial.

Rohstofflieferant für die Allianz ist die Bunge Deutschland GmbH, die im Mannheimer Hafen in der Nachbarschaft von FUCHS EUROPE SCHMIERSTOFFE eine der größten Ölmühlen Europas betreibt - mit einer jährlichen Rapsverarbeitungskapazität von 1,1 Millionen Tonnen. Die Unternehmensgruppe Bunge insgesamt ist der größte Verarbeiter von Öl-und Getreidesaaten weltweit. Das von Bunge gelieferte Rohmaterial wird unter anderem von der ANiMOX GmbH aufgearbeitet und den Konsortialpartnern zur Verfügung gestellt. Im Erfolgsfall des Projektes, so Höhling, „ist die Errichtung einer Proteinfabrik vorgesehen, die in der Lage ist, die Partner bedarfsgerecht mit Proteinmodifikaten zu beliefern.“

Weg vom Öl, hin zu nachwachsenden Rohstoffen

Vertriebszentrum von FUCHS EUROPE SCHMIERSTOFFE GmbH in Mannheim. © FUCHS EUROPE SCHMIERSTOFFE GmbH

Indem TeFuProt als Proteinquelle einen nachwachsenden Rohstoff nutzt, der für die Ernährung von Mensch und Tier keine Verwendung findet, und biotechnologische Verfahren eingesetzt werden, leistet die Allianz einen Beitrag zur Bioökonomie und Nachhaltigkeit. Petrochemische Produkte können damit durch biobasierte ersetzt werden. Die Einzelprojekte werden in Bezug auf ihre Auswirkungen auf den CO2-Fußabdruck bewertet. So konnte der Staatssekretär im BMBF, Dr. Georg Schütte, bekräftigen: „Die strategische Allianz Technofunktionelle Proteine steht exemplarisch für den Wandel unserer Volkswirtschaft zu einer Bioökonomie – weg vom Öl, hin zu nachwachsenden Rohstoffen.“ Die Förderung der Allianz erfolgt im Rahmen der „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“, die Bestandteil des von der Bundesregierung mit einem Volumen von über zwei Milliarden Euro aufgelegten Programms „Nationale Forschungsstrategie Bioökonomie 2030“ ist.

Die FUCHS EUROPE SCHMIERSTOFFE ist gleich mit drei Projekten an der Innovationsinitiative beteiligt. Neben der TeFuProt-Allianz kooperiert das Unternehmen innerhalb der strategischen Allianz ZeroCarbFP (s. „Biobasierte Schmierstoffe – technische Eigenschaften überzeugen", Link rechts) mit der BRAIN AG bei der Produktion hochwertiger Schmierstoffadditive aus biogenen Rohstoff- und Abfallströmen durch enzymatische Syntheseprozesse. Im Verbundprojekt „Advanced Biomass Value“ werden aus schnellwachsenden Algenstämmen Lipide gewonnen und in hochwertige Schmierstoffkomponenten umgewandelt. Aus der restlichen Algenbiomasse wird mit Hilfe von Hefepilzen Biokerosin hergestellt. Was danach noch übrigbleibt, wird in CO2-absorbierende Baustoffe eingebaut, sodass keine Abfälle entstehen. Für Rolf Luther ist die Beteiligung seines Unternehmens an den drei Projekten allein schon ein Erfolg, aber auch eine große Herausforderung. Sie öffnet „neue Zugriffswege zu verschiedenen Rohstoffen für eine stabile, ökonomisch zuverlässige Versorgung“. Vor dem Hintergrund der immer knapper werdenden Ressourcen macht sie auch wirtschaftlich Sinn.

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