Powered by

Mikroorganismen als Produktionshelfer

Innovative Biotechnologie vereinfacht Nutzung von Biomasse als Alternative zu Erdöl – Rohstoffe ohne Konkurrenz zu Lebens- und Futtermitteln / Innovationsmagazin NEULAND stellt Projekte vor.

In Petrischalen und Erlenmeyerkolben züchtet das Team von Christoph Syldatk Mikroorganismen die aus Biomasse chemische Rohstoffe machen können. © KIT

Noch ist Erdöl die wirtschaftlich attraktivste Ressource für Kraftstoffe und Grundchemikalien, aus denen sich Alltagsprodukte wie Plastikflaschen oder Waschmittel herstellen lassen. Neue biotechnologische Verfahren sollen den Einsatz nachwachsender Biomasse als Alternative zu dem fossilen Rohstoff einfacher und kostengünstiger machen. Forscherinnen und Forscher am KIT setzen gezielt auf pflanzliche Biomasse wie Holz und Stroh, die nicht als Lebensmittel oder Tierfutter verwendet wird. Diese und weitere Innovationsgeschichten stellt das aktuelle Magazin NEULAND des KIT vor.

Erdöl ist zwar rentabel, doch seine Nutzung nachteilig für Klima und Umwelt. Zudem schwinden die Vorräte des fossilen Rohstoffs. Bislang angewandte Verfahren, um Grundchemikalien wie Ethanol aus nachwachsendem Material zu gewinnen, sind kostspielig. Darüber hinaus nutzen sie Pflanzen wie Mais, Zuckerrüben oder Raps, die auch als Nahrung für Mensch und Tier dienen. „Für eine nachhaltige und umweltfreundliche Energie- und Rohstoffversorgung müssen wir innovative Technologien entwickeln, welche die Nutzung nachwachsender Biomasse auch aus wirtschaftlicher Sicht attraktiv macht“, sagt Professor Christoph Syldatk, Leiter des Instituts für Bio- und Lebensmitteltechnologie II / Technische Biologie des KIT. Seine Forschungsgruppe untersucht, wie sich Rohstoffe, die nicht in Konkurrenz zu Lebens- oder Futtermitteln stehen, biotechnologisch verarbeiten lassen – zum Beispiel Stroh, Grünschnitt und Sägespäne. Diese nicht essbaren, biobasierten Rohstoffe der zweiten Generation bestehen zu einem großen Teil aus Lignocellulose, welche die Zellwände verholzter Pflanzen bildet. Um Lignocellulose nutzen zu können, muss sie jedoch erst in ihre Komponenten (Fraktionen) aufgetrennt werden. Dieser Vorgang ist bislang zeitintensiv und teuer. Um die Produktionskosten zu senken und Lignocellulose als Rohstoff zu etablieren, untersuchen die Forschenden am KIT unter anderem, wie sich – ausgehend von Lignocellulosefraktionen – neuartige Biotenside durch mikrobielle oder enzymatische Synthese herstellen lassen.

Ziel ist es, die holzige Biomasse zu Grundbausteinen für die Herstellung von Chemikalien und Materialien wie Biokunststoffen umzuwandeln. Bakterien, Hefen und Schimmelpilze gehören zu den Mikroorganismen, deren Stoffwechsel sich die Forscher für solch innovative Produktsynthesen und Stoffumwandlungen im Labor zunutze machen. Teilweise setzen Industriepartner die anwendungsorientierte Forschung des KIT bereits in vergrößertem Maßstab um. Biobasiert lassen sich Produkte herstellen, deren Moleküle und Eigenschaften mit denen aus petrochemischen Bausteinen identisch sind, „darüber hinaus bieten sich mehr Möglichkeiten, den Molekülaufbau zu modifizieren“, erläutert Syldatk. So ließen sich Kunststoffe beispielsweise mit einem höheren Schmelzpunkt oder einer größeren Gasdurchlässigkeit ausstatten und Tenside mit veränderten Schaumeigenschaften versehen. „Wir versuchen in der Grundlagenforschung mit den Bakterien zu spielen, um herauszufinden, welche Funktionen die jeweiligen Strukturen haben und nach Möglichkeit maßgeschneiderte Verbindungen zu fertigen“, so der Biotechnologe.

Um Verfahrensoptimierung geht es auch beim Einsatz von Mikroorganismen zur Weiterverarbeitung von Synthesegasen, die in der Bioliq-Pilotanlage des KIT durch Pyrolyse aus Stroh oder Restholz erzeugt werden. „Ein großer Vorteil der Verwendung von Synthesegas ist, dass es jeweils die gleichen Startbedingungen bietet, egal welche Biomasse als Ausgangsstoff genommen wurde“, sagt der Forscher. Auch Rauchgas lässt sich mithilfe von Mikroorganismen umwandeln, „denn sie tolerieren Schwefelverbindungen oder nutzen sie sogar für ihren Stoffwechsel. Für die chemische Verarbeitung müsste man die Verbrennungsabgase zunächst von diesen giftigen Verbindungen reinigen“, erklärt Syldatk. Das Land Baden-Württemberg unterstützt die am KIT vorangetriebene Entwicklung innovativer Verfahren für die mikrobielle Verwertung von Lignocellulose in seinem Forschungsprogramm Bioökonomie.

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.
  • 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.
  • Lignocellulose bildet das Strukturgerüst der pflanzlichen Zellwand. Sie besteht aus einer Kombination von Lignin, Hemicellulose und Cellulose.
  • 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.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 25 500 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/pm/mikroorganismen-als-produktionshelfer/