Synthesen für die Chemie von morgen

Düsseldorfer Cluster fördert die Entwicklung industrieller biotechnologischer Verfahren

  • Dr. Manfred Kircher, Vorsitzender, CLIB2021Dr. Manfred Kircher, Vorsitzender, CLIB2021

Zielgerichtete Synthesen bei moderaten Temperaturen ohne störende Nebenprodukte - dies versprechen biotechnologische Produktionsprozesse. Und doch tragen sie derzeit nur zu einem geringen Prozentsatz zur Chemieproduktion bei. CLIB2021 - Cluster für industrielle Biotechnologie mit Sitz in Düsseldorf hat sich zum Ziel gesetzt, das Potenzial dieser Technologie besser zu nutzen. Deutschlandweit und international zählt die Vereinigung mehr als 70 Mitglieder, darunter Chemiekonzerne, kleine und mittelständische Unternehmen und wissenschaftliche Institute, ebenso wie Investoren, Rechtsanwälte und Netzwerkpartner. Allen gemein ist ihr Interesse an der Förderung der industriellen Biotechnologie. Dr. Andrea Gruß befragte den Vorsitzenden Dr. Manfred Kircher zu den Zukunftsperspektiven dieser Technologie.


CHEManager: Rot, Grün, Weiß, Blau und Grau - die Farben der Biotechnologie sind vielfältig. Wo ist hier die industrielle Biotechnologie einzuordnen?


Dr. M. Kircher: Industrielle Biotechnologie ist mit weißer Biotechnologie gleichzusetzen. Die Einteilung nach Farben entstand ursprünglich, um die Pharmabiotechnologie als rote Biotechnologie von anderen Bereichen abzugrenzen und ihr mehr Akzeptanz zu verschaffen - das war damals auch richtig. Doch heute kommen die Farben immer wieder in Diskussionen: Ist z.B. die Herstellung eines Antikörpers weiße Biotechnologie oder rote? Wir sagen eindeutig: Die Entwicklung eines Pharmakons fällt unter die Pharmabiotechnologie, aber wenn es darum geht, das Verfahren für dessen Produktion zu entwickeln, dann ist dies ein industrieller Prozess.


Wie groß ist der Markt für biotechnologisch erzeugte Chemikalien?


Dr. M. Kircher: Der Umsatzanteil der chemischen Industrie mit biotechnologischen Produkten liegt bei bis zu 6%. Er hat sich in den vergangenen Jahren kaum verändert. In der Regel werden heute nur Produkte, die sich ausschließlich biotechnologisch herstellen lassen, auch auf diese Weise produziert.

Dazu zählen beispielsweise L-Aminosäuren, Enzyme oder enantiomerenreine Pharmawirkstoffe. Biotechnologische Erzeugnisse sind meist hochpreisige Produkte. Dies belegen auch unsere Schätzungen, nach denen etwa 3% der Kohlenstoffquellen in der Chemieindustrie durch die Biotechnologie verbraucht werden, sie aber einen Wert am Gesamtumsatz von 6% schafft.


Wird sich das Feld für die biotechnologische Produktion ausweiten?


Dr. M. Kircher: Wir erwarten, dass bereits in einigen Jahren vermehrt Plattformchemikalien biotechnologisch hergestellt werden, die in Verfahren, die biotechnologische und chemische Prozesse kombinieren, weiterverarbeitet werden. Ein erstes Beispiel hierfür ist die großtechnische Produktion von Bernsteinsäure aus Weizenglukose bei Bioamber in Frankreich. Auch BASF und Purac haben ein industrielles Verfahren zur Fermentation von Bernsteinsäure entwickelt, das in Kürze im großtechnischen Maßstab in Betrieb gehen soll. Plattformchemikalien sind Bulk-Produkte, d.h. sie werden in Mengen von 1.000 bis 100.000 t/a produziert. Dies wird das Gewicht der industriellen Biotechnologie in der Chemieindustrie deutlich stärken.


Verstärkt der Rohstoffwandel in der chemischen Industrie diesen Trend?


Dr. M. Kircher: Hierbei wird die Biotechnologie sicherlich eine große Rolle spielen, um alternative Rohstoffquellen, wie Holz und Stroh zu erschließen. Auch die Umsetzung von Synthesegas aus nachwachsenden Rohstoffen ist biotechnologisch möglich. Anders als beim Fischer-Tropsch-Verfahren, bei dem eine nicht steuerbare Mischung an Kettenlängen von C2 bis C10 entsteht, ist mit Mikroorganismen der definierte Aufbau von organischen Bausteinen aus Synthesegas möglich, z.B. C4 zur Butanolherstellung. Allerdings ist man hier von einer industriellen Leistungsfähigkeit der Mikroorganismen noch weit entfernt.
Die Nutzung von Biomasse birgt ein großes Potenzial für die industrielle Biotechnologie, dabei sollte man jedoch nicht übersehen, dass sie weit mehr ist, als eine Substitutionstechnologie, die dieselben chemischen Produkte aus Biomasse statt aus Öl produziert. Genauso wesentlich ist, dass mit Biotechnologie ganz neue Produkte hergestellt werden können, z.B. sehr langkettige Monomere für besonders hochwertige Kunststoffe, die auf petrochemischem Weg gar nicht möglich wären. Auch die Herstellung von eiweißbasierten Klebstoffen ist ein neues Einsatzgebiet der Biotechnologie.


Im Zusammenhang mit der biotechnologischen Produktion wird oft die Energieeffizienz von Prozessen genannt. Zu recht?


Dr. M. Kircher: Biotechnologische Verfahren laufen bei moderaten Temperaturen ab. Daher gibt es grundsätzlich das Potenzial für Energieeinsparungen. Es wird dabei aber häufig vergessen, dass die Biotechnologie mit wässrigen, häufig sehr verdünnten Lösungen arbeitet, aus denen das Produkt isoliert werden muss. Manchmal muss das Wasser dazu verdampft werden. Speziell bei den Aufbereitungsverfahren gibt es in der Biotechnologie noch einen enormen Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Denn sie können bis zu 80% der Produktionskosten ausmachen.


Welche weiteren Forschungsschwerpunkte gibt es in der industriellen Biotechnologie?


Dr. M. Kircher: Forschungsbedarf besteht auch bei der Integration biotechnischer Verfahren in chemische Verfahren. Biotechnologische Prozesse einer chemischen Synthese voranzustellen macht nur Sinn, wenn der Bioreaktor gut in bestehende Anlagen integriert werden kann und keine Zusatzinvestitionen in teure, separate Anlagen notwendig sind. Verbesserungswürdig ist auch die Stabilität und Leistungsfähigkeit von Biokatalysatoren.
Und auch die Mikroorganismen selbst müssen noch weiter optimiert werden. Hier setzt die synthetische Biotechnologie an: Ihr Ziel ist es, aus einem Plattformorganismus alle Stoffwechselwege zu entfernen, die dieser zur Produktsynthese nicht benötigt. Sie ist nicht zu verwechseln mit der kontrovers diskutieren synthetischen Biologie. Synthetische Biotechnologie schafft keine neuen Organismen. Sie schafft neue Stoffwechselwege.
Auf all diesen Gebieten ist das Cluster industrielle Biotechnologie aktiv, das im Jahr 2007 aus dem Wettbewerb Bioindustrie 2021 des BMBF heraus gestartet ist. CLIB2021 zählte zu den beiden Gewinnerclustern, die mit Fördergeldern von 20 Mio. € ausgestattet wurden.


Wo steht Ihre Vereinigung heute?


Dr. M. Kircher: Wir verfügen, und das unterscheidet uns von anderen Netzwerken, über eine breite technologische Plattform mit den Schwerpunkten Polyomics, Biokatalyse, Expression und Aufarbeitung. Hinzu kommt unser zumindest europaweit einzigartiges Graduierten-Cluster. Im Rahmen dieser Initiative bieten wir 84 Doktorandenstipendien in industrieller Biotechnologie an, mit einer engen Verzahnung in die Industrie. Beide Programme haben zusammen ein Gesamtvolumen von 15,4 Mio. € und werden an den Universitäten Bielefeld, Dortmund, Düsseldorf und dem Forschungszentrum Jülich vom Ministerium für Innovation, Wissenschaft, Forschung und Technologie des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.
NRW ist aus gutem Grund die Heimat unseres Clusters, denn hier verfügt die deutsche Chemie über eine enorme Wirtschaftskraft und hier werden über 70% aller Basischemikalien in Deutschland produziert. Deshalb ist auch die intensive Zusammenarbeit mit dem VCI-NRW einer unserer Erfolgsfaktoren.
Insgesamt haben unsere Mitglieder seit 2008 in Deutschland Forschungsvorhaben über 44 Mio EUR gestartet, die neben dem MIWFT vom BMBF und dem Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz gefördert werden. Inzwischen sind wir aber auch weltweit für unsere Mitglieder aktiv.


Welche internationalen Aktivitäten sind dies?


Dr. M. Kircher: Wenn wir mit allen unseren Ideen in der industriellen Biotechnologie erfolgreich sind, dann entsteht ein enormer Bedarf an nachwachsenden Rohstoffen für die Industrie, den wir aus Deutschland nicht abdecken können. Deshalb treiben wir die Internationalisierung unseres Clusters voran. Wir haben Mitglieder in den USA, Kanada, Russland und natürlich auch in der EU. Zum Beispiel haben wir im vergangenen Jahr eine strategisch wichtige F&E-Kooperation im kanadischen Alberta gestartet und sind auch im US-amerikanischen Iowa aktiv. Iowa produziert 30% der amerikanischen Biomasse. In Alberta liegen 30% der landwirtschaftlichen Fläche Kanadas. Bei diesen internationalen Kontakten geht es allerdings nicht nur um Rohstoffe. Wir wollen unserer Mitglieder darin unterstützen Forschung zu exportieren. Nur so kann das Cluster wirtschaftlich wachsen.
Dass die industrielle Biotechnologie weltweit eine wichtige Zukunftstechnologie ist, zeigte auch die Beteiligung an unserer ersten internationalen Konferenz „Value-Generating Transformation of Renewable Carbon Sources" Anfang März 2010. Dort haben wir 140 Mitglieder und Gäste aus Deutschland, der EU, Nordamerika, China und Russland empfangen und es war eine positive Aufbruchstimmung spürbar. Je intensiver wir im Cluster und auch international zusammen arbeiten, desto schneller wird sich die Biotechnologie zu einer Basistechnologie in der Chemie entwickeln. Das ist unser Ziel.

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