Die Entdeckung der Vitamine Anfang des 20. Jahrhunderts war ein wissenschaftlicher Durchbruch und Meilenstein in der Geschichte der Ernährung von Menschen und Tieren. Wie Innovation für etwas funktioniert, das man seit 75 Jahren herstellen kann, soll der folgende Einblick in die faszinierende Welt der Vitaminforschung zeigen.

Vitamine sind essenzielle organische Nährstoffe, die den Stoffwechsel, das Wachstum und das körperliche Wohlbefinden unterstützen. Mit der kommerziellen Herstellung von Vitaminen eröffneten sich neue Möglichkeiten im Kampf gegen zahlreiche schwere, durch Vitaminmangel verursachte Erkrankungen. In der Landwirtschaft ist eine ausreichende Versorgung mit Mikronährstoffen, besonders mit Vitaminen die Grundlage für eine ausgewogene Tierernährung. Wohlbefinden, Gesundheit und Produktivität werden durch Vitamine positiv beeinflusst. Eine Anreicherung des Futters mit Vitaminen kann das Immunsystem und die Fruchtbarkeit der Tiere steigern, deren Stoffwechsel zielgerichtet anregen und ist für eine hohe Qualität bspw. von Milch, Eiern, Fisch und Fleisch verantwortlich.

Nachhaltiger Wettbewerbsvorteil

Werner Bonrath und sein Team bei DSM sind Pioniere der Green Chemistry. Mit über 300 angemeldeten Patentfamilien haben sie die kommerzielle Herstellung von Vitaminen entscheidend geprägt. 

Durch innovative Prozessmodifikationen und neue Katalysatoren für verschiedene Verfahrensschritte ist es gelungen, den Energiebedarf wesentlich zu senken und die Erzeugung von unerwünschten Nebenprodukten maßgeblich zu verringern. Als Konsequenz dieser implementierten Innovationen konnten auch die Kapazitäten der bestehenden Werke deutlich erhöht werden. 
Der Umstieg auf Energien und Rohmaterialien aus erneuerbaren Quellen bildet die zweite Säule für einen nachhaltigen Wettbewerbsvorteil. Am weltweit größten Vitaminproduktionsstandort in der Schweiz wurde zusammen mit Energiedienstleistern ein Biomassekraftwerk erbaut. Mit dem Umstieg von Gas auf nachwachsende Rohstoffe konnte die Abhängigkeit von globalen, fossilen Energiequellen weiter reduziert werden. Zudem spart das neue Biomassekraftwerk jährlich 50.000 t CO₂-Emissionen ein. 

Die Umstellung auf umweltschonendere Verfahren der chemischen Synthesen ist die dritte strategische Maßnahme für einen nachhaltigen Wettbewerbsvorteil. Heute werden im Laufe der Syntheseprozesse eine Vielzahl von Zwischenprodukten aus nachwachsenden Quellen eingesetzt, so wird z. B. aktuell das fermentativ erzeugte Farnesen als Edukt bei der Synthese von Vitamin E verwendet. Zusätzlich fanden umweltverträgliche Katalysatoren als Alternative zu stöchiometrischen Verfahren den Einzug in die industrielle Vitaminsynthese.

Diese wissenschaftlichen Errungenschaften der Green Chemistry sind elementar für die Wettbewerbsfähigkeit der Produktionsstandorte in Europa und den USA und erlauben es, weiter in diese technisch herausragenden Standorte zu investieren. Dies ist sowohl für die Erreichung der Net-Zero-Ziele wichtig als auch von strategischer Bedeutung für die Sicherstellung einer resilienten globalen Vitamin-Lieferkette. 

„Interaktion fördert Innovation. Erfindungen werden heute oft an den Schnittstellen der Disziplinen gemacht!“

Werner Bonrath, Senior Science Fellow, DSM Nutritional Products

„Vitamine neu erfinden“

Die Vitamine können seit über 70 Jahren industriell hergestellt werden. Der Fokus in der Vitaminforschung lag dementsprechend lange in der Prozessinnovation – aber nicht nur. Unter dem Titel „Vitamine neu erfinden“, wird heute die Forschung in verschiedenen Disziplinen vorangetrieben und kombiniert. So wird zusätzlich zur bewährten Synthese und Formulierung die Biologie und Zusammenarbeit mit externen Partnern immer wichtiger. Bahnbrechende Innovation kommt oft aus hybriden und biotechnologischen Forschungsstrategien, auch bekannt unter dem Namen Präzisionsfermentation. 

Ein diesbezüglich wissenschaftlicher Durchbruch steht kurz vor der Kommerzialisierung. „Wir erkannten, dass wir etwas Bahnbrechendes in den Händen hatten, als wir zum ersten Mal Vitamin A aus einem Fermentationsansatz mit einem Reinheitsprofil isolierten, das dem aus unserem bestehenden chemischen Prozess entsprach“ verkündete Ronald Gebhard, Leiter Bioscience & Process Innovation bei DSM, im Juni 2022. Mit einem speziell entwickelten Hefestamm ist es gelungen, 100 % biobasiertes Vitamin A herzustellen, das vollständig auf allgemein verfügbaren erneuerbaren Rohstoffen basiert. Das von der Natur inspirierte Verfahren hat das Potenzial, die Branche zu verändern. Es liefert beste Qualität und führt gleichzeitig zu Möglichkeiten, die CO₂-Bilanz deutlich zu verbessern sowie eine wesentliche Reduktion von Abfällen zu erreichen.

Eine neue Form von Vitamin D hat DSM 2021 unter dem Namen Ampli-D lanciert. Das Calcifediol-basierte Produkt wirkt im Vergleich zur bewährten Vitamin D3-Supplementierung dreimal schneller und führt zu einem anhaltenden Anstieg des Vitamin-D-Spiegels im Blut. Anstatt Monate, dauert es dank Calicifediol nur noch Tage und Wochen, um den Vitamin-D-Blutspiegel auf ein optimales Niveau ansteigen zu lassen.  Fast 60 % der deutschen Bevölkerung erreicht die wünschenswerte Blutkonzentration des Markers 25-Hydroxyvitamin-D von 50 nmol/L nicht und nutzt somit das präventive Potenzial von Vitamin D für die Knochengesundheit nicht aus.

Neue Formulierungstechniken und nachwachsende Rohstoffe

Neue Formulierungsprozesse und pflanzenbasierte Alternativen in der Verkapselung leisten ebenfalls einen signifikanten Beitrag, um eine CO₂-neutrale Produktion bis 2050 zu verwirklichen. Fettlösliche Vitamine sind gegenüber Sauerstoff, Temperatur, Licht, aggressiven pH-Werten, und weiteren Umwelteinflüssen äußerst sensitiv. Um den Gehalt in den Produktformen über einen möglichst langen Zeitraum zu gewährleisten, müssen sie geschützt werden. Hier kommt eine Vielzahl von Formulierungstechniken zum Einsatz. Dazu gehören die Verkapselung von vitaminhaltigen Öl-in-Wasser-Emulsionen mittels Sprühtrocknung und anderer geeigneter Trocknungsprozesse, wie z. B. das Fließbettverfahren.

Auch die Adsorption der Vitamine auf geeigneten Trägermaterialen findet großtechnischen Einsatz. Bei DSM werden Formulierungsprozesse unter dem Gesichtspunkt des Verbrauchs von Energie und Rohmaterialen kontinuierlich weiterentwickelt. Dadurch können Kundenforderungen berücksichtigt und innovative Produktformen für spezifische Anwendungen bereitgestellt werden.

Leidenschaft und Neugier

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) hat Werner Bonrath jüngst den Meyer-Galow-Preis für Wirtschaftschemie verliehen. „Werner Bonrath hat die Leidenschaft und die Fähigkeit, Chemie neu zu denken“ sagte Karsten Danielmeier, Präsident der GDCh. „Wie wichtig die nachhaltige Innovation für unsere Branche ist, zeigt sich aktuell gerade anhand der geopolitischen Spannungen sowie der damit verbundenen Volatilität der Rohstoffmärkte. Die Chemie hat eine Menge Pfeile im Köcher und wird eine wichtige Rolle spielen, um die globale Erwärmung einzudämmen und bei industriellen Prozessen insgesamt zirkulärer zu werden.“

„Interaktion fördert Innovation. Erfindungen werden heute oft an den Schnittstellen der Disziplinen gemacht!“ erklärt Werner Bonrath, Senior Science Fellow bei DSM und appellierte an alle Wissenschaftler „Gib niemals dein Labor auf!“ Denn nur durch fortwährende Neugier und entsprechende Versuche in einer angemessenen Laborumgebung kann ein leidenschaftlicher Wissenschaftler Chemie, Biotechnologie und Formulierungstechnik neu denken.

Christian Schäfer, Principal Scientist, DSM Nutritional Products Ltd., Kaiseraugst, Schweiz