Strategie & Management

Pflanzen als Rohstoffe

Nachhaltige Rohstoffversorgung für Phytoextrakte

10.12.2014 -

Pflanzeninhaltsstoffe werden zunehmend verwendet, um Basischemikalien mit petrochemischem Ursprung zu ersetzen.

Die Prozessentwicklung setzt auf den Charakteristiken weniger Chargen des pflanzlichen Rohstoffes an. Kriterien für deren Optimierungspotential werden weiterhin im Entwicklungsprozess detektiert. Die Bereitstellung einer möglichst homogenen Qualität des pflanzlichen Ausgangsstoffes und dessen Life Cycle stellt die produzierende Agrarindustrie vor neue Herausforderungen. Denn in den seltensten Fällen kann man sich bereits etablierter Kulturpflanzen bedienen. Vielmehr werden bislang nicht kultivierte und damit wilde Pflanzen domestiziert, um sie langfristig in reproduzierbarer und optimierbarer Qualität zu kultivieren.

Nachhaltige Wildsammlung
Der erste Schritt bei dieser Entwicklung ist eine Sammlung und das Screening der Heterogenität der zu etablierenden Pflanzenart. Über Saatgutbanken und botanische Gärten sowie auch kommerzielle Saatgutanbieter werden möglichst viele Akzessionen gesammelt, ausgepflanzt und auf die qualitätsbestimmenden Parameter hin bewertet. Wenn international Material beschafft wird, gilt es, das Washingtoner Artenschutzabkommen (CITES) einzuhalten. Ferner ist die Convention on Biological Diversity (CBD) zu berücksichtigen, welche u. a. einen gerechten Ausgleich für die kommerzielle Nutzung von genetischem Material zum Inhalt hat.
Eine nachhaltige Wildsammlung zu etablieren ist sehr aufwändig, jedoch nicht ausgeschlossen; es gibt positive Beispiele, welche jedoch intensive, kontinuierliche Kooperationen zwischen Sammlern, Abnehmer und Naturschutzbehörden bedingen. In Abhängigkeit des zu erwartenden Langfristbedarfes kann es sinnvoll sein, Züchtungs-, zumindest aber Selektionsarbeiten vorzunehmen, die umso zielführender sind, je konkreter sie vom Proessentwickler spezifiziert wurden. Zur Schärfung der umsetzbaren Züchtungsmöglichkeiten mit den Bedürfnissen des Extraktherstellers lässt sich ideal Quality Function Deployment (QfD) (s. Abb. 1) anwenden. Die Selektion beinhaltet die Mengenvermehrung ausschließlich der Pflanzen, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Die Mengenvermehrung erfolgt entweder über die Produktion von Saatgut der selektierten Pflanzen, d. h. man lässt die Pflanzen frei abblühen, oder aber durch den vegetativen Weg, wie zum Beispiel über die Stecklingsvermehrung. Durch diese Technik kann innerhalb weniger Jahre ein recht homogener Bestand für den großflächigen Anbau entwic­kelt werden.

Züchterische Maßnahmen
Sehr viel zeitaufwändiger aber dafür auch zielführender sind züchterische Maßnahmen bei denen zum einen angestrebt wird, möglichst reinerbige (homozygote) Pflanzen mit erwünschten Eigenschaften zu produzieren. Hat man diese hergestellt, so lassen sich durch klassische Kreuzung sehr zielführend verschiedene erwünschte Eigenschaften miteinander vereinen. Für die frühe Prozessentwicklung als auch für die Produktion von kleinvolumigen Spezialextrakten lässt sich die Sammlung von Pflanzen aus dem Wildbestand nicht umgehen. Sollte dieser Beschaffungsweg eingeschlagen werden, so muss von vornherein auf Nachhaltigkeit geachtet werden. Der Bestand in der besammelten Re­gion soll langfristig erhalten bleiben, um einerseits dem Produzenten die Beschaffung abzusichern und andererseits auch den lokalen Behörden zu belegen, dass die betroffene Art nicht im Bestand gefährdet wird. Der Fokus wird darauf gelegt, dass ausreichend viele Pflanzen abreifen können, um sich generativ vermehren zu können. Werden Blätter oder auch ganze Kräuter nach der Fruchtreife, bei mehrjährigen Pflanzen derart gesammelt, dass sie wieder austreiben, so ist die Nachhaltigkeit sichergestellt.
Anders verhält es sich bei der Sammlung von Rinden, Wurzeln oder auch Blüten. Hier müssen Techniken entwickelt und dem Sammler vermittelt werden, die den Bestandserhalt absichern. Zur Nachhaltigkeit gehört nicht nur Schutz des Bestandes sondern auch die soziale Absicherung der Sammler. Das Beschaffungsnetz ist so zu konzipieren und zu erhalten, dass ausreichend Geld an den Sammler gelangt und nicht im Vertriebsnetz bei Zwischenhändlern versickert. Außerdem ist die regelmäßige Schulung und Nachschulung der Sammler bezüglich Erntemethoden als auch Verhalten in der Natur wichtig.
Für hochpreisige, wild nicht nachhaltig beschaffbare Pflanzen bieten sich Gewächshauskulturen an, in denen sich die Pflanzenbedürfnisse maßschneidern lassen (s. Abb. 2). Nachteilig sind hier die hohen Investitions-, Energie- und Personalkosten. Die bezüglich der Qualitätssteuerung höchste Disziplin der Herstellung pflanzlicher Ausgangsmaterialien stellen Gewebekulturen dar. Diese ausgewählten pflanzlichen Gewebe werden in Bioreaktoren produziert und lassen sich bezüglich ihrer Kulturführungsbedürfnisse optimal steuern. Aufgrund der Sterilitätsanforderungen und der vollkommenen Steuerung von Licht- und Wärmeenergie sind die Gestehungskosten jedoch auch sehr hoch.

Verfahrensoptimierung
Das heutige zentrale Ziel in Forschung und Entwicklung von Extraktionsprozeduren ist sichere, effiziente und produktionstechnisch zuverlässige Prozesse auszuwählen, die bei der industriellen Umsetzung die notwendige hohe Produktqualität und wirtschaftliche Attraktivität liefern. In den letzten Jahren sind sowohl eine Systematik für Prozessentwürfe als auch die Verfahrensoptimierung von existierenden Prozessen mit Hilfe physiko-chemischer Modellierung der Grundoperationen und Prozesssimulation anwendungsreif entwickelt worden. Grundvoraussetzung dazu ist, dass Modellparameter und Stoffdaten experimentell im Labormaßstab bestimmt werden.
Auf der anderen Seite sind neue Prinzipien erforscht worden, die ein schnelles Screening von potentiellen Betriebsbedingungen der Extraktion wie Vorbehandlung, Aufschluss, Lösungsmitteltyp, Temperatur und Druck erlauben. Damit wird der komplexe Charakter von Pflanzenextrakten berücksichtigt, die als Vielkomponentensysteme sowohl interessante Inhaltsstoffgruppen als auch viele Nebenkomponenten enthalten. Der Extraktionsprozess muss sicherstellen, dass nicht für die Produktqualität schädliche und für die Produktreinigung nicht unwirtschaftlich viele Nebenkomponenten bei hoher Auslaugung des Pflanzenmaterials mitextrahiert werden, um eine hohe Ausbeute an Zielsubstanz zu erreichen. Selektive Extraktionen sollen dies sicherstellen.
Im regulierten Umfeld der Phytochemikalien ist es besonders für die stark KMU-geprägte Branche existentiell, Zugang zu neuartigen Herstellungstechnologien zu erhalten. Dies erfordert eine umfassende Infrastruktur zur Verfahrensentwicklung und Know-how für einen konsequenten Transfer in das Produktionsumfeld, wie es sonst nur Konzerne vorrätig halten können. Daher sind Forschungsinitiativen, die diese Ansätze und Methoden auch für KMU zugänglich machen, besonders für die Branchenbereiche zur Herstellung von Phytochemikalien von Bedeutung.

Industrielle Nutzung
Neuartige Produktionstechnologien, die maximal ressourcenschonend und energetisch integriert arbeiten sowie mit innovativen Anbau- und Ernteverfahren kombiniert werden können, bilden die Diskussionsgrundlage (s. Abb. 3).
Außerdem ist entscheidend für die industrielle Nutzung, dass begleitend eine Systematik zur effizienten/ kostengünstigen Zulassung dieser Änderungen oder von neuen Produkten inkl. Herstellungsverfahren verfügbar sind. Erste theoretische Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsstudien sind erfolgversprechend. Zur  Zeit fehlt aber eine Initiative zum Transfer in die Industrie, um dieser Innovation für KMUs das Risiko der Erstanwendung zu nehmen.

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