Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bioelektrische Chemieanlagen könnten klassische Petrolchemie ablösen / Beispiel Lysinproduktion

09.03.2015

Die „Elektrifizierung“ der Weißen Biotechnologie ist kein grüner Traum, sondern eine Alternative zur Petrolchemie mit realistischem ökonomischen Potenzial. Im Vergleich mit der zuckerbasierten Bioproduktion seien bioelektrochemische Prozesse bereits jetzt zum Teil wettbewerbsfähig. Die nächste Generation dieser Chemieanlagen könnte daher nicht nur wesentlich umweltfreundlicher, sondern auch kosteneffizienter werden. Zu diesem Ergebnis kommen Wissenschaftler des UFZ und der University of Queensland, die erstmals die ökonomischen Chancen dieses neuen Zweiges der Biotechnologie untersucht und die Ergebnisse im Fachblatt „ChemSusChem“ veröffentlicht haben.

Im Gegensatz zur Energie- und Kraftstoffbranche, die zum Großteil durch staatliche Ziele geprägt ist, wird die Chemieindustrie ausschließlich von Marktmechanismen dominiert. Firmen und Kunden sind bisher größtenteils nicht bereit, einen Mehrpreis für „grüne“ Produkte zu bezahlen.


Mikrobielle Bioelektrokatalyse & Bioelektrotechnologie

Foto: André Künzelmann/UFZ

Dies hat zur Folge, dass die Produktion von bio-basierten Chemikalien gegenüber der traditionellen erdölbasierten Produktion billiger sein oder einen Zusatznutzen haben muss. Bei gleichen Kosten dagegen setzen Firmen meist auf die bewährten Produktionswege und -verfahren. Trotzdem wird der Anteil der „grünen“ an der gesamten Chemieproduktion bis 2025 deutlich steigen, so die Prognosen verschiedenster Institutionen.

Dieser große Markt steht im Mittelpunkt der sogenannten Weißen Biotechnologie, die biotechnologische Methoden für industrielle Produktionsverfahren einsetzt und von der roten (Medizin) sowie grünen Biotechnologie (Pflanzen) abgegrenzt wird.

Treibstoffe und Chemikalien können bioelektrochemisch produziert werden. Dazu werden mikrobielle Synthesen durch elektrischen Strom angetrieben und gesteuert, was neue Möglichkeiten eröffnet. Trotzdem ist diese „Elektrifizierung“ der weißen Biotechnologie nicht leicht zu erreichen, da biochemische und elektrochemische Reaktionen unterschiedliche Prozessbedingungen bevorzugen.

Deshalb besteht noch ein erheblicher Bedarf an systematischer Forschung und Entwicklung, um diese Technologie für den Markt verfügbar zu machen, wie die Forscher in ihrer Arbeit darlegen.

Um die ökonomischen Chancen dieses relativ neuen Ansatzes abzuschätzen, betrachteten die Forscher einen etablierten Prozess zur Biosynthese und verglichen diesen mit der entsprechenden Bioelektrosynthese. Als Modellprozess wählten sie die Lysinproduktion, welche konventionell auf Zuckern oder komplexen Substraten, wie beispielsweise auf Saccharose aus Zuckerrüben oder Melasse basiert. Lysin ist ein Massenprodukt, von dem 2013 über 1,9 Millionen Tonnen hergestellt wurden.

Diese Aminosäure wird als Zusatz in Futtermitteln oder in Schmerzmitteln verwendet und erzielte Preise zwischen 1,6 und 2,4 US-Dollar pro Kilogramm. Die Forscher verglichen nun die Substratkosten für eine solche konventionelle Biosynthese (auf Saccharose basierend) mit der Bioelektrosynthese, bei welcher neben Saccharose auch elektrische Energie als Substrat eingesetzt wird.

Durch unterschiedliche Rohstoffpreise für Saccharose in der EU und in den USA ergaben sich für beide Szenarien unterschiedliche Kosten: Unter Annahme aktueller Marktpreise würde die bioelektrochemische Produktion von 30 Tonnen Lysin, was einem typischen Produktionsansatz entspricht, demnach in der EU etwa 21.500 US-Dollar und in den USA etwa 16.700 US-Dollar kosten. Gegenüber der klassischen Biosynthese ergäben sich durch die neue, effizientere Produktionsmethode Kosteneinsparungen von 8,4% in der EU und 18,0% in den USA.

„Dabei werden potentielle Ersparnisse durch den geringeren Bedarf an Produktreinigung aufgrund der verringerten Nebenproduktproduktion noch nicht einmal berücksichtigt“ ergänzt Dr. Jens Krömer von der Universität Queensland. „Wenn man spekuliert und dies auf einen Zeithorizont von zehn Jahren umrechnet, macht dies bei einer Anlage mit einer Jahresproduktion von 50.000 Tonnen immerhin 30 Millionen US-Dollar in der EU bzw. 50 Millionen US-Dollar in den USA aus. Dabei müssen allerdings noch die zusätzlichen Investitionskosten, welche bisher nicht abgeschätzt werden können, abgezogen werden. Nichtsdestotrotz zeigt dieses Beispiel, dass die bioelektrische Produktion von Chemikalien also auch ökonomisch interessant werden kann“, erklärt Dr. Falk Harnisch vom UFZ.

Die Bioelektrotechnologie ist also ein Thema mit weitreichender Bedeutung. Das Fachjournal „ChemSusChem“, das sich der Chemie und der Nachhaltigkeit verschrieben hat, widmet daher dieser Publikation auch seine Titelseite. Diese zeigt das (von einer Mitautorin gezeichnete) Bild eines Globus mit zwei Seiten – der grünen Synthese und der Erdölchemie. Dieser positive Ausblick soll ausreichend dazu motivieren, die Forschung der Bioelektrotechnologie weiter zu fördern. Tilo Arnhold

Publikationen:
Harnisch, F., Rosa, L. F. M., Kracke, F., Virdis, B. and Krömer, J. O. (2014): Electrifying White Biotechnology: Engineering and Economic Potential of Electricity-Driven Bio-Production. ChemSusChem. doi: 10.1002/cssc.201402736 http://dx.doi.org/10.1002/cssc.201402736
Die Untersuchungen wurden gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF-Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+"), die Helmholtz-Gemeinschaft (Nachwuchsgruppe & Forschungsprogramm Erneuerbare Energien) sowie die University of Queensland.

Als deutschsprachige Übersicht zum Thema:
Agler-Rosenbaum, M., Schröder, U. und Harnisch, F. (2013): Mikroben unter Strom. Biologie in unserer Zeit, 43: 96–103. doi: 10.1002/biuz.201310502 http://dx.doi.org/10.1002/biuz.201310502
Die Arbeit wurden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG-Exzellenzcluster „Tailor-Made Fuels from Biomass“), über das Zukunftskonzept II der RWTH Aachen, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF-Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+") und die Helmholtz-Gemeinschaft (Nachwuchsgruppe & Forschungsprogramm Erneuerbare Energien).

Weitere Informationen:
Dr. Falk Harnisch
Leiter der Arbeitsgruppe Mikrobielle Bioelektrokatalyse & Bioelektrotechnologie
im Department Umweltmikrobiologie am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Telefon: +49-(0)341-235-1337
http://www.ufz.de/index.php?de=31006
und
Dr. Luis Filipe Morgado Rosa (auf Englisch & Portugiesisch)
Arbeitsgruppe Mikrobielle Bioelektrokatalyse & Bioelektrotechnologie
im Department Umweltmikrobiologie am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Telefon: +49-(0)341-235-1373
http://www.ufz.de/index.php?en=31835
und
Dr. Jens Kroemer,
University of Queensland
Phone: 07 3346 3222
e-mail: j.kromer@uq.edu.au.

oder über
Tilo Arnhold, Susanne Hufe (UFZ-Pressestelle)
Telefon: +49-(0)341-235-1635, -1630
http://www.ufz.de/index.php?de=640

Weiterführende Links:
Arbeitsgruppe „Mikrobielle Bioelektrokatalyse & Bioelektrotechnologie“ am UFZ:
http://www.ufz.de/index.php?de=31005
Forschung zur mikrobiellen Bioelektrotechnologie wird in Leipzig etabliert (Pressemitteilung vom 13. September 2012):
http://www.ufz.de/index.php?de=30828
Initiative "Nächste Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+"
http://www.bmbf.de/de/biotechnologie2020plus.php
Was ist Biotechnologie?
https://www.biotechnologie.de/BIO/Navigation/DE/Hintergrund/basiswissen,did=7976...

Im Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) erforschen Wissenschaftler die Ursachen und Folgen der weit reichenden Veränderungen der Umwelt. Sie befassen sich mit Wasserressourcen, biologischer Vielfalt, den Folgen des Klimawandels und Anpassungsmöglichkeiten, Umwelt- und Biotechnologien, Bioenergie, dem Verhalten von Chemikalien in der Umwelt, ihrer Wirkung auf die Gesundheit, Modellierung und sozialwissenschaftlichen Fragestellungen. Ihr Leitmotiv: Unsere Forschung dient der nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen und hilft, diese Lebensgrundlagen unter dem Einfluss des globalen Wandels langfristig zu sichern. Das UFZ beschäftigt an den Standorten Leipzig, Halle und Magdeburg mehr als 1.100 Mitarbeiter. Es wird vom Bund sowie von Sachsen und Sachsen-Anhalt finanziert.
http://www.ufz.de/

Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch wissenschaftliche Spitzenleistungen in sechs Forschungsbereichen: Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie sowie Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr. Die Helmholtz-Gemeinschaft ist mit 35.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 18 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 3,8 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Ihre Arbeit steht in der Tradition des großen Naturforschers Hermann von Helmholtz (1821-1894). http://www.helmholtz.de/

Weitere Informationen:

http://www.ufz.de/index.php?de=33620

Susanne Hufe | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht
25.04.2018 | Universitätsklinikum Heidelberg

nachricht Demographie beeinflusst Brutfürsorge bei Regenpfeifern
25.04.2018 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht

25.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Erkheimer Ökohaus-Pionier eröffnet neues Musterhaus „Heimat 4.0“

25.04.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

25.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics