Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Natur als chemische Fabrik

27.05.2009
Nachwachsende Rohstoffe können Erdöl ersetzen. Aus Raps oder Reststoffen wie Stroh, Molke und Krabbenschalen lassen sich mit der industriellen Biotechnologie chemische Produkte herstellen.

Erdöl wird immer teurer, fossile Rohstoffe gehen langsam zur Neige. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe und nachhaltige Produktionsprozesse bieten alternative Lösungen. Besondere Bedeutung kommt der weißen Biotechnologie zu, bei der Chemikalien und chemische Grundstoffe mit biotechnologischen Verfahren hergestellt werden.

Die Prozesse werden vor allem dann nachhaltig und stehen nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, wenn Restbiomasse aus der Forst- und Landwirtschaft oder Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie als Substrate für die Mikroorganismen genutzt werden.

Kunststoff und Lacke aus Raps
Bei der Herstellung von Biodiesel aus Rapsöl fällt als Nebenprodukt Rohglyzerin an. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Rohglyzerin in 1,3-Propandiol umsetzen lässt - einen chemischen Grundstoff für die Herstellung von Polyestern oder Holzlacken.

Bislang wird 1,3-Propandiol chemisch synthetisiert. Es gibt aber auch Mikroorganismen, die Glyzerin zu 1,3-Propandiol umsetzen können. Das Bakterium Clostridium diolis produziert 1,3-Propandiol in vergleichsweise hoher Ausbeute. Allerdings setzte das Bakterium zwar Glyzerin, nicht aber Rohglyzerin um. Der Grund: Der schwarz gefärbte, wie verbrauchtes Motoröl aussehende Reststoff Rohglyzerin enthält aus dem Rapsöl übrig gebliebene Fettsäuren. Diese müssen zunächst abgetrennt werden. "Zudem hemmen sowohl das Substrat Glyzerin als auch das Produkt 1,3-Propandiol bei höheren Konzentrationen das Wachstum der Bakterien", nennt Dr. Wolfgang Krischke vom IGB eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung des biotechnologischen Prozesses. "Durch eine kontinuierliche Betriebsführung des Bioreaktors konnten wir dieses Problem weitgehend lösen. Denn bei annäherndem Vollumsatz des Glyzerins entfällt dessen Hemmwirkung. Auf diese Wei-se konnten wir einen stabilen Prozess mit hohen Produktkonzentrationen erzielen."

Aus Rapsöl lässt sich noch ein weiteres chemisches Zwischenprodukt gewinnen - langkettige Dicarbonsäuren. Sie können bei der Herstellung von Polyamiden und Polyestern eingesetzt werden. Bisher lassen sich langkettige Dicarbonsäuren jedoch chemisch nur schwer synthetisieren. Eine Alternative ist die biotechnologische Herstellung. "Im Rapsöl sind Fettsäuren an Glyzerin gebunden. Werden diese abgespalten, können die freien Fettsäuren beispielsweise von verschiedenen Hefen der Gattung Candida zu Dicarbonsäuren umgesetzt werden", erläutert Susanne Zibek vom IGB. Gemeinsam mit Kollegen hat sie einen fermentativen Prozess entwickelt, der mit gentechnisch modifizierten Hefen arbeitet, und bei dem die Spaltung des Rapsöls sowie die Umsetzung der Fettsäuren zu Dicarbonsäuren simultan erfolgt.

Feinchemikalien aus Krabbenschalen
Chitin ist nach Zellulose das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde. Der nachwachsende Rohstoff fällt in der Aquakultur und bei der Verarbeitung von Meeresfrüchten wie Krabben in großen Mengen als Abfall an. Forscher des IGB untersuchen, ob sich Chitin durch den Einsatz von mikrobiellen Chitinasen als nachwachsender Rohstoff für die chemische Industrie erschließen lässt. Chitin kann von vielen Bakterien durch Chitinasen abgebaut werden. Diese Chitinasen spalten das lineare, unlösliche Homopolymer aus beta-1,4-verknüpften N-Acetyl-Glucosamin-Einheiten zu Oligo- oder Monomeren. Ziel ist es, das Chitin zu Monomeren abzubauen, die anschließend hydrothermal zu gut modifizierbaren Grundbausteinen der Polymerchemie wie z. B. Stickstoffheterozyklen umgesetzt werden.
Holz und Stroh nutzbar machen:
Basischemikalien aus Lignocellulose
Lignocellulose, der am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff, ist Hauptbestandteil von Reststoffen wie Stroh oder Holz.. Lignocellulosehaltige Materialien können durchaus durch fermentative oder chemische Verfahren wichtige Grundstoffe für die chemische Industrie liefern. Aufgrund ihrer chemischen Struktur sind sie gegenüber einem enzymatischen Angriff sehr beständig. Daher sind eine Reihe neuer Methoden und Methodenkombinationen notwendig, um zu technisch verwertbaren Bausteinen für chemische Folgeprodukte zu gelangen. Das Fraunhofer IGB entwickelt hierfür eine Kombination enzymatisch-fermentativer Prozesse mit unterschiedlichen Aufschlussverfahren, um verschiedene Zucker herzustellen. In weiteren Schritten können daraus neben Basischemikalien wie Acetat auch Biokraftstoffe wie Bioethanol oder Biobutanol gewonnen werden. Damit wollen die Wissenschaftler das Konzept eines integrierten Prozessansatzes vom Rohstoff Lignocellulose bis zur Produktgewinnung im Sinne einer Bioraffinerie umsetzen.
Mikroalgen - nachhaltiger Rohstoff für Wertstoffe und regenerative Energie
Algen sind eine bislang wenig genutzte natürliche Rohstoffquelle, die eine Vielzahl chemischer Grundstoffe mit hohem Wertschöpfungspotenzial für die Pharma- und die Nahrungsmittelindustrie produzieren. Etwa natürliches Astaxanthin, ein roter Farbstoff mit antioxidativen und gesundheitsfördernden Eigenschaften, oder die Omega-3-Fettsäure EPA, die essenziell für den Menschen ist: Ein ernährungsbedingter Mangel an EPA wird in Zusammenhang mit einem erhöhten Risiko für Zivilisationskrankheiten wie Herzinfarkt und Schlaganfall gebracht.

Algen bzw. ihre Produkte dienen auch als Rohstoffe für die industrielle Biotechnologie oder regenerative Energieversorgung. Speicherlipide der Algen etwa können ähnlich wie Rapsöl zur Herstellung von Biotreibstoff genutzt werden. Ein wichtiger Aspekt bei der Algenkultivierung ist die Nachhaltigkeit: Algen brauchen - wie die Pflanzen - nur Kohlendioxid und Licht, Nitrat und Phosphor für ein schnelles Wachstum. Mit der am Fraunhofer IGB entwickelten Reaktorplattform kann sogar das Kohlendioxid aus Verbrennungsprozessen (Rauchgas) direkt als Kohlenstoffquelle für das Algenwachstum eingesetzt werden. Umweltschonender Nebeneffekt: Das von den Algen gebundene CO2 gelangt nicht in die Atmosphäre.

"Die Weiße Biotechnologie nutzt die Natur als chemische Fabrik. Herkömmliche chemische Produktionsprozesse werden durch den Einsatz von Mikroorganismen oder Enzymen ersetzt", erläutert Prof. Thomas Hirth, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, den Ansatz.

Dr. Claudia Vorbeck | Fraunhofer Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.igb.fhg.de/www/presse/jahr/2009/dt/PI_0905_naturfabrik.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie