Wie können Unternehmen fossile Rohstoffe durch biobasierte Alternativen ersetzen?
Unternehmen aus Chemie-, Kunststoff-, Textil-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie stehen vor der Herausforderung, ihre Wertschöpfung nachhaltiger auszurichten, fossile Rohstoffe zu ersetzen und zugleich wettbewerbsfähig zu bleiben. Biotechnologische Prozesse bieten dafür großes Potenzial: Mikroorganismen wie Hefen können erneuerbare Kohlenstoffquellen oder Reststoffe in hochwertige Produkte umwandeln – von Plattformchemikalien über Proteine bis hin zu Farbstoffen und Pigmenten für industrielle Anwendungen.
Vielversprechende Ansätze scheitern in der Praxis jedoch häufig an zwei zentralen Hürden. »Zum einen ist es aufwändig und teuer, maßgeschneiderte Wirtsorganismen zu entwickeln, zum anderen fehlt oft das Wissen, um die Leistung der biologischen Systeme in robuste, skalierbare und wirtschaftlich tragfähige Prozesse für industrielle Anwendungen zu überführen. Genau an dieser Schnittstelle setzen wir an«, sagt Professor Ruben R. Rosencrantz, Leiter des Forschungsbereichs Life Science und Bioprozesse am Fraunhofer IAP.
Wie verbindet die Kooperation Stammentwicklung und Bioprozessentwicklung?
Die Besonderheit der Kooperation liegt in der engen Verzahnung von synthetischer Biologie, Stammentwicklung und Bioprozessdesign. Während die Nachwuchsgruppe TAILOR neue Werkzeuge für die gezielte Anpassung von Hefen erarbeitet, bringt das Fraunhofer IAP seine Infrastruktur und Expertise für die Auslegung, Optimierung und Skalierung industrieller Bioprozesse ein. »Das Angebot, Stammentwicklung und Prozessdesign von Anfang an eng zu verzahnen, ist in dieser Form selten«, beschreibt Dr. Lena Hochrein, Leiterin der Nachwuchsgruppe TAILOR an der Universität Potsdam, die Zusammenarbeit. Unternehmen profitieren dadurch von einem integrierten Ansatz: Von der Auswahl geeigneter Wirtsorganismen über das Design genetischer Steuerungsmodule und die Prozessoptimierung im Bioreaktor bis hin zur Bereitstellung ausreichender Materialmengen für Anwendungstests kommt alles aus einer Hand.
Wie werden Hefen gezielt für industrielle Anwendungen entwickelt?
Das Team der Nachwuchsgruppe TAILOR entwickelt Werkzeuge der synthetischen Biologie, mit denen sich Hefestämme gezielt an industrielle Anforderungen anpassen lassen. »Wir konzipieren genetische Steuerungsmodule, die Hefezellen gezielt vorgeben, welche Moleküle sie in welchen Mengen produzieren. Dabei reicht das Spektrum von Proteinen für Lebensmittel- und Kosmetikanwendungen bis hin zu vielfältigen biobasierten Chemikalien«, erläutert Hochrein. Ein besonderer Fokus liegt auf nicht-konventionellen Hefen, die auf nachhaltigen Rohstoffen oder industriellen Nebenprodukten wachsen können und gleichzeitig den Zugang zu neuen biobasierten Produkten ermöglichen. Dadurch soll das Spektrum an mikrobiellen Produktionssystemen erweitert werden, die sich für zukünftige industrielle Bioprozesse eignen.
Wie wird aus einem vielversprechenden Hefestamm ein skalierbarer Produktionsprozess?
Die Entwicklung leistungsfähiger Hefestämme allein genügt nicht für den industriellen Einsatz. Bioprozesse müssen so ausgelegt werden, dass die Organismen im Bioreaktor stabil wachsen, hohe Zelldichten erreichen und die gewünschten Produkte in ausreichender Menge bilden. Hier bringt der Forschungsbereich Life Science und Bioprozesse am Fraunhofer IAP seine Kompetenzen ein. Das Portfolio umfasst Fermentation, Prozessauslegung, Produktaufarbeitung und die Skalierung von Prozessen bis in den 100-Liter-Maßstab. Während die Entwicklung an der Universität bislang überwiegend im kleinen Maßstab stattfand, können nun auch zentrale Fragen des Scale-up bearbeitet werden: Wie verhält sich ein Stamm im Reaktor? Welche Prozessparameter beeinflussen Wachstum und Ausbeute? Und wie müssen Stamm und Prozess gemeinsam optimiert werden, damit ein wirtschaftlich tragfähiger Bioprozess entsteht?
Für welche Branchen eignen sich die entwickelten Bioprozesse?
Die Kooperation richtet sich insbesondere an Unternehmen und Innovationspartner, die neue biobasierte Bausteine für ihre Produktion erschließen, bestehende mikrobiologische Prozesse auf alternative Rohstoffquellen umstellen oder neue Prozessrouten auf Basis von Reststoffen erschließen möchten. Ebenso relevant ist das Angebot für Unternehmen, die Unterstützung bei der Fermentation, Prozessoptimierung, Skalierung oder der Bereitstellung größerer Produktmengen für Material- und Anwendungstests benötigen.
Wie können Reststoffe zu Ausgangspunkten neuer Wertschöpfung werden?
Besonderes Potenzial sehen die Forschenden in der Nutzung industrieller Reststoffe aus land- und forstwirtschaftlichen Prozessen. Industriepartner können beispielsweise mit Hefestämmen in die Zusammenarbeit einsteigen, die bereits auf bislang ungenutzten Abfällen wachsen. Gemeinsam wird untersucht, welche Produkte sich mit diesen Organismen herstellen lassen und wie sich ihre Stoffwechselprozesse gezielt regulieren lassen, damit das gewünschte Molekül mit hoher Ausbeute produziert wird. Ebenso können Hefen gezielt auf spezifische Reststoffe – etwa Nebenprodukte der Zuckerproduktion oder andere sekundäre und tertiäre Rohstoffströme – angepasst werden. Ziel ist es, neue Wertschöpfungspotenziale zu erschließen, die Rohstoffbasis zu verbreitern und regionale Stoffkreisläufe zu stärken. Langfristig eröffnet der Ansatz eine Perspektive, um ganze Wertschöpfungsketten vollständig aus Reststoffen und Biomasse zu speisen: von Chemikalien über Materialien, Lebensmittel, Home- und Personal Care bis hin zu Energieträgern. Unternehmen können so schrittweise unabhängig von fossilen Rohstoffen werden.
Welchen Beitrag kann die Kooperation zur Bioökonomie in Brandenburg leisten?
»Dieser Ansatz ist auch für den Wirtschaftsstandort Brandenburg von Bedeutung«, betont Ruben R. Rosencrantz. Die Bioökonomie zählt zu den strategisch wichtigen Zukunftsfeldern des Bundeslands. »Aufgrund der landwirtschaftlich geprägten Struktur fallen regional Rohstoffe und Reststoffe an, die als Ausgangsbasis für biotechnologische Prozesse in Betracht kommen. Die Verbindung von Stammentwicklung und Prozessgestaltung kann dazu beitragen, diese Potenziale stärker in industrielle Wertschöpfung zu übertragen«, so Rosencrantz. Mit ihrer Zusammenarbeit schließen die Universität Potsdam und das Fraunhofer IAP eine Lücke zwischen universitärer Forschung und industrieller Umsetzung. Ziel ist es, biotechnologische Innovationen schneller in die Anwendung zu überführen und Unternehmen bei dem Aufbau nachhaltiger, kreislauforientierter Wertschöpfungsketten zu unterstützen.
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
