Industrielle Biotechnologie

Bei vielen biotechnologischen Anwendungen kommen Fermenter verschiedener Ausführung zum Einsatz, wie zum Beispiel diese Gärbottiche zur Bierherstellung

Die Weiße Biotechnologie, auch Industrielle Biotechnologie genannt, ist der Bereich der Biotechnologie, der biotechnologische Methoden für industrielle Produktionsverfahren einsetzt. Der Begriff Weiße Biotechnologie ist dabei relativ neu und bisher nicht klar definiert. Dazu werden biologische und biochemische Kenntnisse und Prozesse durch die (Bioverfahrenstechnik) in technische Anwendungen übertragen. Dabei kommen Organismen (zum Beispiel Bakterien wie Escherichia coli oder Corynebacterium glutamicum, Hefen, etc.) oder auch Enzyme oder Enzymsysteme zum Einsatz.

Durch große Fortschritte in der Entwicklung biotechnologischer Methoden und Anwendungen hat die Weiße Biotechnologie in den vergangenen Jahren stark an Bedeutung gewonnen und wird auch zukünftig als Wachstumsbranche gesehen. Großes Potential wird in diesen Bereichen erwartet:^[1]

• Optimierung von Produktionsverfahren, zum Beispiel für Grund- und Feinchemikalien
• Reduzieren der Rohstoffabhängigkeit, zum Beispiel durch Nutzung Nachwachsender Rohstoffe statt fossiler Rohstoffe
• Reduzierung der Energie- und Entsorgungskosten, zum Beispiel durch Ersetzen chemischer Verfahren
• Entwicklung neuer Produkte und Systemlösungen mit hohem Wertschöpfungspotenzial, zum Beispiel durch Nutzbarmachung von biologischen Stoffwechselwegen mit gentechnischen Methoden

Definition

Als Biotechnologie wird die Anwendung von Kenntnissen und Prozessen der Biologie und Biochemie in technischen Verfahren bezeichnet. Relativ geläufig und klar abgegrenzt sind die Bezeichnungen Rote Biotechnologie bzw. Grüne Biotechnologie mit Anwendungen im medizinischen und pharmazeutischen bzw. im landwirtschaftlichen und pflanzlichen Bereich. Viele andere Anwendungen fallen in den Bereich der Weißen bzw. Industriellen Biotechnologie. Darüber hinaus wird auch gelegentlich von Blauer (mariner), Grauer (Abfallbereich) und anderen Biotechnologien gesprochen.

Die Weiße Biotechnologie wird unterschiedlich definiert:

• Die europäische Industrievereinigung EuropaBio zählt zum Beispiel die biotechnologische Herstellung von Spezial- und Feinchemikalien, Lebensmitteln oder Lebensmittelzusatzstoffen, Agrar- und Pharmavorprodukten und zahlreichen Hilfsstoffen für die verarbeitende Industrie zur Weißen Biotechnologie.^[2]
• Die Fraunhofer-Gesellschaft definiert Weiße Biotechnologie als „die industrielle Produktion von organischen Grund- und Feinchemikalien sowie Wirkstoffen mithilfe optimierter Enzyme, Zellen oder Mikroorganismen“.
• Die OECD unterscheidet hier zwei Schwerpunkte:
  • Ersatz endlicher fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Ausgangsstoffe, also Biomasse
  • Ersatz konventioneller industrieller Prozesse durch biologische Prozesse, die den Energiebedarf und den Rohstoffeinsatz senken sowie die Anzahl der Prozessstufen reduzieren und damit Kosten senken sowie gleichzeitig ökologische Vorteile schaffen.

In diesem Artikel wird die Definition relativ weit gefasst.

Geschichte

Der Begriff Weiße Biotechnologie ist relativ jung, aber einige Methoden, die dieser Biotechnologie zugeordnet werden, werden seit Jahrtausenden von der Menschheit genutzt. Dies geschah lange vor der Entdeckung der Mikroorganismen oder gar dem Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse. In zahlreichen Kulturen wurde zum Beispiel

• die Vergärung zuckerhaltiger Nahrungsmittel zu Alkohol (Ethanolgärung) mit Hilfe von Hefen,
• die Milchsäuregärung unter Verwendung von Lactobacillus-Stämme oder
• die Essigsäureherstellung mit Hilfe von Acetobacter-Spezies

angewendet.

Louis Pasteur (1822-1895) entdeckte 1856 in verunreinigten Weinfässern Mikroorganismen, die er nach ihrer Form mit dem griechischen Wort für Stäbchen Bacterion benannte. Die entdeckten Milchsäurebakterien (Lactobazillen) produzierten aus Zucker durch Gärung Milchsäure, während in den Weinfässern Hefepilze den Zucker zu Alkohol vergären sollten. Pasteur legte mit diesen Entdeckungen die Grundlage für das Verständnis von Fermentation bzw. Gärung und begründete die moderne Mikrobiologie.

2008 arbeiteten von den 501 Biotech-Unternehmen in Deutschland 45 (rund 9 %) hauptsächlich auf dem Gebiet der Industriellen Biotechnologie. Viele Unternehmen der chemischen Industrie setzen Methoden der Weißen Biotechnologie ein, wurden bei dieser Umfrage aber nicht erfasst, so dass die Bedeutung deutlich größer sein dürfte.^[1]

Methoden

In der Weißen Biotechnologie werden, wie in den anderen Biotechnologien auch, verschiedene Möglichkeiten der Biokonversion (Biokatalyse) eingesetzt, wie zum Beispiel die Gewinnung von bestimmten Stoffwechselabfällen oder -produkten (Katabolismus bzw. Anabolismus).

Die Auswahl eines in der biotechnologischen Anwendung eingesetzten Organismus kann zum Beispiel erfolgen, weil er bereits die Fähigkeit zur entsprechenden Biokonversion besitzt. Durch Zucht, Mutation und Selektion mit konventionellen, nicht gentechnischen Methoden kann die Ausbeute gesteigert werden. In biotechnologischen Anwendungen eingesetzte Enzyme für die Biokonversion, wurden, bevor gentechnische Methoden verfügbar waren, meist aus bestimmten Organismen oder Organen gewonnen, wie zum Beispiel Lab aus Kälbermägen.

Durch die Entwicklung gentechnischer Methoden stehen der Weißen Biotechnologie (auch als Weiße Gentechnik bezeichnet) deutlich erweiterte Möglichkeiten zur Verfügung. So können bereits eingesetzte Organismen, zum Beispiel durch gerichtete Evolution oder metabolic engineering, so optimiert werden, dass sie höhere Ausbeuten liefern.^[3] Eine weitere Option ist, bisher nicht mögliche Biokonversionen für den industriellen Einsatz verfügbar zu machen. Ein Hindernis war zum Beispiel, dass viele Organismen sich für den Einsatz in der Weißen Biotechnologie nicht eigneten, zum Beispiel weil sie nicht oder zu schlecht in Fermentern (Bioreaktoren) kultiviert werden konnten. Mit gentechnischen Methoden kann es möglich sein, das oder die benötigten Gene in eine gut kultivierbare Art zu übertragen. Das letztlich interessierende Produkt kann zum Beispiel die chemische Verbindung sein, die von dem Enzym gebildet wird, das durch dieses Gen codiert wird. Aber auch das Enzym (Protein) selbst kann das gewünschte Produkt sein. Ein bekanntes Beispiel ist die Herstellung des Peptidhormons Insulin mit Bakterien, die die Gewinnung aus Schweinebauchspeicheldrüsen ablöste.^[3]

Ein neuer Ansatz ist die Analyse von Metagenomen (Metagenomik). Lange konnten nur Gene bzw. Enzyme für die Biotechnologie nutzbar gemacht werden, die aus Organismen stammten, die zumindest unter Laborbedingungen kultivierbar waren. Mit neueren molekularbiologischen Methoden stehen nun ganze Metagenome (die Gesamtheit der Gene aller Arten zum Beispiel in einem Biotop) zur Verfügung. Insbesondere von den geschätzten zwei Milliarden Arten von Mikroorganismen, von denen bisher nur wenige kultiviert werden konnten, verspricht man sich neue und bessere Enzyme für biotechnologische Anwendungen.^[3]

Anwendungsgebiete

Die Anwendungsmöglichkeiten für biotechnologische Methoden sind sehr vielfältig. Im Folgenden ist nur eine kleine Auswahl von Beispielen aufgeführt.

Substitution fossiler Energieträger

Bioethanol wird heute in großem Maßstab für die Verwendung als Treibstoff erzeugt

Bioethanol, Biogas und Biowasserstoff können aus Biomasse (Nachwachsenden Rohstoffen (Nawaros)) gewonnen werden. Die wirtschaftliche Bedeutung von Bioethanol und Biogas hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen.

• Bioethanol: Aus zucker- und stärkehaltigen Rohstoffen (Zuckerrüben, Maiskorn, Getreidekorn oder bestimmte organische Abfälle) kann durch Ethanolgärung Ethanol erzeugt werden. Auch das bisher schwer zu erschließende Polysaccharid (Vielfachzucker) Cellulose soll zukünftig enzymatisch erschlossen werden können und zur Herstellung von sogenanntem Cellulose-Ethanol dienen.
• Biogas: Durch anaeroben Abbau von Biomasse einschließlich einer Methanfermentation wird in Biogasanlagen das energiereiche Biogas erzeugt.
• Biowasserstoff: Der Energieträger Wasserstoff kann durch mikrobiologische Fermentationsprozesse aus organischem Material oder durch abgewandelte photosynthetische Prozesse mit Algen in Photobioreaktoren gewonnen werden.

Antibiotika

Antibiotika dienen der Behandlung von Infektionskrankheiten und zählen zu den am häufigsten verschriebenen Medikamenten.

Ein bekanntes Beispiels für ein Breitbandantibiotikum ist das Cephalosporin. Es gehört, wie das Penicillin, zu den β-Lactam-Antibiotika und wird aus dem Hauptausgangsstoff 7-Amino-Cephalosporansäure abgeleitet. Bei der Produktion mit einem biotechnologischen Verfahren sind Zimmertemperatur, Wasser als Lösungsmittel und keine großen Mengen toxischer Stoffe oder Schwermetalle notwendig. Das Abwasser kann danach im Wesentlichen biologisch gereinigt werden. Die Herstellung ist somit ökonomisch und ökologisch vorteilhaft gegenüber chemischen Verfahren.

Nahrungsmittelzusätze

Zunehmend wird versucht, den Nährwert von Nahrungsmitteln zu erhöhen (Functional Food), indem bestimmte Verbindungen zugesetzt werden, die ansonsten nicht oder in nur geringer Menge vorhanden sind.

Vitamine

Komplexe Verbindungen wie Riboflavin (Vitamin B2) sind mit biotechnologischen Methoden einfacher herzustellen als durch chemische Verfahren

Vitamine werden vom Körper für lebenswichtige Funktionen benötigt und müssen mit der Nahrung oder im Mangelfalle über Nahrungsergänzungsmittel aufgenommen werden. Noch in den 1990ern wurde beispielsweise Vitamin B2 durch ein chemisches Verfahren in einem achtstufigen Syntheseprozess hergestellt. Heute wird mit einer einstufigen Fermentation ein biotechnologisches Verfahren angewendet. Dadurch konnten 40 % der Kosten, 60 % der Rohstoffe, 30 % der CO₂-Emissionen und 95 % der Abfälle eingespart bzw. vermieden werden.^[4]

Aminosäuren

Mehrere Aminosäuren werden heute in großtechnischem Maßstab in biotechnologischen Verfahren hergestellt.

Eine große Bedeutung hat L-Lysin. Für viele Nutztiere ist es eine essenzielle Aminosäure und in verbreiteten Futtermitteln wie Sojamehl in geringer Konzentration vorhanden. Jährlich werden rund 1 Mio. t als Futtermittelzusatz in der Geflügel- und Schweinemast eingesetzt. Bei der fermentativen Herstellung mit Bakterien wird als Rohstoff vor allem Zucker eingesetzt.^[4]

Ende der 1980er Jahre stellte Showa Denko mithilfe transgener Bakterien die Aminosäure Tryptophan her, wodurch gleichzeitig versehentlich ein unerwünschtes Toxin produziert wurde, an dem 37 Menschen starben (sogenanntes Eosinophilie-Myalgie-Syndrom (EMS)).^[5]

Enzyme

Die Verwendung biotechnologisch hergestellter Enzyme in der Medizin ist vielfältig: Enzyme werden in Therapie und Diagnose eingesetzt. Erst mit den Fortschritten der biotechnologischen Forschung der vergangenen Jahrzehnte hat sich das ökonomische Potenzial therapeutischer Enzyme entwickeln können. Durch die Verfahren der Weißen Biotechnologie können Enzyme preisgünstig sowie mit hoher Leistungsfähigkeit und Selektivität hergestellt werden.

Die so genannten therapeutischen Enzyme werden direkt als Medikamente verwendet (z.B. Lipasen, Lysozym, Thrombin und andere).

In der Lebensmittelindustrie werden mehr als 40 Enzyme in zahlreichen Produktionsprozessen eingesetzt. Enzyme modifizieren Stärke (Modifizierte Stärke), optimieren Fette und Eiweiße, sie stabilisieren aufgeschlagene Schäume und Cremes und verbinden zusammengefügte Fleischteile zu Kochschinken oder Brühwurst (Formfleisch). Enzyme sorgen für die Bissfestigkeit von Cornflakes, die Gefrier-Tau-Stabilität eines Fertigteiges, die gleichmäßige Qualität von Eiswaffeln oder verhindern das Kleben von Nudeln nach dem Kochen. Enzyme konservieren Mayonnaise und Eiprodukte, steuern die Reifung von fermentierten Lebensmitteln und Getränken, sie ermöglichen intensivere Aromen, spalten aus Butter-, Käse- oder Rahmaromen Fettsäuren ab oder bilden aus Eiweißen Würze oder Bratengeschmack.

Enzyme in Wasch- und Reinigungsmitteln

Waschmittel enthalten bestimmte Enzyme (zum Beispiel Lipasen, Proteasen, Amylasen), die helfen, Verschmutzungen mit Fett, Protein (Eiweiß, zum Beispiel Blut, Eigelb) und Stärke durch Zerlegung in wasserlösliche Bestandteile zu entfernen. Die dadurch verbesserte Waschwirkung erlaubt das Herabsetzen der Waschtemperaturen und Waschdauer und eine Verringerung des Wasser-, Waschmittel- und Energieverbrauchs gegenüber enzymfreien Waschmitteln.

Zunächst erfolgte die biotechnologische Herstellung der Enzyme mit nicht gentechnisch veränderten Mikroorganismen, die durch Selektion optimiert worden waren. Seit den 1980ern wird die Gentechnik eingesetzt, um höhere Ausbeuten zu erzielen und weitere Enzyme nutzbar zu machen.^[6]

Hormone

Das Hormon Insulin (ein Peptidhormon) kann fermentativ durch Bakterien erzeugt werden

Die Zuführung von Hormonen ist in der Medizin bei verschiedenen Krankheiten erforderlich (zum Beispiel Wachstums- oder Wechseljahresbeschwerden, Krebstherapie und andere).

Die schmerz- und entzündungslindernde Wirkung des Steroidhormons machte beispielsweise Cortison als Medikament interessant. Die aufwändige chemische Synthese in 37 Schritten wurde durch die ökonomischere biotechnologische Herstellung in 11 Schritten ersetzt. Unter anderem wurde die Stoffwechselleistung des Pilzes Rhizopus arrhizus verwendet. Mit Hilfe weiterer biotechnologischer Prozesse konnte darüber hinaus der Ausgangsstoff für die Cortison-Synthese, Diosgenin, der aus der mexikanischen Yams-Wurzel gewonnen wurde, ersetzt werden.

Textilindustrie

Zum Bleichen von Textilien wird in der Textilindustrie Wasserstoffperoxid (H₂O₂) genutzt. Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel, das nach dem jeweiligen Bleichprozess wieder vollständig aus dem Textilmaterial entfernt werden muss. Im konventionellen Verfahren wird Wasserstoffperoxid durch zweistündiges Spülen mit heißem Wasser (80-95 °C) beseitigt. Trotz hohem Verbrauch an Wasser und Energie gelingt jedoch eine vollständige Entfernung des Bleichmittels erst durch Nachbehandlung mit verschiedenen Chemikalien.

In dem biotechnologischen Verfahren wurde zur Entfernung des Bleichmittels Wasserstoffperoxid ein enzymatischer Prozess entwickelt. In diesem biotechnologischen Verfahren wird zur Nachbehandlung der Textilien das Enzym Katalase eingesetzt. Dieses Enzym baut das Wasserstoffperoxid innerhalb von wenigen Minuten bei 30-40 °C zu Wasser und Sauerstoff ab.

Statt zweier Spülzyklen muss zur Entfernung des Bleichmittels nur noch ein Spülschritt mit warmem Wasser durchgeführt werden.

Biopestizide

Der weltweite Markt für Biopestizide, wie zum Beispiel Mitteln für die Unkrautbekämpfung mit Mikroorganismen oder deren Produkten, wächst stark.

Ein Beispiel für Biopestizide ist die Produktion des Toxins des Bodenbakteriums Bacillus thuringiensis. Das so genannte Bt-Toxin, ein Protein, wirkt auf verschiedene Insekten toxisch, für andere Organismen ist es aber ungiftig. Das Toxin wird fermentativ hergestellt und in Form einer Suspension eingesetzt. (In der Grünen Biotechnologie wurde das Gen des Bt-Toxins in Pflanzen übertragen (zum Beispiel Bt-Mais), so dass sie das Protein selbst synthetisieren können.)

Biokunststoffe

(siehe auch Artikel Biokunststoffe)

Mulchfolie aus Biokunststoff (PLA-Blend Bio-Flex)

Die biotechnologische Herstellung von Bausteinen (Monomeren) für die Kunststoff- und Polymerherstellung ist ein weiteres zukunftsträchtiges Feld biotechnologischer Verfahren. An der Entwicklung zum Beispiel von biologisch abbaubaren Polymeren wird seit vielen Jahren intensiv geforscht. Erste Anwendungen sind auf dem Markt. Aber auch nicht biologisch abbaubare Biokunststoffe werden entwickelt. Durch diese biotechnologische Verfahren werden petrochemische Verfahren zur Herstellung bestimmter Polymere ersetzt oder neue Polymere mit neuen Eigenschaften entwickelt. Bekannte Beispiele sind Polymilchsäure (Polylactid, PLA) und Polyhydroxyalkanoate wie zum Beispiel Polyhydroxybutyrat (PHB).

Ausblick

Die Weiße Biotechnologie gehört zu den sogenannten Schlüsseltechnologien unserer Zeit. Es ist davon auszugehen, dass durch gezielte Nutzung der vielen Mikroorganismusspezies und deren biotechnologische Verbesserung sehr viele industrielle Prozesse kostengünstiger (weniger Prozessstufen, weniger Material- und Energieeinsatz) und ökologischer (weniger sowie umweltverträglichere Reststoffe und Emissionen) gestaltet werden können. Darüber hinaus können sich die Investitionen durch die Nutzung der Mikroorganismen und es werden nachwachsende Rohstoffe für die industrielle Nutzung erschlossen.

Neben den Produktionskosten wird auch die Kundenakzeptanz die entscheidende Triebkraft für den Wechsel von konventionellen zu biotechnologischen Produktionsverfahren sein, insbesondere wenn auch gentechnische Verfahren eingesetzt werden.

Literatur

• Bundesministerium für Bildung und Forschung (2007): Weiße Biotechnologie - Chancen für neue Produkte und umweltschonende Prozesse. (PDF-Datei; 2,23 Mb)
• Garabed Antranikian: Angewandte Mikrobiologie, 1. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7

Siehe auch

• Bioraffinerie

Weblinks

• Portal Biotechnologie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung inklusive einer Definition von Biotechnologie und Weißer Biotechnologie
• BioIndustrie 2021 Förderprogramm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
• European Association for Bioindustries

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Umfrage der Informationsplattform biotechnologie.de im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)
2. ↑ "Information zur Biotechnologie" auf der Informationsseite zum Studiengang "Industrielle Biotechnologie" der Hochschule Ansbach
3. ↑ ^{a b c} Garabed Antranikian: "Angewandte Mikrobiologie", 1. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7.
4. ↑ ^{a b} Presseinformation des Verbandes der Chemischen Industrie (VCI) Biotechnologie - Eine Zukunftstechnologie eröffnet neue Wege, Rede vom 18. September 2008
5. ↑ Jeffrey M. Smith: Trojanische Saaten, Riemann 2004, ISBN 3-5705-0060-8. Kaptitel 4: Über das von Showa Denko auf gentechnischem Weg hergestellte L-Tryptophan, das das Eosinophilie-Myalgie-Syndrom auslöste, an dem 37 Menschen starben und über 1500 erkrankten.
6. ↑ Informationen der Henkel AG "Biotechnologisch hergestellte Waschmittel-Enzyme", abgerufen am 1. Januar 2010