5. Fachdialog

Wolfgang Kroutil, Universität Graz, Professor für Biokatalytische Synthese am Institut für Chemie, eröffnete die Fachvorträge mit seiner Präsentation „Bio-Katalysatoren in der Herstellung von Pharmazeutika und Aromaverbindungen“:

Biokatalysatoren bzw. Enzyme sind aus Aminosäuren aufgebaut und können über biotechnologische Verfahren im großen Maßstab hergestellt werden. Sie werden aus nachwachsenden Rohstoffen gebildet (Zucker, Aminosäuren, Salze) und sind auch biologisch abbaubar. In der Natur sind die Biokatalysatoren für sämtliche Umsetzungen im Metabolismus zuständig. Entgegen ursprünglichen Vorstellungen können Biokatalysatoren auch nicht natürliche Substanzen umsetzen. Das tun sie mit hoher Selektivität, meistens viel besser als ein chemischer Katalysator. Im Vortrag werden Beispiele gezeigt, bei denen die Herstellung von bioaktiven Stoffen/APIs abgekürzt werden. In einer weiteren Anwendung wird demonstriert, wie Biokatalyse zur Herstellung von natürlichen Aromen eingesetzt wird. In einem abschließenden Beispiel wird veranschaulicht, dass Biokatalysatoren zueinander sehr gut kompatibel sind, was die Möglichkeit erlaubt mehrere chemische Reaktionsschritte simultan durchzuführen.

Daraufhin berichtete Christoph Herwig, Leiter der Forschungsgruppe Bioprocess Technology an der Technischen Universität Wien, in seinem praxisnahen Vortrag über die Möglichkeiten der „Optimierung biotechnischer Prozesse zur effizienten Herstellung Grüner Chemikalien“:

Der Vortrag motiviert die Intensivierung von systematischer und quantitativer Bioprozesstechnologie für die Entwicklung von robusten Produktionsprozessen für die Herstellung von wertgeschöpften Produkten aus erneuerbaren und rezyklierten Reststoffen.

Dazu werden zunächst verschiedene Beispiele genannt, wie CO₂ in Produkten der Grünen Chemie (Acetat, Bioplastik und Flugbenzinersatz) fixiert werden kann. Die Bioprozesstechnologie legt dabei ihren Schwerpunkt auf die Sicherstellung der Robustheit und Skalierbarkeit; dabei ist der Variabilität des Ausgangsmaterials besonderer Augenmerk zu schenken. Dies wird illustriert an den Beispielen der Nutzung von industriellen, nicht biologischen Restströmen sowie aus Restströmen der Zellstoffindustrie. Dabei ermöglicht der Einsatz der Kombination von extremophilen Organismen und physiologischen Prozessverständnis hoch wertgeschöpfte Produkte zu bilden, sowie die Reststoffe einem Upcycling zurückzuführen.

Zur Etablierung von hoch effizienten Verfahren zur Herstellung von Produkten der Grünen Chemie müssen verschiedene Reaktionsschritte, Reststoff- und Produktströme intelligent verschaltet werden. Dies schließt die Kombination mit rein chemischen Reaktionsschritten mit ein.

Was sind die Erfolgsfaktoren für die Entwicklung solcher Prozesse? Es muss ein systematischer Ansatz zur Gewinnung von Prozessverständnis angewandt werden, welche Methoden zur Umwandlung von Daten in Information und skalierbaren Wissen ermöglicht. Das Wissen wird in digitalen Zwillingen gespeichert und in intelligenten Kontrollstrategien, auch mittels künstlicher Intelligenz, wieder zur Verfügung gestellt. Daher ist die Digitalisierung und die Industrie 4.0-Initiative ein wesentlicher Faktor, um Produkte der Grünen Chemie in Europa wirtschaftlich und nachhaltig zum Erfolg zu führen.

Martin Wimmer, Ministerialrat in der Abteilung Chemiepolitik und Biozide im BMK erläuterte den Begriff „Grüne Chemie“ und dessen Kontext nach dem Verständnis der Plattform Grüne Chemie (PCG):

Gemeinsam mit dem Ziel der Erreichung von Klimaneutralität (Rio Erklärung) ergeben sich aus den in der Chemikalienstrategie CSS verankerten Hauptzielen drei generelle, sich unterstützende Ziele für die Chemikalienpolitik:

• Sichere Chemikalien
• effizienter Einsatz von Energie und Ressourcen
• Kreislaufwirtschaft

Unter Berücksichtigung der von den beiden Chemikern J. Warner und P. Anastas für den Bereich der Synthesechemie aufgestellten 12 Grundsätze der Grünen Chemie wurden von der Arbeitsgruppe fünf Ziele festgelegt, die ihrer Meinung nach zu den wichtigsten Grundsätzen für die Entwicklung neuer Chemikalien werden sollen: geringes Gefahrenpotenzial, Sicherheit und Kontrolle, effiziente Prozesse, erneuerbare Ressourcen und Abfallminimierung.

Diese fünf Ziele sollen maßgeblich dazu beitragen, dass:

• das Gefährdungspotenzial von Chemikalien für Mensch & Umwelt laufend verringert wird,
• die Prozesse zur Herstellung von Chemikalien – von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Vermarktung von Stoffen und Gemischen – nachhaltig sowie treibhausgas- und ressourcenminimierend erfolgen,
• der Einsatz von Chemikalien in der Konsumgüterproduktion von den Grundsätzen der Sicherheit und Nachhaltigkeit getragen wird und

• die Abfälle und Reststoffe, die im gesamten Lebenszyklus einer Chemikalie entstehen, soweit sie nicht vermeidbar sind, wieder in den stofflichen Kreislauf zurückgeführt werden.

Er betonte, dass die Arbeitsgruppe die Grüne Chemie nicht als neues Fachgebiet ansieht. In dieser Form soll die Grüne Chemie den Grundpfeiler der Chemikalienpolitik im Rahmen des Green Deals spielen. Im Anschluss seiner Präsentation verwies er daher darauf, dass die europäischen Regulatoren und die darin enthaltenen Begriffsbestimmungen den Rahmen dieser Definition bilden.

Georg Gübitz, Leiter des Departments für Agrarbiotechnologie an der BOKU Vienna, referierte über „Die Grünen Polymere und Enzyme“:

Die Forschung befasst sich mit der Entwicklung und Analyse von Enzymen zur Biodegradation, welche eine stoffliche Wiederverwertung ermöglichen. Enzyme sind selbst hochspezifische Katalysatoren, die aufgrund ihres biologischen Ursprungs selbst bioabbaubar sind und daher auch unter „milden“ Bedingungen - also ohne Einsatz von gefährlichen Chemikalien – einsetzbar sind.

Zuletzt stellte sich heraus, dass diese Enzyme nicht nur Verbindungen biologischen Ursprungs abbauen können, sondern auch Kunststoffe wie zum Beispiel PET. Die so entstandenen Monomere können somit einer stofflichen Verwertung zugeführt werden.

Auf dem Weg die Einsatzbandbreite sowie Effizienz zu erhöhen, müssen diese Enzyme zuerst entdeckt und identifiziert werden. Deswegen umfasst ein großer Teil der Arbeit das „Screenen“ von Mikroorganismen. Werden hierbei vielversprechende Enzymkandidaten identifiziert, so können diese gezielt verbessert („Engineering“) und Anwendungsmöglichkeiten gefunden („Applications“) werden.

Mit den so entwickelten hochspezifischen Biokatalysatoren kann nicht nur Plastik biorezykliert, sondern auch die selektive Trennung und Rückgewinnung von (synthetischen) Textilfasern für das Recycling in der Textilindustrie ermöglicht werden. Der mittels Enzymen durchgeführte Abbau von Baumwolle zu Zellulose wird erst seit kurzer Zeit genutzt. Durch die hohe Spezifität der eingesetzten Enzyme ist es möglich, aus textilen Restströmen multi-materialer Zusammensetzung Zellulose als wertvolle Bausteine stufenweise gezielt und schonend abzutrennen und bestimmte Additive (beispielsweise Flammschutzmittel) oder synthetische Fasern (beispielsweise Polyester, Aramide) im Kreis zu führen und somit wiederzuverwerten. Auch die so gewonnene Zellulose wird einer weiteren stofflichen Wiederverwertung zugeführt.

Astrid Mach-Aigner, Leiterin der Forschungsgruppe Synthetische Biologie und Molekulare Biotechnologie TU Wien, erklärte „Die Rolle der Molekulargenetik bei der Entwicklung grüner Synthese, von der Biomasse zum hochwertigen Produkt“ anhand von Pilzen in der Ganzzellbiokatalyse:

Das zugrundeliegende Konzept ist die Absicht, nachwachsende Rohstoffe, die weder als Lebens- noch als Futtermittel genutzt werden und derzeit somit als Reststoffe zu betrachten sind, als Ausgangsstoffe für die Herstellung hochwertiger Produkte zu verwenden. Da es sich bei solchen Reststoffen, chemisch gesehen, oft um komplexere Biopolymere wie Lignozellulose oder Chitin handelt, funktioniert das am besten, wenn zuerst eine Zerlegung der Polymere in deren Oligo- oder Monomere erfolgt.

Der filamentöse Pilz Trichoderma sp., der evolutiv einen saprotrophen Lebensstil entwickelt hat, tut das von Natur aus, um aus toter Biomasse Oligo- oder Monomere zur Aufrechterhaltung des eigenen Stoffwechsels zu gewinnen. Dazu synthetisiert der Pilz Enzyme, die den Abbau der Biopolymere katalysieren. Optimalerweise stellt der Pilz, der gegebenenfalls durch molekulargenetische Methoden angepasst werden muss, aus den Oligo- oder Monomeren dann im Zuge einer Kultivierung aus den erwähnten Ausgangsstoffen das hochwertige Zielprodukt her. Eine solche Methode wird auch als Ganzzellbiokatalyse bezeichnet.

In weiterer Folge wurden drei unterschiedliche Beispiele von hochwertigen Produkten, die auf diese Art in der Forschungsgruppe synthetisiert werden konnten, besprochen. Das erste Beispiel behandelte die Herstellung von N-Acetylneuraminsäure, die eine wichtige Basis für Medikamente gegen Influenza darstellt und aus Krabbenschalen (Chitin) gewonnen wird. In einem zweiten Beispiel wurde die biotechnologische Herstellung des Zuckerersatzstoffes Erythritol aus Weizenstroh erläutert. Die letzte gezeigte Anwendung beschäftigte sich mit der Lösung von Problemen, die die großindustrielle Herstellung der zuvor genannten Enzyme mit sich bringt, die selbst ein wichtiges Produkt darstellen, das in vielen Industriezweigen benötigt wird.