Biotechnologie ganz groß!
Betriebsleiter Schulz steht auf der Verladerampe der Fabrik und überwacht die Anlieferung der biogenen Rohstoffe. Grasschnitt, Laub und andere pflanzliche Reststoffe werden abgekippt und wandern direkt weiter zur enzymatischen Verzuckerung. In der riesigen Multifunktionsanlage werden die Rohstoffe bei fast 100 Grad Celsius von Extremozymen hydrolysiert und die freigesetzten Zucker anschließend durch fraktionierte Kristallisation aufgetrennt. Dann werden sie in die unterschiedlichen Produktionseinheiten gepumpt. Hier entstehen große Mengen an Grundchemikalien wie Aceton, Butanol oder Ethanol, das vorwiegend als Kraftstoff Verwendung findet. Die Verfahren weisen gegenüber den früheren auf Rohölbasis eine ganze Reihe von Vorteilen auf. Auch die Herstellung von Spezialchemikalien ist in den letzten Jahren immer interessanter geworden. Mit Hilfe von gezielt dafür konstruierten Enzymen lassen sich immer kompliziertere chemische Synthesen durchführen und hochpreisige Produkte herstellen. Das Unternehmen konnte vor wenigen Monaten sogar die weltweit erste Anlage zur enzymatischen Halogenierung in Betrieb nehmen. Die Firma hat aber nicht nur verschiedene Innovationspreise, sondern auch einen bedeutenden Umweltpreis erhalten. Denn dank der intelligenten Syntheseplanung können fast alle ihre Produkte in der Natur schnell und umweltfreundlich abgebaut werden.
Status Quo
 In der chemischen Industrie ist die Bedeutung der so genannten Weißen Biotechnologie, der Einsatz biotechnologischer Verfahren wie Biokatalyse und Ganzzellbiotransformation in den letzten Jahren stetig gestiegen. Ihr Potenzial als ökologisch vorteilhafte und dabei auch ökonomisch erfolgversprechende Technologie steht in vielen Bereichen außer Frage. Bei Stoffwandlungen mit einer kompletten Neuorganisation des Kohlenstoffskelettes in einem verfahrenstechnischen Schritt zeigen Biokatalysatoren (Enzyme oder ganze Zellen) ihre Stärke, und das mit einer hohen Regio- und Stereoselektivität bei niedrigen Temperaturen und Normaldruck. Diese Vorteile kombiniert mit hohen Raum-Zeit-Ausbeuten, vergleichsweise preiswerten, nachwachsenden Ausgangstoffen sowie einer oftmals besseren Umweltverträglichkeit der Prozesse haben dazu geführt, dass die Anzahl der in der Industrie genutzten biokatalysierten Prozesse auf ca. 130 gestiegen ist.
Die meisten der bisher mit Biokatalysatoren hergestellten Produkte sind hochpreisige Feinchemikalien und Spezialitäten, die meist in kleineren Produktionseinheiten für einen Weltmarktbedarf von bis zu einigen 1000 Tonnen pro Jahr produziert werden.
Jedoch ist zu erwarten, dass die Weiße Biotechnologie in Form des Einsatzes von Biokatalysatoren auch bei der Produktion von Massenchemikalien in Zukunft stärkeres Gewicht gewinnt. Schon jetzt werden weltweit Bioreaktoren mit 500 m³ Größe (und mehr) zur Herstellung von Massenprodukten wie dem Geschmacksverstärker L-Glutamat, dem Futterzusatzstoff L-Lysin, der Antibiotikaherstellung, der Vitaminproduktion oder der Erzeugung von Zitronensäure und Milchsäure eingesetzt. Allerdings wurde die Beschränkung auf die natürlich zur Verfügung stehenden Enzyme bisher als die große Einschränkung in der Entwicklung effizienter biokatalytischer Verfahren in der Industrie angesehen. Aus diesem Grund haben verschiedene Chemie-Firmen das Genom interessanter Biokatalysatoren wie z.B. Corynebacterium glutamicum - einem für die Aminosäureproduktion bereits seit 1957 bekannten Bakterium - zusammen mit entsprechend spezialisierten Partnern entschlüsselt. Die gewonnenen Informationen über den Stoffwechsel und die darin involvierten Enzymsysteme sollen zur Optimierung der biotechnischen Aminosäure-Produktion genutzt werden. Spezialfirmen für Sequenzanalysen sind umfangreiche Kooperationen mit führenden Life Science Unternehmen eingegangen. Diese Kooperationen sollen Grundlagen für neue biokatalytische Industrieprozesse liefern, beispielsweise für die Biotransformation von Methan zu Methanol als Baustein in der Petrochemie.
 Ingenieuren, die früher klassischerweise den Bau großer Chemie-Produktionsanlagen durchführten, kommt dabei heutzutage immer mehr die Aufgabe zu, die kleinen lebenden Biokatalysatoren (Mikroorganismen) quantitativ zu verstehen. In enger Zusammenarbeit mit Molekularbiologen und mit detaillierter Kenntnis der zugrunde liegenden Biochemie, liegt es an ihnen, z.B. Reaktionsgeschwindigkeiten in den lebenden Zellen zu berechnen, die nicht direkt erfassbar sind, um so zusammen mit anderen Experten mögliche Reaktionsengpässe in dem Biokatalysator zu entdecken und zu eliminieren. In Anbetracht der mehreren Hundert bis Tausend parallel ablaufenden Reaktionen allein in einem einfachen Bakterium wie Escherichia coli, ist dies offensichtlich keine leichte Aufgabe. Jedoch, das Ziel lohnt sich:
Der weltweite Marktanteil biotechnologischer Verfahren im Bereich der Feinchemikalien wird seitens der Industrie auf 50 Mrd. US$ geschätzt (Gesamtvolumen 800 Mrd. US$). Für weitere 200 Mrd. US$ seien Potenziale in der Forschung vorhanden, die innerhalb der nächsten 10 bis 20 Jahre in der Industrie umgesetzt werden. Beispiele hierfür sind die biotechnische Produktion von Ascorbinsäure (Pilotanlage in Betrieb genommen) oder die Produktion von Methoxyisopropylamin (Industrieanlage mit 2.500 t/a). Erst kürzlich hat ein Unternehmen die E. coli basierte Produktion von 1,3-Propandiol als Ausgangsstoff zur Kunststoffherstellung im Maßstab mehrerer zehntausend Tonnen angekündigt. Wie aber muss eine optimierte Prozessführung aussehen, die es schafft, Produktivitäten zu erreichen, wie sie bisher nur in der klassischen chemischen Industrie üblich sind. Welche Anstrengungen sind zu bewältigen, um die im Eingangstext beschriebene "Bioraffinerie" wirklich aufbauen zu können? Welche neuen Enzymsysteme müssen nutzbar gemacht werden und welche Anforderungen sind an die Prozesstechnik zu stellen?
Perspektiven
Verschiedene Schätzungen gehen davon aus, dass es 6.000 - 7.000 Enzyme gibt, von denen ungefähr 3.000 in ihrer Funktion beschrieben worden sind. Interessanterweise werden bisher nur etwa 130 dieser Enzyme isoliert oder als Bestandteil ganzer Zellen industriell genutzt. Von diesen ist die Mehrzahl mikrobiellen Ursprungs, da mikrobielle Enzyme in der Regel stabiler sind als ihre entsprechenden Analoga in Tieren oder Pflanzen. Besonders robuste Enzyme für den industriellen Einsatz sind aus Extremophilen zu erwarten, die sich an lebensfeindliche Milieus (Geysire, Sodaseen, Mittelozeanischer Rücken usw.) angepasst haben.
 Beispielsweise ließe sich durch den Einsatz von regioselektiven Halogenasen eine wirtschaftlich sehr interessante Alternative zur herkömmlichen Halogenchemie aufbauen. Wie viele eindrucksvolle Experimente mit z.B. Lipasen und Oxygenasen zeigen, lassen sich durch Punktmutationen , DNA-Shuffling-Techniken , Error-prone-PCR etc. Toleranz und Spezifität von Enzymen modulieren. Durch ungewöhnliche Umgebungen, wie nicht-wässrige Lösemittel oder überkritisches CO2 , lässt sich das Katalysepotenzial von Biokatalysatoren ganz neu beeinflussen und verändern.
Diese neuen molekularbiologischen Methoden werden es erlauben, neue Biokatalysatoren zu entwickeln, die "klassische" chemische Reaktionen ersetzen werden. Im Mittelpunkt zukünftiger Entwicklungen von Bioprozessen steht ein optimiertes Reaktordesign, welches bessere Raum-Zeit Ausbeuten des Prozesses ermöglichen und die korrekte räumliche Anordnung der beteiligten biologischen Komponenten garantieren soll. In natürlichem Umfeld sind Zellen oder Enzymkomplexe in ein komplexes Regelwerk eingebettet. Regelstrukturen halten einerseits die Funktionalität innerhalb der Zellen aufrecht. Andererseits existieren Regelstrukturen, die das Zusammenwirken der Zellen in einem Verband organisieren und gegebenenfalls in die gewünschte Richtung treiben.
Seit den Anfängen der Fermentations- und Enzymtechnik hat sich in der Reaktortypentwicklung wenig getan. Natürlich wurden Verbesserungen und Optimierungen hinsichtlich diverser Kriterien durchgeführt (z.B. Belüftung, Sterilität), doch lassen sich alle Variationen mit einem unterschiedlichen Übereinstimmungsgrad auf den Rührkessel- oder Rohrreaktor zurückführen. Im Grunde bestand und besteht auch keine Notwendigkeit bei submersen Kulturen bzw. Immobilisaten davon abzuweichen. Doch es treten zunehmend Prozesse in den Vordergrund, bei denen die biologischen Komponenten in einem räumlichen Geflecht assoziiert sind. Nur in dieser Struktur werden die gewünschten Transformationen durchgeführt bzw. entstehen die Zellverbände, auf die man abzielt. Es entstehen Biofilme um die Aufwuchskörper. Diese Filme führen aber im Vergleich zu submersen Kulturen zu Veränderungen der Stoff- und Wärmetransportcharakteristika, denen im Prozessdesign und in Prozessführung Rechnung getragen werden muss. Die Lage wird darüber hinaus noch komplizierter, wenn der entstehende Zellverband eine bestimmte Geometrie aufweisen muss. Die dafür verwendeten Reaktortypen müssen dann selbst in ihrer räumlichen Gestaltung darauf abgestimmt sein und den Aufbau dieser Geometrie fördern. Hinsichtlich der Produktion des Zielprodukts müssen sie die Zellen optimal mit Nährstoffen versorgen, wobei dies nicht immer mit einer maximalen Wachstumsrate gekoppelt ist.
Das bedeutet, dass es nicht einen Reaktor von der Stange gibt, sondern die Reaktoren sowohl auf den Metabolismus der Zelle als auch auf die gewünschte Geometrie abgestimmt werden müssen. Es müssen Reaktorschablonen ähnlich einem Baukastensystem entstehen, die zielgerichtet auf die Prozessgröße hin optimiert werden. Neben dem Kopieren natürlicher Vorbilder und der Definition im Experiment treten vor allem modellunterstützte Verfahren in den Vordergrund. Mittels numerischer Simulation (CFD, computional fluid dynamics) lassen sich verschiedene Geometrien im Rechner auf ihre Tauglichkeit hin prüfen. Ähnlich der Simulation von Crashtests in der Automobilindustrie können so aufwändige und zeitraubende experimentelle Designs vermieden werden. Dies eröffnet völlig neue und notwendige Wege im Reaktordesign. Durch den Einsatz von Mini- und Mikroreaktoren wird es möglich sein, großtechnische Prozesse im kleinen Maßstab abzubilden und numerische Simulationen zu verifizieren.
 Neben einem auf den jeweiligen Bioprozess angepassten Reaktordesign ist auch die Regelung des Prozesses ein wesentlicher Faktor. Bis auf wenige summarische Prozessgrößen, wie pH-Wert, Temperatur und Sauerstoff können biochemische Leitkomponenten heute nicht geregelt werden. Durch die Einbeziehung neuer Prozessgrößen, die Veränderungen im Metabolismusin statu nascendi reflektieren, wie Wärmeproduktion, Veränderungen elektrischer Wechselfelder, Fluoreszenz usw. wird es gelingen, Variationen, Instabilitäten und Fehlverläufe zu vermindern. Ein festgelegtes Prozessdesign wird aber umso wichtiger, denn immer mehr Produkte erfordern die Einstellung eines definierten Stoffwechselzustandes. Nur wenn es durch die Prozessgestaltung und durch die Prozessführung gelingt, die Zellen in diesen Metabolismus zu führen und zu halten, lassen sich effektive Transformationen der Zielgrößen erreichen. Das Arbeiten wird zudem erschwert, wenn poly- oder omnipotente Zellen mit dem Potenzial der Zelldifferenzierung vorliegen. Hierbei werden durch die Adaption auf die Milieubedingungen gänzlich neue Zelleigenschaften provoziert. So besteht in den nächsten Jahren eine bedeutende Aufgabe darin, Regelkreise technisch so aufzubauen, dass Stoffwechselwege gezielt eingestellt und beibehalten werden können. Nur so kann es gelingen, Ziel- und Wirksubstanzen, die insbesondere für therapeutische Zwecke entwickelt werden, wirtschaftlich zu produzieren.
Bisherige Prozessentwicklungen gehen in der Regel empirisch vor bzw. werden durch leichte Abwandlung bestehender Prozesse konstruiert. Im Labor erzielte Ergebnisse können aber oftmals im Produktionsmaßstab nicht reproduziert werden oder die Zellen stellen gar ein vollständig anders Produkt her. Ein besseres Verständnis der Vorgänge im Up- und Downscaling (d.h. innerhalb der Maßstabsübertragung) ist daher unerlässlich. Welche Veränderungen können sich hier durch den Einsatz effizienterer Modellierungsverfahren ergeben? Ist man bisher in der Lage, den Verlauf einzelner Partikel oder die Sauerstoffverteilung im Reaktor zu simulieren, werden uns in 20 Jahren wahrscheinlich Rechnerkapazitäten zur Verfügung stehen, die es ermöglichen, den Fluss der Moleküle im Reaktor, die Stoffwechselaktivität der Zellen bzw. die Aktivität der Enzyme und das Downstreamprocessing vorab im Rechner zu simulieren. DasUpscaling wird dann zum "Baukasten" im Rechner. Was passiert, wenn die Sauerstoffzufuhr erhöht, oder die Symmetrie des Begasungsbodens verändert wird? Funktioniert Weizenkleie als Substrat in dem kontinuierlichen Reaktor genauso gut wie die teure Glucose? Die Rechner gestützte Symbiose zwischen Reaktortechnik und Stoffflussanalyse gibt die Antworten in wenigen Sekunden. Eine besondere Herausforderung stellt das Engineering von "enzymatischen Kaskaden" dar, d.h. von mehrstufigen, von verschiedenen Enzymen katalysierten Wegen, die zur Synthese komplexer Chemikalien führen.
Innovative Methoden der Maßstabsübertragung setzen ein sehr genaues, quantitatives Verständnis der Stoffwechselvorgänge in den Mikroorganismen - unseren  Biokatalysatoren - voraus. Z.B. ist es wichtig zu wissen, wie sich unterschiedliche Sauerstoff- und Substratverteilungen - so genannte Gradienten, die typischerweise in einem mehrere 100 m³ großen Bioreaktor auftreten - auf den Stoffwechsel auswirken. Kommt es zur vollständigen Umstellung des Stoffwechsels, weil die Zellen sich vielleicht konsequent an die neuen Bedingungen anpassen? Oder werden vielleicht nur einzelne Reaktionsschritte hin zum gewünschten Produkt beeinträchtigt, was die Produktionsleistung verringert und vielleicht die Herstellung unerwünschter Nebenprodukte erhöht? Diese Fragen sind von enormer Bedeutung für die erfolgreiche Planung zukünftiger Produktionsprozesse auf Basis des Wissens, das meist aus einfachen Laborexperimenten stammt. Schließlich will jeder Investor sein Geld sinnvoll anlegen, d.h. die Vorhersagen für den großen Produktionsprozess sollen so genau wie möglich sein, um unliebsame Überraschungen zu vermeiden und die Produktion zügig starten zu können.
Andererseits stellt die Maßstabsübertragung nicht nur an das Upscaling , sondern auch an das Downscaling hohe Anforderungen. Auf diese Weise können in einer sehr frühen Phase der Prozessentwicklung - der so genannten Screening-Phase - potenzielle Produktionsstämme bereits unter Produktionsprozess-ähnlichen Bedingungen getestet und bewertet werden. Auf diese Weise können verschiedene Erfolg versprechende Stammkonstrukte von den kooperierenden Molekularbiologen zur Verfügung gestellt und gleichzeitig - d.h. parallel - in Mikroreaktoren (ml-Maßstab) charakterisiert werden. Dies würde die gezielte Selektion genau der Produktionsstämme ermöglichen, die für den technischen Produktionsprozess am besten geeignet sind, was natürlich sehr viel unnötige Arbeit in späteren Entwicklungsschritten vermeidet und gute Erfolgsaussichten für den "Großprozess" garantiert.
In 20 Jahren werden wir somit in der Lage sein Prozesse bedeutend schneller aus dem Labor heraus in den industriellen Alltag zu bringen. Probleme im Reaktordesign und der Prozessführung können vorab im Rechner behoben werden. Die selektive Durchführung einzelner Prozesse in Mini- und Mikroreaktoren wird eine schnelle Maßstabsvergrößerung durch Parallelisierung anstelle von Veränderungen der Reaktordimensionen ermöglichen. Neues Reaktordesign und neue Prozessführungsstrategien werden verbesserte Produktqualität und -quantität liefern - insbesondere bei massivem Forschungsausbau des oft vernachlässigten Downstreambereiches .
Für den Verbraucher resultiert daraus eine Vielzahl neuer Produkte, da die hohen Prozessentwicklungskosten drastisch reduziert werden können und somit für den Hersteller ein Anreiz geschaffen wird, eine breitere Produktpalette anzubieten. Durch das effiziente Prozessdesign wird sich die Weiße Biotechnologie mit der Biokatalyse und -transformation weitreichend in der chemischen Industrie durchsetzen. Nachhaltiges Wirtschaften ist somit nicht mehr nur ein modisches Schlagwort sondern wird zur gelebten Wirklichkeit. Durch dezentrale Produktion von Gefahrstoffen in Mini- und Mikroreaktoren an dem Ort des Einsatzes werden Gefährdungspotenziale durch Lagerung und Transport minimiert. Der Einsatz der eingangs erwähnten Zellsysteme und Enzyme eröffnet völlig neue Produktionswege, die überwiegend auf nachwachsenden Rohstoffen beruhen. Ein weiteres Ziel liegt in der Etablierung von "grünen" Kreislaufprozessen, bei denen optimalerweise keine ungewünschten Abfallprodukte mehr entstehen. Dadurch ergibt sich ein massiver Abbau der Umweltbelastungen, sei es in Bezug auf Treibhausgase oder giftige Halogenchemie.
Thomas Becker, Andreas Liese, Thomas Maskow, Axel Schippers, Ralf Takors, Roland Ulber
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