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Seit Januar ist die Bio-Isobuten-Anlage fertig, am 11. Mai wurde nun das Vorzeigeprojekt des französischen Unternehmens Global Bioenergies im Industriepark Leuna in der Nähe von Leipzig offiziell eingeweiht. Zum Startschuss und der Durchschneidung des Bandes waren der Chef und Mitgründer von Global Bioenergies, Marc Delcourt, wie auch der Staatssekretär aus dem Wirtschaftsministerium von Sachsen-Anhalt, Jürgen Ude, zum Fraunhofer CBP in Leuna gekommen, das die neue Anlage beherbergt. 80 internationale Bioökonomie-Akteure und Forschungspartner hatte das Event angelockt.

Einzigartige Demonstrationsanlage

Die Demonstrationsanlage von Global Bioenergies ist die weltweit einzige Anlage zur direkten mikrobiellen Umwandlung von nachwachsenden Rohstoffen in gasförmige Kohlenwasserstoffe. Sie wurde im Fraunhofer-Zentrum für chemisch-biologische Prozesse CBP im Industriepark von Leuna installiert und unter anderem durch einen Zuschuss des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in Höhe von 5,7 Mio. Euro sowie ein Darlehen eines Konsortiums französischer Banken über 4,4 Mio. Euro finanziert.

Die Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von 100 Tonnen pro Jahr ermöglicht die Produktion hochreinen Isobutens aus verschiedenen pflanzlichen Rohstoffen (Industriezucker aus Zuckerrüben und Zuckerrohr, Glukosesirup aus Getreide, Zucker der zweiten Generation Agrarresten wie Stroh, Bagasse oder Holzhackschnitzel). Isobuten ist ein Kohlenwasserstoff, der normalerweise aus Erdöl gewonnen wird und aus dem Treib- und Kunststoffe hergestellt werden. Der weltweite Isobutenmarkt wird auf rund 25 Mrd. US-Dollar geschätzt.

Ausgereiftes Verfahren im Visier

Bereits Ende April 2017 hatte Global Bioenergies die erfolgreiche biotechnologische Produktion von Isobuten in dem Leunaer Fermenter mit 5.000 Liter Fassungsvermögen vermeldet. Bislang hatte das Unternehmen sein Verfahren in der wesentlich kleineren Pilotanlage in Pomacle nahe Reims erprobt. Sobald das Abfüllsystem in Betrieb genommen sein wird, wird die Einheit völlig einsatzbereit sein. Die Lieferung der ersten Isobutenchargen an Partner für Tests wird im Juni erwartet. „Wir wollen uns bis Ende 2017 in der Demonstrationsanlage in Leuna nun kommerziellen Ergebnissen annähern. Wir werden dann über ein ausgereiftes Verfahren verfügen, das wir auf Produktionsstätten im kommerziellen Maßstab übertragen können“, so Delcourt.

Einer der Industriepartner ist der Autohersteller Audi. Anlässlich der Eröffnung gab Global Bioenergies zudem zwei neue Industrieallianzen bekannt, die jeweils auf das Bio-Isobuten setzen werden. Die französische Firma Butagaz wird demnach der erste Gasversorger, der Bio-Isobuten von Global Bioenergies vertreibt.

Neue Bioindustrie-Allianz mit Clariant

Desweiteren stellte Global Bioenergies eine neue europäische Allianz mit dem Namen OPTISOCHEM vor. In ihr sind der Spezialchemiekonzern Clariant sowie INEOS, IPSB, TechnipFMC und die Universität Linz zusammengeschlossen, um eine Wertschöpfungskette vom Agrarreststoff Weizenstroh hin zum Isobuten und dessen chemischen Abkömmlingen aufzubauen. Der Forschungsverbund ist Teil der Biobased Industries Joint Undertaking (BBI-JU), eine öffentlich-private Partnerschaft der EU-Kommission und dem Bio-Industrie-Konsortium BIC. Insgesamt beläuft sich das Budget der Allianz auf 16,4 Mio. Euro, knapp 10 Mio. Euro davon steuert die EU bei, den Rest bringen die Industriepartner auf.

Clariant wird sein Know-how aus der eigenen Straubinger Bioraffinerie-Demonstrationsanlage miteinbringen: dort wird mithilfe der Sunliquid-Technologie Weizenstroh in zuckerreiche Zwischenstufen umgewandelt. Damit werden die Mikroorganismen in den Anlagen von Global Energies in Leuna und Pomacle gefüttert, sie wandeln die Zuckermoleküle in gasförmiges Isobuten um. Das Unternehmen INEOS wird das Bio-Isobuten weiter veredeln.

pg

Das Bakterium Corynebacterium glutamicum zählt seit vielen Jahrzehnten zu den Leistungsträgern der industriellen Biotechnologie: Die Mikroben werden als Produktionsorganismen insbesondere für die Herstellung von Aminosäuren eingesetzt, die in der Lebens- und Futtermittelindustrie verwendet werden. Allein von der Aminosäure Glutamat werden weltweit mehr als 2,5 Millionen Tonnen hergestellt.

Alte Mikrobe mit neuem Potenzial

Neben seiner industriellen Relevanz hat Corynebacterium glutamicum für die Biotechnologen auch Modellcharakter. Biotechnologen wollen das Potenzial der altgedienten Mikrobe noch weiter ausschöpfen. Ein Verbundprojekt unter der Leitung des Molekularbiologen Volker Wendisch von der Universität Bielefeld hatte zum Ziel, die Leistungsfähigkeit der Mikroben durch eine Genomreduktion der Bakterienstämme zu steigern. Das Projekt, Teil des Clusters für industrielle Biotechnologie CLIB2021, lief von 2011 bis 2015 und wurde mit insgesamt rund 1 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

„Wie wichtig Corynebacterium glutamicum für die Industrie ist, zeigt sich auch daran, dass sein Genom fast zeitgleich mehrfach und kompetitiv sequenziert wurde – in Japan, Korea, USA und sogar zweimal in Deutschland“, sagt Wendisch. Neben der Futtermittelindustrie kommen die vielseitigen mikrobiellen Produzenten auch in der Herstellung von Diaminen in der Polymerindustrie, oder Carotinoiden als Farb- und Duftstoffträger für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie zum Einsatz. An der anwendungsorientierten Forschung rund um C. glutamicum sind nicht nur Forscher der Universitäten Bielefeld und Köln, und des Forschungszentrums Jülich, sondern auch Industriepartner beteiligt – in dem CLIB2021-Verbundprojekt waren es der Spezialchemiekonzern Evonik und das kleinere und mittelständische Unternehmen Insilico Biotechnology AG.

Reduziertes Genom reicht zum Überleben im Labor

Was aber hat es mit dem Begriff „Genomreduktion“ auf sich? Wendisch erklärt das mit dem genetischen Ballast, den die Organismen im Verlauf der Evolution angereichert haben. „Durch sein ausgeschmücktes Genom kann sich der Organismus an die sich ständig ändernden Bedingungen in der Natur anpassen.“ Der Wildstamm von C. glutamicum hat in der Tat ein verhältnismäßig großes Genom, mit dem es für viele Eventualitäten der Natur gewappnet ist.

Wissenschaftlern stellt sich demnach die Frage, ob man die üppige genetische Ausstattung nicht reduzieren kann. Diese Denkweise aus den Ingenieurswissenschaften wird Top-down-Ansatz genannt: Wie lässt sich ein komplexes Biosystem in bestimmten Bestandteilen verschlanken und vereinfachen, bis nur noch die essenzielle Ausstattung für einen bestimmten Lebensraum übrigbleibt. „Im Bioreaktor liegen konstante Bedingungen vor, also muss sich das Bakterium nicht spontan anpassen können“, sagt Wendisch. Das Weglassen dieser „unnötigen“ Eigenschaften sollte demnach keine Auswirkungen auf den Aminosäure-Produktionsprozess des Bakteriums haben.

Um genau diese Fragestellung zu untersuchen, legten Wendisch und Kollegen zuerst zwei Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche Genomreduktion fest: Zum einen sollte das Bakterium in einem Minimalmedium mit Glucose als einziger Kohlenstoffquelle wachsen, ohne andere komplexe Nährstoffquellen zu benötigen. Zum anderen sollten die Bakterien auch nach der Genomreduktion genauso schnell wachsen wie der Original-Stamm.

Eine Gen-Ampel für essenzielle Gene

Zuerst wurde dafür von den Projektpartnern einiges an theoretischer Vorarbeit geleistet: „Mittels Bioinformatik haben wir zunächst das gesamte Genom kartiert“, sagt Wendisch. „Außerdem haben alle Beteiligten aus ihrer Erfahrung und der Literatur zusammengetragen, welche Gene verzichtbar sind – ohne die also trotzdem ein Wachstum auf Glucose für die Bakterien möglich ist.“ Auch mit Züchtungsstrategien halfen die Biotechnologen nach: Mithilfe zufälliger Mutationen wurden Gene inaktiviert und die Auswirkungen dieser Erbgutveränderungen analysiert, und somit weitere Gene identifiziert, die verzichtbar für das Wachstum waren. Den Forschern halfen zudem auch vergleichende Genomanalysen: „Wir haben untersucht, ob ein Gen nur in dem speziellen Stamm vorhanden ist, oder auch in evolutionär weiter entfernten Bakterienfamilien“, so Wendisch. Die Idee: Je konservierter ein Gen ist, je häufiger es also auch in der Verwandtschaft auftritt, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass es essenziell für das Überleben des Organismus ist.

Die Forscher des Verbundes haben auf dieser Basis für das Erbgut von C. glutamicum  eine Gen-Ampel erstellt: „Hatten wir Hinweise darauf, dass ein Gen nicht relevant für das Überleben ist, haben wir es grün gekennzeichnet. Essenzielle Gene wurden rot markiert und durften nicht entfernt werden.“ Nachdem die Gene mit der Ampel klassifiziert wurden, untersuchten die Wissenschaftler, wie die einzelnen Gene im Genom verteilt waren. Fanden die Forscher mehre „grüne“ Gene nebeneinander, sprachen sie von „grünen Inseln“ oder „Clustern“.

Anschließend wurde das Bakterienerbgut mittels gentechnischer Verfahren in den grünen Abschnitten gezielt verkleinert. „Die viele Vorarbeit hat sich gelohnt“, so Wendisch. „In über 90% der Fälle war das Entfernen der Gene – wie vorhergesagt - nicht schädlich für die Fitness der Bakterien“, berichtet er. Nicht immer erwies sich das Vorgehen als einfach: In der Bakterienzelle existieren für einen Stoffwechselprozess manchmal mehrere biochemische Wege. Wird Weg A entfernt, funktioniert noch Weg B und der Organismus trägt keine Schäden davon. Werden jedoch beide Wege entfernt, funktioniert der Stoffwechselprozess nicht mehr und der Organismus ist geschädigt. „Diese synthetisch letalen Effekte kommen nicht sehr häufig vor, aber wenn, dann haben sie gravierende Konsequenzen für die Bakterien“, sagt Wendisch.

Arsenal an genomreduzierten C. glutamicum-Stämmen

Doch am Ende gelang die molekulare Schrumpfkur: Mit ihrer Methode haben es die Forscher geschafft, knapp ein Sechstel der Gene aus dem Genom des Ausgangsorganismus von C. glutamicum zu entfernen. Dies gelang im Wildstamm und in einem Lysinproduzenten, den die Forscher GRLys1 tauften. Im „Biotechnology Journal“ berichteten sie über ihr Werk. Die genomreduzierte Bakterie kann als neue Basisversion für die industrielle Produktion genutzt werden: „Wir haben über die Genomreduktion robuste Stämme für die Lysin-Produktion entwickelt. Der Transfer auf andere Produktionsprozesse ist eine Herausforderung, denn sollten diese Stämme in Zukunft für andere Produkte verwendet werden, müssen möglicherweise bestimmte Gene gezielt wieder eingefügt werden.“

Die industrielle Anwendung von genomreduzierten Stämmen von C. glutamicum wird vermutlich in Zukunft noch steigen, denn mittlerweile können über dessen Stoffwechselwege viele verschiedene Produkte hergestellt werden, die weit über den Futtermittelmarkt hinausreichen. So arbeitet Wendisch in seiner Forschungsgruppe vor allem an der Herstellung von Carotinoiden, die als Lebensmittelfarbe verwendet werden können. „Die Genomreduktion ist definitiv gut in der industriellen Biotechnologie anwendbar“, zieht Wendisch Bilanz. „Wir haben mit diesem Projekt ein ganzes Arsenal an genomreduzierten C. glutamicum-Stämmen entwickelt.“ Für weiterführende Anwendungen könnten jederzeit Stämme ausgewählt und um genetische Komponenten ergänzt werden, um neue Produktionsleistungen zu schaffen.

Autorin: Judith Reichel

Die lebenswichtige Ressource Wasser nachhaltig zu nutzen, steht im Zentrum vieler Forschungsprojekte. Im Hinblick auf ein effizientes Wassermanagment gewinnen insbesondere Industrieabwässer zunehmend an Bedeutung. Seit Langem ist klar: Abwässer sind mehr als nur Abfall, sondern eine reichhaltige Stoff- und Energiequelle. Hier setzt das 2014 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gestartete Förderinitiative „Nachhaltiges Wassermanagment-NaWaM“ an.

Im Rahmen der Fördermaßnahme „Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft – ERWAS“ arbeiten seither über 80 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft an neuen Lösungen für die Wasserversorgung und Abwasserentsorgung, um Ressourcen und Energieeinsatz zu schonen. Im Rahmen von ERWAS fördert das BMBF zwölf Verbundprojekte mit rund 28 Mio. Euro. Am15. und 16. Mai wurde in Berlin Bilanz gezogen.

Mit Mikroben Abwässer reinigen und Strom erzeugen

Einen Schwerpunkt hatten die Konferenzorganisatoren diesmal auf Verfahren gelegt, mit dem man Mikroben sowohl zur Abwasserreinigung und zur Stromgewinnung nutzen kann. Die sogenannten Biobrennstoffzellen zählen zu den Hoffungsträgern einer effizienten und nachhaltigen Wasserwirtschaft. Bei diesem neuen Verfahren werden Mikroorganismen in Kläranlagen aktiv. Anders als in herkömmlichen Brennstoffzellen - die chemische Energie, meist aus Wasserstoff, in Strom umwandeln - erzeugen hier Mikroben elektrische Energie direkt aus organischen Stoffen im Klärschlamm. Das Prinzip der sogenannten Mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ): Spezielle Mikroorganismen bauen energiereiche organische Substanzen im Abwasser ab und die dabei entstehenden Elektronen können an eine Elektrode abgegeben werden. Dabei wird Strom gewonnen.

Kläranlagen als Stromanbieter

Für die bisher energie- und kostenintensive Abwasserbehandlung könnte diese Technologie eine Technikwende bedeuten. Bundesweit fallen etwa 20% der Energiekosten allein für die Abwasserbehandlung in Kläranlagen an. Mit dem Einsatz von Biobrennstoffzellen in Kläranlagen würde also nicht nur Energie eingespart. Der überschüssige Strom könnte auch in das Energienetz eingespeist werden. So würden Kläranlagen zu Stromproduzenten und könnten zukünftig als Anbieter am Energiemarkt auftreten. Eine erste Pilotanlage wurde 2016 in Betrieb genommen. In Darmstadt haben sich indes unterschiedlichen Anlagen zu einem sogenannten "Virtuellen Kraftwerk" zusammengeschlossen, um die Stromernte per Mikroben zu testen.

bb

Ob Schnittlauch, Dill oder Petersilie: Kräuter sind fast in jeder Küche zufinden. Wer keinen eigenen Garten besitzt, ist auf das Angebot im Supermarkt angewiesen oder züchtet selbst. Ob die hauseigene Kräuterzucht  gelingt, hängt dabei von vielen Faktoren ab und kann mitunter enttäuschend sein. Für alle, die weder einen grünen Daumen noch Zeit für derartige Experimente haben, hat das Start-up Agrilution eine smarte Lösung parat. Mit „Plantcube“, dem intelligenten Gewächsschrank für zu Hause, konnte das Münchner Jungunternehmen Mitte Mai eine Serie-A-Finanzierungsrunde abschließen. Nach Angaben von Firmengründer Maximilian Lössl kam über diesen Weg ein „einstelliger Millionenbetrag“ zusammen.

Vertical Farming für jeden Haushalt

Von der Smart-Home-Lösung, die das sogenannte Vertical Farming in privaten Haushalten ermöglichen soll, konnten die Erfinder namhafte Investoren überzeugen. Neben Tengelmann Ventures und Kraut Capital, dem Beteiligungsarm des Gemüseproduzenten Gemüsering, zählt der Glühbirnen-Hersteller Osram über seine Venture-Capital-Einheit Fluxunit zu den Geldgebern.

App steuert Mini-Gewächshaus

Vier Jahre haben die Firmengründer Maximilian Lössl und Philipp Wagner an ihrer Erfindung gearbeitet. Die Idee: In dem Kühlschrank ähnlichen Gewächsschrank kann jeder zu Hause ohne spezielle Kenntnisse frische Kräuter, Salate oder Gemüse anbauen. Dafür liefert das Start-up gleich die passenden Samen dazu. Das Angebot reicht von Dill und Rote Beete bis hin zu Dill und Feldsalat. Das Gerät erkennt dabei automatisch, welche Kräuter ausgesät wurden und sorgt selbst für die perfekte Temperatur, Bewässerung und Beleuchtung im Hausgarten. Über eine App kann die Aufzucht im Gewächshaus über Smartphone oder Tablet gesteuert werden.

Mit dem eingesammelten Geld will Agrilution das Team ausbauen, die Serienproduktion des Gewächsschrankes vorbereiten sowie die Marketingkosten bezahlen. Bereits im Herbst will Agrilution das erste „Plug-and-play-Premiumprodukt" des smarten Hausgarten auf den Markt bringen. Lössl zufolge haben sich bereits 5.000 Kunden für den Kauf angemeldet. Das Gerät soll für etwa 2.000 Euro dann online erhältlich sein.

bb