So kommt die Creme in den Topf!

Ob Bakterienkulturen oder Enzyme, Biokatalysatoren sind bei der Herstellung von Zusatzstoffen für Kosmetikprodukte inzwischen Stand der Technik. In Hamburg und Duisburg jedoch arbeiten Forscher bereits an der nächsten Entwicklungsstufe, verkörpert durch ein vier Meter langes, aufrecht stehendes Rohr, in dem eine Flüssigkeit schäumt und brodelt. Der Prototyp in Duisburg ist der ganze Stolz des Biotechnologen Professor Andreas Liese von der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Zusammen mit seinen Mitarbeitern Dr. Lutz Hilterhaus und Jakob Müller will er diesen so genannten Blasensäulenreaktor als neues Konzept in der Biokatalyse etablieren. Der Wissenschaftler erforscht die biokatalytische Herstellung von langkettigen Estern: Ein Enzym verknüpft Alkohole und Fettsäuren zu Lipiden, die in Kosmetika zum Einsatz kommen. ❦ Auch Dr. Oliver Thum interessiert sich für diese Reaktionen. Thum ist Leiter der biotechnologischen Forschung der Essener Evonik Goldschmidt GmbH, die mit Biokatalysatoren aus Naturstoffen wie Fettsäuren oder Zucker Komponenten für Kosmetika herstellt. Für den Hersteller ist ständige Innovation überlebenswichtig, denn die Ansprüche von Kunden und Verbrauchern an die Produkte steigen ständig. Gesundheitlich unbedenklich sollen sie vor allem sein, aber auch natürlich, nachhaltig und billig. Seit 2004 arbeiten Thum und Liese, zuerst gefördert durch die FNR (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe), an der Entwicklung eines neuen Reaktortyps, in dem man diese Reaktionen ohne teure und potenziell giftige Lösungsmittel durchführen kann. ❦ Auch ein Unternehmen wie Evonik könne nicht jedes Know-how im eigenen Haus haben, erklärt Oliver Thum. Deswegen sind Kooperationen mit Forschern an Universitäten für den Innovationsprozess entscheidend. „Das Stichwort hier ist open innovation. Wir suchen uns für die Fragestellungen, an denen wir arbeiten, geeignete Experten.“ In diesem Fall Liese und als Dritten im Bunde den Mikrobiologen Professor Wolfgang Streit von der Universität Hamburg, der in der Welt der Einzeller nach neuen Biokatalysatoren fahndet. Gemeinsam haben sich die drei im Rahmen des Clusters BIOKATALYSE2021 um Fördermittel beworben, mit Erfolg. Seit dem ersten Juli 2008 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung ihr Projekt mit mehreren Hunderttausend Euro. Mit diesen Mitteln wollen die drei Wissenschaftler das neue Verfahren entwickeln und in der industriellen Produktion etablieren. ❦ Gerade für Kosmetikgrundstoffe bietet die lösungsmittelfreie Biokatalyse enorme Vorteile, die Liese gerne erläutert. „Die Menschen schmieren sich das ja auf die Haut, salopp gesagt. Deswegen muss man viele Chemikalien, die man während der Reaktion zugibt, aus dem Endprodukt aufwendig wieder entfernen. Besser also, wenn sie gar nicht erst hineinkommen.“ ❦ Doch ganz ohne Lösungsmittel auszukommen, ist eine beträchtliche Herausforderung. Gerade die langkettigen Verbindungen, aus denen die Wachsester hergestellt werden, sind zähflüssiger als normale Reaktionslösungen, sie durchmischen sich schlechter und reagieren langsamer. Zu langsam für die Ansprüche eines Unternehmens, für das Reaktionszeit bares Geld bedeutet. Klassische Rührkessel lösen dieses Problem, schaffen jedoch ein neues: Die Scherkräfte zerstören den Biokatalysator. ❦ Die Lösung ist Gas, viel Gas. Zusammen mit dem auf einem Trägergranulat immobilisierten Enzym werden die Ausgangsstoffe in ein aufrecht stehendes Rohr gefüllt – und dann wird Stickstoff hindurchgepumpt, dreizehn Kubikmeter pro Stunde, die einigen Aufruhr verursachen. Das Gemisch schäumt und spritzt und wird heftig durchmischt, ohne allerdings das Enzym zu beschädigen. ❦ Das ist jedoch noch nicht alles. Bei der Bildung des Reaktionsprodukts entsteht Wasser, und ab einer bestimmten Wassermenge wird genauso viel Produkt vom Wasser wieder gespalten wie neu entsteht. Man kann diesen Gleichgewichtspunkt zu wesentlich höheren Ausbeuten verschieben, indem man das Wasser entfernt. Praktischerweise schleppt der Stickstoff das unerwünschte Reaktionsprodukt aus der Mischung heraus. ❦ Ein preiswürdiges Konzept, fand auch die Jury der Karl H. Ditze-Stiftung, die Lutz Hilterhaus für seine herausragende Dissertation ehrte. Doch noch, erklärt Liese, sei die Technik keineswegs perfekt, im Gegenteil. “Wir haben den Prototypen nach einer groben ersten Abschätzung gebaut.“ Jetzt hat er sich mit Jakob Müller als zweiten Doktoranden auf diesem Thema einen waschechten Ingenieur herangeholt, um das rationale scale-up zu bewältigen. ❦ Bis dahin wird es allerdings ein bisschen dauern, denn bislang ist das Verhalten solcher Systeme noch nicht gut genug verstanden. Bevor die neue Technik in der Produktion zum Einsatz kommen kann, müssen die Wissenschaftler zuerst einmal die Grundlagen für die Planung maßgeschneiderter Reaktoren schaffen. Die Forscher haben es mit einem hochkomplexen Mehrphasensystem zu tun, in dem eine große Menge verschiedener Parameter zusammenkommen. Als erstes Zwischenziel wollen die Projektpartner eine Reihe dimensionsloser Kennzahlen bestimmen, die das Verhalten des Systems unabhängig von der konkreten Anlagengröße beschreiben. ❦ Deswegen geht es jetzt erstmal zurück zu den kleinen Laboranlagen, mit denen alles angefangen hat. In diesen kleinen Modellsystemen kann man Größen wie Stofftransport über Phasengrenzen, Reaktionsgeschwindigkeiten und Stabilität der Enzyme einfacher messen und beschreiben als in großen Technikumsreaktoren. Außerdem will Liese das Reaktorkonzept auf hochviskose Reaktionsmischungen ausweiten. Das gegenwärtige Modellsystem, die Synthese von Myristylmyristat, sei noch recht dünnflüssig. „Auch die Prozessanalytik bei derartigen Verfahren ist noch quasi im finsteren Mittelalter.“ Statt wie bisher Proben aus dem Reaktor zu ziehen, möchte er in Zukunft kritische Parameter wie die Säurezahl mit speziellen Sensoren online messen. ❦ Viel Arbeit also für die drei BIOKATALYSE2021-Clusterpartner, aber auch eine große Chance. Die Biotechnologie, sagt Oliver Thum zum Abschluss, sei die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Das haben schon viele gesagt. Andreas Liese, Oliver Thum und Wolfgang Streit haben sich vorgenommen, es Wirklichkeit werden zu lassen.

Erschienen im BIOKATALYSE2021 Clustermagazin, Ausgabe 1, Autor Denis Dilba.

© 2010 TuTech Innovation GmbH | Impressum