Blickpunkt

369 Milliarden US-Dollar und vier Millionen Arbeitsplätze — das tragen amerikanische Unternehmen heute mit biobasierten Produkten direkt zur Wirtschaft ihres Landes bei. In ihrem Bericht an den Kongress nennt die amerikanische Regierung zusätzliche indirekte Effekte.1 So schafft jeder Arbeitsplatz für ein biobasiertes Produkt in den benachbarten Industrien 1,6 weitere Jobs. Nicht zu vergessen sind tertiäre ökonomische Wirkungen (“induced”, Abbildung), etwa ein amerikanisches Label für biobasierte Produkte, dass den Einkauf verpflichtet, einen Anteil des Budgets für biobasierte Produkte und Dienstleistungen auszugeben. Bei all dem sind Energie, Viehzucht, Lebens- und Futtermittel sowie Pharma noch gar nicht in die Bilanz eingerechnet.
Beispiele für biobasierte Produkte, die in Europa zu kaufen sind, haben der deutsche Bioökonomierat und Biopro zusammengestellt.2,3 Das reicht vom teilelektrifizierten Traktor, der mit einem Multifuel-Motor pflanzenöltauglich ist, über biobasierte Folien für die Verpackungsindustrie zu Eiweißfuttermitteln, die ohne Sojaschrot aus Südamerika auskommen. Solche Produkte stehen für die Aktualität der Bioökonomie. Gemeint ist damit eine international wettbewerbsfähige, soziale und nachhaltige Nutzung, aber auch Erzeugung biologischer Ressourcen.4,5 “Wer das am frühesten macht, wird eine Pole-Position haben bei den industriellen Strukturen, die dazu notwendig sein werden”, stellt Christian Patermann vom deutschen Bioökonomierat fest. Er sieht die Bioökonomie als Katalysator für eine “Renaissance der alten Industrien in veränderter Form”. Es sei vor allem der Mittelstand, der davon profitiert. Fast 40 Staaten orientieren heute ihre Politik an den Chancen, die neue biologische und chemische Techniken für die Wirtschaft eröffnen — von China bis Skandinavien.6,7
Die chemische, die Pharma- und die Agrarindustrie sind die Treiber der technischen Entwicklung, bringen sie zu den Kunden und schaffen damit den Leitmarkt Bioökonomie. Wie aus Biomasse Alltagsprodukte werden und wie sich die Verarbeitung fossiler von der nachwachsender Rohstoffe unterscheidet, haben Manfred Kircher vom Cluster Industrielle Biotechnologie und der Dechema-Geschäftsführer Kurt Wagemann beschrieben.8,9


<h2>Industrieproduktion im Labor am Beispiel von 4Gene</h2>
“Der Pilotmaßstab ist für viele KMUs ein Nadelöhr”, sagt Christine Lang, Geschäftsführerin der Berliner Organobalance und Covorsitzende des Bioökonomierats.10 “Wenn man nicht nachweisen kann, dass ein neuer Prozess im Pilotmaßstab funktioniert, wird er nie weiterentwickelt.” Eine Industrieproduktion muss aber nicht immer im Tonnenmaßstab sein. Es kommt auf das Produkt und den Zielmarkt an. Ein Beispiel sind Aromastoffe.
Mikrounternehmen können mit relativ geringem finanziellem Aufwand einen Markt aufrollen. 4Gene, ein Gründerprojekt der Technischen Universität München in Weihenstephan, ist spezialisiert auf die biotechnische Herstellung phenolischer Glykoside für Aromen oder Kosmetikprodukte. Das Projekt adressiert heute einen kleinen Kreis von weltweit etwa 250 Aromahersteller, die besonders die Lebens- und Futtermittelindustrie beliefern.
Endkunden fragen verstärkt “natürliche” Produkte und solche mit “natürlichen” Inhaltsstoffen nach. Das erfüllen Stoffe wie Carvacrol-Glykoside. Um im Wettbewerb mit chemisch-synthetischen Stoffen vorne zu liegen, bietet 4Gene zusätzliche Funktionalitäten: Die Weihenstephaner steuern die Freisetzung des Aromas und damit die Langzeitwirkung. Das gelingt zwar auch mit Mikroverkapselung, aber das Glykosylierungsverfahren ist billiger.
Die Gründer von 4Gene haben nicht viel Zeit. Spätestens in 18 bis 24 Monaten müssen sie den Investoren ein Ergebnis im Pilotmaßstab präsentieren. Doch die Anlageninvestition ist gar nicht so groß, wenn man die Produktionsmengen und die Marktpreise betrachtet. Vom Rohstoff Geranyl-Glucosid kostet 1 Gramm bis zu 33 000 Dollar. Für Heimo Adamski von 4Gene kann man damit “schon im kleinen Maßstab Geld verdienen und ist für Investoren interessant.” Etwa 200 Kilogramm eines Stoffs muss ein Unternehmen im Jahr produzieren, um relevante Anteile am Aromamarkt bedienen zu können. Biotechnisch lassen sich solche Mengen mit einem Fermenter im Labor herstellen. Je nach Substanz benötigt der Bioreaktor zwischen 1000 und 2000 Liter, wobei die Batch-Größe 100 Liter ist. “Mit Zellanzucht dauert das heute noch eine Woche und ergibt eine Ausbeute von wenigen Gramm”, erzählt ein Mitbewerber. Egal ob 100 oder 1000 Liter — “es dauert immer eine Woche”, denn es ist eine Frage der Fermenterkapazität, wie viele Kilo man produziert.


<h2>Die Kernbiotechbranche ist in Deutschland wenig sichtbar</h2>
Im Ausland ist Bioscience made in Germany begehrt. Im Inland ist das Interesse traditioneller Branchen an Produktentwicklung vor allem mit IT und Biotechnik unübersehbar.12 Eric Maiser ist im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau für die Elektronik- und Batterieproduktion zuständig. “Elektronik und Life Sciences, das waren früher zwei Welten für sich”, stellt er fest. “Jetzt wachsen Elektronik, Mikro- und Nanotechnologie zusammen. Damit können Elektronikhersteller und Maschinenbauer auch fluidische Komponenten kostengünstig integrieren.” 
Maiser sieht große Chancen: “Mit Bio-Elektronik oder Lab-on-Chips etwa für die Medizintechnik kann die Branche riesige neue Märkte erschließen.” Philips, Samsung, Shimadzu, Siemens, Sony und Toshiba machen es vor. Doch es gibt ein Kommunikationsproblem. Die Biologisierung der Wirtschaft ist in Deutschland wenig sichtbar, konstatieren die Berater von EY.12
Bio- und gentechnische Methoden sind kein Alleinstellungsmerkmal mehr von Kernbiotechunternehmen (Tabelle). Das können inzwischen auch andere. So sind etwa Google, Henkel und Südzucker Treiber der Bioökonomie, verstehen sich aber nicht als Biotechunternehmen.
Plattformen wie Themencluster und Messen vernetzen die Branchen. Der nächste Termin für die Bioökonomie ist Anfang Oktober die Biotechnica in Hannover. Georg Schaumann vom Forschungszentrum Jülich hält solche Business Plattformen für wichtig. Für seine Ausgründung Senseup, die mit intrazellulären Sensoren zu Ultrahochdurchsatz in der Forschung führt, erhielt er eine GO-Bio-Förderung des Bundesforschungsministeriums. Rückblickend sagt er: “Zum Glück haben wir früh genug mit der Industrie gesprochen und dadurch auch erfahren, welche Projekte vielleicht gar nicht so eine gute Idee waren. Weil wir damit ein Problem lösen wollten, das in der Academia alle sehen, das die Industrie aber gar nicht hat.”
Wolf Kroner ist Chefredakteur von B2Bioworld. Er war Korrespondent von Bioworld und Gründer von Bioworld Europe in der Schweiz. Für die Deutsche Industrievereinigung Biotechnologie im VCI hat er viele Jahre die Branchennachrichten verfasst, etwa aus Genf über die Verhandlungen der Weltorganisation für Geistiges Eigentum zur Biodiversitätskonvention. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.B2Bioworld.com" target="_blank">www.B2Bioworld.com</a></ext-link>



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1 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.usda.gov" target="_blank">www.usda.gov</a></ext-link>.
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2 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.biooekonomierat.de" target="_blank">www.biooekonomierat.de</a></ext-link>.
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3 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.biopro.de" target="_blank">www.biopro.de</a></ext-link>.
</li>
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4 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.bmbf.de/de/biooekonomie.php" target="_blank">www.bmbf.de/de/biooekonomie.php</a></ext-link>, <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.biotechnologie.de" target="_blank">www.biotechnologie.de</a></ext-link>.
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<li>
5 

OECD 2009, The Biooeconomy to 2030.
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6 

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7 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://norden.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A783384&amp;dswid=-2525" target="_blank">http://norden.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A783384&amp;dswid=-2525</a></ext-link>.
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Artikel

Deutschland an der Schwelle zur Bioökonomie

369 Milliarden US-Dollar und vier Millionen Arbeitsplätze — das tragen amerikanische Unternehmen heute mit biobasierten Produkten direkt zur Wirtschaft ihres Landes bei. In ihrem Bericht an den Kongress nennt die amerikanische Regierung zusätzliche indirekte Effekte.1 So schafft jeder Arbeitsplat...

<h2>Ausgangssituation</h2>
Für Gerüche in Innenräumen gibt es die vielfältigsten Quellen. Geruchsstoffe können aus Baumaterialien stammen, von Einrichtungsgegenständen oder von den Nutzern der Räume selbst. Manchmal ist auch die Konzentration der Geruchsstoffe in der Luft dafür verantwortlich, ob wir einen Geruch als angenehm oder unangenehm wahrnehmen.1
Seit Jahren kennt man gesundheitliche Störungen beim Menschen, die sich längere Zeit in Innenräumen, vor allem in Bürogebäuden aufhalten, das “Sick Building Syndrom”.2 Als mögliche Auslöser dieser Gesundheitsprobleme, für die es keine einfache Erklärung gibt, gelten Inhaltsstoffe der Raumluft.3 Daher hat man leichtflüchtige organische Substanzen und ihre Emissionsraten in Neubauten gemessen4 sowie die Emissionen aus Materialien für den Innenausbau, darunter Teppichböden,5—7 Parkett8 und Tapeten7 in Prüfkammern untersucht.
Ein Geruch in einem Innenraum sagt noch nichts darüber aus, ob die Innenraumluft gesundheitsgefährdend ist. Allerdings lösen einige Geruchsstoffe Allergien aus.9 Seit Kurzem beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe am Umweltbundesamt mit der gesundheitlichen Beurteilung von Gerüchen.10
 Für Gefahrstoffe in der Innenraumluft hat das Bundesumweltamt Grenzwerte festgelegt.11 Für diese Substanzen gibt es beim VDI exakte Vorschriften, wie bei der Analyse vorzugehen ist.12
Die VDI-Vorschriften eignen sich nicht dazu, unbekannte Geruchsstoffe zu identifizieren. Wie hoch muss der analytische Aufwand dafür sein?13 Da man für eine analytische Untersuchung der Innenraumluft Angaben weder über die Konzentration der beanstandeten Geruchsstoffe oder deren Mischung noch über deren chemische Konstitution hat, ist es fast unmöglich, ein ideales Adsorbermaterial auszuwählen und eine Aussage über das zu untersuchende Luftvolumen zu machen.


<h2>Adsorbermaterialien</h2>
Ein Adsorbermaterial sollte möglichst viele organische Substanzen binden. Üblicherweise dient bei Luftuntersuchungen auf Gefahrstoffe Tenax (Poly(p-2,6-diphenylphenyleneoxid)) als universelles poröses Adsorbermaterial. Es bindet sowohl leichtflüchtige organische Komponenten (Volatile Organic Compounds, VOC), als auch aromatische Moleküle. Durch Temperaturerhöhung desorbieren die adsorbierten Moleküle und werden dann mit Gaschromatographie analysiert.
Adsorbermaterialien aus Aktivkohle oder auf Aktivkohlebasis weisen durch die Porenstruktur des Materials eine immens große innere Oberfläche von 300 bis 2000 m2·g−1 Kohle auf. Dadurch ist die Adsorberkapazität durch andere Materialien kaum zu überbieten.
Neuartige makroporöse, synthetisch hergestellte Adsorbermaterialien übertreffen die Adsorberleistung der klassischen Aktivkohle.14—16 Die neuen Materialien haben gegenüber Aktivkohle und Tenax außerdem den Vorteil, dass sie sich als flexible Matten leicht an jede geometrische Anforderung anpassen. Inzwischen bieten mehrere Hersteller diese Filtermaterialien an.
Allerdings haben alle Adsorbermaterialien gewisse Nachteile: Da Adsorption ein reversibler Prozess ist, läuft parallel dazu auch immer Desorption. Substanzen mit hohem Adsorptionsvermögen verdrängen Substanzen mit niedrigerem. Das kann gerade bei der Untersuchung großer Luftvolumen mit unbekannten Substanzen mit sehr unterschiedlichen Konzentrationen in der Raumluft entscheidend für die Identifikation von Geruchsstoffen sein.


<h2>Komplexbildner</h2>
Aktivkohle und ähnliche Adsorbermaterialien adsorbieren organische Moleküle aus der Gasphase. Im Gegensatz dazu bilden Cyclodextrine Komplexe mit Gasen.17,18 In der Gaschromatographie dienen immobilisierte Cyclodextrine als stationäre Phasen.19
 Cyclodextrine — sie entstehen durch den enzymatischen Abbau von Stärke — sind torusförmige Moleküle mit einem hydrophoben Hohlraum.20 Man unterscheidet je nach Zahl der Glucoseeinheiten α-Cyclodextrin mit sechs Glucoseeinheiten, β- mit sieben und γ- mit acht. Daraus resultieren unterschiedliche Eigenschaften der Komplexe, beispielsweise höhere Stabilität, geringerer Dampfdruck und erhöhte Löslichkeit. Anwendungen für Cyclodextrine gibt es unter anderem in der Pharmazie,21 in Lebensmitteln22 und in Kosmetika.23
Um Cyclodextrine zur Luftfiltration einzusetzen, müssen sie auf einem Trägermaterial — das ist meistens ein Polyestervlies — verankert sein, da sie sonst bei der Durchströmung des Filters ausgetragen würden. Als geeignete Derivate haben sich β-Cyclodextrin mit langkettigen Substituenten, wie Polyvinylamin und Polyethylenimin, erwiesen.24 Die elektrostatische Wechselwirkung zwischen der Oberfläche der Polyesterfasern und den positiv geladenen Substituenten des Cyclodextrins hält das Molekül auf der Oberfläche fest.
Um möglichst alle Geruchsmoleküle aus der Raumluft herauszufiltern, ist es sinnvoll, Aktivkohle- und Cyclodextrin-basierte Filter gleichzeitig zu verwenden.25


<h2>Probennahmegerät</h2>
Um die Nachweisgrenze von Luftinhaltsstoffen zu senken, ist es günstig, das Probenvolumen zu vergrößern. Diese Vorgehensweise ist unproblematisch, wenn sich der auf seine Emissionen zu untersuchende Gegenstand in einer Probenkammer befindet. Ist jedoch die Emissionsquelle nicht bekannt, und die Probe muss in einer Wohnung oder einem Haus genommen werden, dann kann das Geräusch des Probennahmegeräts für die Bewohner unangenehm werden.
Hauser Umwelt-Service, Krefeld, entwickelte daher ein Probennahmegerät, das eine Luftmenge von 250 L·min—1 bei einer Lautstärke von 35 dBA durch die Adsorber leitet (Abbildung 1). In einem ruhigen Raum liegt der Geräuschpegel bei 20 bis 30 dBA. Daher belästigt eine extrem lange Probennahme die Bewohner nicht. Zusätzlich ist das Gerät mit 22 cm × 22 cm × 13 cm kompakt aufgebaut. Auf der Oberseite befinden sich ein oder mehrere Filtermedien. Ein Betriebsstundenzähler liefert eine grobe Vorstellung von der Menge der untersuchten Luft.
Das Gerät ist für eine Probennahme zur Identifikation der Geruchsstoffe in der Raumluft konzipiert, nicht zur quantitativen Bestimmung der Substanzen. Erst mit der Information, welche chemischen Substanzen für eine Geruchsbelästigung verantwortlich sind, ist es möglich, die Emissionsquellen einzukreisen.
Das Probennahmegerät wurde inzwischen bei unterschiedlichen Fragen eingesetzt, unter anderem in einem Museum, in einer Grundschule und in einem Büro.


<h2>Museum: Der typische Geruch der Weberei</h2>
 Eine alte Weberei (Foto S. 919), die inzwischen ein Museum ist, musste renoviert werden. Dabei sollte der für den Websaal typische Geruch nicht mit der Sanierung verschwinden, sondern erhalten bleiben. Die Frage war nun, welche Substanzen für den typischen Geruch verantwortlich sind. Zum Zeitpunkt der Untersuchung hatte das Probennahmegerät noch keinen Betriebsstundenzähler, und es wurde nur ein Filtervlies mit Cyclodextrinen verwendet.
Als Hauptgeruchskomponente erwies sich Geosmin, das einen erdig-muffigen Geruch verströmt und Mikroorganismen in der alten Bausubstanz bilden. Andere Substanzen, zum Beispiel Myristinsäure und Anethofuran, sind Bestandteile etherischer Öle, die offensichtlich zur Pflege des Holzfußbodens im Websaal verwendet wurden. Die Nachstellung dieser Mischung, die auch Geosmin enthält, führt zu einem identischen Geruchseindruck. Damit ist es möglich, nach der Renovierung nicht nur optisch, sondern auch olfaktorisch den gleichen Eindruck wie davor zu erleben.


<h2>Der Teppichboden im Büro</h2>
In einem Büroraum beklagten sich die Nutzer über einen unangenehmen Geruch. Das Probennahmegerät wurde nur mit einer Adsorbermatte versehen und verfügte inzwischen über einen Betriebsstundenzähler. Das Gerät lief etwas mehr als 28 Tage ununterbrochen und filterte dabei 10 110 m3 Raumluft. Die Ergebnisse der Analyse zeigt Tabelle 1, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle gefundenen Substanzen aufführt. Insgesamt wurden mehr als 30 Substanzen nachgewiesen.
Als Geruchsquelle kamen Reinigungsmittel oder der Teppichboden in Frage. Eine daraufhin durchgeführte Untersuchung an einer Probe des Teppichbodens identifizierte ihn als Emissionsquelle.


<h2>Holzvertäfelung in einer Grundschule</h2>
In einer städtischen Gemeinschaftsgrundschule wurde ein Klassenzimmer wegen der Geruchsbelastung nicht mehr genutzt. Es war daher die Emissionsquelle zu klären. Das Probennahmegerät, versehen mit einer Adsorbermatte, lief 115 Stunden und filterte in dieser Zeit 1720 m3 Raumluft. Eine anschließende Analyse ergibt die in Tabelle 2 angeführten Ergebnisse.
Die gefundenen Terpene sind wesentliche Bestandteile von Terpentin. Die Verbindung 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiolmonoisobutryat ist in der Patentliteratur als Mittel zum Konservieren von Holz beschrieben. Da in dem Klassenraum die Wände bis zu einer Höhe von zirka 1 m mit einer Holzverkleidung versehen ist, die der Hausmeister vor etlichen Jahren selbst angebracht hatte, kommt diese Holzverkleidung mit einer sehr großen Wahrscheinlichkeit als Emissionsquelle in Frage.


<h2>Fazit</h2>
Das Probennahmegerät mit den verwendeten Adsorbern sammelt selbst geringe Mengen von organischen Substanzen in der Raumluft, die dann nachgewiesen werden können. Bedingt durch die geringe Geräuschentwicklung während der Probennahme stört die Probennahme die Nutzer der Räume nicht. Außerdem ist es so auch möglich, die Probennahmezeit, falls erforderlich, beliebig zu verlängern. Durch die kompakte Bauweise lässt sich das Gerät an fast jedem beliebigen Platz aufstellen.
Hans-Jürgen Buschmann studierte Chemie an der Technischen Universität Hannover und an der Universität Göttingen. Seine Doktorarbeit fertigte er in Göttingen im Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie an. Nach Aufenthalten an der University of Kent in Canterbury, dem Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und der Universität-Gesamthochschule Siegen übernahm er eine Arbeitsgruppe im Deutschen Textilforschungszentrum, Krefeld. Seit 2014 Mitarbeiter in der Gesellschaft für Innenraumhygiene, Geldern. <a href="mailto:h_j_buschmann@hotmail.com">h_j_buschmann@hotmail.com</a>
Jörg Brandes studierte Chemie an der Fachhochschule Niederrhein in Krefeld. Er ist seit 2000 von der Niederrheinischen Industrie- und Handelskammer (Duisburg-Wesel-Kleve) öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Schadstoffe in Innenräumen. Im Jahr 2004 gründete er die Gesellschaft für Innenraumhygiene. Seit 2007 ist er aktiv an der Ausrichtung des Deutschen Forums Innenraumhygiene beteiligt.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Geruchsquellen in Innenräumen können Baumaterialien, die Einrichtung und die Nutzer selbst sein.
Bei der Untersuchung von Innenraumluft sind Geruchsmoleküle zu identifizieren, die im ungünstigsten Fall in extrem unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen und die unterschiedliche chemische Eigenschaften haben.
Um für die Analytik möglichst alle Geruchsmoleküle aus der Luft zu erfassen, ist es sinnvoll, für die Probennahme eine großes Luftvolumen zu filtern und dazu sowohl Adsorbermaterialien einzusetzen als auch Cyclodextrine, die mit organischen Substanzen Komplexe bilden.



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Artikel

Deutschland an der Schwelle zur Bioökonomie

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