Industrie + Technik

Der amerikanische Pharmakonzern Pfizer hat an seinem Produktionsstandort in Freiburg (Foto) eine „High Containment“-Fabrik eröffnet, die Medikamente herstellt und verpackt. Mit etwa 300 Mio. Euro wurde das bestehende Werk nach Industrie-4.0-Maßstäben ausgebaut. Auf 13 500 Quadratmetern Fläche können bis zu 7 Mrd. feste Tabletten und Kapseln zusätzlich hergestellt werden, was die Gesamtkapazität auf jährlich etwa 12 Mrd. Stück erhöht.<div position="anchor" content-type="graphic" xml:lang="en"><img position="anchor" id="jats-graphic-4" xlink:href="urn:x-wiley:18680054:media:nadc20224123764:nadc20224123764-gra-0002">

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Pfizer

Neues Verpackungswerk in Freiburg

Der amerikanische Pharmakonzern Pfizer hat an seinem Produktionsstandort in Freiburg (Foto) eine „High Containment“-Fabrik eröffnet, die Medikamente herstellt und verpackt. Mit etwa 300 Mio. Euro wurde das bestehende Werk nach Industrie-4.0-Maßstäben ausgebaut. Auf 13 500 Quadratmetern Fläche kön...

Vier Hamburger Forscher erschlie&szlig;en als das Unternehmen Colipi eine nachhaltige &Ouml;lquelle basierend auf einem Fermentationsprozess. Wie auf diese Weise Schmierstoffe entstehen und welche Schwierigkeiten ein Start-up in der Biotechnik erwarten.
Viele Worte sind in der Regel nicht notwendig, um die Gesch&auml;ftsidee des Start-ups <xref rid="nadc20224124648-fig-0001" ref-type="fig">Colipi</xref> zu erkl&auml;ren: eine nachhaltige Alternative zu Pflanzen&ouml;len, CO2-neutral und lokal produziert. Sp&auml;testens beim Thema Palm&ouml;l ist einem die volle Aufmerksamkeit sicher. Dass das Vorhaben trotzdem kein Selbstl&auml;ufer ist, wird erst auf den zweiten Blick klar.
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<figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Colipi-Gr&uuml;nder Jonas Heuer, Max Webers, Philipp Arbter und Tyll Utesch (von links) auf dem Campus der Technischen Universit&auml;t Hamburg. Der Name &bdquo;Colipi&ldquo; entstand aus &bdquo;CO2&ldquo; und &bdquo;Lipid&ldquo;. Foto: Colipi</figcaption>
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Niemand wei&szlig; das besser als Ideengeber Philipp Arbter, der seit knapp einem Jahrzehnt auf diesem Gebiet forscht und dar&uuml;ber seine Dissertation verfasste. Die &Uuml;berzeugung, dass hier viel Potenzial liegt, war schlie&szlig;lich so gro&szlig;, dass er zusammen mit dem Biochemiker Tyll Utesch, dem Bioverfahrenstechniker Jonas Heuer und dem Wirtschaftsingenieur Max Webers einen Antrag f&uuml;r das Forschungstransferprogramm &bdquo;Exist&ldquo; vom Bundesministerium f&uuml;r Wirtschaft und Klimaschutz stellte. Seit November 2021 arbeitet das Team an der Technischen Universit&auml;t Hamburg an der Umsetzung.
<h2>Von Abf&auml;llen bis zum &Ouml;l</h2>
Die Idee, Mikroorganismen f&uuml;r die Produktion von &Ouml;l einzusetzen, ist nicht neu. Ende der 1980er Jahre wurde in Neuseeland &uuml;ber Molke-Fermentation mit einer oleogenen (&ouml;lbildenden) Hefe &Ouml;l in gr&ouml;&szlig;erem Ma&szlig;stab hergestellt, das die damals teure Kakaobutter ersetzte. Der Prozess l&auml;uft &auml;hnlich wie der des Bierbrauens mit dem Unterschied, dass er aerob funktioniert, also unter Sauerstoffzufuhr. Die Hefe verstoffwechselt Zucker und lagert unter bestimmten Bedingungen Triacylglycerole (TAG) als Energiedepot ein. &bdquo;&Auml;hnlich wie wir Menschen&ldquo;, pflegt Heuer zu sagen.
Wie Menschen atmen die Hefen CO2 aus, und damit sogar bis zu 50 Prozent des aufgenommenen Kohlenstoffs. Im Bier wird dies durch die Kohlens&auml;ure sp&uuml;rbar. Das Resultat ist allerdings, dass die CO2-Bilanz konventioneller Hefe&ouml;le nicht besser ist als die von heimischen &Ouml;lpflanzen wie Raps.
Colipi hat einen zweiten Prozessschritt zum Patent angemeldet, der zwei Probleme l&ouml;st. Zum einen wird der CO2-Aussto&szlig; durch die Hefen minimiert, zum anderen wird der <xref rid="nadc20224124648-fig-0002" ref-type="fig">Kohlenstoff</xref> zur&uuml;ckgef&uuml;hrt. Dies erh&ouml;ht die Ausbeute bezogen auf die eingesetzten Zucker, verringert den Bedarf an zuckerhaltiger Biomasse und reduziert somit die Kosten. Die Biomasse stammt aus Abf&auml;llen der Lebensmittelindustrie oder Landwirtschaft.
<figure><img src="https://media.graphassets.com/jXViaWHgSJyQcW56gL1R" />
<figcaption><label>Abb. 2: </label>Prozess zur Produktion von Trimethylpropan-Trioleaten mit mehreren Kreisl&auml;ufen.</figcaption>
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Hefe besteht aus Wasser, Proteinen, Kohlenhydraten und ungef&auml;hr 5 Prozent Fetten, darunter Glyco- und Sphingolipide. Nachdem in diesem Verfahren die Hefe zu etwa 70 Prozent aus &Ouml;len besteht, wird sie geerntet. Daf&uuml;r wird sie zun&auml;chst vom w&auml;ssrigen Fermentationsmedium abfiltriert. Anschlie&szlig;end werden die Zellw&auml;nde durch mechanische Belastung aufgebrochen, um das &Ouml;l freizusetzen. Das weitere Vorgehen h&auml;ngt von der geplanten Anwendung des &Ouml;ls ab.
Grunds&auml;tzlich besteht die M&ouml;glichkeit, das &Ouml;l nat&uuml;rlich zu belassen, wodurch etwa Vitamine, Antioxidantien, Glyco- und Sphingolipide erhalten bleiben; diese bringen positive Eigenschaften mit, zum Beispiel f&uuml;r kosmetische Anwendungen oder bestimmte Lebensmittel.
Alternativ l&auml;sst sich das &Ouml;l raffinieren, wie es f&uuml;r Pflanzen&ouml;le etabliert ist, also entschleimen, neutralisieren, bleichen und desodorieren. Diese Aufarbeitung ist notwendig, wenn das &Ouml;l geruchs- und geschmacksneutral oder f&uuml;r die chemische Synthese frei von Inhibitoren sein soll.
<h2>F&uuml;rs vegane Auto</h2>
Neben der Nachhaltigkeit ist die lokale Verf&uuml;gbarkeit in Zeiten gest&ouml;rter Lieferketten ein weiteres Argument f&uuml;r das Fermentations&ouml;l. Der vollst&auml;ndige Ersatz pflanzlicher Fette oder sogar petrochemischer Rohstoffe ist dabei vermessen, allein schon aufgrund der riesigen Volumina. Der Bedarf an Pflanzen&ouml;len lag im Jahr 2021 bei 212 Millionen Tonnen, mit einer j&auml;hrlichen Steigerung von vier bis f&uuml;nf Prozent; Verf&uuml;gbarkeiten und Preise sind allerdings zurzeit schwierig vorherzusagen. Daher gilt es zun&auml;chst, Anwendungsf&auml;lle zu finden, bei denen sich ein gewisser Preis rechtfertigen l&auml;sst.
Anhand des Konzepts f&uuml;r vegane Autos l&auml;sst sich ein solcher Fall skizzieren. Damit ein veganes Auto Realit&auml;t werden k&ouml;nnte, muss nicht nur der Lederbezug ausgetauscht, sondern die Fertigung jeder einzelnen Komponente zur&uuml;ckverfolgt werden. In vielen Prozessen werden Schmierstoffe verwendet, die in die Umwelt gelangen. Biogene Schmierstoffe, die eine h&ouml;here Umweltvertr&auml;glichkeit aufweisen, werden allerdings zu gro&szlig;en Teilen aus tierischem Fett gewonnen.
Eine vielf&auml;ltig verwendete Fetts&auml;ure ist die &Ouml;ls&auml;ure (C18:1). Sie weist verestert eine hohe Oxidationsstabilit&auml;t auf und wird bereits f&uuml;r die Synthese von biogenen Schmierstoffen eingesetzt, zum Beispiel f&uuml;r die Produktion von Trimethylpropan(TMP)-Trioleaten.
Die auf erneuerbaren Abfallstoffen gewachsenen Hefen produzieren TAGs, die reich an &Ouml;ls&auml;ure sind. Die &Ouml;ls&auml;uren lassen sich mit Methanol zun&auml;chst zu &Ouml;ls&auml;uremethylester (&Ouml;SME) umestern, wodurch Glycerin abgespalten wird. Anschlie&szlig;end werden die &Ouml;SMEs nochmals mit TMP zu einem Trioleat umgeestert. Dabei wird Methanol wieder frei.
<h2>Markteintrittsbarrieren</h2>
Der Markteintritt in der Biotechnik- und Chemiebranche ist f&uuml;r Start-ups nicht einfach. Das liegt zum einen an einer recht gro&szlig;en L&uuml;cke zwischen der akademischen Forschung und der praktischen Erfahrung in der Chemieindustrie. Zum anderen ist der Zugang zu den n&ouml;tigen Produktionsmitteln kostspielig, und die sehr ausgepr&auml;gte &bdquo;Economy of Scale&ldquo; sorgt f&uuml;r eine hohe Markteintrittsbarriere.
Zudem m&uuml;ssen Vertrieb, Qualit&auml;tssicherung und die Regulatorik aufgesetzt und beachtet werden. Dazu ist es herausfordernd, sich zu Beginn zu finanzieren, da gro&szlig;e Kapitalgeber wie Venture Capital Fonds typischerweise finanziell getrieben sind und vor allem auf die Profitabilit&auml;t achten. Positive Effekte auf Umwelt und Gesellschaft allein sind dann kein Argument.
Colipi geht mit Partnern aus Forschung und Industrie den n&auml;chsten Schritt in Richtung Produktionsma&szlig;stab. Am Jahresendende sollen erste Produkte als 3-in-1-Shampoos erh&auml;ltlich sein.
Der Prozessingenieur Jonas Heuer geh&ouml;rt zu den Gr&uuml;ndern von Colipi. <a href="https://www.colipi.com" target="_blank" rel="noopener">www.colipi.com</a>

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