Aus organischen Abfällen lassen sich wertvolle Produkte herstellen – etwa der Süßstoff Xylitol. Die TU Wien präsentiert auf der Messe "Labvolution" ein neues Verfahren für die Bioraffinerie der Zukunft erstmals der internationalen Industrie.

Manche Abfälle sind fürs Wegwerfen in Wahrheit viel zu schade. In der Papier- und Zellstoffindustrie fallen große Mengen an Hemizellulose an, die bisher kaum Beachtung fanden. Mit neuartigen Verfahren kann man daraus allerdings wertvolle Produkte herstellen – zum Beispiel Xylitol, ein Süßstoff, der intensiv schmeckt, dabei aber Karies vorbeugt und nur eine geringe Insulinausschüttung bewirkt. An der TU Wien gelang es, chemische, enzymatische und biologische Prozessschritte zu verknüpfen. Mit Hilfe spezieller Designer-Mikroorganismen kann man nun in einem einzigen Verfahrensschritt auf umweltfreundliche Weise aus Hemizellulose Xylitol herstellen.

Maßgeschneiderte Mikroorganismen

In der Biotechnologie werden heute gezielt bestimmte Mikroorganismen eingesetzt. "Lebende Zellen sind immer extrem komplex, daher betrachtete man sie bisher oft einfach als Black Box und versuchte durch Versuch und Irrtum herauszufinden, wie man den Herstellungsprozess verbessern kann", sagt Prof. Christoph Herwig (Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien). "Wir gehen allerdings einen anderen Weg: Uns geht es darum, genau zu verstehen, was in den Zellen abläuft, um sie gezielt verbessern zu können."

Dabei wurde erstmals die Spezies Sulfolobus technisch eingesetzt. Diese einfachen Mikroorganismen aus der Domäne der Archaebakterien lieben eine Umgebung, in der andere Lebewesen nicht überleben könnten: Bei 70 bis 80°C und einem pH-Wert von knapp über 2.5 (das ist fast so sauer wie Zitronensaft) leisten sie ihre beste Arbeit. Mit der CRISPR/Cas Methode wurden ganz gezielt neue Sulfolobus-Stämme erzeugt, um die Produktivität und Ausbeute des Prozesses zu erhöhen.

"Damit ist es uns gelungen, die Vorteile von lebenden Zellen, enzymatischen und chemischen Katalysatoren zu kombinieren", erklärt Oliver Spadiut (TU Wien). "Bei unserem neuen Hybrid-Prozess werden einerseits Mikroorganismen verwendet und andererseits auch bestimmte Enzyme und chemische Katalysatoren zugeführt. So können wir die gewünschten Produkte in unserem Bioreaktor in einem einzigen Schritt herstellen – und zwar auf eine energieeffiziente und genau kontrollierbare Weise, die sich gut auf industrielle Maßstäbe hochskalieren lässt."

Auch heute wird bereits Xylitol aus Hemizellulose hergestellt, allerdings auf deutlich kompliziertere Weise: "Normalerweise muss man die Hemizellulose bei hohen Temperaturen mit Säure aufschließen. Durch den Einsatz von Mikroorganismen können mildere und kürzere Vorbehandlungsschritte der Hemizellulose gewählt werden, was Kosten spart und die Bildung von Inhibitoren – das sind störenden Substanzen, die später wieder aufwändig abgetrennt werden müssen - stark reduziert", erklärt Oliver Spadiut. "Außerdem führt man die Umwandlung zum wertgeschöpften Produkt normalerweise bei einem Überdruck von etwa 50 bar durch – das ist teuer und energieintensiv." Das Verfahren der TU Wien ist deutlich billiger und umweltfreundlicher.

Zukunftsvision Bioraffinerie

Die vorliegenden Forschungsergebnisse erlauben nicht nur die Herstellung des Süßstoffs Xylitol. Die Vision ist viel größer: "Ähnlich wie es heute Erdölraffinerien gibt, in denen eine Vielzahl verschiedener Stoffe hergestellt werden, wird es in Zukunft Bioraffinerien geben", glauben Christoph Herwig und Oliver Spadiut. "Aus Materialien, die man heute für wertlos hält, wird man dort viele nachgefragte Substanzen gewinnen – bis hin zu teuren Medikamenten."