Umweltbiotechnologie

Umweltbiotechnologie ist die Anwendung biologischer Systeme in technischen Verfahren industrieller Größenordnung mit dem Ziel der Umweltentlastung oder Ressourcenschonung. Aufgrund ihrer zahlreichen Anwendungsfelder und ihres breit gefächerten Methodenspektrums bietet die Biotechnologie ein vielversprechendes Problemlösungspotential. Wenngleich unterschiedliche absolute Angaben hinsichtlich ihrer Marktentwicklung existieren, so ist allen diesbezüglichen Aussagen gemein, daß die Biotechnologie - neben der Informationstechnologie - als die Megatechnologie der kommenden Jahrzehnte gilt. Dabei stellt die Biotechnologie eine Integration vieler Disziplinen dar und interagiert ihrerseits mit vielen Wissenschafts- und Technikbereichen. Bevor die umweltrelevanten Problemlösungen, die biotechnologische Forschung und Entwicklung bieten, im weiteren beschrieben werden, soll zunächst ein kurzer Überblick über Funktion und Wirkungsfeld der Biotechnologie (in Lehre, als „logos“, aber auch in ihrer Umsetzung, als „Technik“) gegeben werden, wobei zunächst auf einige Definitionen eingegangen wird. So formulierte die European Federation of Biotechnology 1981 folgende Definition: „Biotechnologie ist die integrierte Anwendung von Biochemie, Mikrobiologie und Verfahrenstechnik mit dem Ziel, die technische Anwendung des Potentials der Mikroorganismen, Zell- und Gewebekulturen sowie Teilen davon zu erreichen.“ Andere Definitionen, die sehr schön die Differenzierung von Bio- und Gentechnologie veranschaulichen, gibt Meuser: „Biotechnologie ist die wissenschaftliche Lehre in der Technik der Nutzung von Organismen (Mikroorganismen, Zell- und Gewebekulturen) sowie Teilen davon, die unter Einsatz mikrobiologischer, biochemischer und thermischer Verfahren mit den Zielen angewendet wird, Organismen zu züchten und zu vermehren sowie Substanzen oder Produkte zu bilden oder umzubilden sowie zu gewinnen und herzustellen.“... „Gentechnologie ist die wissenschaftliche Lehre in der Technik der Veränderung und Translokation der Gene von Organismen (Mikroorganismen, Pflanzen, Tieren und Menschen), die unter Einsatz biologischer, chemischer und physikalischer Verfahren mit den Zielen angewandt wird, neue und neuartige Formen des Lebendigen, darunter insbesondere des vermehrungsfähigen Lebendigen zu schaffen, in welchem besondere Leistungen hinsichtlich morphologischer Kriterien, Vermehrung und Lebensfähigkeit, stofflicher Zusammensetzung und Bildung von Stoffen exprimiert werden.“ Unabhängig davon, welcher der hier dargestellten oder anderer existierender Definitionen man sich anschließen möchte, geht aus allen Formulierungen hervor, daß es sich bei der Biotechnologie um eine Querschnittstechnologie handelt, deren Erkenntnisse in unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz gelangen und die dabei auf den Methoden und Forschungsergebnissen anderer Disziplinen, wie der Mikrobiologie, Molekularbiologie, Bio-/Chemie, Zellbiologie, Immunologie, Virologie, und Bio-/Verfahrenstechnik, aufbaut. Schließlich integriert biotechnologische Forschung und Entwicklung aber auch Instrumente und Erkenntnisse der Ökonomie und der Sozialwissenschaften, um eine wirtschaftliche und durch die Gesellschaft akzeptierte praktische Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse zu bewerkstelligen. Eben in dieser interdisziplinären Herangehensweise, die die konventionellen Grenzen klassischer Wissenschaftsbereiche schon seit langem überwunden hat, ist die Faszination und das enorme Potential dieser Zukunftstechnologie zu sehen. Wenngleich diese Querschnittstechnologie zu Recht als Zukunftstechnologie bezeichnet wird, sind ihre Ursprünge doch weit vor Christi Geburt zu datieren. So gehen Archäologen davon aus, daß die Bierbrauerei bereits vor 7000 Jahren bekannt war. Diese praktizierte Biotechnologie, die hier empirische Biotechnologie genannt sein soll, basiert auf dem zufälligen Kontakt von Menschen mit solchen Mikroorganismen, die für die Nahrungsmittelzubereitung von Interesse waren. Hieraus entwickelten sich erste Verfahren zur Sauerteigherstellung, zur alkoholischen Gärung, zur Essigsäureherstellung sowie zur Käseverarbeitung. Die enormen Qualitätsschwankungen dieser erzeugten Produkte, die für hohe Ausfallraten und ein entsprechend hohes gesundheitliches -Gefährdungspotential verantwortlich waren, wurden im Mittelalter durch zielgerichtete Arbeiten, speziell der Alchemisten, reduziert: Die empirischen Erkenntnisse wurden in erste industrielle Techniken überführt, womit die Ergebnisse der biotechnologischen Prozesse reproduzierbar waren. Hier sind vor allem die technische Essigherstellung, die Ledergerberei sowie die Ethanolgewinnung (inkl. Destillation) zu nennen. Allerdings war zu dieser Zeit noch unbekannt, daß biologische Systeme für die beobachteten und die nunmehr industriell genutzten Stoffumwandlungen verantwortlich waren. Die Naturwissenschaften des beginnenden 19. Jahrhunderts erbrachten neue Erkenntnisse und damit den Übergang zur klassischen Biotechnologie: So wurde u. a. durch Cagniard-Latour, Schwann und Kützing (unabhängig voneinander) 1837 gegen den heftigen Widerstand von Berzelius, Liebig und Wähler postuliert, daß die alkoholische Gärung eine Stoffwechselfunktion der beobachteten Hefe sei; den Beweis dafür erbrachte schließlich Louis Pasteur durch seine Arbeiten in den Jahren 1857-1876; durch seine enge Zusammenarbeit mit den Brennern aus Lille, die Zuckerrüben als Rohstoffquelle zur Ethanolgewinnung einsetzten, erfuhren Pasteurs Erkenntnisse eine direkte industrielle Überführung. Durch die industrielle Revolution und die stetig wachsende Nachfrage nach hochwertigen Lebensmitteln wurden Verfahren zur Milchsäureproduktion (zur Lebensmittelkonservierung) und zur Backhefeherstellung (Brotherstellung) in großindustrielle Verfahren überführt. Aufgrund der Städteentwicklung und des zunehmenden Hygienebewußtseins entwickelten sich zu dieser Zeit aber auch ganz andere biotechnologische Verfahren: Kommunale Abwässer sollten geregelt entsorgt und vorgeklärt in die als Vorfluter zur Verfügung stehenden Flüsse eingespeist werden. So entstanden in den europäischen Großstädten die ersten kontinuierlich betriebenen kommunalen Abwasserreinigungsanlagen, die das biologische Abbaupotential von Mikroorganismen nutzten. 1897 entdeckte Eduard Buchner, daß auch zellfreie Präparationen in der Lage sind, die alkoholische Gärung zu bewerkstelligen, weshalb er postulierte, daß dieser komplexe Prozeß eine sukzessive Folge unabhängiger chemischer Reaktionen sein müsse. Damit war erstmalig demonstriert, daß auch subzelluläre Bestandteile, nämlich Enzyme, in der Lage sind, biotechnologische Prozesse zu ermöglichen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden weitere biotechnologische Verfahren erarbeitet und optimiert, um die während des ersten Weltkriegs immer knapper werdenden Rohstoffkapazitäten an Butanol, Aceton und Glycerin (zur Sprengstoffherstellung) auf diesem Wege zu substituieren. Die in diesem Zusammenhang gewonnenen Kenntnisse führten auch dazu, daß seit 1920 Zitronensäure (Nahrungsmitteladditiv, u. a. in der Getränkeindustrie verwandt) im großtechnischen Maßstab auf biotechnologischem Wege hergestellt wird. Mit dem zweiten Weltkrieg wurde schließlich auch der Weg zur modernen Biotechnologie beschritten: Obwohl Alexander Fleming bereits 1929 das erste chemotherapeutisch wirksame Antibiotikum, Penicillin, entdeckt hatte, gestaltete sich die Reinigung und Gewinnung der Substanz äußerst diffizil. Zehn Jahre später erbrachten die Arbeiten von Florey und Chain enorme Fortschritte; da sich England jedoch im Krieg befand, wurden die weiteren Entwicklungen durch die USA vorangebracht, die ein groß angelegtes Forschungs- und Entwicklungsprogramm in zahlreichen Laboratorien initiierten: Innerhalb von drei Jahren war es trotz aller Schwierigkeiten, die bisherige Ansätze scheitern ließen, möglich, Penicillin im industriellen Maßstab herzustellen. Den entscheidenden Schritt zu einer qualitativ anderen Biotechnologie, die heute oft als moderne Biotechnologie bezeichnet wird, leistete das historische gentechnische Experiment von Stanley Cohen und Herbert Boyer, denen es 1973 gelang, fremde DNA in ein Plasmid einzubauen: Das neukombinierte Plasmid konnte in Bakterien überführt und dort zur Wirkung gebracht (exprimiert) werden. An dieser Stelle soll noch einmal festgehalten werden, daß Gentechnologie nicht mit Biotechnologie gleichzusetzen ist: Vielmehr stellt die Gentechnologie ein Teilgebiet der Biotechnologie dar. Durch Nutzung molekularbiologischer und gentechnischer Kenntnisse wird das Methodenspektrum der Biotechnologie wesentlich erweitert. Die neue Qualität, die die Gentechnologie generiert, besteht darin, daß eine gezielte Übertragung genetischer Informationen von einer Lebensform auf die andere möglich ist oder die genetische Information innerhalb einer Lebensform gezielt modifiziert werden kann. Ein Beispiel dafür ist die Produktion menschlichen Insulins durch rekombinante E. coli-Stämme. Über die Kenntnisse der klassischen Biotechnologie hinaus umfaßt die moderne Biotechnologie neben der Gentechnik auch die Fusionstechniken, wie die Hybridoma-Technik zur Herstellung monoklonaler Antikörper, und neue zellbiologische Techniken in Forschung und Produktion. Schließlich soll auch auf die Bedeutung enzymologischer Forschung und Entwicklung hingewiesen sein, die sowohl in der medizinischen Diagnostik, der Biosensorik als auch in der industriellen Produktion (Synthese) ihren Platz behauptet: Enzyme sind Biokatalysatoren, die in allen lebenden Organismen vorkommen und für das Funktionieren der elementarsten Lebensprozesse verantwortlich sind. Ihre natürliche Funktion besteht in der Katalyse der im Organismus ablaufenden Stoffwechselreaktionen, die in Abwesenheit dieser spezifischen Eiweißmoleküle nicht oder nur unendlich langsam abliefen. Von den in der Natur vorkommenden schätzungsweise 7000 Enzymen sind derzeit mehr als 3000 Enzyme bekannt, die eine enorme Vielzahl an verschiedensten chemischen Reaktionen katalysieren. Von diesem durch die Natur zur Verfügung gestellten Potential werden derzeit nur rund 75 Enzyme industriell genutzt. Der Weltmarkt für industrielle Enzyme, inklusive Enzymen für Forschungs-, analytische bzw. diagnostische Zwecke, wird auf etwa 1 Milliarde US-Dollar geschätzt, wobei eine jährliche Steigerungsrate von etwa 10% vorliegt. Das Marktvolumen der Produkte, die mit Hilfe von Enzymen hergestellt werden bzw. die Enzyme als wesentliche Komponente enthalten, liegt um rund zwei Größenordnungen über dem Preis für industrielle Enzyme, d. h. bei etwa 100 Milliarden US-Dollar. Der Anteil technischer Enzyme, die mit Hilfe gentechnisch veränderter (rekombinanter) Organismen erzeugt werden, liegt zur Zeit deutlich über 50% und wird nach übereinstimmender Expertenmeinung in nächster Zeit noch deutlich steigen. Durch Implementierung molekularbiologischer Techniken können höhere Ausbeuten bei höherer Produktreinheit und damit einhergehender Reduktion der Abfall- und Emissionsmengen sowie der einzusetzenden Primärenergie erzielt werden, was sowohl zur Produktivitätssteigerung als auch zur Umweltentlastung und Ressourcenschonung beiträgt. Durch gentechnische Methoden ist es weiterhin möglich, Enzyme von industrieller Relevanz im Hinblick auf das jeweilige Applikationsgebiet maßzuschneidern. Zur Zeit werden mehrere Enzyme für die Anwendungsbereiche Waschmittel-, Textil-, Papier- sowie Stärkeindustrie mit Hilfe gentechnisch veränderter Organismen gewonnen. Für den Bereich der Lebensmittelindustrie stehen derzeit erst wenige Präparate zur Verfügung, die über rekombinante Organismen gewonnen werden, da hier eine mangelnde öffentliche Akzeptanz eine geringe Nachfrage verursacht. Bei Auseinandersetzung mit unterschiedlichsten Veröffentlichungen zum Thema „Perspektiven biotechnologischer Forschung und Entwicklung am Wirtschaftsstandort Deutschland“ wird deutlich, daß i. a. folgende Anwendungsbereiche benannt werden: Es sind dies die Gebiete Gesundheit, Ernährung, Chemikalien, Landwirtschaft und - sektoral dazu abgegrenzt - der Bereich des Umweltschutzes; aus dieser Darstellung leitet sich ab, daß -Biotechnologie zum Schutz der Umwelt (in der Regel als „Umweltbiotechnologie“ bezeichnet) im allgemeinen losgelöst gesehen wird von allen anderen Einsatzbereichen, wenngleich auch dort, wie mittlerweile zahlreiche Beispiele belegen, durch integrierten Einsatz biotechnologischer Verfahren und Produkte Umweltschutz im Sinn von Ressourcenschonung oder Umweltentlastung geleistet werden kann. Wie die Biotechnologie selbst als Querschnittstechnologie in unterschiedlichsten Bereichen mit verschiedenen Zielstellungen zum Einsatz gelangt, so muß auch Umweltschutz als Querschnittsaufgabe betrachtet werden, die sowohl die Disziplinen der Ökonomie als auch verschiedenste naturwissenschaftliche wie ingenieurtechnische Disziplinen anspricht und einen Paradigmenwechsel einläutet, der die klassischen Disziplingrenzen sprengt. Umweltschutzmaßnahmen, die nicht aufgrund gesetzlicher Reglementierungen durchgeführt werden, werden nämlich nur dort weite Verbreitung finden, wo sie die herrschenden ökonomischen Bedingungen und die technische Machbarkeit berücksichtigen und darauf aufbauend die ökologisch wie ökonomisch vielversprechendere Alternative darstellen. Im Bereich der klassischen umweltbiotechnologischen Problemlösungen jedoch, die im allgemeinen Verfahren der Abluft- und Abwasserreinigung sowie der Bodensanierung umfassen, gilt dieser ökonomische Vorteil (zumindest aus Sicht eines produzierenden Unternehmens) nicht. Hier greifen in der Regel jedoch die jeweiligen gesetzlichen Rahmenbedingungen, die die Durchführung dieser nachsorgenden Umweltschutzmaßnahmen fordern. Um zu verdeutlichen, welche Auswirkungen ökonomische Betrachtungen auf die gesellschaftliche und unternehmerische Rezeption von Umweltschutzmaßnahmen haben, soll neben der Definition integrierter und nachsorgender Umweltschutztechnologien auch deren ökonomische Relevanz dargestellt sein: Unter End-of-Pipe (EOP)- oder nachsorgenden Umweltschutztechnologien werden Umweltschutzlösungen verstanden, die Emissionen und Abfälle aus Produktionsprozessen nach deren Entstehen behandeln und ihre ökologisch schädlichen Wirkungen abschwächen. Beispiele hierfür stellen klassische Verfahren aus dem Bereich der sog. Umweltbiotechnologie dar, wie Abwasserreinigung, Abluftreinigung und Bodensanierung; hier haben sich biotechnologische Verfahren zwar fest etabliert, jedoch stehen sie in harter Konkurrenz zu alternativen chemischen, physikalischen oder ingenieurtechnischen Umweltschutzlösungen. Die ökonomische Betrachtung solcher Endof-Pipe-Technologien hält fest, daß dieselben: in der Regel unproduktiv gebundenes Kapital darstellen; laufende Kosten verursachen (im Hinblick auf Energie-, Material- und Personal-Einsatz); nicht zur Wertschöpfung im Sinne der Produktion beitragen; das Kostensenkungspotential durch End-of-Pipe-Technologien nur sehr begrenzt ist. Unter produktionsintegrierten Umweltschutztechnologien (PIUS) versteht man Umweltschutzlösungen, die darauf abzielen, Umweltbelastungen a priori nicht oder nur zu erheblich geringerem Ausmaß als in konventionellen Herstellungsverfahren entstehen zu lassen. Die ökonomische Betrachtung solcher produktionsintegrierter Umweltschutztechnologien hält dagegen im Vergleich zu nachsorgenden Maßnahmen fest, daß durch den Einsatz von PIUS: der Einsatz von Rohstoffen und Energie reduziert wird und diese Maßnahmen nach ihrer Umsetzung geringere laufende Kosten verursachen als End-of-Pipe-Technologien (im Hinblick auf Energie-, Material-und Personal-Einsatz); allerdings muß auch dargestellt werden, daß die Implementierung produktionsintegrierter Umweltschutzmaßnahmen in der Regel erhebliche Investitionen erfordert, da sie häufig eine vollständige Umstellung bestehender Produktionsabläufe notwendig machen. Jedoch zeigen zahlreiche (u. a. auch durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück, geförderte) Vorhaben, daß sich diese notwendigen Investitionen in vielen Fällen in überschaubaren Zeiträumen amortisieren. Welche Bedeutung diesen ökonomischen Betrachtungen beizumessen ist, wird anhand folgender Sachverhalte deutlich: So stellen Dyllik et al. fest, daß Umweltschutz von Unternehmen hauptsächlich als Kostenfaktor wahrgenommen wird, wie empirische Studien eindrucksvoll bestätigen: 1995 gaben 77% aller im Auftrag der Europäischen Kommission befragten Unternehmen an, daß die von ihnen durchgeführten gesetzlich induzierten Umweltschutzmaßnahmen eine kostensteigernde Wirkung hatten. Dies scheinen auch offizielle Statistiken zu belegen: So bewegt sich der Anteil der Umweltschutzinvestitionen an den Gesamtinvestitionen in ökologisch besonders bedeutsamen Branchen bei 15-30%. Wie das Statistische Bundesamt 1996 darlegt, betragen die laufenden Umweltschutzaufwendungen in diesen Branchen bis zu 5% des Umsatzes. Gleichzeitig aber, und dies soll hier festgehalten sein, entfielen 1989 in Deutschland noch 82% aller Umweltschutzinvestitionen auf End-of-Pipe-Maßnahmen. So nimmt es einerseits nicht Wunder, wenn Umweltschutzmaßnahmen von Unternehmen als Kostenfaktor empfunden werden; andererseits ist damit aber auch das häufig geäußerte Vorurteil widerlegt, daß die Darstellung der kostensteigernden Wirkung von Umweltschutzmaßnahmen rein unternehmerische Abwehrstrategien seien. Zusammenfassend gilt also, daß additive Antworten (EOP oder add-on-Technologien) auf Umweltschutzanforderungen wohl immer ausschließlich Kostenfaktor, niemals aber Produktivitätsfaktor sein werden! Ganz anders verhält es sich dagegen mit vorsorgenden und professionell integrativ umgesetzten Umweltschutzmaßnahmen. Diese leisten einen Beitrag zur: Minderung von Haftungs- und unternehmerischen Risiken, zur Schaffung neuer strategischer und konkreter Wettbewerbsvorteile sowie zur Senkung betrieblicher Kosten. Wenngleich aus diesen Betrachtungen hervorgeht, daß Anstrengungen im Hinblick auf innerbetrieblich umzusetzende Umweltschutzlösungen unter Berücksichtigung eines modernen Umweltkostenmanagements prioritär im Bereich integrierter Maßnahmen getätigt werden sollten, muß andererseits auch berücksichtigt werden, daß z. B. allein in der Bundesrepublik Deutschland derzeit ca. 170.000 Altlastenverdachtsflächen existieren, im Rahmen derer nachsorgende Umweltschutzlösungen Anwendung finden werden. Dabei handelt es sich in 86.000 Fällen um Altablagerungen, in rund 83.000 Fällen um Altstandorte. Bei einem großen Prozentsatz dieser Verdachtsflächen, die vormals gewerblich genutzt wurden, besteht der Verdacht oder der Nachweis, daß Bodenkontaminationen vorliegen, weshalb diese Flächen brach liegen. Dringender Handlungsbedarf ist dabei insbesondere in den innerstädtischen Brachflächen geboten. Gerade die Sanierung und Wiedernutzung tausender von Brachflächen in den industriellen Schwerpunktregionen hat grundlegende Bedeutung für die volkswirtschaftliche Entwicklung und die Flächeninanspruchnahme. Das Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG), welches zum Ziel hat, die Funktionen des Bodens nachhaltig zu sichern (Vorsorge) oder wiederherzustellen (Gefahrenabwehr bei Altlasten und kontaminierten Flächen), schafft einheitliche Voraussetzungen, um altlastenverdächtige Grundstükke entweder aus dem Verdacht zu entlassen oder nach erfolgter Sanierung dem Grundstückseigentümer wieder zur Verfügung zu stellen. Der Kostenaufwand für die Altlastensanierung in der Bundesrepublik Deutschland wird derzeit auf 300 bis 400 Milliarden DM geschätzt. Durch die OECD wurde die Umweltbiotechnologie als eine Schlüsseltechnologie für die Vermeidung, das Auffinden und das Beseitigen von Umweltbelastungen gesehen. Diese Bedeutung wird auch durch das Aktionsprogramm Agenda 21 der RioKonferenz unterstrichen, in welcher für alle wesentlichen Bereiche der Umwelt- und Entwicklungspolitik detaillierte Handlungsaufträge an alle Staaten formuliert werden und der Biotechnologie ein eigenes Kapitel (Kapitel 16) gewidmet ist. Hier sind Maßnahmen zur besseren Koordinierung und Zusammenarbeit auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene vorgesehen, um: die Erforschung und Anwendung biound gentechnischer Verfahren und Produkte zu fördern, die Verfügbarkeit derselben Verfahren und Produkte weltweit zu gewährleisten, die Chancen der Bio- und Gentechnik zu verbessern und dabei die Gesundheits- und Umweltrisiken zu analysieren und, soweit wie möglich, durch Maßnahmen technischer und rechtlicher Art einzugrenzen. Wenngleich, wie oben aufgeführt, unter dem klassischen Verständnis von Umweltbiotechnologie die biotechnologischen Verfahren der Abluft- und Abwasserreinigung sowie der Bodensanierung angesprochen werden, so stellt Umweltschutz durch Einsatz biotechnologischer Verfahren und Produkte, wie die Biotechnologie selbst, eine Querschnittstechnologie dar. So kann durch integrierten Einsatz biotechnologischer Verfahren und Produkte Umweltschutz im Sinn von Ressourcenschonung oder Umweltentlastung auch in anderen als den klassischen Bereichen geleistet werden, so z. B. in den Bereichen Gesundheit, Ernährung, Chemikalien und Landwirtschaft, wie die Ergebnisse verschiedener Forschungs- und Entwicklungsvorhaben überzeugend darstellen. Diesem Aspekt des produkt- bzw. produktionsintegrierten Umweltschutzes widmen sich die folgenden Ausführungen, wobei auf die vielversprechenden Verknüpfungen von Biotechnologie und Umweltschutz eingegangen wird. Anhand der zwei Praxisbeispiele wird deutlich, daß produktionsintegrierter Umweltschutz durch biotechnologische Verfahren oder Produkte sowohl strategische wie konkrete Beiträge zur Produktivitätssteigerung in Unternehmungen leisten kann. A) Herstellung von 7-Aminocephalosporansäure (7-ACS): Beim ersten Beispiel handelt es sich um die Herstellung der sogenannten 7-Aminocephalosporansäure (7-ACS), die als Ausgangssubstanz für die Herstellung einer Vielzahl halbsynthetischer Cephalosporine dient (Cephem-Antibiotika): Cephalosporine zeigen nur geringe toxische Effekte und sind gegen viele Bakterien wirksam. Pro Jahr werden aus 7-ACS rund 2.000 t an Wirkstoffen hergestellt; mit den Penicillinen, die ebenfalls zur Klasse der Lactam-Antibiotika zählen, stellen sie die umsatzstärkste Substanzklasse dar. Mit einem Weltmarktumsatz von rund 31 Mrd. DM verfügen sie über einen Anteil von 38%. Die wichtigsten Produzenten befinden sich in Europa und Südostasien; der Jahresbedarf beträgt weltweit rund 1.400 t. 7-ACS wird durch Abspaltung der Seitenkette aus dem durch Mikroorganismen (Acremonium chrysogenium) erzeugten Cephalosporin C gewonnen, wobei in der Vergangenheit auf ein chemisches Verfahren zurückgegriffen wurde, das aus folgenden Schritten bestand: Fällung und Isolierung des Cephalosporin-C-Zinksalzes; Schutz der funktionellen Gruppen des Moleküls durch Trimethylchlorsilan; Aktivierung des silyierten Moleküls mit Phosphorpentachlorid bei Tieftemperaturen, wobei sich das Imidchlorid bildet; alle bisherigen Schritte finden unter Ausschluß von Wasser statt; Hydrolyse des Reaktionsgemischs und Isolierung der 7-ACS durch Kristallisation aus der wäßrigen Phase: Die Tieftemperaturreaktionen wurden in Dichlormethan als Lösungsmittel durchgeführt, das über aufwendige Destillationen recycliert wurde; die wäßrige Phase mußte aufgrund ihrer schlechten biologischen Abbaubarkeit verbrannt werden! Die bei der Isolierung des Zinksalzes anfallende Mutterlauge mußte vor Einleitung in die biologische Abwasserreinigungsanlage von Zink befreit werden, wobei das anfallende Zinkammoniumphosphat zum Recycling an eine Zinkhütte abgegeben wurde. Aufgrund der mit dem chemischen Syntheseverfahren verbundenen hohen Entsorgungskosten wurde durch die Firma Hoechst, ähnlich wie bereits vor Jahren für die Herstellung von 6-Aminopenicillansäure (6APS), dem Zwischenprodukt für halbsynthetische Penicilline, ein biochemisches oder enzymatisches Verfahren zur Herstellung von 7-ACS entwickelt. Allerdings existiert im Gegensatz zur einstufigen enzymatischen 6-APS-Herstellung mit einer Penicillinacylase aus Penicillin G oder Penicillin V kein Enzym, das in industriell relevanten Ausbeuten 7-ACS in einem Schritt generiert. Das bei Hoechst entwickelte zweistufige Verfahren wird wie folgt durchgeführt: oxidative Desaminierung der Seitenkette des Cephalosporins C in wäßriger Lösung durch das Enzym DAminosäureoxidase (aus der Hefe Trigonopsis variabilis); unter Verbrauch von 02 entsteht 7-Ketoadipinyl-7-ACS, NH3 und H202; unter Verbrauch des gebildeten H202 entsteht durch irreversible oxidative Decarboxylierung Glutaryl 7-ACS; in einer zweiten Verfahrensstufe wird durch Abspaltung von Glutarsäure durch das Enzym Glutarylacylase 7-ACS erhalten, das kristallisiert und isoliert wird. Die Vorteile des enzymatischen Verfahrens bestehen: im Verzicht auf den Einsatz von CKW’s und toxischer Hilfsstoffe; im Verzicht auf Phosphorpentachlorid (Bildung von Salzsäurenebel mit H20); im Verzicht auf Trimethylchlorsilan (leichtentzündlich) die beide der Gefahrstoffverordnung unterliegen; im Verzicht auf Zinksalze (Vermeiden der damit einhergehenden Abwasserbelastung); in der drastischen Reduktion zu verbrennender Rückstände; in der Reduktion der Emissionen und zu verwertender Reststoffe; darin, daß Reaktionen bei Raum- statt Tieftemperaturen statt finden; darin, daß anfallende Abwasserinhaltsstoffe gut biologisch abbaubar sind. In diesem Zusammenhang muß betont werden, daß das enzymatische Verfahren trotz dieser offensichtlichen Vorteile erst dann auch wirtschaftlich überlegen war, als es mittels gentechnischer Methoden möglich wurde, hohe Konzentrationen an Glutarylamidase (GA) zu gewinnen. Mittels klassischer Stamm-, Medien- und Fermentationsoptimierung war dieses Ziel unerreichbar , weshalb die klassische chemische Herstellungsweise favorisiert wurde. Summa summarum ist festzuhalten, daß bei Umstellung der Herstellung auf das enzymatische Verfahren der Anteil der Kosten für die Abfallverbrennung, Abwasser- und Abgasreinigung an den Herstellkosten von 21% auf 1% gesenkt werden. Pro Mengeneinheit 7-ACS wurden die Umweltschutzkosten gegenüber dem chemischen Herstellungsverfahren um 90% reduziert. Tabelle 5 faßt schließlich die spezifischen Mengen an Abfällen und Emissionen vergleichend zusammen: Damit wird offensichtlich, daß der Einsatz biotechnologischer Verfahren und Produkte mit dem Ziel der Umweltentlastung und Ressourcenschonung durchaus auch mit der Schaffung konkreter Wettbewerbsvorteile und Produktivitätssteigerung verbunden ist, sofern dieselben integriert und professionell an „Schwachstellen“ bestehender Produktionsverfahren eingesetzt werden. B) Ressourcenschonende Optimierung der Gewinnung von Aminosäuren durch Einsatz von Biosensoren Das zweite Beispiel hebt auf ein durch die –3Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefordertes Vorhaben („Veredelung regionaler Rohstoffe durch innovative Aufreinigungsverfahren”) ab, das durch das Institut für Technische Chemie der Universität Hannover in Kooperation mit der Amino GmbH, Frellstedt, bearbeitet wird: Das Vorhabensziel besteht in der ressourcenschonenden und umweltentlastenden Optimierung der Aminosäuregewinnung durch Entwicklung eines leistungsfähigen Analysensystems auf Basis der Biosensorik. Aminosäuren stellen wertvolle Rohstoffe für die Nahtangs-, Futtermittel- und pharmazeutische Industrie dar. Die Gesamtproduktion betrug 1986 weltweit rund 650.000 t mit einem Wert von rund 2 Mrd. US-$. 1996 wurde der Markt auf rund 3 Mrd. US-$ geschätzt. Dabei werden Aminosäuren vor allem aus pflanzlichen und tierischen Rohstoffen (Zuckerrübenmelasse) extrahiert oder durch Säurehydrolyse dargestellt. Die bei der Zuckerrübenverarbeitung als Nebenprodukt anfallende tiefbraune und hochviskose Zuckerrübenmelasse stellt einen interessanten nachwachsenden Rohstoff dar, der vorwiegend als Futtermittel oder Rohstoff für weitere Fermentationen Verwendung findet. So kann Melasse, wie bei der Amino GmbH, durch chromatographische Verfahren entzuckert werden, wobei der gesamte Restzucker (50%) als Flüssigzucker gewonnen wird. Darüber hinaus werden auch die sog. „minor components“, Rest- und Wertstoffe, die nur weniger als 1% des Rohstoffs ausmachen, chromatographisch aufgereinigt. Dabei handelt es sich um Pharma-Wirkstoffe und Biochemikalien, wie Betain und Aminosäuren, deren Gewinnung aufgrund der geringen Ausgangskonzentrationen sich sehr aufwendig gestaltet; d. h. das Aufreinigungsverfahren ist mit einem hohen Energie- und Prozeßwassereinsatz verbunden. Im Sinn einer „Aufwandsminimierung“ (d. h. Produktivitätssteigerung im ökonomischen Sinn, Umweltentlastung und Ressourcenschonung im ökologischen Sinn) wurde für die ökonomisch interessante Aminosäure Serin ein on-line-Analysesystem entwickelt, das es ermöglichen sollte, eine optimale Reinheit und Ausbeute während der chromatographischen Auftrennung zu erzielen. Dieses Analysesystem beruht auf dem Prinzip eines Fließinjektionsanalysesystems (FIA), das auf einem Trägerstrom basiert, der kontinuierlich durch das Analysensystem geführt wird. Durch einen Injektor kann ein Probensegment der zu analysierenden Lösung in diesen Strom injiziert werden, wodurch dieses Segment dem eigentlichen Sensor zugeführt wird. In diesem Fall handelt es sich um einen Biosensor, also einem miniaturisierten Meßwertfühler, der in Verbindung mit einer biologischen Komponente chemische Verbindungen oder Ionen selektiv und reversibel erfassen kann und dabei konzentrationsabhängige Signale liefert (laut IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry). Durch Detektion eines Analyten verändern sich bestimmte physikalische oder chemische Parameter, die ihrerseits vom Transducer erfaßt und schließlich digitalisiert werden. Als biologische Komponente wurde die DAminosäuredehydratase aus Klebsiella pneumoniae eingesetzt, die nicht spezifisch für D-Senn ist, sondern auch L-Serin und LTryptophan umsetzt. Durch Kopplung dieser Reaktion mit Lacat-Dehydrogenase jedoch, die das aus der Dehydratasereaktion aus Serin entstandene Pyruvat umsetzt, und Messung der Oxidation des NADH (gekoppelter optischer Test) bei 340 nm wird ein Signal erhalten, das mit der vorliegenden Serin-Konzentration korreliert. D-Serin-Dehydratase und Lactat-Dehydrogenase wurden auf VA-Epoxy coimmobilisiert; nach weiteren Optimierungen konnte die Zeit für eine Messung auf 125 Sekunden reduziert werden; im Vergleich dazu liefert die off-line-Analytik mit HPLC erst 24 Stunden später entsprechende Aussagen. Die für eine Messung nunmehr immer noch benötigte Zeitdauer ist für die on-lineProzeßanalytik jedoch trotz dieser Steigerung immer noch zu lange, da der Elutionszeitraum für Serin 5 Minuten des Trennprozesses ausmacht: Anhand somit maximal zu ermittelnden drei Meßwerten kann keine Aussage über den Konzentrationsverlauf, mit dem der SerinPeak eluiert, getroffen werden, weshalb das Konzept der in-time Analytik entwickelt wurde. Da keine spontanen Änderungen während des Trennprozesses zu erwarten sind, ist eine Echtzeit-Analytik für die Steuerung des Prozesses nicht notwendig, weshalb der Zeitraum zwischen zwei hintereinander geschalteten Chromatographiezyklen ausreicht, um die entsprechenden Analysen durchzuführen; in diesem Fall stehen für die Serin-Analytik 90 Minuten zur Verfügung. In dieser Zeit fließen die Analysenergebnisse in die Prozeßsteuerung ein; anhand dessen wird überprüft, ob eine Korrektur der Schnittgrenzen notwendig ist oder der Trennprozeß optimal verläuft. Entsprechende Korrekturen werden vor der Elution der nachfolgenden Serin-Fraktion entsprechend berücksichtigt. Notwendige Korrekturen der Schnittgrenzen können über die Berechnung einer Gauß-Funktion erfolgen, die aus den vorhandenen Meßdaten den gesamten Peakverlauf simuliert. Durch Anwendung dieser in-timeAnalytik und das daraus abgeleitete optimierte Steuern des Chromatographieprozesses lassen sich erhebliche Mengen an Energie und Chemikalien einsparen, wie aus Tabelle 6 hervorgeht. So werden 60% höhere Produktkonzentrationen erzielt, wodurch die Aufkonzentrierung der Serin-Fraktion entfällt; damit werden 200-250 t Dampf eingespart, was einer 30%igen Energieeinsparung entspricht (spezifische Produktionsenergie). Darüber hinaus werden die Intervalle zur Regeneration der Adsorberharze verlängert, wodurch Einsparungen bei Chemikalien und Elutionswasser erreicht werden. Und schließlich muß auch festgestellt werden, daß 3500 m3 Abwassers weniger abgegeben werden; gleichzeitig sinkt der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) des Abwasser beträchtlich. Zusammenfassend kann also auch für dieses Beispiel festgestellt werden, daß der Einsatz intelligenter auf biotechnologischen Komponenten basierender Analysesysteme in Kopplung an bestehende Steuerungssysteme nicht allein im Hinblick auf Ressourcenschonung und Umweltentlastung, sondern auch unter Gesichtspunkten der Produktivitätssteigerung rentabel ist. Beide Darstellungen bestätigen eindrucksvoll, welche Synergismen aus der Verknüpfung biotechnologischer Kenntnisse und Methoden des modernen Umweltkostenmanagements resultieren. Diese in Zukunft stärker zu nutzen, bedeutet, in eine nachhaltige Zukunft zu investieren. Weiterführende Literatur: Dyllick, T./ Belz, F./ Schneidewind, U.: Ökologie und Wettbewerbsfähigkeit, München/Wien 1997; Heiden, S./ Bock, A.- K./ Antranikian, G. (Hrsg.): Industrielle Nutzung von Biokatalysatoren. Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit/15. Osnabrücker Umweltgespräche, Bd. 14 der Reihe Initiativen zum Umweltschutz, Berlin 1999; Heiden, S./ Erb, R./ Warrelmann, J./ Dierstein, R. (Hrsg.): Bioremediation. Entwicklungsstand. Anwendungen. Perspektiven. Bd. 12 der Reihe Initiativen zum Umweltschutz, Berlin 1999; Heiden, S.: Umweltbiotechnologie. Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit, in: Heiden, S. (Hrsg.): Innovative Techniken der Bodensanierung. Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit, Jena 1999; OECD. Organisation for Economic Co-Operation and Development (ed.): Biotechnology for Clean Industrial Products and Processes. Towards Industrial Sustainibility, Paris 1998; UNCED. United Nations Conference on Environment and Development (ed.): Proposal of the Chairman of the Preparatory Comittee for UNCED on the Rio Declaration on Environment and Development. Rio de Janeiro 1992; Scheper, T.: Biotechnologie am Wirtschaftsstandort Deutschland. Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit. Neue Wege zu Produktivitätssteigerung und Kostensenkung, Osnabrück 1998; Deutscher Bundestag (Hrsg.): Rat von Sachverständigen für Umweltfragen (SRU). Umweltgutachten 1994. Für eine dauerhaft-umweltgerechte Entwicklung. BT-Drucksache 12/ 6995, Bonn 1994.