Elastan aus dem Zuchttank

Genomatica, eine junge Biotech-Firma aus San Diego, hat eine Methode entwickelt, mit der sich der zentrale Bestandteil der Kunstfaser Elastan aus Zucker herstellen lässt - und zwar zu einem Preis, der mit dem aktuellen petrochemischen Prozess bald konkurrenzfähig sein soll.

Dazu hat das Unternehmen ein genetisch verändertes E. coli-Bakterium geschaffen, das eine Chemikalie namens 1,4-Butandiol (BDO) ausscheidet. Aus diesem Stoff lassen sich verschiedene Endprodukte wie die erwähnten Kunstfasern, aber auch Autoteile oder Medikamente herstellen.

Laut Genomatica erreicht der proprietäre Prozess einen Reinheitsgrad von mehr als 99 Prozent. Das wäre ein technischer Meilenstein, der den Weg zu einer Demonstrationsanlage mit einem Output von immerhin einer Tonne pro Tag freimacht, die bereits im nächsten Jahr entstehen soll. (Die aktuelle BDO-Weltproduktion liegt bei 1,5 Millionen Tonnen.) Laut der Firma gelang es außerdem, die Produktivität des verwendeten Bakteriums auf ein Niveau zu heben, das in der nächsten Entwicklungsstufe mit Herstellungsprozessen auf Öl- und Erdgasbasis konkurrieren können soll.

Christophe Schilling, Chef von Genomatica, meint, dass der neue Prozess die Energiekosten bei der Herstellung der Chemikalie um bis zu 30 Prozent senken wird. Außerdem entkopple es die Produktion vom aktuellen Öl- und Erdgaskurs. Bei einem Barrelpreis von 40 bis 50 Dollar und einem Zuckerpreis zwischen 10 und 12 US-Cent ließen sich so bis zu 25 Prozent der Kosten sparen, glaubt Schilling.

Genomatica ist nicht das einzige Unternehmen, das versucht, petrochemische Herstellungsverfahren durch biologische Prozesse zu ersetzen. John Pierce, Vizepräsident für Technologie in der Abteilung für angewandte Bioforschung bei DuPont, ist optimistisch, dass aktuelle Verbesserungen im Bereich der Gentechnik es bald erlauben, Organismen zu schaffen, die die verschiedensten chemischen Produkte herstellen können.

Ende der Siebzigerjahre versuchte der Chemiekonzern selbst, einen neuen BDO-Produktionsprozess mit Hilfe spezieller Organismen zu entwickeln, kommerzialisierte ihn aber nie. Seither war man bei einer anderen wichtigen Chemikalie erfolgreicher: 2006 wurde eine Fabrik eröffnet, in der Mais zu 1,3-Propandiol (PDO) umgewandelt werden kann, aus dem sich ein faserreicher Kunststoff namens Sorona herstellen lässt.

Pierce sagt für die nächsten 15 Jahre eine deutliche Marktverschiebung hin zu biologischen Prozessen voraus, um chemische Zwischenprodukte zu schaffen - je teurer petrochemische Ausgangsstoffe werden, desto schneller. "Historisch gesehen war Öl immer billiger als Zucker - deshalb befanden wir uns auch im Erdölzeitalter." An diesem billigen Rohstoff sei niemand vorbeigekommen. "Nun sind wir in einer Übergangsphase, in der es immer häufiger vorkommt, dass es billiger wird, zum biologischen Prozess zu greifen."

Genomatica wurde im Jahr 2000 gegründet. Die Idee der Firma: Sie setzt eine Anzahl eigens entwickelter Softwarewerkzeuge ein, um vorherzusagen, welche Veränderungen im Stoffwechselweg zum gewünschten Endprodukt eines Bakteriums führen. Dabei werden Tausende dieser Reaktionen, bei denen Zellen Nährstoff verstoffwechseln, durchgespielt, um die am besten für Experimente geeigneten Varianten zu ermitteln. Seit kurzem besitzt die Firma auch die Fähigkeit, mit dieser Software entstandene Organismen mit speziellen Werkzeugen zu produzieren - indem beispielsweise bestimmte Gene ergänzt oder entnommen und bestimmte Organismen selektiv weiterentwickelt werden, damit möglichst hohe Konzentrationen des gewünschten Endprodukts entstehen. Neben dem BDO-Prozess entwickelt Genomatica auch Methoden zur Herstellung von zehn weiteren Chemikalien, darunter das Lösungsmittel MEK, das sich in nicht ausgelasteten Maisethanolfabriken herstellen lassen würde.

Um den nun entwickelten BDO-Prozess auf einen industriellen Maßstab zu skalieren, muss Genomatica noch einige schwere Hürden überwinden. So sollte die Produktivität der verwendeten Organismen mindestens noch verdoppelt werden. Firmenchef Schilling erwartet, dass dies technisch möglich sein wird, sei es doch bereits gelungen, die Leistung um ein 20.000faches zu steigern, nachdem man vor 18 Monaten nur mit kleinsten Spuren begonnen hatte. Die letzte notwendige Verdopplung könnte allerdings schwierig werden, weil der Output der Organismen inzwischen stark optimiert ist.

Hinzu kommt, dass der Schritt vom Labor hin zum kommerziellen Maßstab Jahre benötigen kann - eine Garantie, dass das ohne eine Kostenexplosion abgeht, gibt es nicht. Einige Prozesse lassen sich im Reagenzglas leicht durchführen, wie etwa die Auslieferung von Sauerstoff an Organismen in einer Lösung. In großen Tanks ist das nicht mehr ganz so leicht.

So benötigte DuPont laut Pierce allein elf Jahre, bis eine echte industrielle Produktion des biologisch hergestellten PDO möglich war. Zudem gibt es praktische Fragen, die geklärt werden müssen. Sind die Organismen anfällig für Viren? Was passiert, wenn es durch einen Stromausfall zu einer Unterbrechung der Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr kommt? Wie schnell lässt sich dann die Produktion wieder anfahren?

Wenn es Genomatica tatsächlich gelingt, die BDO-Herstellung von der kleinen Labormenge hin zu einer Tonne pro Tag zu skalieren, dürfte Partnerschaften mit großen Chemiekonzernen wie Dow Chemical, BASF oder DuPont nichts mehr im Weg stehen. Eine eigene Großproduktion will Firmenchef Schilling sowieso nicht aufbauen: Das Knowhow dafür ist bei den Branchenriesen deutlich größer. (bsc)