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Archive for the ‘Themen’ Category

Nichts geht mehr ohne Startups. Ständig kommen neue Gründer hinzu, die gute Ideen und neue Konzepte auf den Markt bringen. Auch die deutsche Chemieindustrie braucht Startups, weil die jungen Unternehmen viel flexibler als große Konzerne sind und unvoreingenommen disruptive Ideen und neue Strukturen entwickeln. Bisher war die Gründungsfreudigkeit in der Branche aber eher gering. Damit sich das ändert, gibt es seit September vergangenen Jahres das Forum Startup Chemie, das junge Unternehmen unterstützt und sich für die Verbesserung der Rahmenbedingungen einsetzt.

Bei der 2. Stakeholderversammlung am vergangenen Donnerstag trafen sich die Arbeitskreise des Forums und Vertreter aus der Industrie, kleinen und mittelständischen Unternehmen, dem Kapitalmarkt, von Startups, Verbänden und aus den Gesellschaften im DECHEMA-Haus, um erste Ergebnisse zu präsentieren, über die Arbeit des Forums zu diskutieren und zu netzwerken.

Und die Arbeitskreise des Forums Startup Chemie waren fleißig! Der Arbeitskreis „Gründung“, der sich um Startups bis zwei Jahre nach Gründung kümmert, berichtete von seinen Analysen zur Hochschul-Gründerlandschaft im Bereich Chemie und stellte unter anderem identifizierte Gründungshindernisse vor. Der Arbeitskreis „Wachstum“ hat sich unter anderem zum Ziel gesetzt, nachhaltiges Wachstum von Chemie-Startups zu fördern. Hierfür müssen Startups ihre Einnahmen zunehmend auch aus Aufträgen von Kunden generieren. Dazu brauchen die Startups mehrSichtbarkeit in der Branche. Als eine Maßnahme dafür präsentierte der Arbeitskreis eine Datenbank, die einen Überblick über die etwa 200 deutschen Chemie-Startups und ihre Produkte bzw. Dienstleistungen gibt. Außerdem präsentierte der Arbeitskreis ein Positionspapier zu kritischen Punkten bei Verträgen zwischen Startups und etablierten Unternehmen. Das Papier wird kontinuierlich weiterentwickelt und die aktuelle Version kann auf der Homepage des Forums abgerufen werden. An neuen Geschäftsmodellen für die gegenseitige Unterstützung von Startups und Unternehmen an der Schnittstelle von Chemie und Digitaler Wirtschaft hatte der Arbeitskreis „Chancenfeld Digitalisierung“ gearbeitet und, unter anderem, eine Session beim PRAXISforum Big Data Analytics in Process Industry der DECHEMA organisiert.

Sehr unterhaltsam und lehrreich war der Vortrag von Calin-Mihai Isman, Berater, Mediator und Geschäftsführer von Isman & Partner. Er gab Startups praktische Tipps zum Thema Verhandlung und erklärte sehr anschaulich, worauf Gründer bei der Verhandlung mit Corporates besonders achten sollten. Einen Raum zum Ausprobieren und Gründen finden Chemiestudenten und -doktoranden in der Chemical Invention Factory, die der Geschäftsführer Sebastian Müller und Prof. Dr. Matthias Drieß (Professor für Chemie TU Berlin) vorstellten. Daneben präsentierte Dr. Frank Funke die Angebote des Digital Hub Rhein-Neckar, welches digitale Innovationen durch die Zusammenarbeit von Startups, KMUs und Corporates im Bereich der Chemie und der Gesundheit fördern möchte.

© peshkova – stock.adobe.com

Um den Blick nach vorne ging es anschließend in den Sitzungen der Arbeitskreise. Hier wurden die Aufgaben für die nächsten Monate besprochen und das weitere Vorgehen geplant. Das nächste Stakeholdertreffen des Forums findet im November dieses Jahres statt. Wenn Sie auch als Stakeholder im Forum Startup Chemie mitwirken wollen oder Fragen zur Unterstützung durch das Forum haben, wenden Sie sich an Dr. Sebastian Hiessl (info@forum-startup-chemie.de).

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Wer Energie spart, spart auch CO2 und Kosten. Das liegt auf der Hand. Kompliziert wird es aber bei der Umsetzung, denn hier spielen viele Faktoren eine Rolle. Für industrielle Wasserkreisläufe gibt es jetzt eine Plattform, die Unternehmen auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz unterstützt. An ihrer Entwicklung war auch die DECHEMA im EU-Projekt WaterWatt beteiligt. Im Interview erklärt Dr. Jochen Michels, wissenschaftlicher Koordinator des Projekts, wie die Plattform eingesetzt werden kann und welche Einsparungen möglich sind.

Was ist die E3-Plattform?

E3 steht für Energie, Effizienz, Evaluation. Auf dieser internetbasierten Plattform kann man sich über Energieeffizienz in industriellen Wasserkreisläufen informieren und seine eigenen Kreisläufe evaluieren. Man kann also einmal durchprüfen, wie energieeffizient sie im Vergleich zu Wasserkreisläufen, die wir als Beispiele hinterlegt haben, schon sind. Man kann Verbesserungsvorschläge nachlesen oder im Simulator durchtesten.

Startseite der E3-Plattform

An wen richtet sich die E3-Plattform?

Wir gingen erst davon aus, dass sie sich direkt an die Unternehmen richtet, an große Unternehmen, die industrielle Wasserkreisläufe einer bestimmten Dimension betreiben. Das sind in der Regel Großindustrien, die auch eigene Energieteams haben, die sich um die Energieeffizienz in den Anlagen kümmern. Das ist aber nur eine relativ kleine Gruppe, die aber auch durchaus interessiert ist. Allerdings muss man sagen, dass die alle schon Lösungen haben, weil sie vom Gesetz her verpflichtet sind, sich alle drei Jahre in Bezug auf Energieeffizienz evaluieren zu lassen. Das ist eine gesetzliche Vorgabe der EU.

Deswegen muss man sagen, dass wir uns mit diesem WaterWatt-Projekt eher an kleine und mittelständische Unternehmen wenden, die zwar nicht gesetzlich verpflichtet sind, Energieeffizienzmaßnahmen zu ergreifen, aber wo die EU es sehr unterstützt, wenn sie es tun. Es lohnt sich für diese Unternehmen auch erst, wenn sie eine bestimmte Mitarbeitergröße haben, weil Energieeffizienzevaluation immer auch bedeutet, dass mindestens ein Mitarbeiter, wenn nicht gar ein Team, für diese Aufgabe zuständig sein muss.

Interessant ist die Plattform auch für Berater. Die waren, wenn wir das Projekt vorgestellt haben, immer sehr interessiert, weil sie die Plattform nutzen können, um ihren Kunden Energieeffizienzmaßnahmen zu erklären. Ein Consultant kann sich mit diesem doch recht komplizierten Simulator auseinandersetzen, kann die Kreisläufe dort abbilden und seinen Kunden gleich zeigen, wie viel Energie im Jahr gespart werden kann, wenn er Pumpe X und Filter Y durch etwas anderes ersetzt. Solche Tools gibt es eigentlich nicht auf dem freien Markt oder zumindest nicht kostenlos und sie sind auch relativ kompliziert. D.h. es lohnt sich eigentlich weniger für Unternehmen, sich einmalig dort einzuarbeiten, aber es lohnt sich für einen Berater, der viele Kunden hat, bei denen er das Tool regelmäßig einsetzen kann.

Wie kann die Plattform eingesetzt werden? Welche Vorteile hat sie?

Die Situation vor drei Jahren, als wir mit dem Projekt angefangen haben, war, dass es eigentlich gar kein Bewusstsein für diese Nebenkreisläufe in der Industrie gab. Für ein Unternehmen ist wichtig, dass der Prozess läuft. Und der Prozess an sich, was auch immer produziert wird, muss energieeffizient sein. Das ist schon richtig. Aber in der Regel hängt bei vielen Unternehmen der Prozess auch daran, dass der industrielle Wasserkreislauf funktioniert. Nehmen wir als Beispiel ein Walzwerk, das Walzstahl herstellt. Die Maschinen, die den Stahl walzen, werden permanent mit Wasser gekühlt, damit sie durch den geschmolzenen Stahl nicht selber angegriffen werden. Wenn da die Kühlung ausfällt, steht der ganze Prozess still. Und deswegen ist es ihnen eher egal, wie viel Wasser sie dort verbrauchen, Hauptsache die Kühlung funktioniert. Ein Stahlwerk braucht natürlich viel mehr Energie, um den Stahl aufzuschmelzen. Da muss also auch ein Umdenken stattfinden, weil es auch hier in der Summe um sehr viel Energie geht und damit auch sehr viel CO2, das bei der Energieproduktion anfällt. Man geht davon aus, dass es um die 10.000 Gigawattstunden für die gesamte EU sind, die eingespart werden können.

Abhängig von den kontextabhängigen Faktoren werden natürlich nicht alle Unternehmen die Maßnahmen umsetzen. Eine Checkliste mit den kontextabhängigen Faktoren, die Unternehmen bei der Berechnung berücksichtigen sollten, findet sich im Informationsteil der Plattform. Dort gibt es auch E-Learning-Module und weitere Infos. Jeder muss für sich selbst bestimmen, welche Faktoren auf die eigene Situation zutreffen. Es reicht z.B. nicht zu sagen, dass man eine neue Pumpe kauft. Man muss schauen, ob man nicht Fördergelder dafür bekommen kann. Muss ich meine Mitarbeiter für diese neue Pumpe schulen, habe ich Mehrkosten. So geht es rauf und runter und das muss man alles berücksichtigen, wenn man so eine Investitionsentscheidung trifft. Für die Entscheidung reicht es nicht zu sagen, dass eine neue Pumpe so und so viel Wasser und Energie spart. Auch die Frage nach der maximal tragbaren Amortisationszeit, die für jedes Unternehmen unterschiedlich ist, spielt eine Rolle. So etwas kann der Unternehmer nur selber entscheiden. Dafür geben wir dem Unternehmen oder Berater die Tools an die Hand. Wir bieten eine riesige Datenbank auf der Website die von vielen Anbietern Pumpen, Filter und Kühltürme sowie andere Teile enthält, die in einem industriellen Wasserkreislauf verwendet werden. Deren Kenndaten, die für die Energieeffizienz sprechen, haben wir auf einen gemeinsamen Nenner gebracht, so dass wir in einer großen Tabelle darstellen können, wie energieeffizient bestimmte Komponenten sind, so dass man sie auch untereinander vergleichen kann.

Neben den Infos bieten wir auf der Plattform im Moment zwei Möglichkeiten zur Evaluierung an: Das eine ist die Selbstevaluierung. Man kann also die ganzen Tools, einen kurzen Fragebogen und den Simulator nutzen. Oder man füllt einen umfangreicheren Fragebogen aus, der an unsere Partner im Projekt geschickt wird, und kann dort eine kostenpflichtige Beratungsleistung anfordern. Das Projekt ist jetzt zu Ende, aber die Finanzierung für die Plattform ist in der Form noch für ein Jahr gesichert. Die Idee ist, dass zwei unserer Partner daraus ein Unternehmen gründen und mit dem Tool einerseits an Unternehmen herangehen, andererseits Berater schulen. Dieses Spin-off soll die Plattform dann weiter kostenlos anbieten. Darüber hinaus wird die geplante Firma auch kostenpflichtige Beratungen anbieten.

Konzept des Projekts WaterWatt

Wie sollte ein Unternehmen vorgehen, wenn es sein Einsparpotenzial auf der Website berechnen möchte?

Sinnvoll ist, sich erst mal mit der Website vertraut zu machen und einen Überblick über die Tools zu bekommen, z.B. mit unserer Broschüre. Wenn es dann an die Simulation geht, kann man natürlich alle Komponenten im Simulator darstellen. Dahinter verbergen sich noch jede Menge Eingabefelder mit notwendigen Daten, damit die Simulation am Ende läuft. Das ist ein iterativer Prozess. Man kann auch jeden Zwischenstand speichern, wenn z.B. noch Daten fehlen, und dann an der Stelle weitermachen. Das ist auch nützlich, wenn man einen Energieaudit durchführt und die Zwischenschritte mit dem Auditor bespricht.

Jetzt ist eine gute Zeit, sich um die Energieeffizienz zu kümmern, weil es viele Fördermittel gibt. Die EU hat eine eigene Energieeffizienz-Richtlinie herausgegeben, die aktuell zwar nur die Großunternehmen verpflichtet, Energieaudits zu machen und regelmäßig zu dokumentieren, wie sie energieeffizienter werden. Für kleine und mittelständische Unternehmen gilt das nicht. Aber es gibt sehr viele Programme, um sie auch zum Audit zu bewegen und sie dabei zu unterstützen, energieeffizienter zu werden. Je energieeffizienter ein Unternehmen, desto wirtschaftlicher. Es lohnt sich also auch für kleinere Unternehmen mal zu schauen, wo man etwas einsparen kann.


Dashboard des Simulators

Welche Einsparungen sind möglich?

Für die Marktanalyse haben wir sehr viele Berichte von ähnlich gelagerten Fällen gelesen. Da wurden schon Case Studies gemacht, die versucht haben, das Einsparpotenzial zu erfassen. Und es lag immer zwischen fünf und zehn Prozent des Energieverbrauchs des Kreislaufes eines Unternehmens.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Dr. Michels.


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Interview with Michele Aresta, Initiator of ICCDU and Member of the International Committee

This year’s ICCDU is the 17th edition of the event. What were your expectations when you started this series?
ICCDU was started after two Summer Schools funded by NATO on “CO2 as Carbon Source, 1986” and “Reaction Mechanisms in Enzymatic and Model carboxylation and reduction reactions based on CO2, 1989”.  The ICCDU Series was started for being the international forum where the scientific community working on CO2 conversion could meet. And this has been ICCDU since its start.

How would you describe the first ICCDU – was this more an academic discussion, or did you already envision concrete applications?
Surprisingly, in the 1980s there were already practical applications in the field of polymers from CO2 (Al-based catalysts) which went on stream. The scientific discussions already covered other themes such as CO2 reduction, photocatalysis, synthesis of fine chemicals, polymers such as polyurethanes and polycarbonates and so on. What people do today was well known in the 1980s. The interest in CO2 chemistry was at that time boosted by the“oil crisis” (1973, 2000s).  Climate change was not yet a serious issue. The low cost of oil has decreased the interest in CO2 conversion in the 2000-2010s. Now the push comes from climate change, a completely different motivation.
The scheme below was developed in 1987: it presents the vision I had about CCU 30 years ago:


 An Integrated approach to CO2 Utilization, M. Aresta, NATO ASI Series 1989.

The routes to go were very clear to me at that time! We are running now along those paths.

How has CCU (not the conference, but the technology) evolved since the first ICCDU? What expectations were met, what not? And did unexpected develpoments occur?
As I wrote in a paper published in JCOU in 2013 “The changing paradigm in CO2 conversion”, the availability of cheap PV-H2 makes possible today the exploitation of CO2 reduction to energy products, that did not make sense in a fossil-C based energy frame as it was in the 1980s. And this is a big step towards “circular economy of C”.

What is special about ICCDU compared to other events on the topic of CCS and CCU?
ICCDU is a scientific forum and gathers scientists from usually 35+ countries. In 2015 we had over 40 countries present. It is a global conference that has since a few years opened up to policy makers and industrialists: this is a must these days.

From your personal point of view, what are you looking forward to most at this year’s ICCDU?
In future years ICCDU will be more and more inclusive and will sustain the development of new science and technology in the direction of implementing a circular C-economy by integrating CO2 conversion, biotechnologies, and biomass utilization. Integration of biotechnologies, catalysis, photocatalysis is essential for CCU. Synthetic photochemistry is a key step. Integration with nature is essential. Learning from nature is our future.

What will, from your personal point of view, be the „next big thing“ in CCU?
Direct co-processing of water and CO2 for developing an “Economy based on CO2 and water”! This is the title of my most recent book published with Springer and this is my vision since ever.
CCU is cycling Carbon. CO2 is renewable carbon: one can cycle it again and again as Nature does. This is the basis of bioeceonomy: CCU is integrated with the Bioeconomy concept. We should not make the mistake of keeping biomass utilization and CCU apart! They must be integrated.

Join ICCDU 2019 in Aachen and discuss the opportunities and applications of carbon capture and utilization with experts from research and industry from all over the world!

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Rückblick auf den Infotag „Phosphor aus Klärschlamm“

Anfang April 2019 veranstaltete die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. gemeinsam mit der Deutschen Phosphor-Plattform DPP e.V einen Infotag „Phosphor aus Klärschlamm – Wie Sie die Phosphorabreicherung bestimmen können!“ in Frankfurt am Main. Neben Vorträgen zur Gesetzgebung und Analytik informierten die Referenten über Anwendungen von Phosphor im alltäglichen Leben; bei einem interaktiven Quiz erfuhren die Teilnehmer  erstaunliche Fakten über Phosphor. Ziel der Veranstaltung war es, einen umfassenden Überblick über Phosphor zu geben und so die Notwendigkeit der Phosphor-Rückgewinnung nicht nur auf Basis von gesetzlichen Vorschriften, sondern aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten und zu diskutieren.

Die rund 60 Teilnehmer wurden bei der Veranstaltung aktiv mit eingebunden. Neben einem Quiz über Phosphor, an dem die Teilnehmer in den Pausen teilnehmen konnten, wurden auch Versuche gezeigt, um die unterschiedlichen Eigenschaften von Phosphor für die Teilnehmer erlebbar zu machen.

Ebenso wichtig wie die technische Anwendung von Phosphaten in Reinigern, Farben und Baustoffen ist die Anwendung von Phosphaten in Lebensmitteln. Hierzu veranschaulichte Dr. Rainer Schnee, 1. Vorsitzender der DPP, in seinem Vortrag auf die Bedeutung von Phosphaten für die Qualität von Backwaren, Fleisch- und Milchprodukten hin. In Fleischprodukten werden sie beispielsweise eingesetzt, um das Fleisch saftig zu halten, da sie durch einen hochspezifischen Effekt auf das Wasserbindevermögen von Fleisch, Fisch und essbaren Meerestieren einwirken können.

Nach der Anwendung von Phosphat in Lebensmitteln und technischen Anwendungen stand am Nachmittag der Klärschlamm  im Mittelpunkt. Dr. Martin Loew, ICL Food Specialties, informierte über aktuelle Methoden für die Phosphoranalytik mit Schwerpunkt auf der Charakterisierung von Klärschlämmen. Hans-Walter Schneichel, Ministerium für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten Rheinland-Pfalz, stellte in seiner Funktion als Obmann des zuständigen Ad-hoc-Ausschusses der Länderarbeits-gemeinschaft Abfall (LAGA), den aktuellen Stand der Vollzugshinweise zur Umsetzung der Klärschlammverordnung dar und Dr. Daniel Frank von Isle Utilities gab einen Überblick zur momentanen Situation der Umsetzung in Deutschland. Auch die Notwendigkeit einer Frachtenbetrachtung bei der Abreicherung von Phosphor aus Klärschlamm wurde angerissen. Bei einer abschließenden Podiumsdiskussionkonnten die Teilnehmer ihre Fragen mit in die Diskussion einbringen.

Mehr zum Thema Rohstoffe und zu aktuellen Veranstaltungen finden Sie auf der Webseite der DECHEMA zum Fokusthema Rohstoffe.

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Letzte Woche stellten wir im ersten Teil des Interviews mit der DECHEMA-Preisträgerin 2018 Dörte Rother ihre wissenschaftliche Arbeit vor. Im zweiten Teil geht es um die Frage, wie der Schritt in die industrielle Umsetzung gelingt und warum die Chancen dafür derzeit außerhalb Deutschlands besser stehen.

Wo sehen Sie die größte Hürde bei der industriellen Umsetzung?

Die größte Hürde sind die Katalysatorkosten. Daran sind auch schon industrielle Umsetzungen mit Kooperationspartnern gescheitert. Die Enzymkaskaden selbst funktionieren sehr gut, wir halten alle Spezifikationen ein und erreichen auch die nötigen Produktkonzentrationen. Aber die Kosten für die Enzyme lassen sich schwer senken, besonders für kleinere Ansätze. Was im ganz großen Maßstab vielleicht akzeptabel wäre, ist bei Volumina von ein paar Hundert oder Tausend Liter nicht kompetitiv.

Dazu kommt, dass viele klassische pharmazeutische Firmen oft nicht die nötigen Lizenzen für Arbeiten mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen haben. Wird die günstige Ganzzellformulierung gewählt, muss nachgewiesen werden, dass die eingesetzten Zellen wirklich tot sind, wenn sie geliefert werden, sonst sind die entsprechenden Zulassungen notwendig. Generell  treten wir gegen bestehende, lang etablierte Prozesse an. Wenn man vorhandene Prozesse verändert, braucht man besonders im Pharmabereich oft eine neue Zulassung; das kann teuer und langwierig werden.

Sie arbeiten in letzter Zeit verstärkt mit internationalen Partnern – warum?

Wir stellen fest, dass in letzter Zeit zunehmend mehr Interesse beispielsweise von chinesischen Firmen für unsere enzymatischen Ansätze kommen. In China wurden die Umweltauflagen verschärft, und es kann passieren, dass Unternehmen, die sie nicht einhalten, stillgelegt werden. Damit eröffnet sich für uns eine Chance – wir treten eben nicht gegen bestehende Referenzprozesse an und haben damit eine bessere Position, um unsere biokatalytischen Kaskaden umzusetzen.

Wie sind Sie auf dieses Forschungsgebiet gekommen?

Ich habe Biologie studiert, aber schon im Grundstudium gemerkt, dass mich der Schwerpunkt Biotechnologie besonders interessiert, und mich dann in Richtung Biokatalyse und Bioverfahrenstechnik spezialisiert. Biokatalyse eröffnet alternative Synthesemöglichkeiten mit vielen Aspekten, die für Nachhaltigkeit relevant sind. Das ist mir besonders wichtig.

Wo sehen Sie die Zukunft Ihrer Forschungsansätze?

Je reiner und komplexer das Produkt, desto ökonomischer ist ein multi-enzymatischer Prozess. Besonders im Pharmabereich lohnt es sich, mit hochselektiven Biokatalysatoren zu arbeiten, weil wir es viel mit optisch aktiven Produkten zu tun haben, die hochrein hergestellt werden müssen – da können Enzyme ihre Vorteile voll ausspielen. Bei nicht-optisch aktiven Bulkprodukten ist die chemische Synthese vielfach schneller und günstiger.

Würde man die ökologischen Kosten zusätzlich berücksichtigen, zum Beispiel über Zertifikate für CO2 oder ökologisch sensible Lösungsmittel, würde sich das Verhältnis möglicherweise zugunsten grüner Syntheseansätze aus der Chemie und verstärktem Einsatz von Enzymen (die ja selber untoxisch sind) verschieben. Wir sehen ja am chinesischen Beispiel, wie ein solcher Umbruch aussehen kann. Auch hier steigt das Bewusstsein für Nachhaltigkeits-Aspekte. Ich glaube, dass es wichtig ist, jetzt Lösungen zu entwickeln, die man hervorholen kann, wenn sie gebraucht werden. Die Autoindustrie ist da ein gutes Beispiel – es ist gut, vorbereitete Alternativen wie die Elektromobilität zu haben, die weiterentwickelt werden können, wenn sich die Rahmenbedingungen ändern, statt bei Null anzufangen.

Ich kann mir vorstellen, dass ein ähnlicher Bewusstseinswandel auch bei der Produktion von Materialien und Pharmaka kommen wird, und in diesem Bereich sehen wir uns.

https://dechema.de/Veranstaltungen/DECHEMA_Tag+2019.html

Was sind Ihre nächsten Vorhaben?

Ich glaube an die Vorteile von Enzyme, aber ich glaube, es gibt auch Fälle, wo der Einsatz chemischer Katalysatoren günstiger sein kann, nicht nur ökonomisch sondern ebenfalls in Bezug auf die Ökobilanz. So haben wir in mehrschrittigen Synthesen auch schon ein Enzym gegen Phosphatpuffer, in dem die Kaskade sowieso stattfand, ersetzen können. Da das Startsubstrat optisch sehr rein war, fand der Phosphat-vermittelte Schritt ebenfalls mit hohen Selektivitäten zu einem reinen Produkt mit drei optisch aktiven Zentren statt. Ein schönes Beispiel dafür, dass man immer den besten Katalysator verwenden sollte, der zur Verfügung steht. Egal, welcher Natur er ist. Und dies nach ökonomischen und ökologischen Kriterien bewerten sollte.

Wir arbeiten gerade mit Kooperationspartnern daran, nicht nur chemische Katalysatoren und Enzyme miteinander zu kombinieren, sondern diese in hybriden Prozessen mit mikrobiellen Zellfabriken zu koppeln. Die Zellfabriken können beispielsweise aus nachwachsenden Rohstoffen wie Bagasse sowohl die aromatischen als auch die aliphatischen Ausgangsstoffe für unsere Kaskaden herstellen. Wie sehen die Schnittstellen aus, wie lassen sich chemo-enzymatische Kaskaden mit lebenden Ganzzellkatalysatoren kombinieren, an welchen Stellen muss ich aufreinigen? – das sind sehr spannende Fragestellungen, mit denen wir uns beschäftigen.

Was wäre Ihr persönliches Traumprojekt?

Ich würde gerne zusammen mit akademischen und industriellen Partnern einen Prozess komplett von den nachwachsenden Rohstoffen bis zum hochreinen Produkt entwickeln und umsetzen, und das vom Labor bis zum Industriemaßstab. Ein solcher kompletter hybrider Prozess könnte dann als Blaupause für andere Prozesse dienen. In einigen Kooperationsprojekten sind wir auf einem guten Weg, diesem Ziel näher zu kommen.

Ich denke, wir brauchen gute Modellprozesse, damit Firmen auf den Zug aufspringen. Und dann bräuchten wir die politischen Rahmenbedingungen, um den Wandel hin zu solchen Prozessen zu vollziehen.

Auf der anderen Seite arbeiten wir aber auch am Verständnis von Enzymkaskaden im deutlich grundlagenorientierteren Bereich. Hier versuchen wir derzeit, Enzyme in ihrer Aktivität durch externe Stimuli regulieren können. Je komplexer eine Enzymkaskade wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit von Nebenproduktbildungen. Wir lösen das bisher über räumliche Trennung, also Kompartimentierung und modulare Prozesse. Das geht gut. Meine Vision ist aber, alles in einem Topf durchführen zu können und die Enzyme je nach Bedarf „ein- und auszuschalten“. Am besten kombiniert mit einer Feedbackschleife, bei der die Inline-Analytik signalisiert „das erste Substrat ist aufgebraucht, schalte Stufe 2 ein“. An so einem Konzept arbeiten wir gerade. Wir möchten ausdrücklich nicht die Expression regeln, sondern das Enzym selbst, und das ist herausfordernd. Hier arbeiten wir mit Licht und Mikrotemperaturen als Stimuli und hoffen so, eines Tages einen derartig geregelten Eintopfreaktor präsentieren zu können. Einzelne Aspekte klappen bereits, aber bis alle Schritte ineinander greifen wird es noch eine Weile dauern.

Die beiden Beispiele zeigen, dass wir sowohl akademische Herausforderungen angehen als auch die (spätere) Applikation im Sinn haben. Ich finde, es ist unsere Aufgabe als Wissenschaftler, auch die Anwendung zu sehen und zu versuchen, die Ergebnisse in neue Technologien umzusetzen. So können wir nachhaltige Prozesse entwickln, die ökologische und ökonomische Aspekte verbinden und so bestenfalls unseren ökologischen Fußabdruck reduzieren, selbst wenn wir nicht bereit sind, an unserem bereits erworbenen hohen Lebensstandard zu rütteln. Über den letzten Punkt sollte man auch diskutieren – aber das ist eine ganz andere Geschichte.

Wenn Sie mehr über die Arbeit von Dörte Rother erfahren oder mir ihr ins Gespräch kommen möchten – kommen Sie zum DECHEMA-Tag 2019 am 23. Mai 2019 ins DECHEMA-Haus!

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Dörte Rother erhält am 23. Mai 2019 den DECHEMA-Preis 2018

Chirale Substanzen selektiv herstellen – was für den „klassischen“ Chemiker eine der größten Herausforderungen ist und in der chemischen Katalyse im wahrsten Sinne des Wortes hochkomplexe Strukturen erfordert, leisten Enzyme quasi im Handumdrehen. Dennoch ist ihre industrielle Anwendung alles andere als trivial, alleine schon wegen der Kosten. Wir sprachen mit der DECHEMA-Preisträgerin 2018 Prof. Dr. Dörte Rother über ihre wissenschaftliche Arbeit, die Herausforderungen bei der Umsetzung und ihr „Traumprojekt“. Im ersten Teil erklärt sie uns ihre Vorgehensweise, um auf Basis synthetischer Enzymkaskaden wettbewerbsfähige Prozesse zu entwickeln.

Worum geht es in Ihrer wissenschaftlichen Arbeit?

Wir arbeiten an synthetischen Enzymkaskaden. Das bedeutet, dass Enzyme miteinander kombiniert werden, die in der Natur so nicht vorkommen. Beim Metabolic Engineering werden Enzyme kombiniert, die zumindest teilweise auch in der Natur gemeinsam in synthetischen Pathways auftreten. Unser Ansatz ist, für jeden Syntheseschritt den besten Katalysator zu finden (der übrigens auch mal ein chemischer Katalysator sein kann) und diese dann zu kombinieren. Der „Baukasten“, den wir dafür nutzen, enthält Enzyme, die alle ungefähr die gleiche Reaktion unterstützen, aber sich in ihren Selektivitäten ein bisschen unterschieden. So werden leicht unterschiedliche Substrate akzeptiert oder die gewonnenen Produkte unterscheiden sich hinsichtlich ihrer optischen Aktivität – das ist besonders für den Pharmabereich sehr relevant. Wenn ich diese Enzyme mit ihren verschiedenen Selektivitäten kombiniere, bekomme ich nicht nur ein Produkt, sondern habe eine Technologieplattform für eine ganze Bandbreite von Produkten.

https://dechema.de/Veranstaltungen/DECHEMA_Tag+201

Arbeiten Sie dabei zellfrei?

Zellfrei zu arbeiten ist der einfachste Weg, aber: wir möchten die Lücke zwischen Grundlagenforschung und Anwendung schließen und unsere Kaskaden in industrielle Prozesse bringen. Das heißt, wir müssen ähnlich hohe Produktkonzentrationen erzielen wie in chemischen Synthesen, ohne deutlich teurer zu werden. Enzyme sind sehr selektiv und arbeiten unter ökologisch vorteilhaften Bedingungen – keine hohen Drücke, keine toxischen Additive, moderate Temperaturen; das sind Pluspunkte, besonders, wenn die Nachhaltigkeit im Fokus steht. Zudem sind Biokatalysatoren einfach durch Erwärmung inaktivierbar, ohne toxische Abfälle zu hinterlassen. Lauter gute Gründe, Enzyme als Katalysatoren einzusetzen.  Aber die Herstellungskosten für Enzyme sind hoch, besonders für gereinigte Enzyme. Deshalb arbeiten wir, wenn möglich, mit ganzen, oft gefriergetrockneten Zellen. Das ist circa 10fach günstiger. Diese Zellen können auch wiederverwertet oder kontinuierlich eingesetzt werden. Dazu kann man die ganzen Zellen zurückhalten oder auch gereinigte Enzym immobilisieren. Letzteres sollte möglichst kombiniert werden – also Aufreinigung und Immobilisierung in einem Schritt – alles andere ist kaum wettbewerbsfähig.

Wie genau funktioniert Ihr Ganzzellverfahren?

Die Zellen, die wir einsetzen,  sind gefriergetrocknet und daher überwiegend nicht mehr lebensfähig. Eigentlich ist das die einfachste Form der Immobilisierung: Die Enzyme, die in hohen Konzentrationen in den Zellen vorliegen, sind etwas geschützt, wir können mit vergleichsweise hohen Substratkonzentrationen arbeiten, und die Zellen lassen sich hinterher abtrennen und wieder einsetzen. Zu den Zellen geben wir dann Substrate, Lösungsmittel und eine bestimmte Menge Puffer, um gute Umsätze zu erlangen. Zumindest bei Substraten wie Ketonen konnten wir sogar im reinen Substrat ohne Zugabe weiterer Additive arbeiten. Bei sehr reaktiven und toxischen Substraten wie Aldehyden braucht man allerdings Lösungsmittel, um Deaktivierungen zu vermeiden. Wir versuchen, in den Standardsystemen der chemischen Synthese zu arbeiten. Nur so erreichen wir hohe Produktkonzentrationen beispielsweise auch mit schwer wasserlöslichen Aromaten und können das Produkt hinterher auch wieder abtrennen.

Und wie gelangt das Substrat in die Zelle?

Wir wissen es nicht ganz genau, gehen aber davon aus, dass die Membran sehr porös oder teilweise gar nicht mehr vorhanden ist. Jedenfalls haben wir bei diesem Verfahren kaum Diffusionshemmnisse. Unter dem Elektronenmikroskop sieht man, dass die E. coli-Zelle um ca. ein Drittel geschrumpft ist, aber ihre Form behält. Zumindest in den von uns gewählten mikro-wässrigen Reaktionsbedingungen zeigten nur ca. 10 % der Zellen Löcher oder andere Veränderungen. Gerade für die Industrie sind solche Ganzzellprozesse attraktiv, und sie funktionieren gut.

Worauf achten Sie bei der Prozessentwicklung besonders?

Die nachhaltige Produktion ist mir sehr wichtig. Wir verwenden zum Beispiel Lösungsmittel, die nachhaltige Kriterien erfüllen – also nicht toxisch sind und möglichst auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt wurden. Die Biokatalyse hat eine „Kinderkrankheit“: Sie ist sehr „grün“, was die Prozessbedingungen betrifft, aber am Ende liegt das Produkt oft in niedrigen Konzentrationen in einem wässrigen System vor. Um es daraus abzutrennen, wird sehr viel Lösungsmittel benötigt. Alternativ ist es möglich, in mikro-wässrigen Reaktionssystemen zu arbeiten, so wie wir es mit den gefriergetrockneten ganzen Zellen, wenn möglich, tun, um Vorteile bei der Produktaufarbeitung zu haben.

Wir versuchen, eine effektive Aufarbeitung in die Prozessentwicklung zu integrieren. Dazu planen wir von Anfang an, wie wir das Produkt am Ende aufreinigen können, und forschen parallel an den verschiedenen Prozessschritten, um den besten Gesamtprozess zu entwickeln.

Der 2. Teil des Interviews erscheint am 2. April. Dann fragen wir nach den Hürden bei Industriekooperationen, und Dörte Rother verrät uns ihr „Traumprojekt“.

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The catalysis community not only does great research and enables more than 80 % of the products we use in daily life, it’s also very communicative. If you didn’t participate in the 52th Katalytikertagung from 13-15 March 2019 in Weimar, here is what you missed:

Looking forward to the Katalytikertreffen

Here we go!

Exhibition


Science…

… celebrations…

… and fun!

Coming up next…

Where will we meet again? At EuropaCat 2019 – 14th European Congress on Catalysis, EuropaCat 2019, to be held in Aachen,Germany,
from 18 – 23 August, 2019.

  • The major European Conference in the field of catalysis
  • More than 1500 participants from industry and academia
  • Around 200 lectures and 1000 posters
  • Young Scientists meet experienced experts to discuss future challenges in catalysis
  • Attractive social programme with excursions and EuropaCat party
Learn more at http://europacat2019.eu/


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