Wie die BASF Biotechnologie für mehr Nachhaltigkeit nutzt

Dr. Melanie Maas-Brunner, Mitglied des Vorstands und Chief Technology Officer der BASF, gab zusammen mit Wissenschaftlern auf der BASF-Forschungspressekonferenz Einblicke, an welchen zukunftsrelevanten Technologien der Konzern derzeit aktiv arbeitet und forscht.

Für die BASF zählen Themen wie CO₂-freien Wasserstoff zu generieren, die Elektrifizierung der Produktionsprozesse, die Kreislaufwirtschaft sowie das Erschließen neuer Rohstoffquellen zu den Schlüsselthemen der Zukunft. Das zeigt sich auch in den Patentanmeldungen der BASF: So hatten 45 % dieser Anmeldungen einen Fokus auf Nachhaltigkeit, wie Maas-Brunner, berichtete. Langfristig wolle das Unternehmen den Umsatz und das Ergebnis besonders mit denjenigen Produkten steigern, die einen wesentlichen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten.

„Viele der Technologien, die zukünftig eine klimaneutrale Gesellschaft ermöglichen werden, sind heute noch nicht erfunden“, sagt Maas-Brunner. Wichtig sei es daher, die Herausforderungen der Zukunft technologieoffen zu meistern und alternative Technologiekonzepte einzubeziehen.

Vor diesem Hintergrund wird die weiße Biotechnologie für den Konzern immer wichtiger. „Das sind Werkzeuge aus der Natur, Menschen nutzen diese schon seit langer Zeit und entwickeln sie kontinuierlich weiter“, sagt Dr. Doreen Schachtschabel, Vice President White Biotechnology Research bei BASF. Beteiligt sind an diesen Bioverfahren – auch Fermentation oder Biokatalyse genannt – Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilze. Diese nutzen verschiedene organische Materialien, um sie in ganz unterschiedliche Endprodukte umzuwandeln. Dies können etwa Wein, Brot oder Käse sein, aber auch Substanzen für die chemische Industrie. „Für uns ist die weiße Biotechnologie mittlerweile eine unserer Schlüsseltechnologien, mit der wir auf Basis unterschiedlichster Rohstoffe effizient, ressourcenschonend und vor allem auch flexibel produzieren können“, so Schachtschabel.

Die Liste der Chemikalien und Produkte, die mit Methoden der weißen Biotechnologie herstellt werden ist lang: Biopolymere, essenzielle Inhaltsstoffe für die Ernährung von Menschen und Tieren wie Vitamine und Enzyme, Pflanzenschutzmittel, Aroma- und Duftstoffe oder auch Enzyme für Waschmittel und Inhaltsstoffe für Kosmetika. In fünf der sechs BASF-Segmente – Chemicals, Materials, Industrial Solutions, Nutrition & Care sowie Agricultural Solutions – stellt das Unternehmen bereits über 3.000 Produkte her, die zur Biotechnologie zählen oder biologisch abbaubar sind. Mehr als 3,5 Mrd. Euro haben diese 2021 zum Umsatz beigesteuert, mit steigender Tendenz.

Um neue Verfahren und Produkte zu entwickeln, arbeitet man mit externen akademischen und industriellen Partnern zusammen. Die technologischen Grundlagen und das Vorgehen sind trotz der unterschiedlichen Eigenschaften der Moleküle dabei meist sehr ähnlich. Zuerst wird ein geeigneter Mikroorganismus identifiziert, der sich vermehren lässt. Im nächsten Schritt werden – falls erforderlich – das Genom und damit der Stoffwechsel so verändert, dass das Bakterium oder der Pilz entweder mehr von einer bestimmten Substanz oder auch ein völlig neues Molekül mit neuen Eigenschaften produziert.

Danach beginnt der eigentliche Bioprozess, bei dem der Mikroorganismus das Zielmolekül unter optimalen Bedingungen in den gewünschten Mengen herstellt. Als Nährstoffe und Bausteine können einerseits nachwachsende Rohstoffe wie Zucker, aber auch Abfallströme, recycelte Produkte und chemisch synthetisierte Moleküle eingesetzt werden.

Essenziell für die Entwicklung neuer Verfahren und Produkte ist die Digitalisierung. Dabei gehe es nicht nur darum, effizienter und effektiver zu arbeiten. „Ohne die Digitalisierung, im Speziellen die Bioinformatik, wären wir gar nicht in der Lage, das zu tun, was wir heute tun“, betont Schachtschabel.

Die BASF und das US-Unternehmen Lanzatech arbeiten an speziellen Verfahren, bei denen Bakterien gasförmige Kohlenstoffquellen wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Rohmaterial nutzen. Der Kohlenstoff kann dabei von Abgasen aus Stahlwerken, Raffinerien und chemischen Anlagen stammen, aber auch aus Haushaltsabfall, der in Gas umgewandelt wird.

„Wir möchten das Potenzial der Gasfermentation erschließen, um Chemikalien für die chemischen Wertschöpfungsketten herzustellen“, erklärt Prof. Michael Helmut Kopf, Director Alternative Fermentation Platforms bei BASF. Es gibt bereits Produktionsanlagen von Lanzatech in China, die mit dieser Technologie Ethanol herstellen. Eine weitere Anlage wird in Kürze in Belgien in Betrieb gehen. Die beiden Unternehmen möchten nun mittels gas-fermentativer Verfahren höhere Alkohole und weitere Zwischenprodukte herstellen.

„Unsere Bakterien sind speziell designt, so dass sie kohlenstoffhaltige Abgase in eine Vielzahl gewünschter Zwischenprodukte umwandeln können“, erläutert Dr. Sean Simpson, Gründer und Chief Scientific Officer von Lanzatech. BASF entwickelt dazu den Aufarbeitungsprozess, bei dem die Produkte aus der Fermentationsbrühe abgetrennt und gereinigt werden und in die Wertschöpfungsketten eingefügt werden.

Es gebe weltweit mehr als genug alternative Kohlenstoffquellen, die für die Gasfermentation genutzt werden können. „Dafür brauchen wir aber ein Umdenken, um Projekte mit branchenübergreifendem Charakter zu ermöglichen und die Chemieindustrie beispielsweise mit Stahlwerken oder den Abfallverwertern zusammenzuschließen“, betont Simpson. Denn je mehr alternative Rohstoffquellen dieser Art zur Verfügung stehen, desto weniger neue fossile Rohstoffe werden benötigt werden, um Chemikalien zu produzieren.

Bakterien und Pilze spielen nicht nur bei der Herstellung nachhaltiger Produkte eine wichtige Rolle. Bioabbaubarkeit bedeutet, dass Mikroorganismen komplexe organische Verbindungen zu Energie, Wasser, Kohlendioxid und Biomasse verstoffwechseln.

Um diese Methode der Natur zu nutzen und vollständig biologisch abbaubare Produkte zu entwickeln hat die BASF in den vergangenen zehn Jahren ihre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten beim Thema Bioabbaubarkeit deutlich ausgebaut.

Biologisch abbaubare Mulchfolie als Beispiel

Ein Beispiel dafür ist die Ecovio Mulchfolie. Diese ist zertifiziert biologisch abbaubar im Boden und hilft dem Landwirt, höhere Erträge zu erzielen. Nach der Ernte kann die Folie einfach untergepflügt werden, und sie wird im Boden von den Mikroorganismen abgebaut. Die Forscherinnen und Forscher der BASF haben zusammen mit Wissenschaftlern der ETH Zürich genau untersucht, wie und warum sich die Folie im Boden abbaut – sowohl im Labor als auch im Freiland. Dafür wurden neue Analysemethoden entwickelt, mit denen nachgewiesen werden konnte, dass der Kohlenstoff aus der Folie biologisch in Kohlendioxid und Biomasse umgewandelt wird.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld für biologisch abbaubare Materialien sind Inhaltsstoffe von Waschmitteln, Geschirrspülmitteln und Kosmetika, die am Ende des Lebenszyklus in die Kläranlage gelangen. Auch hier ist es entscheidend, genau zu verstehen, wie die Struktur des Materials die Bioabbaubarkeit beeinflusst.

Um den Ausbau des Portfolios mit neuen, zertifiziert biologisch abbaubaren Produkten voranzutreiben, sind digitale Werkzeuge ein essenzieller Bestandteil der Forschungsarbeiten. So kann der Chemiekonzern mit ihrer umfangreichen Sammlung an Daten zur Bioabbaubarkeit Computermodelle entwickeln, die schon in einem frühen Stadium der Produktentwicklung die Eigenschaften und das Abbauverhalten von Molekülen und Materialien vorhersagen können und deren Struktur entsprechend anpassen.

Quelle: BASF