Forschen • Ausbilden • Vernetzen
Für eine nachhaltige Bioökonomie

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Für eine nachhaltige Bioökonomie
BOOST FUND Project P-ENG

Efficient phosphate recovery from agro waste streams by enzyme, strain, and process engineering

© iStock

Die Notwendigkeit, essenzielle Ressourcen, wie zum Beispiel Phosphor aus Neben- oder Abfallströmen, zurückzugewinnen, stellt bestehende Industriezweige vor zahlreiche Herausforderungen. Biobasierte Technologien können hier die Lösung sein. Bisherige Hürden sind jedoch hohe Umstellungskosten, fehlende Qualitäts- oder Industriestandards sowie unsichere rechtliche Rahmenbedingungen. Im Projekt „P-ENG“ wurde eine Methode zur Rückgewinnung von Phosphat aus Rapspresskuchen etabliert und es wurde untersucht, wie neue Wertschöpfungsketten aussehen könnten, welche die Vermarktung dieses Phosphats ermöglichen.

Phosphor als fossile Ressource ist endlich und wird nur in wenigen Regionen der Erde, unter anderem in Marokko, in Minen abgebaut. Der Rohstoff ist jedoch eine nicht ersetzbare Ressource für Lebewesen und viele Industrien, wie zum Beispiel als Dünger in der Landwirtschaft oder als Säureregulator in der Lebensmittelproduktion. Die weltweiten Phosphaterzvorkommen werden nur noch für circa 300 Jahre ausreichen. Daher müssen Strategien für eine nachhaltige Phosphatnutzung und Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus ungenutzten Nebenströmen gefunden werden. Ein Beispiel stellt die Speiseölproduktion in Ölmühlen dar. Hier wird neben dem Speiseöl, das rund 40 Prozent der Produktion ausmacht, auch das Koppelprodukt Ölpresskuchen hergestellt. In diesen restlichen 60 Prozent der Gesamtproduktion steckt eine beachtliche Menge pflanzlich gebundenen Phosphors in Form des Speichermoleküls Phytat. Der Ölpresskuchen wird in der aktuellen Wertschöpfungskette vor allem in der Futtermittelproduktion weiterverarbeitet.

Hefen als Helfer
Hier knüpfte das BioSC-Projekt „P-ENG“ an. Zunächst wurde die Rückgewinnung von Phosphat aus Ölpresskuchen mithilfe
einer Phytase etabliert. Phytasen sind Enzyme, die Phosphat durch Abspaltung aus Phytat freisetzen können. Mit biotechnologischen Methoden wurde die Phytase so optimiert, dass sie hitzestabil ist. Die Produktion der Phytase erfolgte mithilfe einer Hefe, welche Methanol als Kohlenstoffquelle verwenden kann.

Untersucht wurde die Konzentration von Phosphat mittels Hefen, welche Phosphat als Polyphosphat speichern können. Polyphosphatreicher Hefeextrakt oder reines biobasiertes Polyphosphat können als Lebensmitteladditiv verwendet werden und stellen so eine biologische Alternative zum chemisch hergestellten Polyphosphat dar.

Darüber hinaus bietet diese Technologie die Chance, Futtermittel mit einem geringeren Phosphatgehalt zu produzieren. Denn Nutztiere wie Schweine oder Geflügel können pflanzlich gebundenes Phosphat im Futtermittel nicht adäquat verdauen, sodass das Phosphat ungenutzt durch die Ausscheidungen der Tiere in das Abwasser und durch Gülledüngung auch auf die Felder gelangt. Hier belasten die Phosphate dann Flüsse und Seen. Die Rückgewinnung des Phosphats vor der Weiterverarbeitung zu Futtermitteln würde dieser Problematik entgegenwirken.

 
 
Produktion von biobasiertem Polyphosphat mittels mit Phytasebehandelten Pflanzenmaterials und Phosphat-akkumulierender Hefe
Copyright: iStock; J. Fees, IAMB, RWTH Aachen

Märkte neu vernetzen
Die Marktimplementierung dieses technischen Prozesses geht allerdings mit Herausforderungen und Veränderungen in bestehenden Wertschöpfungsketten einher. Im Rahmen des P-ENG-Projektes wurden Experten klassischer Polyphosphathersteller, Ölmühlen, Enzymhersteller sowie Futtermittelproduzenten befragt, um diese Herausforderungen für den bisherigen Markt zu untersuchen.

Momentan existieren zwischen der Wertschöpfungskette der Ölmühle und der des Polyphosphatproduzenten keine Verknüpfungen. Im Fall der Phosphatrückgewinnung aus Ölpresskuchen und der anschließenden Weiterverarbeitung zu Polyphosphat müssen neue Wertschöpfungsnetzwerke erschlossen werden. Die Forscherteams leiteten unterschiedliche Szenarien ab in Abhängigkeit davon, welcher Akteur den Prozess der enzymatischen Phosphorabspaltung übernimmt. Eine wichtige Voraussetzung für die Durchführung des Prozesses ist die Investition in einen Bioreaktor, den keiner der bestehenden Akteure bisher besitzt. Angenommen, der klassische Polyphosphathersteller übernimmt die Phosphorextraktion, so stünde dieser vor den Herausforderungen des fehlenden biotechnologischen Know-hows sowie der geografischen Fragmentierung des Ölsektors. Außerdem müssen spezifische rechtliche sowie kundenspezi­fische Anforderungen an das Polyphosphat je nach Anwendungsfeld eingehalten werden. Das neue biobasierte Polyphosphat geht mit Unsicherheiten einher, da die genauen Eigenschaften noch erforscht werden müssen. Darüber hinaus stellen fehlende Standards für das neue biobasierte Polyphosphat eine Hürde dar, die eine Marktimplementierung erschwert. Je nachdem, welcher Akteur die Phosphorextraktion übernimmt, ist eine Vorwärts- (zum Beispiel Ölmühle) oder Rückwärtsintegration (zum Beispiel Polyphosphathersteller) in der Wertschöpfungskette notwendig. Insgesamt wurden organisatorische, regulatorische, wirtschaftliche, geografische und produktbezogene Herausforderungen für die gesamte Wertschöpfungskette abgeleitet.

Entstehung einer vernetzenden Wertschöpfungskette im Falle neuartiger biobasierter Polyphosphate
Copyright: Carraresi et al. 2018

Biotechnologie als Mittler
Demgegenüber stehen die enormen Chancen für die Unternehmen, einen Beitrag zu einer nachhaltigen Phosphatwirtschaft zu leisten. Das Ergebnis der im Rahmen von P-ENG durchgeführten Interviews mit den bestehenden Marktteilnehmern war ein komplett neues Szenario: In diesem etablieren die Forscherinnen und Forscher einen zusätzlichen Akteur, den sogenannten Collector. Da keiner der zurzeit am Markt tätigen Industriezweige über alle notwendigen Kompetenzen verfügt, könnte der neue Akteur als Vermittler zwischen den bisher getrennten Wertschöpfungsketten fungieren. Dieser sollte geografisch günstig positioniert sein, um eine Art biobasierten Polyphosphat-Distrikt zu schaffen, welcher dabei hilft, die Logistik- und Transportkosten zu senken und den gesamten Prozess nachhaltiger zu gestalten.

Die Technologie muss, basierend auf zuverlässigen Daten zur Wirtschaftlichkeit, einen höheren Reifegrad erlangen. Nur so können die bestehenden Geschäftsmodelle der etablierten Akteure verändert und die Markteinführung der neuen Technologie erleichtert werden. Entscheidend ist eine engere Vernetzung zwischen Wissenschaft und Industrie, um den Technologietransfer zu realisieren und den Marktanforderungen gerecht zu werden.

In Folgeprojekten an der RWTH Aachen, dem DBU-Projekt „Value-PP“ und dem MWIDE-Projekt „Business-P“, wurde in den vergangenen Jahren ein Prozess von der Freisetzung des Phosphats mittels Phytase über die Generierung von Phosphat-akkumulierenden Hefezellen bis hin zur Herstellung von biobasiertem Polyphosphat entwickelt. Die Zukunft wird zeigen, ob die oben skizzierte Wertschöpfungskette realisierbar ist.

 

Projektleiter

Prof. Dr. Lars M. Blank
ABBT - Angewandte Mikrobiologie, RWTH Aachen
Email

 

Beteiligte Core Groups

Prof. Dr. Lars M. Blank, Jana Fees
ABBT - Angewandte Mikrobiologie, RWTH Aachen

Prof. Dr. Stefanie Bröring, Dr. Laura Carraresi, Carolin Block
ILR – Technologie-, Innovationsmanagement und Entrepreneurship, Universität Bonn

Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg, Dr. Anna Joëlle Ruff
ABBt - Biotechnologie, RWTH Aachen

Prof. Dr. Wolfgang Wiechert, Prof. Dr. Marco Oldiges
IBG-1 Biotechnologie, Forschungszentrum Jülich

 

Projektlaufzeit

01.01.2015 – 31.12.2016

 

Förderung

Das Gesamtbudget von P-ENG betrug 773.720,00 €. P-ENG ist Teil des NRW-Strategieprojekt BioSC und gefördert vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen.