Palmöl vor dem Aus? Bakterien liefern identische Chemikalien
Neue Biotechnologie ersetzt Palmöl: Mikroben produzieren industrielle Fettsäuren effizient und potenziell günstiger.
Von links nach rechts: Connor Bowers, Ian Gois und Professor Chris Lawson sind drei Mitglieder des Teams der University of Toronto, das sich zum Ziel gesetzt hat, aus Abfallstoffen mittels bakterieller Fermentation kommerziell verwertbare Fettsäuren herzustellen.
Foto: Fakultät für Ingenieurwissenschaften der University of Toronto
Das Wichtigste in Kürze
- Bakterien können mittelkettige Fettsäuren herstellen, die bisher aus Palmöl stammen
- Als Rohstoff dienen organische Abfälle statt Pflanzenöl
- Entscheidend ist die Kontrolle des mikrobiellen Stoffwechsels
- Erste Ansätze zur industriellen Skalierung laufen
- Ein vollständiger Ersatz von Palmöl ist möglich, aber nicht kurzfristig
Palmöl ist für viele Branchen ein billiger, vielseitiger Rohstoff – und genau deshalb so schwer zu ersetzen. Es steckt in Kosmetik, Reinigungsmitteln und Futtermitteln. Gleichzeitig steht der Anbau seit Jahren in der Kritik. Regenwälder verschwinden, Lebensräume gehen verloren, und die CO₂-Bilanz ist alles andere als unproblematisch.
Für die chemische Industrie ist dabei vor allem Palmkernöl interessant. Es liefert mittelkettige Fettsäuren, die als Grundbausteine für zahlreiche Produkte dienen. Genau diese Verbindungen könnten künftig auch aus dem Bioreaktor kommen. Ein Forschungsteam der Universität Toronto zeigt, wie sich die Moleküle mithilfe von Bakterien herstellen lassen – nicht aus Pflanzen, sondern aus Abfällen.
Inhaltsverzeichnis
Mikroben statt Rohstoffplantagen
Im Fokus stehen mittelkettige Carbonsäuren (MCCAs). Das sind Fettsäuren mit sechs bis zwölf Kohlenstoffatomen. Sie sind technisch vielseitig einsetzbar und wirtschaftlich relevant. „Sie werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt: in Futtermitteln, Kosmetika, antimikrobiellen Mitteln, Tensiden und vielem mehr“, sagt Chris Lawson.
Der Markt dafür liegt bei rund 3 Milliarden Dollar. Bisher kommen diese Stoffe überwiegend aus Palmkernöl. Das Problem: Die Herkunft lässt sich oft kaum nachvollziehen.
Genau hier setzt die Forschung an. Statt auf Agrarrohstoffe zu setzen, nutzt das Team Mikroorganismen. Genauer gesagt: kettenverlängernde Bakterien, sogenannte CEBs. Diese arbeiten ohne Sauerstoff und kommen in ganz unterschiedlichen Umgebungen vor – im Boden, aber auch im menschlichen Verdauungssystem.
Als Nährstoff dienen ihnen keine raffinierten Zucker, sondern organische Reststoffe. Dazu gehören etwa:
- Lebensmittelabfälle aus kommunalen Sammelsystemen
- Nebenprodukte aus der Landwirtschaft
- Rückstände aus der Lebensmittelverarbeitung
Das Prinzip ist im Grunde bekannt. Mikroorganismen wandeln Stoffe um – wie bei der Gärung von Zucker zu Alkohol. Nur dass hier keine Ethanolmoleküle entstehen, sondern Fettsäuren.
Warum die Produktion lange unzuverlässig war
Dass solche Bakterien Fettsäuren bilden können, ist nicht neu. Der Knackpunkt lag woanders: Die Prozesse liefern nicht konstant das gewünschte Produkt. Besonders gefragt ist Octansäure mit acht Kohlenstoffatomen. In vielen Versuchen entsteht jedoch stattdessen Butyrat – ein Molekül mit nur vier Kohlenstoffatomen und deutlich geringerem Marktwert.
„Was wir jedoch oft feststellen, wenn wir diese CEBs züchten, ist, dass sie stattdessen ein weniger wertvolles Molekül (…) produzieren (…). Welches Produkt sie produzieren, hängt von den Bedingungen ab (…) und bisher war es im Allgemeinen nicht möglich, dies vorherzusagen“, so Lawson. Das eigentliche Problem war also nicht die Produktion an sich, sondern die fehlende Kontrolle.
Ein Enzym macht den Unterschied
Die aktuelle Studie liefert nun eine Erklärung dafür, warum sich die Produkte unterscheiden. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Substraten und Enzymen. Eine wichtige Rolle spielt das Verhältnis von Laktat zu Acetat – also der Stoffe, mit denen die Bakterien gefüttert werden. Ebenso entscheidend ist ein Enzym namens CoA-Transferase (CoAT).
„Wir haben gezeigt, dass sich die CoA-Transferase bei den Bakterien unterscheidet“, sagt Lawson. „Sie kann auf Vorläufer einwirken, die bereits sechs oder acht Kohlenstoffatome lang sind.“
Das klingt nach einem Detail, ist aber zentral. Denn genau hier entscheidet sich, ob längere und damit wertvollere Moleküle entstehen. Es reicht also nicht, „irgendwelche“ Bakterien einzusetzen. Ihre enzymatische Ausstattung bestimmt das Ergebnis.
Alternative zu etablierten Biotech-Ansätzen
Andere Verfahren setzen auf gentechnisch veränderte Mikroorganismen wie E. coli oder Hefen. Diese Systeme funktionieren, bringen aber eigene Probleme mit sich. Sie benötigen meist hochreine Zucker als Ausgangsstoff – und konkurrieren damit indirekt mit der Lebensmittelproduktion.
Der Ansatz aus Toronto geht einen anderen Weg. Er nutzt natürliche Stoffwechselprozesse und setzt auf Abfallströme als Rohstoff. Das reduziert den Bedarf an landwirtschaftlichen Ressourcen deutlich.
Chemisch unterscheiden sich die Produkte nicht von denen aus Palmkernöl. Für die Industrie zählt jedoch mehr als die Molekülstruktur. Entscheidend sind Ausbeute, Reinheit und die Kosten des gesamten Prozesses.
Der schwierige Schritt in den Maßstab
Ob sich das Verfahren durchsetzt, entscheidet sich nicht im Labor. Der kritische Punkt ist die industrielle Umsetzung.
Dabei geht es vor allem um drei Fragen:
| Faktor | Problemstellung | Prozessstabilität | Bleibt die Produktverteilung konstant? |
| Ausbeute | Reichen die Mengen für den industriellen Einsatz? |
| Aufarbeitung | Lassen sich die Produkte wirtschaftlich trennen? |
Gerade die Aufarbeitung ist technisch anspruchsvoll. Die Fettsäuren liegen in komplexen Mischungen vor und müssen aufwendig isoliert werden. Das kostet Energie – und damit Geld.
Parallel arbeitet das Team daran, die Bakterien weiter zu optimieren. Mithilfe genetischer Werkzeuge sollen künftig auch längere Fettsäuren mit bis zu zwölf Kohlenstoffatomen entstehen.
Erste Schritte Richtung Markt
Die Forschung bleibt nicht im Labor, erste Schritte wurden bereits unternommen. Mehrere Beteiligte haben das Start-up SymBL Innovations gegründet, um die Technologie weiterzuentwickeln.
„Wenn wir diese Chemikalien auf dem freien Markt verkaufen wollen, müssen wir zeigen, dass wir diese Mikroben in einem vollständig integrierten Bioreaktorprozess einsetzen können, der MCFAs in großem Maßstab und zu einem wettbewerbsfähigen Preis produziert“, sagt Lawson.
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