Projekt 13040/02

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Verbund Industrielle Nutzung von Biokatalysatoren: Ökonomische und ökologische Evaluation biokatalytischer Prozesse während ihrer Entwicklung

Projektdurchführung

Universität des SaarlandesLehrstuhl für Technische Biochemie
Campus A 1.5
66123 Saarbrücken

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Entwicklungsprozess neuer Verfahren werden die späteren Kosten und die späteren Umweltbelastungen bereits zu einem bedeutenden Teil in frühen Phasen der Entwicklung festgelegt. Im vorgestellten Projekt werden Methoden entwickelt, die es erlauben, bereits in diesen frühen Phasen ökologische und ökonomische Charakteristiken abzuschätzen. Dadurch können Prozesse schon während ihrer Entwicklung ökologisch und ökonomisch optimiert werden, wodurch die Produktionskosten sinken und die entstehenden Umweltbelastungen minimiert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie entwickelte Methode berücksichtigt auf der Umweltseite sowohl die Inputstoffe (Ressourcenreichweite, Toxizität, Grey Input, Risikoaspekte) als auch die Outputstoffe (Wirkung auf Umweltkompartimente Luft, Wasser/Boden, Organismen, Risikoaspekte). Die ökonomische Betrachtung berücksichtigt monetäre Kennzahlen (Rohstoffkosten, Entsorgungskosten, Investitionskosten) und nicht-monetäre Risikofaktoren. Die Zusammenführung der ökonomischen und der ökologischen Bewertungskonzepte zu einer in-tegrierten Evaluierungsmethode zum Zweck einer transparenten Ergebnispräsentation sind mit diesen Kennzahlen möglich, jedoch noch nicht abgeschlossen.
Die entwickelten Methoden wurden anhand von vier Projekten des Verbunds Biokatalyse validiert. Die Modellbildung und Simulation dieser Prozesse spielt dabei eine entscheidende Rolle bei der Abschätzung der Stoffbilanz des späteren Produktionsprozesses, die die Grundlage für jede ökologische und ökonomische Bewertung bildet. Hierbei kam in zwei Fällen die Simulationssoftware SuperPro Designer zum Einsatz. Die Prozesse und Verfahren wurden von den Teilprojekten arbeitsteilig analysiert, modelliert und simuliert, wobei jedes Teilprojekt je zwei Projekte des Verbunds federführend betreute.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurde eine ökologische Bewertungsmethode entwickelt, die sowohl die Inputstoffe (Ressourcenreichweite, Toxizität, Grey Input, Risikoaspekte) als auch die Outputstoffe (Wirkung auf Umweltkompartimente Luft, Wasser/Boden, Organismen, Risikoaspekte) berücksichtigt. Die ökonomische Betrachtung berücksichtigt monetäre Kennzahlen (Rohstoffkosten, Entsorgungskosten, Investitionskosten) und nicht-monetäre Risikofaktoren. Die Zusammenführung der ökonomischen und der ökologischen Bewertungskonzepte zu einer integrierten Evaluierungsmethode zum Zweck einer transparenten Ergebnispräsentation sind mit diesen Kennzahlen möglich, jedoch noch nicht abgeschlossen. Die Bewertungen sind in beiden Fällen so ausgelegt, dass mit sehr geringem Aufwand relevante Ergebnisse erhalten werden können. Für das Fallbeispiel Biodehydrierung Brenztraubensäure (TP I) wurden durch eine intensive Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern die vorhandenen Daten erfasst und fehlende Daten über Patent- und Literaturrecherchen, Expertenbefragungen und einfache Laborexperimente ergänzt. Das potenzielle Produktionsverfahren wurde zu drei Zeitpunkten im Entwicklungsverlauf modelliert, simuliert, ökologisch und ökonomisch bewertet und den Projektpartnern in mehreren Berichten zur Verfügung gestellt. Die ökologische Bewertung zeigt deutlich die schrittweisen Verbesserungen, die im Entwicklungsverlauf erreicht wurden. Parallel wurde das chemische Alternativverfahren modelliert und bewertet. Ein erster Vergleich zwischen chemischem und fermentativem Verfahren zeigt eine tendenzielle ökologische Vorteilhaftigkeit des biotechnologischen Verfahrens. Im Fallbeispiel Hochwertige Kohlenhydrate, in dem die Enzymentwicklung und weniger die Prozessentwicklung im Vordergrund steht, wurde das bestehende Standardverfahren modelliert und ökologisch/ökonomisch bewertet. Mit Hilfe von Sensitivitätsanalysen und zusätzliche Modellen wurde, nach einer gemeinsamen Datenaufnahme, das Verbesserungspotenzial der im Partnerprojekt erreichbaren Ergebnisse abgeschätzt. Für das Fallbeispiel Biotechnologische Verwertung von Abfallfedern (TP II) wurden über die Projektlaufzeit die verfügbaren Daten aufgenommen, inventarisiert, der Energieverbrauch abgeschätzt und eine ökonomische Bewertung durchgeführt. Diese Bewertung wurde mit den Kooperationspartnern diskutiert und bildet eine Grundlage für weitere Überlegungen zum Prozessdesign und zur wirtschaftlichen Umsetzung. Wegen fehlender Massenbilanzen konnte keine ökologische Bewertung durchgeführt werden. Da die Datenbasis im Fall-beispiel Enzymatische Behandlung von Wolle und Baumwolle (TP II) begrenzt ist, wurden neben der Erfassung der verfügbaren Daten (zwei Teilprojekte: Carbonisur von Wolle und Bleiche baumwollhaltiger Textilien mittels Wasserstoffperoxyd), die u.U. substituierbaren Standardverfahren analysiert, bewertet und den Projektpartnern als Benchmark zugänglich gemacht. Wegen fehlender Massenbilanzen konnte auch hier keine ökologische Bewertung durchgeführt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Projekt wurde mit Vorträgen und Postern bei verschiedenen Messen, Seminaren und Kongressen der Öffentlichkeit vorgestellt. Publikationen: Chem. Ing. Tech. (2001); BioSpektrum (2001); Biotechnologie (2001), Schmidt Verlag (2001); Eng. Life Sci. (2002); Chem. Ing. Tech. (2002); Appl. Microbiol. Biotechnol. (2002); J.Chem Tech., (2003); Biotechnol. (2003); Transkript (2003); Dissertation Biwer (2003).


Fazit

Im vorliegenden Projekt werden Methoden zur ökologischen und ökonomischen Bewertung von biotechnologischen Prozessen in frühen Phasen der Prozessentwicklung entwickelt. Dadurch können Prozesse hinsichtlich ihrer Marktchancen optimiert und die Umweltbelastungen bei der Produktion minimiert werden. Damit leistet die Methode einen wertvollen Beitrag zu einer nachhaltigeren Entwicklung, da der Verbrauch von Ressourcen und die Bildung von Abfällen reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit der Prozesse verbessert wird.
Die Validierung der Methoden an den ausgewählten Verfahren aus dem Verbund Biokatalyse stellt den Praxisbezug der Arbeiten sicher. Die Projektarbeit hat deutlich gezeigt, wie wichtig Modellierung und Simulation des wahrscheinlichen späteren Produktionsprozesses ist. Sie bildet die Grundlage jeder weiteren ökonomischen und ökologischen Bewertung. Für zwei der bewerteten Projekte konnten detaillierte Prozessmodelle erstellt werden.