KGL_new
Puls Branży
BASF  

Mikroorganizmy w kieracie BASF

Naukowcy na całym świecie pracują nad innowacyjnymi rozwiązaniami, aby wykorzystać alternatywne źródła surowców i opracować przyjazne dla klimatu procesy produkcyjne i produkty. Bieżące projekty badawcze i przykłady innowacji na różnych etapach łańcucha wartości zostały dziś zaprezentowane przez dr Melanie Maas-Brunner, członka zarządu BASF SE i dyrektora ds. technologii, wraz z naukowcami na konferencji prasowej BASF Research. Wydarzenie koncentrowało się na technologiach, w których mikroorganizmy przyczyniają się do większego zrównoważenia.

Unikalna platforma badawczo-rozwojowa firmy BASF służy jako podstawa do opracowywania zrównoważonych rozwiązań chemicznych. „W ostatnich latach systematycznie dostosowywaliśmy tę platformę do potrzeb naszych klientów” – powiedział Maas-Brunner. BASF zatrudnia około 10 000 pracowników zajmujących się badaniami i rozwojem na całym świecie. W 2021 roku firma zainwestowała około 2,2 miliarda euro w rozwój zrównoważonych produktów i nowych dziedzin technologii. „Poszerzanie naszych kompetencji jest dla nas ciągłym zadaniem” — powiedział Maas-Brunner. Przykłady obejmują wytwarzanie wodoru wolnego od CO 2 , elektryzację procesów produkcyjnych i rozwój gospodarki o obiegu zamkniętym, a także wykorzystanie nowych źródeł surowców i jeszcze wydajniejsze wykorzystanie narzędzi cyfrowych.

Inwestycje w badania i rozwój zwracają się, czego dowodem jest ponad 11 miliardów euro przychodów ze sprzedaży produktów, które firma BASF wprowadziła na rynek w ciągu ostatnich pięciu lat. W branży chemicznej BASF zajmuje wiodącą pozycję pod względem liczby i jakości swoich patentów. „Szczególnie cieszę się, że w 2021 r. 45 procent naszych wniosków patentowych dotyczyło innowacji ze szczególnym uwzględnieniem zrównoważonego rozwoju – a trend ten rośnie” — powiedział Maas-Brunner. Również w dłuższej perspektywie firma chce zwiększać sprzedaż i zyski dzięki produktom, które w istotny sposób przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju.

„Wiele technologii, które umożliwią społeczeństwo neutralne dla klimatu, nie zostało jeszcze wynalezionych” – powiedział Maas-Brunner. Dlatego ważne jest, aby sprostać przyszłym wyzwaniom, otwierając się na technologie i włączając alternatywne koncepcje technologiczne. „Aby to zrobić, potrzebujemy sojuszy – ze wszystkimi podmiotami w przemyśle, nauce, polityce i społeczeństwie. Sojusze między firmami a ustawodawcami są szczególnie ważne, ponieważ potrzebujemy dobrych warunków ramowych stanowiących podstawę naszych działań” – powiedział Maas-Brunner.

Biała biotechnologia staje się coraz ważniejsza

Dzięki szerokiemu zakresowi kompetencji technologicznych firma BASF jest dobrze przygotowana do opracowywania innowacyjnych rozwiązań dla chemii neutralnej dla klimatu. Biała biotechnologia staje się coraz ważniejszą częścią zestawu narzędzi firmy BASF. „To są narzędzia natury; ludzie używają ich od dawna i ciągle je udoskonalają” — powiedziała dr Doreen Schachtschabel, wiceprezes White Biotechnology Research w firmie BASF. Mikroorganizmy, takie jak bakterie czy grzyby, biorą udział w tych bioprocesach, w tym fermentacji i biokatalizie. Wykorzystują różnorodne materiały organiczne, aby przekształcić je w zupełnie inne produkty końcowe. Mogą to być wina, pieczywo czy sery, ale także substancje dla przemysłu chemicznego. „Biała biotechnologia stała się jedną z naszych kluczowych technologii, która umożliwia nam produkcję z różnorodnych surowców w sposób wydajny,

Lista chemikaliów i produktów wytwarzanych przez BASF metodami białej biotechnologii jest długa: biopolimery, składniki niezbędne do żywienia ludzi i zwierząt, takie jak witaminy i enzymy, środki ochrony roślin, aromaty i zapachy, a także enzymy stosowane w detergentach i składnikach kosmetyków. W pięciu z sześciu segmentów firmy BASF — chemikalia, materiały, rozwiązania przemysłowe, odżywianie i pielęgnacja oraz rozwiązania dla rolnictwa — firma produkuje już ponad 3000 produktów związanych z biotechnologią lub ulegających biodegradacji. W 2021 roku przyczyniły się one do sprzedaży o wartości ponad 3,5 miliarda euro, a trend jest rosnący.

Aby opracować nowe procesy i produkty, naukowcy BASF współpracują z wieloma zewnętrznymi partnerami akademickimi i przemysłowymi. Podstawy technologiczne i podejścia są zwykle bardzo podobne, pomimo różnych właściwości cząsteczek.

Najpierw identyfikuje się odpowiedni mikroorganizm, który można hodować. W kolejnym kroku, jeśli to konieczne, zmienia się genom, zmieniając w ten sposób metabolizm w taki sposób, że bakteria lub grzyb albo wytwarza więcej określonej substancji, albo wytwarza zupełnie nową cząsteczkę o nowych właściwościach.

Następnie rozpoczyna się właściwy bioproces: mikroorganizmy wytwarzają docelową cząsteczkę w pożądanych ilościach w optymalnych warunkach. Substancjami odżywczymi i budulcowymi mogą być surowce odnawialne, takie jak cukier, ale także strumienie odpadów, produkty pochodzące z recyklingu i chemicznie syntetyzowane cząsteczki.

Cyfryzacja jest niezbędna do rozwoju nowych procesów i produktów. Nie chodzi tylko o wydajniejszą i efektywniejszą pracę. „Bez biologii obliczeniowej, w szczególności bioinformatyki, nie bylibyśmy w stanie robić tego, co robimy dzisiaj”, powiedział Schachtschabel.

Rozwój insektycydu Inscalis  pokazuje, jak klasyczna chemia i biotechnologia mogą się idealnie uzupełniać. Pierwszym etapem produkcji tego insektycydu jest fermentacja. Produkt pośredni jest następnie przekształcany w gotowy środek ochrony roślin w kolejnym procesie produkcyjnym opartym na chemii klasycznej. „Tutaj łączymy to, co najlepsze z obu światów: łącząc fermentację z selektywną syntezą chemiczną, proces hybrydowy umożliwia nam wytwarzanie wysoce efektywnego i zrównoważonego produktu w opłacalny sposób”, powiedział Schachtschabel.

W przyszłości BASF będzie nadal polegać na elastycznych i szerokich bazach surowców i technologii. „Zdajemy sobie sprawę, że biotechnologia, inżynieria i chemia klasyczna, gdy są optymalnie zintegrowane, umożliwiają procesy, które są bardzo wydajne, a także zrównoważone ekonomicznie i środowiskowo. Pomoże to firmie BASF osiągnąć cele w zakresie zrównoważonego rozwoju” — powiedział Schachtschabel.

Węgiel gazowy jako alternatywne źródło surowca

Oprócz klasycznej fermentacji, która zwykle opiera się na surowcach odnawialnych, BASF i amerykańska firma LanzaTech pracują wspólnie nad specjalnymi procesami, w których bakterie wykorzystują jako surowiec gazowe źródła węgla, takie jak tlenek i dwutlenek węgla. Węgiel może pochodzić z gazów odlotowych z hut, rafinerii i zakładów chemicznych, ale także z zgazowanych odpadów domowych. „Chcielibyśmy wykorzystać potencjał fermentacji gazowej do wytwarzania chemikaliów dla chemicznych łańcuchów wartości” — powiedział prof. Michael Helmut Kopf, dyrektor alternatywnych platform fermentacyjnych w firmie BASF. Zakłady produkcyjne LanzaTech w Chinach wykorzystują już tę technologię do produkcji etanolu, a wkrótce uruchomiona zostanie kolejna fabryka w Belgii. Obie firmy chciałyby teraz produkować wyższe alkohole i inne półprodukty przy użyciu procesów fermentacji gazowej.

„Nasze bakterie są specjalnie zaprojektowane, aby mogły przekształcać węgiel odpadowy w różne pożądane półprodukty” — wyjaśnił dr Sean Simpson, założyciel LanzaTech i dyrektor naukowy. Z kolei BASF wnosi do tego projektu rozwojowego swoją specjalistyczną wiedzę z zakresu chemii i technologii procesowej oraz intensyfikacji procesów. BASF projektuje również proces oddzielania i oczyszczania produktów z systemu fermentacji, aby można je było wprowadzić do łańcuchów wartości.

Na całym świecie istnieje więcej niż wystarczająca liczba alternatywnych źródeł węgla, które można wykorzystać do fermentacji gazowej. „Będzie to jednak wymagało zmiany sposobu myślenia, aby umożliwić projekty o charakterze międzysektorowym, na przykład łączące przemysł chemiczny z hutami lub firmami zajmującymi się gospodarką odpadami” – powiedział Simpson. Większa dostępność takich alternatywnych źródeł surowców będzie oznaczać mniejsze zapotrzebowanie na pierwotne surowce kopalne do produkcji chemikaliów.

„Technologie zgazowania materiałów resztkowych, fermentacja gazowa – wraz ze zrównoważonym wodorem i energią odnawialną do syntezy produktów – oraz wydajne procesy oczyszczania produktów wyjściowych mogą w przyszłości wnieść istotny wkład w poprawę zrównoważonego rozwoju naszych łańcuchów wartości”, powiedział Kopf, komentując potencjał technologii.

Szczegółowe zrozumienie biodegradowalności

W firmie BASF bakterie i grzyby odgrywają rolę nie tylko w produkcji zrównoważonych produktów. „Dla nas zrównoważony rozwój oznacza również dokładną wiedzę, w jaki sposób i dlaczego mikroorganizmy w środowisku ulegają biodegradacji w naszych produktach po ich użyciu” — powiedział profesor Andreas Künkel, wiceprezes BASF ds. badań nad biopolimerami. Biodegradowalność oznacza, że ​​mikroorganizmy metabolizują złożone cząsteczki organiczne w energię, wodę, dwutlenek węgla i biomasę.

Wykorzystanie tej naturalnej metody i opracowanie produktów w pełni biodegradowalnych wymaga podstawowej znajomości chemii i procesów biologicznych. Dlatego w ciągu ostatnich 10 lat firma BASF znacznie rozszerzyła swoje działania badawczo-rozwojowe związane z biodegradowalnością. „Ten niezwykle złożony temat można opanować tylko w ramach interdyscyplinarnego zespołu” — powiedział Künkel. Podkreślił znaczenie wewnętrznej i zewnętrznej współpracy z klientami, uniwersytetami i instytutami badawczymi, z którymi firma BASF przeprowadzała szeroko zakrojone eksperymenty w laboratorium iw terenie. „Szczegółowo zastanawiamy się, w jaki sposób powinniśmy projektować materiały, aby nasze produkty ulegały biodegradacji w glebie i systemach technicznych, takich jak kompost i oczyszczalnie ścieków” — wyjaśnił Künkel.

Jednym z przykładów jest folia ściółkowa ecovio ® . Posiada certyfikat biodegradowalności w glebie i pomaga rolnikom osiągnąć wyższe plony. Po żniwach folia może być po prostu zaorana i zostanie rozłożona przez mikroorganizmy w glebie. Badacze BASF współpracowali z naukowcami z ETH Zurich, aby zbadać, w jaki sposób i dlaczego folia ulega biodegradacji w glebie – zarówno w laboratorium, jak iw terenie. W tym celu opracowali nowe metody analizy, które mogą udowodnić, że węgiel w filmie jest biologicznie przekształcany w dwutlenek węgla i biomasę.

Innym ważnym zastosowaniem materiałów biodegradowalnych są składniki detergentów do prania, detergentów do zmywarek i kosmetyków, które po zakończeniu swojego cyklu życia trafiają do oczyszczalni ścieków. Również w tym przypadku kluczowe jest dokładne zrozumienie, w jaki sposób struktura materiału wpływa na jego biodegradowalność.

Aby rozszerzyć portfolio nowych certyfikowanych produktów biodegradowalnych, ważnym elementem prac badawczych są narzędzia cyfrowe. Dzięki obszernemu zbiorowi danych na temat biodegradowalności firma BASF może opracowywać modele komputerowe, które mogą przewidywać właściwości i biodegradowalność molekuł i materiałów na bardzo wczesnym etapie rozwoju produktu, a tym samym umożliwiać odpowiednie dostosowanie ich struktury. „BASF jest pionierem i liderem w cyfrowym modelowaniu przewidywanej biodegradowalności. Jest to pomocne we współpracy z klientami w celu opracowania dostosowanych do potrzeb biodegradowalnych produktów do konkretnego zastosowania” – powiedział Künkel.