Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Arnold Sauter

Stand und Perspektiven der Katalysatoren- und Enzymtechnik

TAB-Arbeitsbericht Nr. 046. Berlin 1996, 94 Seiten

Zusammenfassung

Der Einsatz von Katalysatoren, insbesondere in ihrer biologischen Variante, d.h. von Enzymen, wird in letzter Zeit vermehrt in der Forschungs-, Technologie- und Umweltpolitik diskutiert. Während chemische Katalysatoren hohes Ansehen vor allem als Hilfsmittel zur Minderung des Schadstoffausstoßes von PKWs genießen, umgibt die Enzymtechnologie die positive Aura biologischer und damit naturnaher Herstellungsverfahren. Selbst ausgewiesene Kritiker der Gentechnik halten den Einsatz von Enzymen als wichtige Komponente einer "sanften Chemie" für eine möglicherweise annehmbare gentechnologische Anwendung. Insgesamt gelten biologische wie chemische Katalysetechnik als zukunftsweisende und zukunftsfähige Schlüsseltechnologien, da sie die Herstellung innovativer Produkte (Pharmaka, Werkstoffe) ermöglichen, neben der chemischen Synthese bedeutende Anwendungsfelder z.B. im Umweltschutz und bei der Energiewandlung erschließen können und in besonderem Maße das Potential besitzen, Grenzen zwischen Disziplinen sowie zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung zu überwinden.

In vielen Fällen sind es jedoch recht vage Vermutungen oder aber altbekannte Beispiele, die solchen Einschätzungen zugrunde liegen. Ein Großteil der vielversprechenden und oft versprochenen Anwendungen ist derzeit noch Zukunftsmusik. Der vorliegende Sachstandsbericht gibt einen komprimierten Überblick zum Stand und zu den Perspektiven der Katalysatoren- und Enzymtechnik. Er behandelt die technologischen, ökonomischen, gesundheitlichen und ökologischen Chancen und Risiken und benennt einige forschungs- und förderpolitische Herausforderungen. Eine umfassende und detaillierte Bewertung des Einsatzes von Enzymen und Katalysatoren, insbesondere bezüglich des möglichen Beitrages zu einer nachhaltigen industriellen Wirtschaftsweise, bleibt eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe für die Zukunft.

Wirtschaftliche Bedeutung und technologische Trends: Chemische Katalysatoren

Chemische Katalysatoren werden bei der Herstellung fast aller Chemieprodukte genutzt. Vor allem Prozeßinnovationen in der chemischen Industrie beruhen wesentlich auf der Entwicklung oder Optimierung von Katalysatoren.

Von der Weltproduktion an technischen Katalysatoren im Jahr 1993 von ca. 12 Mrd. DM entfielen ca. 4 Mrd. auf die USA und je ca. 1,8 Mrd. DM auf Deutschland und Japan. Katalysatoren finden ihre Anwendung in der erdölverarbeitenden (ca. 20%) und chemischen Industrie (40%) sowie bei der nachgeschalteten Emissionskontrolle (40%, davon etwa 95% Autoabgaskatalysatoren). Insbesondere der Bereich der Autokatalysatoren zeigte in den 90er Jahren ein dynamisches Wachstum infolge strengerer Abgasgrenzwerte und wird auch in Zukunft für (die erwarteten) Zuwachsraten von bis zu 5% sorgen. Da es sich hierbei um Teile von Endverbrauchergütern handelt, liegen Marktpreise und Gewinnspannen viel höher als bei den Industriekatalysatoren Doch nicht der Produktions- oder Verkaufswert der Katalysatoren, sondern die um mehrere Größenordnungen darüber hinausgehende Wertschöpfung der mit Katalysatoren erzeugten Produkte bestimmt die ökonomische Bedeutung dieses Technologiefeldes.

Unter den drei führenden Ländern haben die USA besondere Stärken im Bereich der petrochemischen Katalyse, Japan bei den Umweltschutzkatalysatoren und Deutschland auf dem Gebiet der chemisch-technischen Katalyse. Das BMBF fördert die Katalyseforschung seit Jahren mit ungefähr 10 Mio. DM p.a., daneben gibt es spezielle Fördermaßnahmen in Bayern sowie durch die EU. Die Aufwendungen der Industrie sind nur grob zu schätzen, sie liegen etwa um das Hundertfache höher. Das BMBF-Programm ist darauf ausgerichtet, in besonders innovativen Bereichen interdisziplinäre Ansätze in enger Abstimmung mit den Anwendern zu initiieren. Verbesserungsparameter von Katalysatoren sind grundsätzlich ihre Aktivität, Selektivität, physikalische Stabilität und Toxizität. Ein wichtiges Forschungs- und Entwicklungsziel ist die Verschmelzung von Heterogen- und Homogenkatalyse z.B. durch Immobilisierungsverfahren. Besonders anspruchsvoll ist die Einbeziehung enzymatischer Ansätze in die chemische Synthese, die vor allem für enantioselektive Synthesen von entscheidender Bedeutung ist und bleiben wird. Katalysatoren für die Bereitstellung, Speicherung und Transport von Energie sowie für die Nutzung von Niedrigtemperaturenergie befinden sich noch weitgehend im Forschungsstadium.

Enzyme

Hauptanwendungs- bzw. -einsatzbereiche von Enzymen sind Nahrungs- und Genußmittelproduktion (Stärkeindustrie, Milchverarbeitung, Alkoholika-, Saft- und Backwarenherstellung), Wasch- und Reinigungsmittel, Textil-, Leder- und Futtermittelbearbeitung, die Herstellung von Feinchemikalien sowie im medizinischen Bereich diagnostische und therapeutische Verfahren.

Von den schätzungsweise mehr als 7.000 in der Natur vorkommenden Enzymen haben bislang lediglich ca. 100 industrielle Relevanz. Die Weltenzymproduktion besitzt einen Wert von 2-3 Mrd. DM, je nachdem, ob der "primäre" Wert der Enzymkonzentrate oder der Preis der aus ihnen hergestellten Präparate für die Anwender zugrunde gelegt wird. Die Steigerungsrate der vergangenene Jahre von ca. 10% wird von Experten auch für die Zukunft als realistisch eingeschätzt. Auch bei Enzymen übersteigt die Wertschöpfung der durch sie erzeugten Waren den "Primärertrag" um ein Vielfaches. Die europäische Enzymindustrie hat einen Anteil von ca. 70% an der Weltenzymproduktion und beschäftigt etwa 5.000 Personen. Unangefochtener Marktführer ist das dänische Unternehmen Novo Nordisk A/S mit einem Weltmarktanteil von ca. 50%.

Wichtige technologische Trends sind Anwendungen von Enzymen in Analytik und Diagnostik, die z.B. in Form der PCR-Methode die gesamten Biowissenschaften in den letzten Jahren geprägt haben und im Bereich der ökologischen, nahrungsmitteltechnischen, hygienischen und medizinischen Biosensortechnik Einsatz finden werden. Auch bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe spielen Enzyme eine unverzichtbare Rolle, indem sie die Materialien auf- und damit für die Weiterbearbeitung erschließen.

Von zentraler Bedeutung für die Entwicklung der Enzymtechnologie ist die Gentechnik. Durch sie wurde es möglich, praktisch jedes gewünschte Enzym in beliebiger Menge, großer Ausbeute und hoher Reinheit zu gewinnen. Eine noch stärkere Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten wird von der Produktion gentechnisch optimierter, auf lange Sicht komplett "designter" Enzyme erwartet. Während im Nahrungsmittelbereich zumindest in Deutschland noch wenige gentechnisch produzierten Enzyme verwendet werden, liegt deren Anteil im Waschmittelsektor mittlerweile bei über 90% und damit insgesamt bei technischen Enzymen über 50%.

Bei der Herstellung von Feinchemikalien werden Enzyme nur in Ausnahmen für Produkte im Mehr-Tonnen-Maßstab verwendet, auch wenn ein steigender Bedarf wegen der Notwendigkeit enantiomerenreiner Synthesen erwartet wird. Es gibt aber eine ganze Reihe von Gründen, die eine stärkere Nutzung der Enzymtechnologie in der chemischen Industrie behindern, die von der zu großen Spezifität und Empfindlichkeit der Enzyme über Probleme der Verfahrensumstellung bis zu Fragen der Anlagenabschreibung oder der beruflichen Prägung der Entscheidungsträger reicht. Wie im Bereich der konventionellen chemischen Katalysatoren sind hier interdisziplinäre, grenzüberschreitende Kooperationen notwendig.

Gesundheitliche Auswirkungen und ökologische Risiken

Da chemische Katalysatoren vor allem in geschlossenen industriellen Produktionssystemen eingesetzt werden, entstehen toxikologische Probleme der oft schwermetallhaltigen Verbindungen überwiegend im Bereich der Produktion, der gewerblichen Anwendung und der Wiederaufbereitung. Eine Verbesserung der Sicherheit wird von einer verstärkten Immobilisierung der Katalysatoren an Trägermaterialien erwartet, die gleichzeitig das Recycling der zum Teil sehr teuren Verbindungen erleichtern kann. Einziges "Endverbraucherprodukt" ist der Auto-Platinkatalysator. Platinverbindungen sind toxisch, insbesondere allergen. Trotz langjähriger Forschung ist das Wissen über die Bioverfügbarkeit des Platins, das entlang von Straßen in erhöhter Konzentration gefunden wird, noch sehr gering, eine toxikologische Bewertung der zunehmenden Umweltbelastung ist mit dem derzeitigen Kenntnisstand nicht möglich.

Der vermehrte Enzymeinsatz eröffnet hauptsächlich drei Problemkreise: Die (gentechnische) Produktion der Enzyme, die gewerbliche Anwendung der Enzympräparate und der Einsatz in Endprodukten wie Wasch-und Reinigungs-, vor allem aber Nahrungsmitteln.

Die industrielle Produktion von Enzymen erfolgt bis auf wenige Ausnahmen mit Hilfe von Mikroorganismen, die in geschlossenen Systemen kultiviert werden. Gefährdungen für die Beschäftigten können in erster Linie ausgehen von den Mikroorganismen bzw. ihren Bestandteilen und Beiprodukten, den Enzymen selbst sowie von Kulturmedienbestandteilen und produktionsbedingten Gefahrstoffen. Aus der Sicht der Hersteller und vieler Wissenschaftler erhöht die gentechnische Produktion die Sicherheit der Enzymproduktion, da hier sog. GRAS-Organismen (generally recognised as safe) eingesetzt werden können, wohingegen bei konventioneller Enzymgewinnung und -nutzung eine Vielzahl von Mikroben benutzt wird, die toxikologisch teilweise viel bedenklicher seien. Abgesehen von dem grundsätzlichen Disput um die Frage nach der biologischen Sicherheit gentechnischer Produktion, der nicht enzymspezifisch ist und daher im Sachstandsbericht nicht aufgegriffen wird, weisen die Regelwerke und Standards zum Umgang mit Organismen in der Biotechnologie jedoch nach wie vor Lücken und Probleme auf, so in der Frage der Sicherheitsklassifizierung der Produktionsstämme, der internationalen Vereinheitlichung oder der Überwachung und des Monitorings.

Die größten gesundheitlichen Probleme durch die Enzyme selbst im Bereich von Produktion und vor allem der gewerblichen Anwendung ergeben sich aus dem allergenen Potential, das allerdings nicht enzymspezifisch ist, sondern eine allgemeine Proteineigenschaft darstellt. Während bei den Enzymproduzenten das nötige Know-how zur Durchführung adäquater Arbeitsschutzmaßnahmen und meist ein entsprechendes Sicherheitsbewußtsein vorhanden sind, ist letzteres bei den Nutzern, gerade im Fall neuer Anwendungen z.B. in der Textil- und Lederherstellung, oft nicht hinreichend ausgebildet. Hinzu kommt, daß die Zahl der Beschäftigten in den Anwenderbetrieben die in den Produktionsbetrieben um ein Vielfaches übersteigt. Eine Überprüfung der vorgesehenen Sicherheitsmaßnahmen, die gründliche Schulung der betroffenen Mitarbeiter und eine Kontrolle der Einhaltung der Vorschriften ist in jedem Fall notwendig. Eine weitere Verschärfung der Allergieproblematik in Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung (z.B. Mühlen) könnte sich ergeben, falls in Zukunft industrielle Enzyme in gentechnisch veränderten Nutzpflanzen hergestellt werden sollten.

Unter den Produkten für Endverbraucher sind es vor allem Wasch- und Lebensmittel, bei deren Verwendung bzw. Verzehr Menschen in Kontakt mit Enzymen kommen. Die inhalative Aufnahme von Waschmittelenzymen ist durch die Einbettung in staubbindende Partikel minimal und stellt selbst für Allergiker allem Anschein nach keine gesundheitliche Gefahr dar. Der Hautkontakt mit enzymhaltigen wie mit enzymfreien Waschmitteln kann sogenannte irritative Kontaktekzeme auslösen, Allergien i.e.S. wurden bislang nicht beobachtet, können aber für besonders empfindliche Bevölkerungsgruppen nicht mit letzter Sicherheit ausgeschlossen werden. Bei Lebensmitteln findet eine orale Aufnahme der Enzyme statt, die im Vergleich zur Inhalation ein weitaus geringeres sensibilisierendes und allergiauslösendes Potential aufweist. Allerdings läßt die kaum überschaubare Zahl von Proteinzusätzen in verarbeiteten Lebensmittelprodukten das Problem der Nahrungsmittelallergien, insbesondere die Bedrohung durch sog. versteckte, im Produkt nicht erwartbare Komponenten immer bedeutender werden. Neben einigen wenigen enzymspezifischen Risiken sind es die prinzipiellen Gefahren, die von einer immer stärkeren Lebensmittelartifizialisierung ausgehen und Maßnahmen vor allem im Bereich der Kennzeichnung und Überwachung von Lebensmitteln nahelegen.

Nachsorgender Umweltschutz und integrierte Umwelttechnologien

Der quantitativ bedeutendste Einsatzbereich von Katalysatoren im Umweltschutz liegt bei nachsorgenden und additiven Technologien. Neben End-of-pipe-Katalysatoren zur Umwandlung gasförmiger Emissionen von Industrie, Kraftwerken und Fahrzeugen zählt dazu eine Reihe sog. katalytischer Add-on- bzw. Recycling-Technologien, die entstehende Schadstoffe in zusätzlichen Verfahrensschritten in nutzbare Produkte umwandeln. Isolierte Enzyme werden im nachsorgenden Umweltschutz praktisch nicht eingesetzt, während intakte Mikroorganismen aus der Abfall-, Abwasser- und Abluftbehandlung nicht wegzudenken sind. Da es sich dabei aber eigentlich immer um (hochkomplexe) Stoffgemische handelt, ist eine Zunahme des Einsatzes von Enzymen, deren hervorragende Eigenschaft ja gerade die spezifische Stoffumwandlung ist, derzeit kaum abzusehen.

Katalysatoren senken per definitionem die für den Ablauf einer chemischen Reaktion nötige Aktivierungsenergie und erhöhen die Ausbeute an gewünschtem Produkt. Beim Ersatz oder der Verbesserung herkömmlicher Verfahren durch den Einsatz von Katalysatoren oder Enzymen werden sowohl Rohstoffe (die Ausgangsmaterialien bzw. "Edukte") als auch Energie eingespart, gleichzeitig wird die anfallende Abfallmenge reduziert. Auch wenn solche Maßnahmen des prozeß- oder produktionsintegrierten Umweltschutzes quantitativ und damit ökonomisch noch eine relativ unbedeutende Rolle spielen, wird ihre zukünftige Bedeutung für eine "sanftere" Chemieproduktion als Voraussetzung einer nachhaltige industriellen Wirtschaftsweise allseits betont. Vor allem Enzyme sollen dazu dienen, völlig neue Produktionsstrategien durch Nutzung nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln und chemische Methoden und Agenzien durch biologische bzw. biologisch verträgliche Verfahren und Stoffe zu ersetzen.

Das meistgenannte Beispiel für produktintegrierten Umweltschutz mit Hilfe von Enzymen bildet der Waschmittelsektor, die wichtigste non-food-Anwendung für Biokatalysatoren. Welchen Anteil Enzyme an der Reduzierung der Waschmittelmenge und des Energieverbrauchs (infolge niedrigerer Waschtemperaturen) hatten und haben werden, ist unklar und umstritten. Die bisherigen Ökobilanzen zu Waschmittelenzymen beschränken sich auf den Vergleich zwischen dem herkömmlichen und dem gentechnischen Herstellungsprozeß, Ökobilanzen unter Betrachtung von Produkt- und Pfadalternativen stehen noch aus. Textil-, Leder- und Papierherstellung sind weitere Anwendungsfelder, in denen enzymatische Verfahren insbesondere zur Vermeidung von Chemikalieneinsatz sowie zur Wasser- und Energieeinsparnis beitragen können. Bezweifelt wird der ökologische Nutzen von Futtermittelenzymen zur Reduzierung des Phosphatanteils in der Gülle, da dies lediglich eine Partiallösung darstellt. Noch nicht einschätzbar sind die Potentiale von Enzymen als Wirkstoffe im Pflanzenschutz als Ersatz chemischer Pestizide. Von großer Bedeutung hingegen ist der Einsatz von Enzymen in der Umweltanalytik- und -überwachung, wo Biosensoren seit langem ein unverzichtbares Hilfsmittel darstellen und nach wie vor ein erhebliches Entwicklungspotential haben.

Probleme der Bewertung

Fragen der umfassenden ökologischen Bewertung katalytischer und enzymatischer Verfahren und Produkte sind bislang praktisch unbearbeitet. Allein bei einer Umstellung bestehender Verfahren müßten neben medienübergreifenden Problemverlagerungen Auswirkungen auf die mit dem Verfahren verbundenen betrieblichen und außerbetrieblichen Produktionsprozesse analysiert und einberechnet werden. Noch komplexer ist die Situation, wenn durch den Katalysatoren- oder Enzymeinsatz die Produktion von Stoffen erst ermöglicht bzw. wirtschaftlich wird. Hier müßten komplette Stoffstromuntersuchungen und Produktlinienanalysen einschließlich sozioökonomischer Folgenbetrachtungen durchgeführt werden, wollte man eine wirklich hinreichende Ökobilanz für das jeweilige Produkt erstellen. Dies gilt in besonderem Maße für die Nutzung von Enzymen, da mit ihnen einerseits völlig neue Rohstoffe erschlossen werden können, andererseits oft gänzlich neue Anwendungen verbunden sind. Die als erster Schritt nötige Sachbilanz erscheint theoretisch möglich, wobei die Erhebung der Daten in den meisten Fällen aufwendig sein wird. Viel schwieriger hingegen ist die Erstellung einer Wirkungsbilanz: Hierfür müßten alle relevanten Wirkungsdimensionen definiert, erfaßt und praktikabel "abgearbeitet", womöglich quantifiziert werden. Der schwierigste Punkt ist die eigentliche Bewertung von Sach- und Wirkungsbilanz. Gerade im Hinblick auf den Begriff Nachhaltigkeit zeigen sich subjektiv sehr unterschiedliche Kriterien, Rahmenbedingungen und Zielsetzungen bei den verschiedenen Akteuren.

FuE, Innovation, zukünftige Forschung

Die bisherige Ausrichtung der öffentlich finanzierten Forschung auf Verbundprojekte erscheint im praxisnahen Feld der Katalysatorforschung notwendig und sinnvoll. Es sollte in Zukunft noch stärker als bisher versucht werden, die vergleichsweise geringen Mittel sinnvoll und "katalytisch wirksam" dort einzusetzen, wo sich umweltschutzrelevante oder hochinnovative Bereiche auftun, aber ökonomische Gründe oder Disziplinengrenzen private FuE blockieren. Enantioselektive Synthesen für Medikamente oder Pflanzenschutzmittel, aber auch katalytische Verfahren zur Bereitstellung von Energie erscheinen besonders zukunftsträchtig. Das Ziel der Überwindung von Disziplinen- und Methodengrenzen betrifft vor allem die verstärkte Nutzung enzymatischer Reaktionen für chemische Produktionsverfahren. Unter dem Aspekt nicht nur ökonomischer, sondern auch ökologischer Effizienzsteigerung sind Verfahren zur Immobilisierung sowohl chemischer als auch biologischer Katalysatoren von besonderer Bedeutung.

In den verschiedenen Anwendungsbereichen der Enzymtechnik ergeben sich Wechselwirkungen mit ökonomischen Tendenzen, die besondere Maßnahmen zur Förderung der Innovationsfähigkeit als notwendig erscheinen lassen. So besteht in Deutschland im Lebensmittelsektor, dem Hauptnutzer enzymtechnologischer Verfahren, bislang noch eine sehr diversifizierte Struktur. Obwohl gerade die Biotechnologie eine Vielzahl von Methoden zur Verfügung stellt, die zum einen oft in hochinnovativen Kleinstfirmen entwickelt worden sind, zum anderen ganz speziell und mit relativ geringen Aufwand auf die verschiedensten Bedürfnisse zugeschnitten werden könnten, geht der Trend eher zu einer Konzentrierung der Forschung und Strategieentwicklung bei den internationale Lebensmittelkonzernen. Die kleinen und mittleren Unternehmen sehen sich oft nicht in der Lage, eigene Forschungs- und Entwicklungskapazitäten aufzubauen, um Anschluß an die neuen Standards und Verbraucheransprüche halten zu können. Wenn die vielfältige regionale Betriebsstruktur der deutschen Lebensmittelhersteller einigermaßen erhalten bleiben soll, wird es notwendig sein, überschaubare und angepaßte Forschungsvorhaben und Kooperationen zu unterstützen.

Bei der toxikologischen Untersuchung der chemischen Katalysatoren werden wegen des großen Verbreitungsgrades die Platinemissionen des Autokatalysators im Zentrum der Forschungsanstrengungen bleiben müssen. Hier wie bei den Enzymen steht die Frage der Allergenität im Vordergrund. Im Arbeitsbereich müssen die Schutzmaßnahmen dort besonders gründlich überprüft und angepaßt werden, wo enymtechnologische Anwendungen in Betriebe Einzug halten, in denen bislang keine Erfahrung mit dem Umgang mit biologischem Material vorhanden ist. Besonders sensibel sind halboffene Anwendungen, z.B. in der Textil-, Leder- und Papierindustrie oder bei der Futtermittelgabe in der Landwirtschaft. Dabei ist es notwendig, nicht nur die eigentlichen Enzyme, sondern auch die bislang oft nicht erfaßten Begleitprodukte und Verunreinigungen zu erfassen.

Da das Wissen über das gesamte medizinische Phänomen Allergie äußerst beschränkt ist und gleichzeitig diese Form der Erkrankung in den letzten Jahren eine zunehmende Gesundheitsbedrohung darstellt, müssen besonders hohe Anforderungen an Verbraucherschutz und Vorsorgemaßnahmen im Lebensmittelbereich gestellt werden, wobei Enzyme hier nur einen Bruchteil der relevanten Inhalts- und Zusatzstoffe repräsentieren. Neben einer Intensivierung der Forschung zu Allergieentstehung und -diagnose, zur Allergenität und zum Allergennachweis wird vor allem eine Erweiterung der Deklarationspflicht zu prüfen sein, die wegen der fehlenden Wirksamkeitsschwelle von Allergenen umfassend gestaltet sein muß.

Das Vordringen gentechnischer Verfahren in die Lebens- und Futtermittelherstellung macht weitere Forschung zur biologischen Sicherheit notwendig. Das GRAS-Konzept der Sicherheitsstufen/beurteilung ist insbesondere im Hinblick auf Toxizität und Allergenität weiterzuentwickeln und zu hinterfragen, vor allem der Einsatz von Antibiotikaresistenzgenen sollte überprüft werden. Alle aufgeführten Aspekte werden dringlicher durch die zunehmende Verwendung von bislang nicht zugänglichen Enzymen, von gentechnisch veränderten Enzymen und - als Zukunftsszenario - von komplett designten Enzymen.

Um weitergehende Antworten als der vorliegende Bericht auf die Frage nach dem Beitrag von Enzym- und Katalysatorentechnologien zum Ziel einer nachhaltigen industriellen Produktionsweise geben zu können, müssen umfassende Bewertungsansätze und -methoden auf der Grundlage detaillierter Ökobilanzen weiterentwickelt und verfolgt werden. Ergänzend sollten verstärkt Diskurs- und Dialogverfahren unter Einbeziehung von Laien genutzt werden.