Für ihre wegweisende Forschung zur Überwindung thermischer Limitierungen in biokatalytischen Verfahren erhalten Professor Dr. Harald Gröger und Dr. Jianing Yang den Jörg Schwarzbich Inventor Award 2025. Die Auszeichnung wurde im Januar 2026 beim Jahresempfang von Rektorin Professorin Dr. Angelika Epple verliehen. Der mit 40.000 Euro dotierte Preis wird von der Universitätsgesellschaft Bielefeld (UGBi) in enger Zusammenarbeit mit der Universität Bielefeld vergeben und würdigt wissenschaftliche Erfindungen mit hohem Innovations- und Anwendungspotenzial.
© Stefan Sättele
Mit ihrer Forschung eröffnen Prof. Dr. Harald Gröger und Dr. Jianing Yang neue Möglichkeiten für biokatalytische Prozesse bei Temperaturen von 100 Grad Celsius und darüber. Der Ansatz ist zugleich eine Antwort auf den aktuellen Rohstoffwandel in der chemischen Industrie, also die Abkehr von fossilen und besonders ressourcenintensiven Ausgangsstoffen und der damit verbundenen Herausforderung, effizienter, nachhaltiger und mit deutlich weniger Abfall zu produzieren.
Biokatalytische Verfahren gelten dabei als besonders vielversprechend, da sie hochselektiv verlaufen und ressourcenschonende Synthesewege ermöglichen – bislang jedoch durch die geringe Hitzestabilität der Enzyme als Katalysatoren und somit Reaktionsbeschleuniger stark limitiert waren.
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„Professor Gröger und Dr. Yang zeigen eindrucksvoll, wie grundlagenorientierte Forschung und industrielle Anwendbarkeit zusammenfinden können“, betonte Prorektorin für Forschung Professorin Dr. Christiane Fuchs. „Ihre Arbeiten stehen exemplarisch für das Innovationspotenzial unserer Universität: wissenschaftlich exzellent, interdisziplinär gedacht und mit einem klaren Blick auf gesellschaftliche und ökologische Wirkung.“
Interdisziplinäre Pionierarbeit
Zu den Forschungsfeldern von Harald Grögers Arbeitskreis gehört die biokatalytische Synthese, bei denen anspruchsvolle chemische Reaktionen unter Einsatz von Enzymen als Katalysator-Komponente ablaufen. Ziel ist es, Herstellverfahren von Industriechemikalien mit klassisch chemischen Katalysatoren – häufig ressourcenintensiv und mit hohem Lösungsmittelverbrauch verbunden – durch solche mit nachhaltigen Biokatalysatoren zu ersetzen.
Die besondere Stärke des Ansatzes liegt in der Kombination aus hoher Selektivität, reduzierten Abfallströmen und verbesserter Prozessökonomie. Damit zeigt die Forschung von Gröger und Yang exemplarisch, dass ökologische Nachhaltigkeit und industrielle Wirtschaftlichkeit kein Widerspruch sein müssen.
„Am Beginn der Arbeiten stand die grundlegende Forschungsfrage, mit welchen Methoden die Entfaltung von Enzymen selbst bei hohen Temperaturen und unter herausfordernden Reaktionsbedingungen verhindert werden können“, erklärt Dr. Jianing Yang. „Hierbei zeigte sich, dass Enzyme durch maßgeschneiderten Einbau in Käfigverbindungen die gewünschten Eigenschaften aufweisen.“
und trotzdem die Möglichkeit bieten, Chemikalien möglichst preisgünstig und hoch ökonomisch herzustellen. Für die chemische Industrie
ist es ein ganz entscheidender Aspekt, zukünftig auch sehr Abfall-minimiert zu produzieren und mithilfe unserer Technologie ist es möglich, komplett ohne Lösungsmittel Transformationen durchzuführen.
Für die man typischerweise heute Lösungsmittel benötigen würde. Biokatalysatoren sind insofern sehr attraktiv für uns, weil die nachhaltig sind,
die sind hoch selektiv und können unter milden Bedingungen hergestellt werden, die Enzyme. Im Vergleich mit zum Beispiel Metallkatalysatoren, ganz oft sind sie auch umweltschädlich und man benutzt hierbei viel zu viel Lösungsmittel zum Entsorgen und zum Herstellen.
Und solche Probleme haben wir halt nicht im Bereich der Biokatalyse. Und es ist ein schönes Beispiel auch, wie eine verbesserte Ökonomie einhergeht mit einer erhöhten Nachhaltigkeit. Als Reaktionsbeschleuniger, verwenden wir Proteine,
Werkzeuge aus der Natur, die in jeder Zelle in der Lage sind, Reaktionen schneller durchzuführen.
Proteine wiederum haben allerdings grundsätzlich den Nachteil, dass sie relativ schnell deaktivieren, deaktivieren heißt, man kann es vergleichen mit einem Stoffknäuel, Wollknäuel, das sie letztendlich entfalten und damit nicht mehr als Reaktionsbeschleuniger zur Verfügung stehen.
Die Idee unseres Konzepts war, dass wir durch Verkapselung, wenn man so will, durch Einbringen dieses Wollknäuels in einen Käfig eine Entfaltung verhindern
und damit letztendlich auch ermöglichen, Reaktionen bei Temperaturen durchzuführen, bei denen das Wollknäuel das Protein typischerweise dann entfalten würde. Entsprechend sind wir nun in der Lage, bei über 100 Grad
solche Transformation durchzuführen. Diese Technologie, die wir entwickelt haben,
haben wir auch zum Patent angemeldet, mit dem Ziel, diese Technologie auch zu kommerzialisieren und gemeinsam mit Industriepartnern für die Synthese von technischen Produkten dann auch anzuwenden.
Die Anwendungen sind hauptsächlich primär eingesetzt für die Herstellung von Kosmetikesther, und Aromenstoffen.
Und diese Stoffklassen spielen eigentlich eine große Rolle in der Industrie.
Das Marktvolumen ist ebenfalls sehr, sehr hoch. Das liegt heute bereits
2024 bei 3,75 Milliarden € mit einem Wachstumspotenzial von etwa 5 %.
Ein entscheidendes Kriterium für diese Technologieentwicklung war auch die hohe Interdisziplinarität.
Hier treffen sich sozusagen zwei Gebiete, die typischerweise oftmals in der Chemie
sehr getrennt betrachtet werden. Einmal organische Synthese, aber eben auch
in Kombination mit Biotechnologie. Und dies entspricht auch dem Markenzeichen
der Universität Bielefeld, nämlich die interdisziplinäre Durchführung
von Forschung durch Kombination verschiedener Welten von Wissenschaften,
in unserem Fall Biotechnologie, Biologie, organische Synthese
und auch Verfahrenstechnik. Und momentan versuchen die meisten Produzenten,
das chemisch herzustellen. Und wir wollen halt, statt Chemokatalysator Biokatalysator anzuwenden und bei hoher Temperatur, wie gesagt, das durchzuführen. Und das hat in unserem Projekt auch geklappt. In unserem Projekt ist es uns gelungen, ein Konzept zu zeigen, dass wir solche Produkte auch herstellen können mit Enzymen als Reaktionsbeschleuniger bei Temperaturen von 100 Grad oder sogar über 100 Grad.
Und dieses Konzept wollen wir jetzt natürlich auch weitertragen in die technische Anwendung mit dem Ziel, dieses in den nächsten Monaten, in den nächsten
nächster Zeit zu pilotieren und dann letztendlich auch in die technische Anwendung zu transferieren.
Nachhaltigkeit und Wachstumspotenzial
Die Nachfrage nach entsprechenden biokatalytischen Verfahren für die damit zugänglichen industriellen Produktklassen ist hoch, insbesondere bei der Herstellung von Kosmetik-, Duft- und Aromastoffen. Diese Produktklassen werden bislang überwiegend chemisch synthetisiert, weisen jedoch ein erhebliches Potenzial für nachhaltigere Herstellungsprozesse auf.
Das Marktvolumen alleine im Bereich der sogenannten „Ester“-Produkte für die Kosmetikindustrie liegt bereits heute bei rund 3,75 Milliarden US-Dollar und wächst jährlich um etwa fünf Prozent. In dem ausgezeichneten Projekt gelang es, erstmals einen Proof of Concept für enzymatische Hochtemperaturprozesse bei 100 Grad Celsius und darüber direkt in der Schmelze und somit ohne Lösungsmittel zu demonstrieren. Der nächste Schritt ist nun nach weiterer Prozessoptimierung die Pilotierung und der Transfer in industrielle Anwendungen.
„Unser Ziel war es dabei, biokatalytische Verfahren auch dort einsetzbar zu machen, wo sie bislang als unmöglich galten“, ergänzt Professor Dr. Harald Gröger. „Der Inventor Award stellt für uns eine großartige Unterstützung in unserem Bestreben dar, um die Forschung konsequent in Richtung Anwendung weiterzuentwickeln und den Transfer in industrielle Prozesse voranzutreiben.“
© Stefan Sättele
Würdigung innovativer Forschung
Seit 2019 vergeben die Universitätsgesellschaft Bielefeld und die Universität Bielefeld gemeinsam den Jörg Schwarzbich Inventor Award. Ausgezeichnet werden herausragende wissenschaftliche Erfindungen, die neben exzellenter Forschung auch ein hohes Potenzial für praktische Anwendung und gesellschaftliche Wirkung besitzen. Der Preis gehört zu den renommiertesten Ehrungen der Universität Bielefeld und unterstreicht deren Anspruch, wissenschaftliche Innovation aktiv in die Zukunft zu führen.
Biokatalyse bei über 100 Grad
Enzyme sind hocheffiziente Reaktionsbeschleuniger, verlieren jedoch bei hohen Temperaturen normalerweise ihre Struktur und damit ihre Funktion. Ursache ist die Entfaltung der Proteinstruktur, die sich mit einem aufgelösten Wollknäuel vergleichen lässt.
Das von den Gröger und Yang entwickelte Konzept verhindert diese Deaktivierung durch die gezielte Verkapselung der Enzyme. Die Proteine werden dabei in eine schützende Struktur eingebettet, die ihre Entfaltung unterbindet. So bleiben die Biokatalysatoren auch bei Temperaturen von über 100 Grad Celsius aktiv.
Damit lassen sich chemische Transformationen durchführen, die bislang nur mit klassischen chemischen Katalysatoren möglich waren, nun jedoch lösungsmittelfrei, abfallarm und auf Basis nachhaltiger Biokatalysatoren
