Dansk Bioteknologis historie – de første 75 år

John Villadsen, Institut for Kemiteknik og BioCentrum-DTU, jv@biocentrum.dtu.dk

Katastrofen i 1864, hvor vi i den ulykkelige krig mod Preussen og Østrig mistede over 30 % af Danmarks areal – og tilmed af det Danmark, der var bedst rustet til at føre landet ind i Industrialiseringens tidsalder, er vel et af de hårdeste slag, der er rettet mod vort land. At man nu diskuterer om Danmark overhovedet havde et valg i 1863¹, eller om man skulle have affundet sig med, at Kongeriget sammen med Slesvig politisk ville blive en del af et ”nyt” Tyskland ændrer ikke på, at landet i mange år efter krigen var plaget af ”sårfeberen fra 1864”².

Genrejsningen skyldtes nogle få, fremsynede mænd, repræsenteret af Enrico Mylius Dalgas (1828-94), der i 1866 var initiativtageren til stiftelsen af ”Det danske Hedeselskab”, i spidsen for ”en kreds af vore ledende mænd, der med lykkelig hånd fandt de rette midler til at vække den store befolknings interesse (for hedens opdyrkning)”, og af Carl Frederik Tietgen (1829-1901). Denne sidste støbte under mottoet ”Fremsynethed, Dygtighed og Initiativ” fundamentet for Danmarks erhvervsudvikling med De danske Sukkerfabrikker, De danske Spritfabrikker, dampskibsselskabet DFDS og Privatbanken som bølgebrydere for en hurtig udvikling af dansk landbrug.

Men bag de ”store mænd” stod naturligvis en skare af danske borgere, nemlig de husmænd og gårdejere, der efter sammenbruddet af den danske korneksport i 1870´erne gennem Andelsbevægelsen skabte grundlaget for den danske mejeriindustri. Og når skummetmælken leveredes tilbage til bønderne gav det grundlag for større svinehold og opdræt af kvæg på stald. Heraf voksede andelsslagterierne frem, og disse blev i sin tur sammen med bryggerierne leverandører til den første danske bioindustri.

Fra affald til industrielle enzymer

Ost laves som bekendt ved at man tilsætter ”osteløbe” til mælk ved en passende temperatur. Kalvemaver tørres og lagres i vand eller valle. Et udtræk herfra kaldes osteløbe. Sådan blev osteløbe fremstillet fra Oldtiden og indtil anden halvdel af 19nde århundrede, og selvsagt fik man ved denne helt ukontrollerede proces meget svingende kvalitet af osteløben og dermed af osten. I 1871 udgav svejtseren Rudolph Schatzmann³ et skrift, hvori han samlede datidens erfaring om hvor vigtig videnskabelig kvalitetskontrol var for osteproduktionens resultat. Et eksemplar foræredes til professor Julius Thomsen på kemisk laboratorium, KU. Der blev Thomsens unge assistent, cand pharm Christian D.A. Hansen, der var i færd med at skrive guldmedalje-afhandling om Pepsin, et med osteløbens enzym Chymosin beslægtet protein, voldsomt optaget af tanken om en ”på videnskabeligt grundlag” baseret osteløbe produktion. Kort efter (i 1873) begyndte han produktion af en ”ved laboratoriekontrol ensartet og holdbar osteløbe” i Frederiksberg Brøndanstalt (på Allégade, lige bag ”Lorry”), hvor han var blevet driftsbestyrer. Allerede her, ved den første danske bioproduktion, ser man kombinationen af en entreprenør, der for lånte penge (ca 6000 kr) og med en vis støtte fra universiteterne (fra Julius Thomsen, KU/Polyteknisk Læreanstalt, og Docent i Mejerilære ved KVL, Thorvald Segelcke) turde starte i en ”lånt” krog af sin egentlige arbejdsplads.

Chr. Hansen Laboratorium på Vesterfælledvej i København 1875. Her fremstillede man en osteløbe, der snart blev berømt.

Men Hansens kvalitetssikrede flydende osteløbe vandt hurtigt frem, og allerede i 1875 var produktionen steget så meget, at den blev flyttet til en efter forholdene betydeligt større fabrik (på Vesterfælledvej, som nabo til Carlsberg). Figur 1 viser fabrikken og dens tidlige medarbejdere (inklusive to heste). Der er et vist spring mellem fabrikken ved indvielsen i 1875 og Chr. Hansen A/S nuværende hovedkontor i Hørsholm⁴. 

Siden gik det stærkt. Allerede i 1876 var der repræsentation af Chr. Hansen i Svejts, Sverige og Frankrig, og i 1879 begyndte fabrikation af osteløbepulver hos Chr. Hansen Laboratories  på ”Hansen Island” i staten New York. I dag produceres og sælges firmaets produkter over hele verden, og osteløbe er kun et af virksomhedens mange produkter.

Hvad der her er fortalt om den store danske iværksætter Christian Ditlev Hansen (1843-1916) og hans udnyttelse af et affaldsprodukt fra kødproduktionen kan med få variationer genfortælles om stifterne af Novo Terapeutisk Laboratorium, brødrene Harald (1878-1966) og Thorvald (1887-1961) Pedersen. Nu er det bugspytkirtlen fra svin der er råmaterialet, og den videnskabsmand, der i 1923 hjalp lægen H.C. Hagedorn og apoteker August Kongsted (stifteren af Løvens kemiske Fabrik) i gang med Nordisk Insulinlaboratorium var nobelpristageren i medicin fra 1920, fysiologen August Krogh. Harald arbejdede som assistent hos Krogh, og fra 1923 som maskinmester hos Hagedorn, hvor den yngre bror, Thorvald, analyserede de kemiske processer i insulinproduktionen. 

Her er virkelig en historie om betydningen af ”gemytternes uoverensstemmelse”: Thorvald blev fyret, Harald gik derpå i vrede, og sammen dannede de i 1925 Novo Terapeutisk Laboratorium, der i konkurrence med Nordisk Insulinlaboratorium (senere Nordisk Gentofte) producerede insulin indtil 1989, hvor de to virksomheder fusionerede til Novo Nordisk, en førende insulinproducent til de efterhånden mere end 150 millioner sukkersygepatienter.

Insulinhistorien har nogle perspektiver, der nok er værd at omtale for unge under uddannelse til kemikere og bioteknologer: August Krogh var ikke blot på en forlystelsestur i Nordamerika efter nobelprisceremonien. Han holdt øjnene åbne, og han bragte ny viden hjem til Danmark, faktisk lige fra laboratoriet. Best og Banting (ved University of Toronto) havde netop i foråret 1922 opdaget det sekret fra bugspytkirtlen, der kaldtes insulin. Det lyder som et eventyr i 2005, hvor universitetets elitestyrker, juristerne, straks havde bundet forskerne på ”hånd og mund”, at Krogh gratis fik lov til at formidle opstart en insulinproduktion i Danmark, formentlig før det skete noget andet sted.

Det er igen værd at notere, at en verdenskendt dansk bioteknologisk virksomhed kunne gro op fra så små kår som Novo. Brødrene Pedersen måtte ligesom Chr. Hansen starte yderst beskedent, med Haralds pension fra marinen og med et lån fra deres søster, kvindesagskvinden, skoleinspektør Thora Pedersen. Figur 2 viser firmaets første ”domicil”, på Fuglebakkevej (Frederiksberg). Først i 1932 kunne virksomheden flytte til et ombygget mejeri på Fuglebakken (nu Ndr. Fasanvej), hvor en del produktion og forsøg stadig pågår.

Og så gik det fremad med enzymerne!

Villa Rolighed på Fuglebakkevej, Novo´s første domicil. Faktisk lå virksomheden i villaens kælder. Den bedste del af huset, stueetagen, blev lejet ud, mens Harald  Pedersen med kone og 6 børn boede på første sal.

De proteiner, der startede dansk Bioindustri, Chymosin til osteløbe og Insulin, blev udvundet af råvaren, kalvemaver og bugspytkirtler, ved anvendelse af processer, der i dag kendes som ”Enhedsoperationer”, et kernefag i kemiingeniøruddannelsen: Ekstraktion, Filtrering, Flokulering og Tørring. Under Besættelsen udviklede man således hos Novo, under anvendelse af en kompliceret separationsproces, en fabrikation af proteasen Trypsin som biprodukt ved insulinproduktionen fra bugspytkirtler.

Efterhånden begyndte man at fremstille enzymer ved fermentering. Det startede på Grindstedværket, hvor man fremstillede svampeenzymer, og på Kongens Bryghus, hvor en bakteriel amylase blev produceret. I begge tilfælde benyttedes overfladedyrkning, hvor mikroorganismerne sidder på en fast, befugtet fase, og i begge tilfælde var der betydelige produktionsvanskeligheder, fordi dyrkning på fast fase er vanskelig at kontrollere.

I dag fremstilles enzymer (proteiner) ved ”submers” fermentering med temmelig veldefinerede kulstof - og kvælstofkilder. Ved submers fermentering forstås en proces, hvor kulturen holdes opslemmet og ofte beluftet i en velomrørt tank. Proces- og produktkvalitetskontrol er uomgængelige krav, og beregning af processernes forløb og optimering er en hjørnesten i uddannelsen af bio/kemiingeniører. Først omkring 1950 blev en storskala dansk gæringsindustri til fremstilling af industrielle enzymer etableret, og Novo var alt væsentligt den dominerende aktør.

Da man først tog fat hos Novo gik det stærkt. En række industrielle enzymer blev udviklet i 1950erne ved submers fermentering, den i dag langt hyppigst anvendte produktionsmåde. Thermozym®, Aquazym®, Alcalase® og senere Termamyl® hører til blandt Novo´s produkter til detergenter og til stivelseshydrolyse i årene fra 1960 til 1970. Termamyl® var for tiden et sensationelt produkt. Det kunne, som annoncen, figur 3, med stolthed påpeger, anvendes ved 110^oC, hvilket gav en hurtig hydrolyse af stivelse med kun ét enzym.

Novo´s superenzym til højtemperatur forklistring af stivelse (1972), der sammen med Fungamyl® og Sweetzyme® gav Novo en dominerende stilling på markedet for fremstilling af sukker fra for eksempel majsstivelse.

Som Knud Aunstrup⁵ levende beretter var Novo´s hurtige fremgang på enzymmarkedet baseret på ”nogle få glade amatørers” entusiastiske indsats. Det var kemiingeniører, der ikke var belastet med nutidens ”Metabolsk Flux Analyse” og ”Systems Biology”, men vel med en god kemiingeniørs intuition og polytekniske viden. At det ikke ville gå i dag er klart. Nu kræves der også en dyb indsigt i mange af den moderne biologis discipliner for at kunne bidrage med nye produkter. Hos Novozymes, der i 2000 blev udskilt fra Novo Nordisk, sker udviklingen af en ny enzymproces  endda i løbet af ganske få måneder, hvilket konkurrencen med udenlandske virksomheder kræver.

Bryggere og videnskabsmænd

Naturligvis må en beretning om Dansk Bioteknologi´s historie fremhæve bryggeriernes indsats, som produktionsvirksomheder og som uddannelsesinstitutioner for generationer af danske bioteknologer.

Emil Christian Hansen (1842-1909) arbejdede (for det meste) forbilledligt godt med ”the old man”, J.C.Jacobsen som ikke alene var en meget dygtig brygger, men også var vidt belæst og brændende ønskede at hans ølbrygning skulle baseres på videnskabelige metoder - ganske den samme tanke, der besjælede Chr. Hansen. Emil Christian Hansen blev i 1879 den første professor i fysiologi på det i 1876 af J.C.Jacobsen skabte Carlsberg Laboratorium, hvor i øvrigt kemikeren Johan Kjeldahl (1849-1900) allerede fra 1876 var blevet leder (”professor”) for kemiafdelingen.

Emil Christian Hansen kendes naturligvis bedst som manden der i praksis viste, at det var infektion med ”ikke Saccharomyces” gærstammer, der forårsagede, at så mange ølbryg mislykkedes, og at ulykkerne ikke (i hvert fald ikke i et velfungerende bryggeri), som Louis Pasteur hævdede, skyldtes infektion med (forrådnelses)bakterier. Da først Carlsbergs renkultur af Saccharomyces blev brugt til produktion fra 1883, overtraf resultaterne de vildeste forhåbninger med hensyn til stabil produktkvalitet.

Emil Christian Hansens betydning for udvikling af dansk akademisk forskning og af niveauet i den danske bioindustri skyldes i særlig grad, at han påtog sig at undervise de første generationer af biologer og biokemikere på Carlsberg Laboratoriet. 

Danmark hædrer to store bioteknologer (1947 og 1976)7(bemærk i øvrigt prisstigningen for et frimærke til indenrigs post, en faktor 5 fra 1947 til 1976. Samme faktor gælder for de næste 29 år)

I hundrede-års mindeskriftet for oprettelsen af Carlsberg Laboratoriet⁶ beskrives, hvorledes laboratoriet i bedste forstand fungerede som et universitet for danske og for udenlandske forskere. Den fornemme liste af Emil Christian Hansen´s efterfølgere som professorer ved Carlsberg Laboratoriet bevidner, hvilken betydning virksomheden  gennem sin uafhængige forskningsinstitution har haft for Dansk Bioindustri.

Bioindustriens apparater: Ingeniørernes store betydning

Det er tidligere nævnt, at både Chr.Hansen og de første generationer af Novo-medarbejdere grundlæggende set var meget begavede proces- og produktingeniører.

Den dybere forståelse af bio-processerne kom først senere.

Men det må i dag imponere, at håndværkeren Harald Pedersen allerede i 1926 kunne få patent på ”Novosprøjten”, der i dag er udviklet til NovoPen®.

I en helt anden branche, nemlig bagegærproduktion havde de ”tidlige” danske bioteknologer betydelig succes. Når bagegær fremstilles ved aerob fermentering i batch omdannes en betydelig del af sukkeret til ethanol. Først når sukkeret er forbrugt optages den dannede ethanol langsomt og bruges som substrat til dannelse af mere bagegær. Dette fører til kulstof-spild, lange produktionstider og dårlig kvalitet af produktet.

I 1917 opfandt produktionsdirektøren hos Dansk Gæringsindustri, cand polyt Søren Sak, den såkaldte ”tilløbsmetode”, hvor, efter en vis batchperiode, højkoncentreret sukkeropløsning (eller melasse) tilsættes på en sådan måde, at sukkerkoncentrationen holdes konstant og meget lav. Efterhånden stiger medievoluminet i tanken, og når det er vokset til 3-4 gange det oprindelige volumen høstes tanken, det vil sige at mediet tappes af og bagegæren separeres fra på en centrifuge. Når sukkerkoncentrationen hele tiden holdes under ca 200 mg L^-1 dannes der overhovedet ikke ethanol, og både udbytte og produktivitet forbedres stærkt.

Harald Pedersens patent (1926) på insulin-injektionssprøjte.

Det er dejligt at læse i patentbeskrivelsen⁸, hvor godt Søren Sak forstod metodens kvalitet. I dag forbavses vore udenlandske kolleger, når de hører at ”fed-batch” drift af en fermentering blev opfundet i Danmark – måske skulle vi have beholdt de oprindelige betegnelser ”Den danske Metode” eller ”Tilløbsmetoden” i stedet for (som altid) at ligge under for det angel-saksiske ”ny-dansk”. For produktion af mange vaskemiddelenzymer hos Novozymes og for produktion af penicillin er ”tilløbsmetoden” helt nødvendig: For eksempel vil Aspergillus oryzae ikke drømme om at producere -amylase, hvis svampen oplever en glucosekoncentration på over ca. 20 mg L^.-1 i mediet. I en batchfermentering fås udelukkende værdiløs biomasse, men intet enzym.

Man kan i dag sagtens læse om ”fed-batch operation” i lærebøger⁹, men i 1920 var det et teknologisk gennembrud at kunne gennemføre processen i stor skala, og så kunne den manglende kvantitative indsigt (”matematiseringen” af problemet) godt vente et par generationer.

Det var i landbrugets følgeindustrier, at man opfandt og nyttiggjorde de mange maskiner, der karakteriserer Dansk Bioindustris modningsperiode fra slutningen af det 19nde århundrede og indtil 1950. Den første kontinuerte centrifuge (til brug i mejeriet) blev opfundet af landbrugskandidaten L.C.Nielsen i 1877, og væksten af dansk sukkerproduktion blev ledsaget af udvikling af en række apparater, der i dag regnes for ”standard” udstyr i den kemiske industri og i levnedsmiddelindustrien: Flerlegemeinddampere, Tynd-film Inddampere og apparater til velkontrolleret udkrystallisation af sukker.

Det måske mest opsigtsvækkende apparatur udviklet af De danske Sukkerfabrikker er den kontinuerte sukkerekstraktør, figur 6, der patenteredes i 1950.

Princippet i sukkerekstraktøren er umådeligt simpelt, nemlig en modstrømsekstraktion, hvor snitterne mades ind til dobbeltsneglen der hvor saften forlader apparatet. Enhver kemiingeniørstuderende kender princippet fra faget ”Enhedsoperationer”. Sin enkelthed til trods var ekstraktøren (eller ”diffusøren” som apparatet også kaldes med henvisning til den faststof diffusionsproces, der er kernen i ekstraktionen) helt revolutionerende. I patentets levetid blev der af DDS og af virksomhedens licenstagere opført mere end 400 apparater, og ved Brüniche-Olsens afgang som direktør for DDS-gruppen i 1986 foregik omtrent 1/3 af verdens sukkerproduktion ved hjælp af DDS-ekstraktøren¹¹.

En anden, meget betydelig dansk entreprenør og opfinder var civilingeniør Johan E. Nyrup, der i 1933 stiftede firmaet Niro Atomizer, hvor man producerede forstøvningstørringsanlæg baseret på Nyrups i 1933 patenterede roterende dyse. I dag er mere end 7500 Niro anlæg installeret og virksomheden har, nu som datterselskab af det tyske GEA, afdelinger i UK, USA, Mexico og Brasilien (hvor man i midten af 1960erne spillede en væsentlig rolle ved fremstillingen af baby-food (forstøvningstørring af bananer) og ved etablering af en storskala proces til fremstilling af pulverkaffe).

I 1948 stiftedes firmaet Anhydro, hovedsagelig af ”udbrydere” fra Niro, og også Anhydro har opfundet og markedsført en række anvendelser af  fryse- og forstøvningstørring. De to virksomheder er helt dominerende på verdensmarkedet, og mange af de utallige former for ”instant” fødevarer, der sælges i supermarkedet er produceret på anlæg bygget af disse to (oprindeligt) danske virksomheder.

Afslutning: Om betydningen af samarbejdet Universitet – Industri.

Der er i det foregående tegnet et billede af Dansk Bioindustri, hvis vækst hovedsagligt er sket takket være dristige menneskers virkelyst, men som hen ad vejen blev støttet af den viden, der produceredes på danske universiteter, først og fremmest på DTU og på KVL.

Mejerister fra KVL og ingeniører fra DTU var universiteternes fornemste bidrag til det smukke resultat på Bioteknologiens område, i et land hvor den tunge kemiske industri aldrig rigtig blev etableret. De to danske universiteter har haft en evne til at kombinere praktisk viden og grundvidenskab, en kombination der kun findes på ganske få af de mange afdelinger for ”Bio-Science”, der efterhånden er oprettet ved udenlandske universiteter.

Dette samarbejde mellem universitet og industri fortsætter i dag og bliver stadig intensiveret. Sigurd Orla Jensen (1870-1949), udannet cand polyt og professor ved DTU fra 1906 til 1941, var ikke alene en fremragende fysiolog, men også en forsker, der bragte sin store viden om mælkesyrebakterier ud i samfundet. Den samme trang til at ”virkeliggøre” forskningsresultaterne har besjælet mange senere universitetslærere ved DTU og KVL. Vi skal fra universiteterne bringe de nyeste grundforskningsresultater ud til virksomhederne i et gensidigt befrugtende samarbejde, hvor de studerende nyder at arbejde med ”rigtige” problemer og industrien (somme tider med en for universitetsforskeren følbar træghed) videreudvikler resultaterne i form af nyt apparatur og nye processer. Den forskning universiteterne i dag kan levere er naturligvis ofte af en ganske anden karakter end den, der var interessant for 80 år siden. I dag er ”engineering” af det metabolske netværk i en mikroorganisme for at forøge udbyttet af et lægemiddel bestemt også ingeniørvidenskab, men vi skal, især på ingeniøruddannelserne, være omhyggelige med også at bevare vor polytekniske dannelse, selvfølgelig baseret på den kvantitative indsigt, der karakteriserer Bioteknologer i sammenligning med traditionelle biokemikere og biologer. Herved bevares tilliden i samarbejdet, også - og måske især - med de mange små og fremvoksende virksomheder, som kan blive morgendagens Novo og Chr. Hansen.

Referencer

1. C. Bjørn og C. Due-Nielsen ” Fra Helstat til Nationalstat”, bind 3 af Dansk Udenrigspolitisk Historie (2003). De tyske krav til Danmark var i 1863 af en art, hvor man med rette kunne frygte, at hele landet - og ikke blot Hertugdømmerne - reelt blev en del af det fremstormende Tyskland.

2. Herman Bang ”Stuk”. Kommenteret udgave ved Det danske Sprog-og Littteraturselskab (1987). Især slutningen af del to ”En Regn af Aske”, hvor også Tietgens person tegnes skarpt.

3. R. Schatzmann ”Über Zubereitung und Verwendung des Labs bei der Käsefabrikation”, Aarau (1871). Ganske morsomt udgiver samme forfatter i 1878 et nyt skrift ”Verwendung der Hansen´schem Labextrakt”, hvori der berettes om, at samtlige 23 priser i en konkurrence udskrevet at ”Schweizerisches alpwirtschaftlicher Verein” er tilfaldet Chr.Hansen.

4.  Johannes Hansen (søn af Chr.Hansen) ”Chr.Hansen´s Laboratorium 1874-1949”, København (1949). Mindeskrift for grundlæggeren, dennes familie og de første 75 år af firmaets virke. Herfra er figur 1 hentet.

5.  K. Aunstrup ”Vejen til Novozymes” (2001). Udgivet af Novozymes A/S. Fra denne bog er figurerne 2, 3 og 5 hentet.

6.  H.Holter og K.Max Møller ”The Carlsberg Laboratory 1876-1976”. Rhodos (1976).

7. J.C Jacobsen (i anledning af bryggeriets 100 års jubilæum) og Emil Christian Hansen (Carlsberg Laboratoriets 100 års jubilæum). Læg mærke til at Jacob Christian Jacobsen bliver til I.C Jacobsen – den i tale hyppigst brugte forkortelse. Post Danmark takkes for fotografier af frimærkerne.

8. ”Improvements in the Manufacture of Yeast” GB patent 153667 udstedt 11/11 1920 til ”We, Aktieselskabet Dansk Gaeringsindustri, Manufacturers of Yeast, and Soren Sak, Director, both of Snaregade 12, Copenhagen, Denmark…”. Det danske patent “Fremgangsmåde til Fremstilling af Gær, navnlig Luftgær”, Dansk patent Nr. 28507, bliver først udstedt 14/9 1921.

9. J. Nielsen, J.Villadsen og G.Lidén ”Bioreaction Engineering Principles”.

 Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2nd. edition (2003)

10. H. Brüniche-Olsen ”Solid-Liquid Extraction”, Doktorafhandling DTU (1962).

11. J.Cortzen “Kemi og Købmandsskab” Børsens Forlag (1997).