Weiße Biotechnologie: Hohes Wachstumspotential in Deutschland

Die „Weiße Biotechnologie“ ist in Deutschland auf Wachstumskurs. Bis 2015 rechnet die Deutsche Bank Research mit einer Umsatzzunahme von 10% jährlich auf etwa 110 Mio.€. Die Veränderungsrate liegt damit deutlich über der für die gesamte Chemieindustrie, die mit +3 % jährlich beziffert wird. Das größte Anwendungspotential liege bei der Feinchemie. In diesem Segment, zu dem die Deutsche Bank Research z. B. Farbstoffe und Vitamine zählt, solle mittelfristig etwa die Hälfte des Umsatzes auf biotechnologische Prozesse entfallen, während die Chancen bei Massenprodukten wie Lösungsmitteln, die weltweit in Größenordnungen von mehr als 10.000 t/a produziert werden, deutlich geringer seien. Im Folgenden wird dieses Papier von Dr. Uwe Perlitz leicht gekürzt wieder gegeben.

Die Weiße Biotechnologie besitzt erhebliche Vorteile gegenüber den traditionellen chemischen Verfahren. Sie kann erdölabhängige chemische Prozesse ersetzen, Chancen für die Entwicklung neuer Erzeugnisse eröffnen oder die Kosten bei zahlreichen Produktionsprozessen vermindern. Dagegen sind die Nachteile relativ gering. Eine große Hürde war lange Zeit der Engpass an Enzymen, die als Katalysatoren chemische Reaktionen beschleunigen; dieses Hindernis kann man mittlerweile als überwunden betrachten. Heute bremsen hauptsächlich die hohen Stillstands- und Umstellungskosten einen noch stärkeren Einsatz von weißer Biotech in der Industrie, da sie eine erhebliche Veränderung des Produktionsprozesses mit sich bringen. Des Weiteren ist die weiße Biotechnologie wenig öffentlicher Kritik ausgesetzt. Da sich die Sparte vor allem auf ressourcenschonende, energiesparende und abfallvermeidende industrielle Produktionsprozesse konzentriert, ist sie weniger politischen und anderen öffentlichen Diskussionen ausgesetzt als z. B. die rote (Pharma) oder gar die grüne (Landwirtschaft) Biotech.

Besonders gute Anwendungschancen bestehen für die Weiße Biotechnologie bzw. den Einsatz von Enzymen bei der Herstellung von Biokunststoffen, Waschmitteln, Vitaminen oder branchenorientiert gesehen in der Nahrungsund Genussmittelindustrie, der Kosmetikindustrie, der Zellstoff- und Papierindustrie sowie der Textil- und Lederindustrie.

Die Bedeutung der weißen Biotechnologie

Die weiße Biotechnologie hat in Deutschland längst das Stadium von Laborversuchen verlassen und befindet sich auf Expansionskurs. Die Wachstumsrate des Umsatzes liegt signifikant über der für die Chemieindustrie. Maßgeblich dafür waren vor allem steigende Erdölpreise, denn die weiße Biotechnologie bietet die Möglichkeit, traditionelle (erdölabhängige) chemische Prozesse durch Mikroorganismen in „Zellfabriken“ zu substituieren. Etwa drei Viertel aller Chemikalien werden aus nur fünf erdölabhängigen Grundstoffen produziert. Seit 1998 hat sich der nominale Erdölpreis fast verfünffacht und auch in Zukunft dürfte er nicht mehr auf das niedrige Niveau von Ende der 90er Jahre zurückfallen. Durch den Einsatz der weißen Biotech in der Chemie und in anderen Industriezweigen, wie der Papierund Textilindustrie, können sowohl die Herstellungskosten für einzelne Produkte deutlich gesenkt als auch die Umwelt geschont werden; dies verleiht dieser Biotechnologiesparte ein positives Image.

Dank der ressourcenschonenden, energiesparenden und abfallvermeidenden Fertigung ist die „dritte Säule“ der Biotechnologie somit auch weniger politischen und öffentlichen Diskussionen ausgesetzt als die sog. grüne Biotechnologie mit der agrarischen Nutzung gentechnisch veränderter Pflanzen. Der überwiegende Teil der Biotech-Firmen ist im Pharmabereich (rote Biotech) tätig und befasst sich mit der Entwicklung biopharmazeutischer Therapeutika (Arzneimittelwirkstoffe) Diagnostika. Auch hier lassen sich nicht alle Möglichkeiten nutzen, weil ethische Gesichtspunkte eine große Bedeutung für die Gesetzgebung haben. Die ethisch motivierte Diskussion wirkte sich bisher aber kaum negativ auf die Umsatzentwicklung der roten Biotechnologie aus.

Die rote Biotech ist in Deutschland mit einem Umsatzanteil von knapp 90 % der dominierende Bereich der gesamten Biotechnologie, gefolgt von der grünen (6 %) und weißen Biotech (5 %). „Weiß“ steht dabei für das längerfristige Ziel der Sparte, im Produktionsprozess keine Schadstoffe entstehen zu lassen. Die Betriebe, die Mikroorganismen für die industrielle Verwendung züchten, sind gut mit der Großindustrie vernetzt. 2005 ist die Zahl aller Biotech-Firmen leicht auf 375 gesunken, weil es vermehrt zu Fusionen und Übernahmen gekommen ist, die durch Neugründungen nicht ganz ausgeglichen werden konnten. Damit setzte sich in der Branche der Konsolidierungsprozess fort, der zur Bildung von schlagkräftigeren Unternehmen führte. Der Umsatz der Biotech-Unternehmen stieg im letzten Jahr leicht auf 832 Mio. € (+1 %); damit ist er gemessen am Absatz der chemischen Industrie noch sehr gering (153 Mrd. €).

Deutschland vor USA und Japan

In der weißen Biotechnologie ist Deutschland zwar führend, doch behindert die Heterogenität des Marktes eine noch bessere Entwicklung. Gründe dafür sind die hohen Kosten für Forschung und Entwicklung (F&E), die bei einer Vielzahl von Produkten bei jeweils kleinem Marktvolumen anfallen. Betroffen sind vor allem kleine und mittelständische Unternehmen, die ihre Chancen aufgrund dieser hohen Kosten nicht voll nutzen können. Die USA holen in der weißen Biotech dank ihrer massiven Förderpolitik merklich auf, um ihre Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu minimieren. Im Zuge des Biobased Research and Development Act (2000) erhielten die Unternehmen fünf Jahre lang Geldmittel für ihre F&E-Aktivitäten und über den Farm Bill (2002) werden Subventionen über einen Zeitraum von sechs Jahren gewährt. Auch Japan hat die strategische Bedeutung der weißen Biotechnologie erkannt und will in den kommenden Jahren viele traditionelle chemische Verfahren durch biotechnologische ersetzen.

In Deutschland wird die weiße Biotechnologie seit 1994 durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefördert. Dabei handelt es sich um Kooperationsvorhaben zwischen Industrie und Hochschulen. Seit 2002 besteht das Innovationscentrum Biokatalyse, das sich mit der Optimierung umweltfreundlicher biotechnologischer Produktionsverfahren befasst oder ganz neue Prozesse und Produkte auf biotechnologischer Grundlage entwickelt.

Seit Ende 2006 gibt es eine neue groß angelegte Initiative, die weiße Biotechnologie zu fördern. Für den Wettbewerb „BioIndustrie 2021“ sind Anträge bis 2007 einzureichen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung stellt für den Aufbau von strategischen Clustern insgesamt 60 Mio. € zur Verfügung. Zudem sollen weitere Investitionen von Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft mobilisiert werden. Ziel des Wettbewerbes ist es, Biowissenschaften, Chemie, Physik, Informatik sowie Ingenieurswissenschaften frühzeitig und effizient in Projektteams zusammenzuführen. Im Rahmen der Förderinitiative sollen diese sich selbst organisierenden Cluster untereinander in einen Wettbewerb treten, um den Standort Deutschland in der weißen Biotechnologie zu stärken (z. B. Berlin, München).

Vorteile von Bioprozessen

Die weiße Biotech weist gegenüber traditionellen chemischen Verfahren eine Reihe von Vorteilen auf, die ihren Einsatz lukrativ erscheinen lässt. Die chemische Industrie ist ein ressourcen- und energieintensiver Wirtschaftszweig, der im Zuge eines schärfer werdenden internationalen Wettbewerbs alle Möglichkeiten ausschöpfen muss, um seine Kosten zu verringern. Das Kostenargument ist die entscheidende Triebfeder für einen Wechsel zu biotechnologischen Produktionsverfahren, auch wenn die deutsche Chemie weltweit mit die energieeffizientesten Anlagen betreibt. Bei chemischen Elektrolyse- Prozessen machen z. B. die Stromkosten etwa die Hälfte der gesamten Herstellungskosten aus, und beim Kunststoff Polyurethan ist es immerhin noch ein Zehntel. Zudem sind die Produkte aus einer biotechnologischen Herstellung meist reiner, so dass eine aufwändige Aufbereitung und Reinigung entfällt. Bereits heute können die meisten Industriechemikalien mit biotechnologischen Verfahren hergestellt werden. Ferner lassen sich die Umweltbelastungen, die durch die industrielle Anwendung chemischer Verfahren entstehen, erheblich reduzieren.

Nicht nur auf weiße Biotech spezialisierte Unternehmen, sondern auch große deutsche Industriekonzerne forcieren gegenwärtig ihre Anstrengungen in der weißen Biotechnologie. So will die BASF im Zeitraum von 2006 bis 2008 in diesem Segment etwa 150 Mio. € für Forschung und Entwicklung zur Verfügung stellen. Die Degussa investiert in den kommenden Jahren 50 Mio. € in ihr Zentrum für weiße Biotechnologie in Nordrhein-Westfalen, in dem etwa 60 Wissenschaftler arbeiten.

Vorteile für spezielle Produkte

Das Potential der weißen Biotechnologie führt sowohl zur Substitution traditioneller chemischer Produktionsverfahren als auch zur Herstellung von neuen Produkten. Eine wichtige Rolle spielen Enzyme, die als Katalysatoren chemische Reaktionen beschleunigen. Sie spielen sowohl als einzelne Produkte (z. B. Waschmittelenzyme) als auch in Prozessen als Biokatalysatoren eine wichtige Rolle. Die Forschung kennt heute etwa 3.000 Enzyme, von denen bis jetzt aber nur 150 kommerziell genutzt werden. Bei der Erforschung bietet sich eine Kooperation von Biotech- Firmen mit traditionellen Chemieunternehmen an.

Ein großes Hindernis für den Einsatz von Enzymen in industriellen Produktionsprozessen war lange Zeit ihre nicht ausreichende Verfügbarkeit. Mittlerweile wurden aber durch neue Verfahren der Molekularbiologie unter Verwendung von Computersimulationen Möglichkeiten entwickelt, um die Enzyme den gewünschten Reaktionen anzupassen und den Engpass zu beseitigen.

• Biokunststoffe z. B. als Verpackungsmittel in der Lebensmittelindustrie
• Waschmittel: Große Hersteller versuchen derzeit, durch den Einsatz von neuen Enzymen die optimale Waschtemperatur für Normalwäsche auf 30°C zu reduzieren.
• Vitamine: Ein Beispiel für die Substitution einer mehrstufigen chemischen Produktion durch einen einstufigen biotechnologischen Prozess ist die Herstellung des Vitamins B2. Durch die Umstellung konnten die Produktionskosten des Vitamins B2 um zwei Fünftel und die CO2-Emissionen um knapp ein Drittel gesenkt werden.

Vorteile für einzelne Industrien

Im industriellen Bereich gibt es bereits zahlreiche Anwendungsbeispiele, z. B. in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie: Enzyme als Nahrungsmittelzusatzstoffe für Functional-Food-Produkte um z. B. Osteoporose vorzubeugen oder den Cholesterinspiegel zu senken. Zudem steigt die Bedeutung von Enzymen bei der Produktion von Konservierungs-, Farb- und Aromastoffen.

Kosmetikindustrie: Erst seit einigen Jahren lassen sich Ceramide – sie schützen die Haut vor dem Austrocknen – auf biotechnologischem Wege herstellen.

Zellstoff- und Papierindustrie: Sie ist durch die expandierende Nachfrage nach unweltfreundlichen Produkten der am schnellsten wachsende Markt für Enzyme. Für den Industriezweig wurden in den vergangenen Jahren biotechnologische Verfahren entwickelt, die eine umweltschonendere und kostengünstigere Produktion ermöglichen. Die Zellstoffgewinnung aus Holz ist sehr energieintensiv; neue Produktionsverfahren können die Energiekosten um bis zu einem Drittel senken. Dies führt zu einem Nachfrageanstieg nach entsprechenden Enzymen um schätzungsweise 25 % pro Jahr.

Textil- und Lederindustrie: In der Textilindustrie bzw. der Baumwollverarbeitung kann durch den Einsatz von Enzymen bei der Reinigung der Fasern etwa ein Fünftel der Kosten gespart werden. Bei der Verarbeitung von Tierhäuten zu Leder kann durch den Einsatz von Enzymen der hohe Wasser- und Energieverbrauch drastisch gesenkt werden.

Nachteile von Bioprozessen?

Biotechnologische Verfahren sind inzwischen in einer Reihe von Sparten von essenzieller Bedeutung. Die hohen Stillstandskosten bei der Umstellung auf neue Prozesse bremsen eine noch stärkere Substitution von traditionellen Verfahren. Grundsätzliche Vorbehalte bestehen kaum, da die Enzyme in geschlossenen Fermentern kultiviert werden und nur unter ganz speziellen Bedingungen lebensfähig sind. Es wäre jedoch ein Fehler, deshalb die Weiterentwicklung herkömmlicher chemischer Verfahren zu vernachlässigen: In jedem Fall sollte geprüft werden, welches Verfahren hinsichtlich Kosten, Energieverbrauch, Ressourcenschonung und Emissionen das bessere ist.

Künftige Entwicklung

Die Umstellung industrieller Prozesse auf biotechnologische Verfahren sowie die Entwicklung neuer Produkte stehen erst am Anfang, dürften jedoch in den kommenden Jahren deutlich an Dynamik gewinnen. Zunehmend knappere fossile Rohstoffe, die damit verbundene Kostenexplosion sowie die politischen Vorgaben zur CO2-Emissionsreduktion sind Treiber für einen verstärkten Einsatz der weißen Biotechnologie in der Industrie. Auf der UN-Konferenz in Rio de Janeiro haben sich schon 1992 knapp 180 Staaten zum Leitbild der Nachhaltigen Entwicklung bekannt und mit der Agenda 21 wurde ein globales Aktionsprogramm formuliert, das u.a. eine ökologisch verträgliche Entwicklung zum Ziel hat. Der Bedeutung der Biotechnologie für eine nachhaltige und umweltverträgliche Entwicklung wurde in einem eigenständigen Kapitel Rechnung getragen.

In den vergangenen Jahren ist eine Reihe von Produktionsverfahren der chemischen Industrie ins Kreuzfeuer geraten. Die Unternehmen haben infolgedessen höhere Umweltauflagen hinnehmen müssen. Prinzipiell dürfte etwa die Hälfte der 100 wichtigsten Chemikalien biotechnologisch herstellbar sein. Erdöl ist heute der wichtigste Chemierohstoff: Sowohl die Grundsstoffindustrie als auch die Kunststoffchemie sind davon abhängig. Die Endlichkeit der weltweiten Erdölreserven ist jedoch absehbar. Die z.T. instabile politische Lage in wichtigen Förderländern und die zunehmend schwierigere Erschließung neuer Quellen begünstigen Initiativen zur Substitution.

Prognose bis 2015

Für die weiße Biotechnologie rechnet die Deutsche Bank Research wie eingangs beschrieben bis 2015 mit einem hohen Umsatzwachstum in Deutschland von 10 % jährlich auf etwa 110 Mio. €. Fortschritte in der biotechnologischen Forschung ermöglichen zunehmend, bestehende chemische Produktionsprozesse durch biotechnologische Verfahren zu ersetzen bzw. neue Produkte (z. B. im Segment der Feinchemikalien und Kunststoffe) zu erzeugen, die mit traditionellen chemischen Verfahren nicht herstellbar sind. Die weitere Entwicklung wird aber maßgeblich davon abhängen, wie schnell sich Forschungsergebnisse in Produkte oder Produktionsverfahren umsetzen oder integrieren lassen. Das größte Potential für eine biotechnologische Fertigung liegt in der Feinchemie. Darunter werden Substanzen verstanden, die weltweit in Tonnagen von weniger als 10.000 t/a benötigt werden. In diesem Segment soll mittelfristig etwa die Hälfte des Umsatzes auf biotechnologische Prozesse entfallen.Vor allem in der Lebensmittel-, Kosmetikund Textilindustrie bieten sich hier zahlreiche Möglichkeiten.

Demgegenüber sind die Chancen bei „Bulkprodukten“ und Polymeren deutlich geringer. Dabei handelt sich in der Regel um Erzeugnisse, von denen jährlich mehr als 10.000 t produziert werden. In den kommenden Jahren dürfte in diesem Bereich etwa ein Zehntel aller Erzeugnisse mit biotechnologischen Verfahren hergestellt werden – also deutlich weniger als im Segment Feinchemikalien.

Noch stärker als die weiße dürfte allerdings die rote Biotech zulegen (gut 12% jährlich), weil die gesellschaftliche Akzeptanz von Biopharmazeutika sehr hoch ist. Zudem sind Fortschritte bei der Bekämpfung chronischer Krankheiten zu erwarten, die derzeit nur unzureichend therapierbar sind. Demgegenüber bleibt das Wachstum der grünen Biotech deutlich darunter (5 % jährlich). Die überwiegende Mehrheit der Deutschen lehnt bislang die Verwendung gentechnisch veränderter Organismen in der Landwirtschaft und in Lebensmitteln ab. Insgesamt dürfte der Umsatz der Biotechnologie von derzeit 0,9 Mrd. € bis 2015 auf 2,5 Mrd. € (knapp 12 % jährlich) steigen. Trotzdem bleibt der Anteil an der Chemieindustrie sehr gering.

Hohe Erwartungen in den USA

Die Möglichkeiten der weißen Biotechnologie wecken sehr hochgesteckte Erwartungen. In den USA wird z. B. schon über die komplette Umstrukturierung der Chemieindustrie von der Petrochemie zu einer Chemie auf Basis der Biotechnologie diskutiert. Sogar petrochemische Raffinerien sollten durch Bioraffinerien abgelöst werden. Für die chemische Industrie wäre das nicht der erste Wechsel ihres Basisrohstoffs – eine ähnliche Umstellung gab es schon von Kohle auf Öl Mitte des letzten Jahrhunderts. Allerdings wird in Europa die vollständige Substitution von traditionellen durch biotechnologische Verfahren eher skeptisch gesehen. Heute ist zwar schon vieles im Labor möglich, doch hinkt die Umsetzung in industrielle Prozesse und Produkte noch weit hinterher. Auch wenn noch nicht alle Anwendungsmöglichkeiten der weißen Biotechnologie ausgeschöpft sind, wird sie nicht alle traditionellen chemischen Verfahren ersetzen können