Warum Bio-Engineering Vorteile für die Nachhaltigkeit bietet

Besserer Umweltschutz und optimierte Produkte: Bio-Engineering könnte in den kommenden Jahren maßgebliche Impulse für mehr Nachhaltigkeit setzen – aber nur, wenn einige Hürden überwunden werden. 

Nahezu alle Industrie-Unternehmen befassen sich mit Bio-Engineering. Ein zentrales Motiv für das Interesse von Unternehmen an Biotechnologie ist die Nachhaltigkeit. So erwarten über 70 % der Unternehmen, ihre Nachhaltigkeitsziele mithilfe von Biosolutions deutlich schneller erreichen zu können, wie aus der Studie "Engineering biology: The time is now" des Capgemini Research Institute zur Bioökonomie hervorgeht. Weitere Motive seien Kostensenkung, Produktoptimierung und – insbesondere in Deutschland – eine höhere Sicherheit von Produkt- und Produktionsprozessen. 

Bio-Engineering bzw. Engineering Biology (auch bekannt als Synthetische Biologie) macht sich Prinzipien aus Biologie und Ingenieurswesen in Verbindung mit künstlicher Intelligenz (KI) und datengesteuerten Computing-Technologien zunutze, um neue oder neu gestaltete biologische Systeme zu erstellen. Generative KI soll die Präzision, Geschwindigkeit und Kosteneffizienz im Bio-Engineering künftig steigern. Produkte, Materialien oder Prozesse, bei denen Bio-Engineering zum Einsatz kommt, werden als Biosolutions bezeichnet. Biotechnologie ermögliche Innovationen, die "sich in allen Industriezweigen – von Energie und Versorgungsunternehmen bis hin zur Automobilindustrie, dem Gesundheitswesen und der Landwirtschaft [finden]", so Felizitas Graeber, Managing Director von Capgemini Invent in Deutschland. 

Disruption durch Bio-Engineering

Laut der Studie erwarten die befragten Führungskräfte nahezu geschlossen (99 % international, 100 % der deutschen), dass von Bio-Engineering umfassende Veränderungen für ihre Branche ausgehen werden – in den nächsten zwei bis zehn Jahren oder darüber hinaus. In Deutschland rechne mehr als jeder zweite (58 %) bereits für die nächsten zwei bis fünf Jahre damit.

Die meisten Organisationen in der Industrie (96 % international, 99 % der deutschen) würden bereits an Biosolutions arbeiten: So befänden sich 40 % in der Explorationsphase; 56 % führten Forschungs- und Pilotprojekte durch oder setzten Biosolutions im kommerziellen Maßstab ein. Die Mehrheit der Organisationen plane Investitionserhöhungen für Biotechnologie.

Anwendungen im Automotive-Sektor

In der Automobilbranche haben sich der Studie zufolge unter anderem folgende Anwendungsfelder für Bio-Engineering etabliert:

• Biobasierte Materialien wie Biokunststoffe und Lederalternativen für die Innenausstattung (Sitze und Bodenbeläge): Beispielsweise arbeitet Toyota mit dem japanischen Biotechnologie-Start-up Spiber zusammen. Der Autohersteller verwendet die biotechnologisch hergestellten Fasern von Spiber, die durch mikrobielle Fermentation hergestellt werden, für die Innenausstattung eines Konzeptmodells des Land Cruiser Prado. Und Continental hat mit Benova Eco Protect ein veganes Oberflächenmaterial  für automobile Innenräume entwickelt. Wie der verstärkte Einsatz von Biokunststoffen als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen erdölbasierten Polymeren in Fahrzeugen aussehen kann, erklärt Dieter Beste im Artikel Biokunststoffe auf dem Vormarsch aus der ATZ 1-2024.
• Biobasierte Farben und Beschichtungen: Das kalifornische Biotech-Start-up Lygos entwickelt Mikroben zur Herstellung von Malonsäure, von der eine Variante (Malonat) in der Automobilindustrie Anwendung findet. Das herkömmliche Verfahren zum Härten oder Aushärten von Farben und Beschichtungen erfordere Temperaturen von bis zu 450° C, während Malonat eine Lackierung bei niedrigen Temperaturen ermögliche. Das Verfahren von Lygos soll die nachhaltige Herstellung von Malonsäure ermöglichen, für die sonst giftige Chemikalien benötigt werden, die Umwelt- und Gesundheitsrisiken bergen.
• Biobasierte Alternativen für Batteriematerialien und Batterierecycling: Beispielsweise erforschen Wissenschaftler an der Universität Edinburgh den Einsatz gentechnisch veränderter Bakterien zur Gewinnung wertvoller Metalle wie Kobalt, Mangan, Nickel und Lithium aus gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen.
• Biokraftstoffe: Das US-amerikanische National Renewable Energy Laboratory (NREL), LanzaTech, die Northwestern University und die Yale University arbeiten gemeinsam an einem vom US-Energieministerium finanzierten Projekt zur Herstellung nachhaltigerer Biokraftstoffe durch Bio-Engineering. Ziel sei es, kohlenstoffverzehrende Bakterien mithilfe von Genomtechnik und maschinellem Lernen zu entwickeln, um Kohlenstoffemissionen in industriellem Maßstab in Biokraftstoffe umzuwandeln. Wie Kraftstoffe mithilfe phototropher Mikroorganismen, wie Bakterien und Mikroalgen, hergestellt werden können, beschreibt Springer-Autor Olaf Kruse im Kapitel Synthetische Biologie und Biotreibstoffe des Buchs Synthetische Biologie.

Zu hohe Kosten und Mangel an qualifizierten Fachkräften

Hinsichtlich der Herausforderungen bei der skalierten Einführung von Biosolutions nannten sowohl Studienteilnehmer von etablierten Unternehmen als auch von Biotechnologie-Start-ups als einige der größten Hürden: hohe Kosten und der Mangel an geeigneter Groß-Infrastruktur wie Bioreaktoren sowie fehlende Fachkräfte. Sie wiesen zudem auf die Komplexität von Umgestaltungen der Lieferketten hin sowie auf mögliche Änderungen in der Regulatorik zur Entwicklung und zum Einsatz von Biosolutions. Fast zwei Drittel (65 %) der Bio-Engineering-Start-ups seien der Ansicht, dass verbreitete Unkenntnis biologischer Sachverhalte ihre Möglichkeiten zur Skalierung von Biosolutions einschränke; sie unterstrichen den Bedarf nach mehr Expertise in der Thematik.

Als Schlüsselfaktoren zur Kostensenkung, Optimierung von Bioprozessen, Verkürzung der Markteinführungszeit für Biosolutions und zur Minderung von ökologischen sowie gesellschaftlichen Risiken würden die Befragten digitale und Engineering-Technologien sehen. KI stuften sie als die Technologie mit dem größten Transformationspotenzial ein. Auch Robotik für die Prozessautomatisierung und digitale Zwillinge von Bioreaktoren, die Produktionsergebnisse prognostizieren, seien als wichtige Maßnahmen zur Kostensenkung und zügigeren Skalierung genannt worden.