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High-Tech Innovationen Das Bio-Wunder - Wie Zeltplanen sich selbst reparieren

Nach Medikamenten und Waschenzymen werden bald auch Textilien, Kosmetika, Plastik oder Baustoffe biotechnisch hergestellt – mit ganz neuen Eigenschaften. Die neuen Produktionsverfahren sind umwelt- und ressourcenschonend.

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Intelligente Stoffe, selbstheilende Outdoor-Bekleidung oder künstliche Spinnenseide - Die Möglichkeiten der Biotechnologie scheinen grenzenlos, und die Forschung hat gerade erst angefangen Quelle: AP

Kein Zelt hält ewig dicht, wenn es wie aus Eimern schüttet. Irgendwann beginnt es, hereinzutropfen – vorzugsweise dort, wo die Zeltbahnen aneinandergenäht wurden. Hier haben die Nadeln Löcher hinterlassen. Aus demselben Grund lässt auch der modernste Multifunktionsanorak irgendwann Wasser durch.

Doch wenn es nach Thorsten Eggert geht, müssen in Zukunft kein Zelturlaub und keine Bergtour mehr wegen durchnässter Schlafsäcke abgebrochen werden. Denn der Chef des Düsseldorfer Biotechnikunternehmens Evocatal ist gerade mit seinen Kollegen dabei, synthetischen Stoffen für Zelte und Outdoor-Bekleidung quasi magische Selbstheilungskräfte zu verleihen. Gelingt, woran die Entwickler arbeiten, werden sich Nahtlöcher in Zukunft nach der Fertigung absolut regendicht verschließen. Und sogar Risse könnten – etwa nach einem Sturz – von selbst verheilen.

Die Idee: Garne, aus denen High-Tech-Textilien gewebt werden, bekommen einen Überzug aus bioaktiven Substanzen. Diese sogenannten Enzyme werden von Eggert & Co. so getrimmt, dass sie Synthetikfasern regelrecht verschweißen. Forschungspartner der Düsseldorfer ist das schottische Unternehmen Coats, der weltgrößte Lieferant von Industrienähgarnen.

Dass Biotechnologen sich mit Outdoor-Klamotten befassen, ist neu. Denn bisher machten biotechnische Herstellungsverfahren vor allem bei Waschmittelenzymen, Futterzusatzstoffen, Biogas, Vitaminen oder Medikamenten Furore.

Weiße Biotechnologie

Aus der Medizin etwa ist die Biotechnik gar nicht mehr wegzudenken. Sie ist beispielsweise Grundlage für Biowirkstoffe, die Krebszellen attackieren und mit chemischen Methoden unmöglich herzustellen sind. Jüngster Beleg des Biotech-Erfolgs: Gerade eroberte das Rheumamedikament Humira mit einem Quartalsumsatz von weltweit 2,4 Milliarden Dollar Platz eins der bestverkauften Medikamente.

Nun soll sich die Erfolgsgeschichte der Mikroben in neuen Branchen wiederholen. Eggerts selbstheilende Textilien sind nur eine Option von vielen. So erobert die sogenannte weiße Biotechnologie ganz neue Produktfelder – von der Hautcreme bis zur Baustelle. Sie dringt dabei in klassische Domänen der Chemieindustrie vor.

„Es geht um eine umfassende Biologisierung industrieller Herstellungsprozesse“, sagt Holger Zinke, Mitgründer des Industrieverbundes Weiße Biotechnologie. Langfristig werden die neuen Verfahren viele chemische ausstechen, davon ist der Chef des gut 100 Mitarbeiter starken Enzymspezialisten Brain im hessischen Zwingenberg überzeugt. Denn Biotechnik verleiht Produkten oft ganz neue Eigenschaften. Und sie ist umweltschonender. Ein Grund: Biologische Prozesse laufen in der Regel ohne giftige Chemikalien ab. Teure Abwasserentsorgungsanlagen entfallen. Auch hohe, energiefressende Temperaturen und Drücke sowie explosive Mischungen, die Mitarbeiter gefährden, sind eher unbekannt. Denn Biotechniker setzen – anders als Chemiker – auf die Hilfe von Mikroorganismen und deren naturgegebenen Werkzeugkasten, die Enzyme. Milliarden kleinster Monteure, die in großen braukesselartigen Bioreaktoren schwimmen, bauen so Moleküle auf oder ab.

Biotech in Beton gegossen

Grüner High-Tech für Stadt und Land
Schlafkapsel von Leap-Factory Quelle: PR
Prototyp eines wärmespeichernden Grills Quelle: PR
Mini-Windkraftwerk von MRT Wind Quelle: PR
Leuchtendes Kindle-Cover Quelle: PR
Selbstversorgende Insel in der Südsee Quelle: PR
Tomaten in einem Gewächshaus Quelle: dpa
Ein Schild mit der Aufschrift "Genfood" steckt in einer aufgeschnittenen Tomate neben einem Maiskolben Quelle: dpa/dpaweb

Sie machen die Industrie schon heute unabhängiger von fossilen und damit endlichen Rohstoffen wie dem Erdöl. Denn Bioprozesse funktionieren von Natur aus besser mit nachwachsenden Rohstoffen.

Weil alle neuen Verfahren zudem auf biologischen Abfallstoffen wie Stroh oder Holzresten aufbauen, statt wie bisherige Biotreibstoffe auf Zucker oder Stärke, wäre auch das Teller-Tank-Problem gelöst. Kritiker wettern – zu Recht – gegen die Nutzung von Nahrungsmitteln zur Treibstoffproduktion. Dadurch werde die Versorgung der Menschheit gefährdet.

Genau diesen Ansatz – weg von fossilen oder essbaren Rohstoffen – verfolgt Evocatal auch mit dem Schweizer Bauchemikalienhersteller Sika. Der weltweit gut 15.300 Mitarbeiter starke Konzern will mit dem 23-köpfigen Team des deutschen Enzymspezialisten die Welt der Baustoffe umwelt- und klimafreundlicher machen. Ganz gleich, ob Hochhaus, Brücke oder Tunnel: Auch auf den Baustellen dieser Welt soll Biotechnik bald ein Thema sein. Schon heute reduzieren Betonverflüssiger den Wasserverbrauch beim Verarbeiten von Beton. Sie sorgen auch dafür, dass der Werkstoff lange fließfähig bleibt und nach dem Abbinden extrem belastbar ist. Wird einfach mehr Wasser untergemischt, bekommt der Beton beim Aushärten große Luftporen und fängt nach ein paar Jahren an zu bröckeln. „Ohne Bauchemie wären moderne Hochhäuser, Staudämme oder Brückenkonstruktionen völlig undenkbar“, sagt Norman Blank, Chefforscher bei Sika.

Ressourcen schonen

Mit Hochleistungsverflüssigern werden schon heute 15 Prozent weniger Wasser gebraucht. Bei einem 240 Meter hohen Wolkenkratzer sind das acht Millionen Liter. Das entspricht dem täglichen Wasserverbrauch von rund 60.000 Menschen in Deutschland. Und da sich mit Regen- oder Brackwasser keine Hochhäuser bauen ließen, fließe bisher überall auf der Welt Trinkwasser in den Beton, sagt Blank. Vor allem in Regionen, die unter Wassermangel leiden, sei das heller Wahnsinn. Doch bisher werden auch die Verflüssiger aus Erdöl hergestellt. Genau das wollen Blank und die Evocatal-Forscher nun ändern. Sie setzen statt auf Öl in Zukunft auf Lignin als Rohstoff. Das ist eine Art biologischer Kleber, der im Holz die Zellulosefasern zusammenhält.

In der Papierherstellung fallen weltweit pro Jahr etwa 50 Millionen Tonnen davon als Abfallstoff an, denn die Substanz dunkelt bei Lichteinfall nach und lässt Papier so vergilben. Doch das Lignin wie bisher nur wegzuwerfen oder zu verfeuern sei „pure Verschwendung“, findet Eggert. Sein Team arbeitet nun an einem Enzymcocktail, der den Kleber in die gewünschten Bauchemikalien umwandelt. Das Ziel der Entwickler ist auf lange Sicht ein Betonverflüssiger, der nicht nur umweltfreundlich aus Abfall-Lignin hergestellt wird, sondern gleichzeitig noch einmal deutlich mehr Wasser spart.

Synthetische Seide

Auch das Münchner Biotechnikunternehmen Amsilk hat die Baustoffindustrie als potenziellen Kunden ausgemacht. Den Forschern gelang es, künstliche Spinnenseide industriell herzustellen. Das Material zeigt Eigenschaften, bei denen menschgemachte Kunst- und Baustoffe nicht mithalten können: Es ist leicht, elastisch wie Gummi und trotzdem fünf Mal stabiler als Stahl. Eine Kombination von Spinnenseide und Beton wäre ideal für Gebäude in Erdbebengebieten, glauben die Amsilk-Entwickler: Er wäre zäh und flexibel zugleich.

Seit 2009 produzieren gentechnisch veränderte Mikroorganismen bei Amsilk ein Imitat des Abseilfadens der europäischen Gartenkreuzspinne. Dem Amsilk-Mitgründer Thomas Scheibel gelang es, die dafür verantwortlichen Spinnengene zu identifizieren und in Produktionsbakterien einzuschleusen. Die wachsen nun in großen Bioreaktoren und stellen Spinnenseide her.

Nie wieder Laufmaschen

Künstliche Spinnenseide könnte die Baubranche revolutionieren - Mit Biotech-Seide versetzte Baustoffe werden stabiler und elastisch zugleich Quelle: dpa/dpaweb

Seit die Produktion läuft, optimieren die Forscher den Spinnprozess des Fadens, damit sich daraus Stoffe weben lassen, die elastisch wie Nylon, zart und glatt wie Seide und dennoch dreimal zug- und stoßfester sein sollen als die Kunstfaser Kevlar. Ideal für schusssichere Westen, feuerfeste Kleidung, medizinische Verbände oder Strumpfhosen, die nie Laufmaschen bekommen; oder eben als Betonzusatz.

Nun sucht Amsilk Partner, um den Spinnenfaden industriell zu verwerten – und steht vor dem Problem vieler Biotech-Unternehmen: Sie haben gewöhnlich keine Kontakte zu Herstellern von Seidenstrümpfen oder Baumaterialien.

Genau aus diesem Grund setzt Bundesforschungsministerin Annette Schavan im Rahmen ihrer Bioökonomie-Initiative jetzt darauf, ungewöhnliche Forschungsallianzen zu knüpfen – auch zwischen Biotechnikfirmen und Garnherstellern, Bauchemiespezialisten oder Energieversorgern. Mehr als 50 Partner haben sich schon zusammengefunden. Das Fördervolumen von 84 Millionen Euro in den kommenden neun Jahren bringen je zur Hälfte das Ministerium und die Industriepartner auf.

Diese Lebensmittel sollten Sie besser Bio kaufen
Saftig, knackig, gesund? Obacht, meint die Umweltorganisation Greenpeace, denn frisches Obst und Gemüse enthält nicht nur viele Vitamine, Ballast- und Mineralstoffe, sondern bringt auch unerwünschte Substanzen auf den Tisch. Das ergab eine aktuelle Auswertung von mehr als 22.000 Proben der deutschen Lebensmittelüberwachung aus den Jahren 2009 und 2010. Die Ergebnisse, in einem Einkaufsratgeber für Obst und Gemüse zusammengefasst, sind nicht immer appetitlich... Quelle: AP
PaprikaAuch wenn momentan darüber diskutiert wird, dass Bio-Lebensmittel nur wenig gesünder als konventionelles Essen sind: Sicher ist, dass sie bei der Belastung mit Pestiziden deutlich besser abschneiden. Die Auswertung von Greenpeace hat ergeben, dass vor allem Paprika aus der Türkei die gesundheitlich bedenklichen Konzentrationen besonders häufig überschreitet. Über 20 Pestizide fanden die Experten in dem Gemüse. Das Online-Magazin „Utopia“ berichtet davon, dass beim Paprikaanbau oft die gefährliche Chemikalie Ethephon verwendet wird, um das Gemüse schneller einzufärben. Im menschlichen Körper soll Ethephon wie ein Nervengift wirken. Quelle: dpa
TafeltraubenAuch Tafeltrauben aus der Türkei enthalten im Schnitt zu viele Pestizide. Darauf weist neben Greenpeace auch das Bundesamt für Verbraucherschutz hin. Nicht selten lassen sich Spuren von zehn Pestiziden in den Trauben nachweisen. Bei Tafeltrauben aus Deutschland sind es im Schnitt weniger als fünf. Quelle: dpa
BirnenUnd auch in Birnen, die aus der Türkei importiert werden, finden sich Substanzen, die den Umweltschützern Sorgenfalten auf die Stirn treiben. In ihrer Analyse konnten die Greenpeace-Experten im Schnitt zehn Pestizide finden. Quelle: ZB
GrünkohlAuch wenn das Wintergemüse Grünkohl nicht jedermanns Sache ist: spätestens wenn man sich die Belastungen mit Pestiziden ansieht, kann einem der Appetit vergehen, denn häufig werden die gesetzlichen Höchstmengen für Pflanzenschutzmittelrückstände überschritten. Quelle: dpa
WeinblätterOb türkisch, griechisch oder orientalisch: Weinblätter bereichern die mediterrane Küche. Allerdings sind auch sie besser mit Vorsicht zu genießen. Darauf weist die Zeitschrift „Ökotest“ hin. Das Fazit ihrer Untersuchung: Häufig lauern in den grünen Blättern so viel chemische Stoffe, dass sie den unbeschwerten Genuss völlig verderben. Die Zeitschrift sprach ein vielen Fällen sogar eine Nicht-Kauf-Empfehlung aus. Wer trotzdem darauf zurückgreifen möchte, sollte es auf jeden Fall Bio kaufen. Quelle: dpa
Kirschen Hohe Rückstände von Pflanzenschutzmitteln tauchen regelmäßig auch in Süß- und Sauerkirschen auf. Von Kirschen aus konventionellem Anbau sollte man lieber die Finger lassen und sie statt dessen aus Nachbars Garten oder vom Biomarkt naschen. Quelle: gms

Kampf gegen die Pfunde

Nicht nur auf dem Bau, beim Zelten oder Strumpfhosenkauf sollen Menschen in Zukunft mit Biotechnik in Berührung kommen. Sie soll sich in allen produzierenden Branchen breitmachen.

So hat etwa Brain-Chef Zinke mit seinen Partnern nun Tiefkühltheken und Fast-Food-Läden ins Visier genommen. Denn in der westlichen Welt sind laut jüngsten Erhebungen bis zu zwei Drittel aller Menschen übergewichtig. Diesem Trend haben die Bioforscher den Kampf angesagt.

Künftig sollen unter anderem bioaktive Wirkstoffe dafür sorgen, dass Fast Food und Fertiggerichte viel weniger Zucker und Salz enthalten. Hier sollen Mikroorganismen ganz neue Substanzen liefern, die das Geschmacksempfinden intensivieren. Dann wird ein Stück Kuchen süß oder eine Pizzaecke würzig schmecken, obwohl kaum noch Zucker oder Salz darin enthalten ist.

Einen Fundus aus rund 20.000 Mikroben hat Brain weltweit eingesammelt – aus der Tiefsee, aus heißen Geysiren oder dem Wald- und Ackerboden rund um Zwingenberg. Dieser Schatz aus Bakterien, Hefen, Pilzen und Algen schlummert tiefgekühlt im Keller des Unternehmens. Ein paar heiße Kandidaten, die die gesuchten biotechnischen Geschmacksverstärker herstellen, haben die Hessen darin schon entdeckt.

In den Mikroben-Sammlungen finden sich aber noch ganz andere Helferlein: etwa solche, die wertvolle Kohlenstoffverbindungen aus Abwässern fischen können.

Goldgrube Abwasser

Die Geschichte der Genetik
Bereits Wissenschaftler der Antike interessierten sich für Fragen der Vererbung. Etwa 500 vor Christus erklärte der griechische Philosoph Anaxagoras, dass der Embryo im männlichen Spermium bereits vorgeformt sei. Dass nur der Mann Erbanlagen besitze, behauptete auch Aristoteles etwa 100 Jahre später. Ähnliche Vorstellungen hielten sich noch bis in die Neuzeit hinein, da es an Instrumenten und Technik fehlte, um tiefer in die Forschung eintauchen zu können. Quelle: Gemeinfrei
Den Grundstein zur sogenannten modernen Vererbungslehre legte Gregor Johann Mendel. Der Augustinermönch schrieb 1865 die sogenannten Mendelschen Regeln nieder. Sie erfassen bis heute die Prinzipien für die Vererbung körperlicher Merkmale. In seiner Forschung experimentierte Mendel mit Erbsen, und zwar mit sieben unterschiedlichen Merkmalen reinrassiger Erbsenlinien, und fasste die Ergebnisse seiner Kreuzungsversuche zu drei Grundregeln zusammen. Quelle: Gemeinfrei
1869 wurden in Fischspermien erstmals Nukleinsäuren, die Bausteine der DNA (Desoxyribonukleinsäure), entdeckt. Den Zusammenhang zur Struktur der Erbsubstanz konnten Wissenschaftler bis dahin jedoch nicht herstellen. Erst 19 Jahre später entdeckte Wilhelm von Waldeyer (im Bild) die Chromosomen in menschlichen Zellen. Quelle: Gemeinfrei
1890 wies dann der deutsche Biologe Theodor Boveri nach, dass die Chromosomen Träger der Erbinformation sind.  Quelle: Gemeinfrei
William Bateson war es, der 1906 den Begriff "Genetik" für die Vererbungsgesetze einführte. Quelle: Gemeinfrei
Bereits 1903 vermutete der amerikanische Biologe Walter S. Sutton, dass paarweise auftretende Chromosomen Träger des Erbmaterials sind. Dieser Ansatz wurde ab 1907 von Thomas Morgan an der Drosophila melanogaster (eine Taufliegenart) verfolgt und ausgebaut. Morgan gelang es, Gene als Träger der geschlechtsgebundenen Erbanlagen an bestimmten Stellen der Taufliegen-Chromosomen zu lokalisieren. Für diese Leistung erhielt er 1933 den Nobelpreis für Medizin. Quelle: dpa
James Watson (im Bild) entdeckte gemeinsam mit seinem Kollegen Francis Crick 1953 die Doppelhelixstruktur der DNA. Sie stellten fest, dass das DNA-Molekül ein dreidimensionaler, spiralförmiger Doppelstrang ist, in dessen Innenraum sich die vier Basen immer paarweise zusammenschließen. Das Besondere an dieser Struktur sei, so die beiden Forscher, dass sie sich selbst kopieren könne. Damit hatten Watson und Crick auch den Mechanismus der Vererbung erklärt. Dafür erhielten auch sie den Nobelpreis. Quelle: dpa

Bisher werden diese Abfallströme nur sehr ineffizient genutzt: Biogas ist derzeit das einzige Produkt, das aus der schmutzigen Brühe erzeugt wird. Prozesstechnisch ist das Unsinn. Denn um Gas zu gewinnen, müssen die oft sehr großen biochemischen Verbindungen zuerst bis auf ihre kleinstmöglichen Molekül-Bausteine gespalten werden. Das sei reine Energieverschwendung, sagen die Forscher

Sie wollen nun die wertvollen, großen Bausteine biotechnisch aus der Abwässern angeln, statt sie zu zerstören. So sucht der Energiekonzern RWE Power aus Essen mit Brain und Europas größtem Abwasserentsorger, dem Emschergenossenschaft-Lippeverband, nach Mikroben, die genau das können.

Aus den so gewonnenen Rohstoffen lassen sich nach Ansicht von Markus Doll, dem Leiter der Forschungs- und Entwicklungsplanung bei RWE Power, beispielsweise Schmierstoffe und High-Tech-Öle herstellen. Aber auch Flugzeugenteisungsmittel oder Rohstoffe wie die Bernsteinsäure für die Biokunststoffherstellung ließen sich künftig gut vermarkten, so Doll.

Biotech in der Kosmetikbranche

Was Verbraucher und Verbraucherinnen schon heute testen können, sind neuartige Kosmetikwirkstoffe, die dank der Arbeit Brain’scher Mikroben entstanden sind. Die Biotech-Produkte sollen Hautalterung und Faltenbildung aufhalten, verspricht Brain-Chef Zinke. Um die Wirkstoffe zu vermarkten, hat er im Frühjahr die Mehrheit am heute deutschen Kosmetikunternehmen Monteil gekauft. Den Glanz der einst erfolgreichen Marke will er nun mithilfe der Biotechnik wieder aufpeppen.

In Arbeit
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Und dieses Geschäft will er hier, in Deutschland, machen. Einen Vermarktungs-GAU, wie ihn der Chemiekonzern BASF beim Rheumamittel Humira erlebt hat, will er in jedem Fall vermeiden. Tatsächlich hatte BASF den heutigen Umsatzschlager einst entwickelt. Doch statt das Geschäft selbst zu machen, stießen die Konzernchefs in Ludwigshafen die ungeliebte Pharmasparte im Jahr 2001 komplett ab und verkauften sie – samt Humira-Patent – für läppische 6,9 Milliarden Dollar an den US-Konzern Abbott Laboratories. Der wird in diesem Jahr mit Humira voraussichtlich über zehn Milliarden Dollar umsetzene.

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