„Wir verbinden die Digitalisierung mit der Biotechnologie“

Wie weit ist die Umsetzung solcher Konzepte?

Bei der Bioökonomie findet die industrielle Umsetzung erst in kleinem Maßstab statt – obwohl sie im politischen Umfeld und in der Förderlandschaft seit Anfang der 2000er-Jahre in größerem Maß diskutiert wird. Die Organisationen und Unternehmen, die sich auf diesem Feld tummeln, stammen primär aus dem Umfeld der Biotechnologie. Leider hat es die Bioökonomie noch nicht geschafft, in klassischen Branchen wie der Automobilindustrie, dem Maschinen- und Anlagenbau eine große Transformation anzustoßen.

Woran liegt das?

Das hat wohl historische Gründe. Weil sich die Bioökonomie zuerst vor allem mit der Substitution der Rohstoffbasis befasst hat, mit Anbau und Verwertung biogener Ressourcen, galt sie als ein Thema für Landwirtschaft und Umwelttechnologie. Und so ist sie bis heute in politischen Institutionen aufgehängt. In der Industrie hat das meiner Ansicht nach viel zum Ruf der Bioökonomie als reines Nachhaltigkeitsthema beigetragen. So wurde ihr Potenzial nicht erkannt.

Ist das bei der Biointelligenz anders?

Wir sind davon überzeugt, dass wir den Zugang zur Industrie mit der Biointelligenz deutlich besser schaffen werden, da wir sie als einen Folgeschritt nach Industrie 4.0 betrachten. Wir haben bereits sehr gute Resonanz auf das Konzept erhalten. Da hat sich schon einiges entwickelt. In Baden-Württemberg etwa wurde eine Biointelligenz-Roadmap für das Land erarbeitet. Der Verband des Deutschen Maschinen- und Anlagenbaus VDMA hat eigens eine Studie zur Biologisierung der Branche initiiert – mit vielversprechenden Ergebnissen. Fast alle großen Beratungshäuser haben den Trend erkannt und eigene, verwandte Studien veröffentlicht. Das Interesse ist groß. Viele Maschinenbauunternehmen sehen enorme Möglichkeiten für Entwicklung und Einsatz biointelligenter Systeme. Die Firma Festo hat kürzlich den Prototyp eines solchen Systems vorgestellt: die „PhotoBionicCell“. Konferenzen und Workshops, die wir zum Thema organisieren, sind meist gut besucht. Daher bin ich überzeugt: Da wird sich etwas tun.

Wo liegt der Nutzen der Biointelligenz?

Der Nutzen ist zuerst, dass man mit biogenen Rohstoffen fossile Rohstoffe ersetzt. Außerdem dienen biologische Prozesse dazu, neue Materialien herzustellen, Kreisläufe zu schließen und etwa biogenen Wasserstoff herzustellen – oder biogenes CO2, das die Basis für Produktionsverfahren in der chemischen oder der Lebensmittelindustrie sein kann. Mit Biointelligenz kann man Branchengrenzen überwinden und nachhaltiger wirtschaften. Und Unternehmen sind teils nicht mehr auf lange, komplexe Lieferketten angewiesen, die große Umweltprobleme bringen.

Können Sie das an einem Beispiel erläutern?

Es wird gerade viel über die Notwendigkeit geredet, eine Wasserstoffwirtschaft aufzubauen – mit Wasserstoff als Energieträger etwa für Energieversorgung und Verkehr. Damit ließe sich Erdgas ersetzen, was bei der Wärmeerzeugung schon gut möglich ist. In der Stromerzeugung gibt es zum Beispiel in Stuttgart-Münster ein Projekt, bei dem eine Turbine in einem Gaskraftwerk nachgerüstet wird, um auch Wasserstoff zu verarbeiten. Auch in der Grundstoffindustrie lässt sich etwa über Dampfreformierung Erdgas durch Wasserstoff ersetzen. Doch das bringt nur dann mehr Nachhaltigkeit, wenn der Wasserstoff „grün“ ist. Damit ist die Zusammensetzung des Stromerzeugungsmixes entscheidend. Wir bei Fraunhofer arbeiten daran, Bio-Wasserstoff ohne elektrischen Strom herzustellen. Das gelingt, indem wir Rest- und Abfallstoffe verwerten, um mit biotechnologischen Verfahren – etwa über Biogasanlagen oder die sogenannte Dunkelphotosynthese – Bio-Wasserstoff erzeugen. Das dabei auch entstehende biogene CO2 lässt sich gut verwenden, weil es sehr rein ist.

Welches Potenzial hat diese Technologie?

Dazu haben wir mehrere Studien erstellt. Sie belegen unter anderem, dass wir mit der Umrüstung eines Achtels der bestehenden Biogasanlagen in Baden-Württemberg den gesamten derzeitigen Bedarf an Wasserstoff decken könnten. Der ist zwar noch nicht groß. Doch die Ergebnisse zeigen das Potenzial. Wir sprechen von Biogasanlagen, die über die EEG-Umlage gefördert wurden. Diese Förderung läuft bald aus. Deshalb werden die Anlagen in absehbarer Zeit nicht mehr rentabel sein – und die Betreiber müssen ohnehin neue Einnahmequellen erschließen.

Wo lässt sich Biointelligenz noch einsetzen?

Bei einem anderen Ansatz bauen wir ebenfalls auf die Verwertung von Rest- und Abfallstoffen. Dabei versuchen wir, Chitin und Lignin zu verarbeiten, um mithilfe von Enzymen biologisch abbaubare Produkte herzustellen. Die Enzyme dienen hier dazu, Materialien mit neuen Funktionen auszustatten oder zu vernetzen, etwa für eine Verwendung in der additiven Fertigung, dem sogenannten 3D-Druck. Das ist ein gutes Beispiel für eine Kreislaufwirtschaft.

Inwiefern?

Der Proteinbedarf der Menschheit wächst. Und eine Möglichkeit, ihn zu decken, bieten Insekten. Wenn Sie sich vor Augen halten, dass die Menge an Chitin – dem Stoff in der Panzerung der Insekten – bei einer wachsenden Produktion dieser Tiere immens wachsen wird, sehen Sie das Problem: Die Insektenpanzer werden zum Abfall. Sie sind zwar biologisch abbaubar, doch das braucht viel Zeit. Wenn wir davon große Mengen gewinnen, stapelt sich das Chitin künftig wie heute der Elektroschrott. Deshalb muss es eine Verwertung geben. Über seine Verarbeitung mit enzymatischer Prozesstechnologie können wir etwa Produkte für die Medizintechnik herstellen. Das ist vorteilhaft, weil auf Chitin basierende Materialien antibakteriell wirken. Außerdem versuchen wir, aus Chitin und Lignin PLA-Ersatzprodukte herzustellen.

Was hat es damit auf sich?

PLA steht als Abkürzung für Polymilchsäure. Sie gilt als bioabbaubarer Rohstoff, aber das stimmt so praktisch nicht. Denn um PLA-basierte Produkte zu recyceln, müssen Sie bestimmte Bedingungen etwa für Temperatur und Druck erfüllen, die sich aber bei den meisten Anlagen nicht erfüllen lassen – oder nur unter großem Energieaufwand. Was wir anstreben, sind Produkte, in die Enzyme eingebaut sind und die man am Ende ihrer Nutzungszeit einfach in eine Nährstofflösung legt – in der sie sich dann auflösen. Oder sie lösen sich beim Kompostieren auf.

Sie machen natürliche Materialien und Prozesse für die Technik nutzbar. Wie gehen Sie da vor?

Ein Standardvorgehen für unsere Projekte gibt es nicht. Doch es existieren bestimmte grundlegende Ansätze. Wenn wir zum Beispiel ein Bionik-Projekt machen, kann es sein, dass wir mehr oder weniger durch Zufall auf ein nützliches biologisches Phänomen stoßen und es dann abstrahieren. Wir versuchen, es auf ein technisches Problem zu übertragen und entwickeln dann – in der Regel zusammen mit einem Industriepartner – technische Lösungen, die dem biologischen Vorbild möglichst nahekommen. Oder es gibt ein konkretes technisches Problem – und wir suchen gezielt nach vergleichbaren Mustern in der Natur, etwa in Datenbanken oder der Literatur. Dazu müssen wir zunächst einmal das technische Problem abstrahieren. Finden wir dafür eine biologische Lösung, versuchen wir, sie zu kopieren. Wenn wir hingegen ein Biointelligenz-Projekt machen, gehen wir anders vor.

Wie ist da das Vorgehen?

Hier schauen wir zuerst: Über welche biogenen Rohstoffe verfügen wir? Welche sind interessant? Welcher biointelligente Prozess hat das Potenzial, einen klassischen zu ersetzen? Dann wird der Prozess im Labormaßstab aufgebaut. Parallel untersuchen wir, ob er automatisierbar ist und wie sich zum Beispiel biologische Signale abgreifen und in klassische Ansätze von Industrie 4.0 übertragen lassen. So entstehen beispielsweise Schnittstellen, Datenmodelle und digitale Zwillinge. Eine Automatisierung ist wichtig, um biointelligente Systeme aus dem Labormaßstab in die Industrie zu übertragen.

Wie wirtschaftlich sind biointelligente Systeme?

Im Großen und Ganzen konkurrieren wir mit Technologien, die in der Wirtschaft schon existieren. Doch im Detail gibt es Unterschiede: So wird die biogene Wasserstoff-Erzeugung mit Biogasanlagen zeitnah wirtschaftlich sein, weil die EEG-Umlage künftig wegfällt. Ähnlich ist es bei bioelektronischen Nasen. Sie enthalten genetisch veränderte Nervenzellen, die Rezeptoren ausbilden, an Geruchsstoffe andocken können. Je nach Geruchsstoff entwickeln die Zellen ein charakteristisches Fluoreszenzlichtprofil, das über bildgebende Verfahren ausgewertet wird. Bevor man die Zellen auf den Sensor packt, muss getestet werden, wie sie auf Geruchsstoffe reagieren. Dafür gibt es Screening-Einheiten. Das Fraunhofer IPA hat eine solche Einheit entwickelt, die 300-mal so schnell ist wie alle anderen auf dem Markt. Beim Einsatz von Enzymen oder Pilzen in der additiven Fertigung dagegen sind wir noch am Anfang und zu weit weg von einer Anwendung, um ihre Wirtschaftlichkeit beurteilen zu können. In der Forschung fokussieren wir uns zunächst auf Machbarkeit und Nachhaltigkeit.

Was können biologische Konzepte für eine Kreislaufwirtschaft bewirken?

Aus technologischer Sicht ist der Ersatz fossiler durch biogene Rohstoffe eine der wirkungsvollsten Stellschrauben, die wir haben, um unser Produktionssystem und die hergestellten Produkte nachhaltiger zu gestalten. Das kann zum Beispiel einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Was die Transformation des Wirtschaftens als solche angeht, ist die Sache aber deutlich komplexer. Eine nachhaltige Transformation der Wirtschaftsweise ist mehr als die Eindämmung der Klimakrise und bedeutet, dass es auch eine gesellschaftliche Veränderung geben muss. Die richtigen Anreize und Regularien dafür müssen von der Politik kommen. Nur dann werden Unternehmen verfügbare Technologien auch einsetzen.

Also steht vor allem die Politik in der Pflicht?

Ich will den Schwarzen Peter nicht allein der Politik zuschieben. Dort geschieht schon das ein oder andere Positive – etwa mit dem Green Deal auf europäischer Ebene und mit etlichen weiteren Initiativen. Beispiele sind das deutsche Lieferkettengesetz oder das Kreislaufwirtschaftspaket der Europäischen Kommission, das klare Vorschriften für die Rechte von Konsumenten beinhaltet – unter anderem einen Anspruch auf die Reparierbarkeit von Produkten. Das sind erste Schritte in die richtige Richtung. Diese Regularien helfen auch der Biointelligenz. Auf der anderen Seite ist der EU-Binnenraum sehr restriktiv etwa bei sogenannten Genom-Editierungsverfahren. Um konkurrenzfähig zu bleiben, müssen hier insbesondere für die Forschung genug Freiräume geschaffen werden. In jedem Fall muss die Förderung biointelligenter Systeme ausgebaut werden, damit wir nicht wieder technologisch ins Hintertreffen geraten, wie es zuletzt in vielen Bereichen der Fall war.

Was sind aus Forschungssicht die größten Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind?

Da kommt es stark auf konkrete Beispiele an. Allgemein müssen wir untersuchen, welche Prozesse und Ressourcen bevorzugt ersetzt werden müssen. Großes Potenzial für die Forschung besteht zudem in der Skalierung, Digitalisierung und Automatisierung dieser Prozesse – ein Aspekt, der bislang kaum im Fokus der Bioökonomie gestanden hat.

Gibt es auch Konflikte bei der Umsetzung von Biointelligenz?

Ja, die gibt es natürlich. Das klassische Beispiel ist die Flächenkonkurrenz. Wenn wir etwa Ackerfläche nutzen, um biogene Rohstoffe zu erzeugen, dürfen die nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelherstellung stehen. Das muss man sicherstellen. Dann gibt es beispielsweise Schwierigkeiten im Hinblick auf mögliche Verluste an Biodiversität: Je mehr Monokulturen angebaut werden, weil man spezifische Pflanzen braucht, zum Beispiel für die Kraftstoffproduktion, desto stärker ist die Biodiversität bedroht. Bei biointelligenten Lösungen denken wir daher grundsätzlich in Richtung sogenannter Multikultur-Systeme, die auch nachweislich produktiver wirtschaften. Als weiteres Hemmnis kommt hinzu: Wenn wir versuchen, Künstliche Intelligenz mit Biotechnologie zu verbinden, haben wir zwei Technologien, die gesellschaftlich mit Vorbehalten belegt sind. Da ist es wichtig, Aufklärungsarbeit zu leisten, damit das Potenzial erkannt wird und die Technologien nicht einfach undifferenziert abgelehnt werden.

Können Sie ein Beispiel nennen, wie Künstliche Intelligenz und Biotechnologie ineinandergreifen?

Gerne. In einem unserer Projekte geht es darum, die Ergebnisse von biotechnologischen Laborversuchen vorherzusagen. Das gelingt mithilfe Künstlicher Intelligenz. Und wir denken darüber nach, in Bioreaktoren, die nur bei bestimmten Parametern brauchbare Produkte liefern, durch Künstliche Intelligenz stets die optimalen Wachstumsbedingungen sicherzustellen. Die KI übernimmt dann die Steuerung, etwa bei Nährstoffzugaben, und regelt sofort nach, wenn Bakterien Anzeichen von Schädigungen zeigen oder absterben. Wenn das gelingen würde, wäre es ein enormer Fortschritt in der Biotechnologie.

Was tun Sie bei Fraunhofer, um das Thema weiter voranzubringen?

Wir haben in Stuttgart einen Verein mit dem Namen Kompetenzzentrum Biointelligenz aufgebaut. Sein Kernziel ist die Vernetzung von Unternehmen und Forschungseinrichtungen, um Ideen zu generieren und die Transformation in eine biointelligente Wirtschaftsweise zu beflügeln. Wir sind in drei Arbeitsbereichen organisiert. Es gibt ein Forschungsnetzwerk, einen Industriearbeitskreis und einen Arbeitskreis zum Thema Bildung, der sich der Frage widmet: Wie kann man das Thema in Schulen und Universitäten hineintragen? Wir sind zudem dabei, ein Transformationsprogramm für die Region aufzubauen: Künftig soll es in Stuttgart einen ein- bis zweijährlichen Biointelligenz-Kongress geben. Zwischen den einzelnen Kongressen wollen wir dann mithilfe von Biointelligenz-Botschaftern arbeiten und innovative, kooperative Konzepte für die ansässigen Firmen in bestimmten Regionen und Gemeinden entwickeln. Unternehmen, die sich engagieren wollen, befinden sich bei der Biointelligenz heute in einem ähnlichen Stadium wie bei Industrie 4.0 vor 10 bis 15 Jahren. Um da Schritt für Schritt Kompetenz aufzubauen, sind Kontakte mit führenden Forschungseinrichtungen wie der Fraunhofer-Gesellschaft entscheidend.