Seit vielen Jahren werden große Erwartungen an das ökonomische und ökologische Potenzial der »weißen« oder industriellen Biotechnologie (IBT) formuliert. Der IBT wird dabei das Potenzial zugemessen, energie- und ressourceneffiziente industrielle Produktionsprozesse bereitzustellen, mit denen Biomasse umfassend als regenerativer industrieller Rohstoff erschlossen werden kann, um langfristig fossile Rohstoffe zu substituieren und Beiträge zum Klima- und Umweltschutz zu leisten. Es besteht also die Hoffnung, dass die IBT einen wichtigen Baustein innerhalb einer zu etablierenden »Bioökonomie« darstellt.

Vor diesem Hintergrund hat der Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgen-abschätzung des Deutschen Bundestages das TAB beauftragt, einen Überblick über Verfahren, Anwendungen und ökonomische Perspektiven der industriellen Biotechnologie zu erstellen sowie die aktuellen wissenschaftlichen Diskussionen zu Umwelt- und Nachhaltigkeitspotenzialen der IBT aufzubereiten. Die resultierende Innovationsanalyse umfasst zwei komplementäre Sachstandsberichte: Der TAB-Arbeitsbericht Nr. 168 behandelt umfassend die zugrundeliegenden wissenschaftlich-technischen Entwicklungen und betrachtet die Marktpotenziale verschiedener Produkte der IBT. Der TAB-Arbeitsbericht Nr. 169 fokussiert auf die Umwelt- und Nachhaltigkeitspotenziale von Prozessen und Produkten. In beiden Teilen der Analyse liegt das Hauptaugenmerk auf den stofflichen Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse.

Ergebnisse

Verfahren, Anwendungen, ökonomische Perspektiven

Hinter der Bezeichnung »industrielle Biotechnologie« verbirgt sich eine große Vielzahl unterschiedlicher Verfahren und Produkte. Industrielle biotechnische Produktionsprozesse beruhen auf den Stoffwechselleistungen von Organismen (meist Bakterien oder Pilze), die die Umwandlung des Rohstoffs Biomasse in das jeweilige Zielprodukt katalysieren. Für die Optimierung von Produktionsorganismen und ihrer produktionsrelevanten Eigenschaften ist die Kombination von Gentechnik, fortgeschrittenem Metabolic Engineering, System- und Synthetischer Biologie Stand der Technik. Für eine effiziente Bioprozessentwicklung und die Hochskalierung in den industriellen Produktionsmaßstab müssen Biokatalysatoroptimierung und Prozessentwicklung integriert werden.

Verfahren der industriellen Biotechnologie sind traditionell in Branchen etabliert, die Agrarrohstoffe und andere Naturstoffe industriell verarbeiten. Dies sind die Lebensmittel- und Getränke-, die Leder-, Zellstoff- und Papier- sowie die Textilindustrie. Auch in der Umwelttechnik sind biotechnische Verfahren zur Behandlung von Abwasser, Abluft, kontaminierten Böden sowie organischen Reststoffen weit verbreitet. Eine Schlüsselrolle nimmt jedoch die traditionell forschungsintensive und innovative chemische Industrie in der IBT ein, da sie strategische Schwerpunkte gesetzt und entsprechende Kompetenzen und Netzwerke aufgebaut hat. Zudem erbringt sie – zusammen mit dem Maschinen- und Anlagenbau – einen wesentlichen Teil der Innovationsleistungen für nachgelagerte Branchen. Der Schwerpunkt der IBT liegt in der Produktion von Fein- und Spezialchemikalien, der wirtschaftlich bedeutendsten Sparte der deutschen Chemieindustrie.

Durch die zunehmende Reife und Kommerzialisierungsmöglichkeiten in der IBT wächst auch ihre ökonomische Bedeutung. Allerdings erwiesen sich in der Rückschau viele Marktprognosen als zu optimistisch – die künftigen Zuwächse wurden unter anderem deswegen überschätzt, weil Geschwindigkeit und Niveau der Kommerzialisierung der IBT von Rohstoffpreisen, technologischen Durchbrüchen, Anforderungen an die Nachhaltigkeitsbilanz der Prozesse und Produkte sowie Finanzierungsfragen stark beeinflusst werden. Wegen der derzeit niedrigen Preise für fossile Rohstoffe sowie der engen Kopplung der Agrarrohstoff- und Rohölpreise ist eine erhebliche Verbesserung der relativen Kostenwettbewerbsfähigkeit biobasierter Produkte gegenüber ölbasierten Produkten vorerst nicht zu erwarten.

In der IBT kommt großen diversifizierten Unternehmen, deren Kerngeschäft in der Chemie bzw. im Agro-Food-Bereich liegt, eine wichtige Rolle als Innovatoren und Produzenten zu. Unter den reinen Biotechnologieunternehmen in Deutschland sind etwa 10 % der IBT zuzuordnen. Sie sind schwerpunktmäßig Dienstleister und Technologieentwickler, die in einzelnen Fällen auch Produktionsaktivitäten aufgenommen haben. Mit Blick auf die internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in der IBT zeigt sich eine starke Position bei technologischem Wissen. Volkswirtschaftliche Effekte dürften vor allem in der Sicherung bestehender Arbeitsplätze bestehen, während ein deutlicher absoluter Zuwachs an Arbeitsplätzen oder Zugewinne von Marktanteilen auch in Zukunft eher unwahrscheinlich sind. Dies ist typisch für Querschnittstechnologien wie die IBT. Deshalb sollte ihre Bedeutung für das Wachstum etablierter Branchen nicht unterschätzt werden.

Umwelt- und Nachhaltigkeitspotenziale

Eine übergreifende Beurteilung der Umwelt- und Nachhaltigkeitspotenziale der IBT stößt auf mehrere fundamentale Schwierigkeiten. So existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse, Verfahren und Produkte der IBT, die in verschiedenartige technische und ökonomische Zusammenhänge eingebunden sind. Bei den verfügbaren Studien bestehen fundamentale Einschränkungen hinsichtlich der Breite und Vergleichbarkeit der erfassten Wirkungsdimensionen. Insgesamt sind nur wenige allgemeine bzw. übergreifende Aussagen möglich.

Der Einsatz von Verfahren der IBT erlaubt es grundsätzlich, kostengünstig, energieeffizient und unter milden Produktionsbedingungen (hinsichtlich Druck, Temperatur, pH-Wert etc.) zu produzieren. Die IBT zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass die Produktion i.d.R. in geschlossenen Systemen (Bioreaktoren) durchgeführt wird. Damit werden Kontaminationen der Umwelt weitgehend vermieden oder ausgeschlossen. Im Hinblick auf geäußerte Sicherheitsbedenken, beispielsweise hinsichtlich des Austrags von gentechnisch veränderten Organismen aus den geschlossenen Systemen, konnten keine stichhaltigen Hinweise identifiziert werden.

Bei der übergreifenden Analyse der relativen Umwelt- und Nachhaltigkeitswirkungen verschiedener Produktgruppen der IBT zeigte sich, dass die Produktion der untersuchten, auf der Verarbeitung von Biomasse aufbauenden (»biobasierten«) Stoffe im Vergleich zu konventionell hergestellten Produkten in vielen Fällen den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen reduzieren hilft. Im Gegenzug können aber negative Umweltwirkungen durch den großmaßstäblichen intensivlandwirtschaftlichen Anbau von Biomasse verursacht werden, beispielsweise die Belastung von Gewässern durch ein Überangebot an Nährstoffen, der stratosphärische Ozonabbau und die Bodenversauerung. Allerdings bestehen erhebliche Unsicherheiten bei quantitativen Wirkungsabschätzungen.

Die langfristige Verfügbarkeit von nachhaltig produzierter Biomasse in ausreichenden Mengen ist essenzielle Voraussetzung für jedwede Ausweitung einer Bioökonomie. Dabei ist unumstritten, dass der Lebens- und Futtermittelproduktion Vorrang einzuräumen ist. Zu Industrieprodukten werden in Deutschland etwa 3,5 Mio. t Agrarrohstoffe/Jahr verarbeitet. Es ist Gegenstand der Forschung, auch alternative Rohstoffquellen zu erschließen, die nicht zugleich Nahrungs- oder Futtermittel sind. Hierzu zählen insbesondere Holz (Lignocellulose), organische Reststoffe (aus der Land- und Forstwirtschaft sowie aus Hausmüll) sowie das Treibhausgas CO₂.

Entscheidend für die Gesamtbilanz im Hinblick auf Nachhaltigkeit und die Frage, in welchem Umfang die IBT zu einer Bioökonomie beitragen kann, ist die Verfügbarkeit bzw. nachhaltige Produktion entsprechender Mengen von Biomasse unter Berücksichtigung von Nutzungskonkurrenzen mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion auf den zur Verfügung stehenden begrenzten Flächen. Zu dieser Frage liegen aus dem Kontext der Bereitstellung von Bioenergie zahlreiche Studien mit sehr unterschiedlichen Ergebnissen vor. Insgesamt zeigt sich, dass auch bei Ausweitung der entsprechend verwendeten Agrarfläche in Deutschland hiesige Biomasse wohl nicht die einzige Rohstoffbasis industrieller Produktion bilden kann.