VON INSULIN BIS SPINNENSEIDE · 17. OKTOBER 2026

Biomanufacturing im Industriemaßstab: Fermentationstanks aus Edelstahl, ein Mitarbeiter im Kittel regelt ein Ventil

Beim Biomanufacturing stellen Mikroorganismen Chemikalien und Materialien her

Bakterien, Hefen und Pilze bauen im Bioreaktor Moleküle, die sonst aus Erdöl entstehen. Pharmafirmen nutzen Biomanufacturing seit Jahrzehnten, in der Massenchemie entscheiden Tankgröße und Kilopreis über den Erfolg.

VON MARTIN JENDRISCHIK · 9 Min. LESEN

Ein Bakterium braucht für seine Arbeit weder Hochofen noch Dampfspalter. Es verwertet Zucker bei Körpertemperatur und normalem Druck und baut daraus Moleküle nach dem Bauplan seiner Gene. Ändern Forschende diesen Bauplan, produziert dieselbe Zelle einen Wirkstoff, einen Kunststoffbaustein oder ein Faserprotein. Auf diesem Prinzip beruht Biomanufacturing.

Das Prinzip ist älter als der Begriff. Das US-Unternehmen Genentech ließ 1978 erstmals Bausteine von menschlichem Insulin in Kolibakterien herstellen. Im Oktober 1982 ließ die US-Arzneimittelbehörde FDA das Präparat Humulin von Eli Lilly zu, das erste Medikament aus gentechnisch veränderten Zellen auf dem Markt. Was in der Medizin seit mehr als 40 Jahren funktioniert, wollen Cleantech-Unternehmen mit Biomanufacturing nun auf Chemie und Materialwirtschaft übertragen.

Chemiekonzerne verkaufen ihre Grundstoffe dagegen in Zehntausenden Tonnen und für wenige Dollar je Kilogramm. Ob Mikroben da mithalten, entscheidet sich weniger im Labor als im Großtank.

Inhalt

Was Biomanufacturing auf Deutsch bedeutet

Biomanufacturing heißt auf Deutsch am treffendsten biotechnologische Produktion. Gemeint ist die industrielle Herstellung von Stoffen mithilfe lebender Zellen oder ihrer Enzyme, Fachleute sprechen auch von industrieller oder weißer Biotechnologie. Die Zelle übernimmt dabei die Aufgabe des chemischen Reaktors. Sie nimmt einen Rohstoff auf, wandelt ihn über Enzymreaktionen um und gibt das Produkt ab.

Den Kern bildet die Fermentation. Betreiber füllen einen Stahltank, den Bioreaktor oder Fermenter, mit Nährlösung und impfen ihn mit dem Produktionsstamm. Dann regeln sie Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffzufuhr über Stunden oder Tage.

Mit Gentechnik machen Forschende aus einer gewöhnlichen Mikrobe einen Produktionsstamm. Sie schalten Gene ab, die Rohstoff in Nebenprodukte lenken, und bauen fremde Stoffwechselwege ein. Wer ganze Genkreisläufe am Rechner plant, betreibt synthetische Biologie. Das Münchner Cleantech-Startup Origin.Bio will auf diesem Weg Petrochemikalien ersetzen und seine Organismen nach eigenen Angaben in bestehende Fertigungen der Kunden einbinden.

Nicht jedes biobasierte Produkt stammt aus dem Biomanufacturing. Verbio gewinnt in Bitterfeld biobasierte Chemikalien aus Rapsmethylester mit einem chemischen Katalyseverfahren, der Olefin-Metathese. Der Rohstoff wächst auf dem Feld, die Umwandlung leistet ein Katalysator ohne lebende Zellen. Für eine Chemie ohne Erdöl ergänzen sich beide Wege.

Wie sich Präzisionsfermentation und Gasfermentation unterscheiden

Fachleute unterteilen Biomanufacturing nach Produkt und Rohstoff. Bei der klassischen Fermentation entsteht ein Stoffwechselprodukt in großer Menge, etwa Ethanol, Milchsäure oder Zitronensäure. Die Mikrobe bildet diese Stoffe ohnehin, Züchter und Ingenieure verbessern vor allem Stamm und Prozess.

Bei der Präzisionsfermentation geht es um ein einzelnes, meist komplexes Molekül. Ein gentechnisch angepasster Stamm trägt etwa den Bauplan für ein Milchprotein und scheidet dieses Protein aus. Das niederländische Cleantech-Unternehmen Vivici stellt so das Molkenprotein Beta-Lactoglobulin her und bietet es nach eigenen Angaben US-Kunden kommerziell an. Hersteller solcher Zutaten haben sich in einer Allianz für Präzisionsfermentation zusammengeschlossen.

Bei der Gasfermentation wechselt der Rohstoff des Biomanufacturing. Statt Zucker bekommen die Mikroben Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid. Knallgasbakterien gewinnen Energie aus Wasserstoff und bauen aus CO₂ Zellmasse auf, andere Stämme verwerten Abgase aus Stahlwerken. Betreiber lösen die Produktion so vom Acker, brauchen dafür aber günstigen Strom (mehr dazu: Gasfermentation: Protein aus Strom, Wasser und CO₂).

Manche Hersteller nutzen die Zelle zusätzlich als Formgeber. Das Londoner Cleantech-Unternehmen Modern Synthesis lässt Bakterien Nanozellulose um ein Fasergerüst wachsen, bis ein textiles Material entsteht. Die Bakterien liefern dabei den Stoff und zugleich seine Gestalt, das Verfahren entwickelt das Unternehmen nach eigenen Angaben zur Marktreife.

Welche Stoffe Mikroorganismen schon in Industriemengen liefern

Außerhalb der Medizin bleibt die Liste der Erfolge im Biomanufacturing kurz. Die Chalmers-Forscher Oliver Konzock und Jens Nielsen zählen in einer Übersichtsarbeit in „Trends in Biotechnology“ von 2024 nur wenige neue Bioprozesse für Massenchemikalien auf. Über klassisches Ethanol und Zitronensäure hinaus haben Hersteller demnach kaum ein neues Verfahren in den Markt gebracht.

Das bekannteste Beispiel ist 1,3-Propandiol, ein Baustein für Polymerfasern in Teppichen und Textilien. DuPont entwickelte dafür mit Genencor ein gentechnisch verändertes Kolibakterium, Tate & Lyle steuerte das Reaktordesign bei. Die Partner eröffneten ihre gemeinsame Anlage in Loudon im US-Bundesstaat Tennessee 2007 offiziell. Sie war auf 100 Millionen Pfund im Jahr ausgelegt, rund 45.000 Tonnen.

Ähnlich weit kam 1,4-Butandiol, ein Vorprodukt für Kunststoffe. Genomatica baute mit Novamont eine Anlage für 30.000 Tonnen im Jahr. Über eine Lizenz an Cargill soll die Produktion laut der Chalmers-Übersicht in einem neuen Werk auf mehr als 100.000 Tonnen wachsen.

Wie hart der Markt für Grundstoffe ist, zeigt Bio-Bernsteinsäure. BioAmber eröffnete 2015 im kanadischen Sarnia eine Bioraffinerie, die Bernsteinsäure aus Maissirup gewann, und beantragte im Mai 2018 Gläubigerschutz. Die Forscher Xue Li und Edmund Mupondwa haben den Fall 2021 technoökonomisch nachgerechnet. Mangels Kostenvorteil und Nachfrage konnte BioAmber die Anlage nie voll auslasten, das Rechenmodell der Forscher ergab Produktionskosten von rund 2,23 US-Dollar je Kilogramm.

Spinnenseide steht im Biomanufacturing eine Stufe davor. Das deutsche Biotechnologieunternehmen AMSilk lässt Seidenproteine von Mikroorganismen herstellen und verarbeitet sie zu Pulvern, Hydrogelen, Fasern und Beschichtungen. Seit einer Vereinbarung von Anfang 2023 soll der Chemiekonzern Evonik die Proteine an einem Fermentationsstandort in der Slowakei in Industriemengen produzieren.

Produkt	Zelle und Rohstoff	Reifegrad	Jahr
Humaninsulin (Humulin)	Kolibakterium	kommerziell, FDA-Zulassung	1982
1,3-Propandiol	Kolibakterium, Maiszucker	kommerziell, Anlage Loudon (USA), rund 45.000 t/Jahr	2007
1,4-Butandiol	Kolibakterium	kommerziell, Anlage mit Novamont, 30.000 t/Jahr	k. A.
Bernsteinsäure (BioAmber)	Maissirup	kommerziell gestartet 2015, Gläubigerschutz	2018
Seidenproteine (AMSilk)	Mikroorganismen	Skalierung, Lohnfertigung bei Evonik vereinbart	2023
Produkte aus Abfall (SPRIND)	verschiedene Mikroben, Abfallströme	Prototyp, dritte Stufe	2025

Warum Mikroben im Großtank anders arbeiten als im Labor

Im Labor wachsen Produktionsstämme in Gefäßen mit einem halben bis zehn Litern. Ein Produktionsfermenter fasst 20.000 bis zwei Millionen Liter, zwischen beiden liegt also ein Faktor von Tausend bis einer Million. So beschreiben es die Prozessingenieure Jason Crater und Jefferson Lievense vom US-Biotechnologieunternehmen Genomatica in einem Fachaufsatz über die Skalierung mikrobieller Prozesse von 2018.

Im großen Tank dauert das Durchmischen länger. Es bilden sich Zonen mit unterschiedlicher Temperatur, anderem pH-Wert und ungleich verteiltem Zucker, durch die die Zellen ständig wandern. Sauerstoff gelangt schwerer in die Flüssigkeit, und der Wasserdruck am Tankboden verändert, wie viel Gas sich löst. Ein Stamm mit Bestwerten im Kolben kann unter diesen Bedingungen deutlich weniger liefern.

Unternehmen gehen den Sprung im Biomanufacturing deshalb in Stufen. Ein Pilotfermenter fasst 100 bis 10.000 Liter, ein Demonstrationsfermenter 10.000 bis 100.000 Liter. Crater und Lievense beziffern die Kosten der gesamten Skalierung auf grob 100 Millionen bis eine Milliarde US-Dollar. Vom Labor bis zur Produktion vergehen nach ihren Angaben drei bis zehn Jahre. Schon drei bis zwölf Monate Verzug oder fünf bis zehn Prozent Minderleistung schmälern nach ihrer Rechnung die Rendite der Investoren spürbar.

Was ein Kilogramm aus dem Bioreaktor kosten darf

Über die Wirtschaftlichkeit im Biomanufacturing entscheiden drei Kennzahlen, die Fachleute nach ihren englischen Anfangsbuchstaben TRY nennen. Der Titer gibt an, wie viel Produkt pro Liter im Tank steht. Die Rate beschreibt, wie viel Produkt pro Liter und Stunde entsteht. Die Ausbeute bezeichnet den Anteil des Rohstoffs, der im Produkt landet.

Die meisten Massenchemikalien kosten laut Konzock und Nielsen ein bis drei US-Dollar je Kilogramm, Spezialchemikalien mehr als fünf. Bei Ethanol kann der Zucker mehr als die Hälfte der Gesamtkosten ausmachen.

DuPont, heute Teil von Dow, meldete für seinen Propandiol-Prozess laut der Übersichtsarbeit 135 Gramm pro Liter und 3,5 Gramm pro Liter und Stunde. Die Ausbeute erreicht etwa 80 Prozent des theoretisch Möglichen. Propandiol erzielt etwa 1,8 US-Dollar je Kilogramm, doppelt so viel wie Ethanol mit etwa 0,9 US-Dollar.

Ein Team um Nawa Raj Baral und Corinne Scown vom Lawrence Berkeley National Laboratory kam 2026 für Biokraftstoffe aus Pflanzenresten zu ähnlichen Schwellen. Wirtschaftlich und emissionsarm werden solche Kraftstoffe laut der Studie zu Titer, Rate und Ausbeute erst ab 130 Gramm pro Liter. Dazu braucht es eine Rate über zwei Gramm pro Liter und Stunde und nahezu theoretische Ausbeute.

Für teure Moleküle liegt die Latte niedriger. Konzock und Nielsen nennen mehrere gelungene Bioprozesse für Feinchemikalien, etwa Duftstoffe, Kosmetik- und Lebensmittelzutaten. Entsprechend früh setzten Pharma- und Lebensmittelhersteller auf Biomanufacturing. Bei Grundstoffen in Millionen Tonnen müssen Hersteller jedes neue Verfahren erst über den Preis gegen die Petrochemie durchsetzen. Jeder Stoff, den eine Mikrobe aus Zucker, Abfall oder CO₂ baut, kann dabei eine Synthese auf Erdölbasis ersetzen.

Wie EU und SPRIND Biomanufacturing fördern

Die OECD sieht im Biomanufacturing einen Beitrag zu Klimaschutz, Artenvielfalt und robusteren Lieferketten. In einem Politikpapier zu Finanzierungsinstrumenten vom Dezember 2025 stellt sie erhebliche Investitionslücken fest. Sie empfiehlt Mischfinanzierung und Risikoabsicherung, um privates Kapital anzuziehen.

Die EU-Kommission geht in zwei Schritten vor (Stand Oktober 2026). Am 16. Dezember 2025 legte sie den Vorschlag für einen European Biotech Act vor, der vor allem auf Gesundheitsbiotechnologie zielt. Das Europäische Parlament berät den Entwurf im Ausschuss. Die erste Lesung im Plenum ist laut Legislativ-Observatorium des Parlaments vorläufig für den 14. Dezember 2026 angesetzt.

Für Industrie und Chemie bereitet die Kommission einen Biotech Act II vor. Die Kommission will damit ein förderliches Umfeld für industrielle Biotechnologie und Biomanufacturing schaffen und den Wechsel zu biobasierten Rohstoffen erleichtern. Eine Konsultation lief bis zum 10. Juni 2026, am 12. Oktober 2026 stellte die Kommission bei einem Workshop in Brüssel erste Optionen vor. Einen Gesetzentwurf gibt es noch nicht. Die Kommission bettet das Vorhaben in ihre Bioökonomie-Strategie vom 27. November 2025 ein.

In Deutschland setzt die Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND mit der Challenge „Circular Biomanufacturing“ auf Abfall als Rohstoff. Seit November 2023 bauen Teams Prototypen, die kohlenstoffhaltige Abfälle zu Mikrobenfutter und dann zu mindestens drei Produkten verarbeiten. Sie müssen mindestens 180 Tage Dauerbetrieb nachweisen, die Standardorganismen Kolibakterium und Bäckerhefe sind ausgeschlossen.

In der dritten Stufe erhalten seit Oktober 2025 fünf Teams je bis zu 2,5 Millionen Euro. Darunter ist C3Biotech, dessen Bakterium Agrarreste zu Acrylglas verarbeiten soll. Welche Teams gewinnen, will SPRIND am Ende dieser Stufe entscheiden.

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