Wie am Schnürchen

So unscheinbar das Gebäude südwestlich der Münchner Stadtgrenze von außen wirken mag – innen lässt sich ein faszinierender Prozess bestaunen: Aus einer wasserhahngroßen Düse mit 40 winzigen Löchern quillt unter Druck eine zähflüssige Masse in einen Kolben voll transparenter Flüssigkeit. Plötzlich bilden sich dünne Fäden, die wie in Zeitlupe auf den Glasboden sinken. Nur wenige Menschen haben die Gelegenheit, das Spektakel aus der Nähe live anzusehen. Die beiden Chemieingenieure neben der Anlage tragen Schutzkleidung, um den Effekt zu zeigen, den sie hier „Magic Moment“ nennen.

Was die Mitarbeiter in der Spinnerei des Biotech-Unternehmens Amsilk in Planegg so anschaulich vorführen, geschieht sonst im Verborgenen. Es bleibt daher geheim, wie die 40 Filamente im Innern der Maschine bis zu 80-fach in die Länge gezogen und zu einem feinen Faden vereint werden.

„Es handelt sich um das stärkste natürliche Protein der Welt, der Faden ist zweieinhalbmal so zugfest wie Stahl“, schwärmt Amsilk-CEO Ulrich Scherbel. „Kein Wunder, dass die Spider-Man-Geschichte die Menschen fasziniert. Spinnenseide aus Proteinen in nennenswerten Mengen herzustellen ist aber lange niemandem gelungen.“ Amsilk schon – zuerst im Kleinen im Labor und nun gemeinsam mit Evonik im Industriemaßstab.

Das Interesse an dem innovativen Material ist groß, die Namen der Kunden, die es bereits verarbeiten, sind weltweit bekannt. Die Faser findet sich in Blusen der diesjährigen Frühjahrskollektion des Pariser Modekonzerns Balenciaga. Sie wird in Uhrenarmbändern der Luxusmarke Omega verarbeitet.

Und schon 2022 gab Amsilk eine Zusammenarbeit mit Mercedes-Benz bekannt: Die Türgriffe im Innern des Konzeptautos Vision EQXX enthalten Seidenfasern. In immer mehr Anwendungen spielen Spinnenseidefäden inzwischen eine Rolle. Die Nachfrage steigt, weshalb Evonik und Amsilk ihre seit 2021 bestehende Zusammenarbeit im Herbst vergangenen Jahres ausgebaut haben.

Denkbar ist der Einsatz biotechnologisch erzeugter Spinnenseide in mehr als 20 Branchen, etwa in der Kosmetik­industrie als Ersatz für Silikone in Shampoos, in der Landwirtschaft und im Gesundheitsbereich: „Wir wissen zum Beispiel, dass der Körper Implantate, die mit Spinnenseide umhüllt sind, besser toleriert“, berichtet Amsilk-Chef Scherbel. „Und beschichten wir Pflanzensamen damit, verdoppelt sich deren Haltbarkeit.“ Zum ersten Mal kam die Hochleistungsfaser von Amsilk in der Textilindus­trie zum Einsatz – als Alternative für natürliche Seide und andere Materialien. Die Branche hat innovative Lösungen dringend nötig. Laut Europäischer Umweltagentur ist sie der drittgrößte Verursacher von Wasserverschmutzung und Landnutzung. Der EU-Plan, bis 2050 eine Kreislaufwirtschaft zu erreichen, zielt deutlich auch auf die Textilindustrie.

Das Amsilk-Material ist nachhaltiger als viele andere Textilien. Da die Zusammensetzung der Fäden der des natürlichen Vorbilds entspricht, ist es vollständig biologisch abbaubar – anders als etwa eine Polyesterfaser. Die Produktion ist klima- und umweltfreundlicher als die konventionell hergestellter Seide. Diese stammt vor allem aus den Kokons der Raupen des Maulbeerspinners, eines in China beheimateten Nachtfalters. Echte Spinnenfäden, das Vorbild für das Amsilk-Produkt, lassen sich zwar aus gezüchteten Spinnen gewinnen und zur Seidenherstellung nutzen, der Prozess ist jedoch extrem aufwendig, und die Mengen sind winzig.

Verglichen mit der Gewinnung und Herstellung ­traditioneller Maulbeerseide ist für die biotechnologische Herstellung von Spinnenseide laut Amsilk um 97 Prozent weniger Wasser und 92 Prozent weniger Land­fläche nötig, der CO2-Fußabdruck ist um 81 Prozent kleiner. Zudem erlaubt das Amsilk-Verfahren die Produktion von Seidenfäden in weitaus größeren Mengen, als die Natur sie hergibt. Um ein Kilo Seide mithilfe von Maulbeer­spinnern zu erzeugen, braucht man die Kokons von etwa 15.000 Raupen. Mit der Technologie von Amsilk entsteht an nur einem Arbeitstag die hundertfache Menge Protein, die fast vollständig zu Fasermaterial verarbeitet werden kann. „Die Textilbranche braucht dringend nachhaltige Lösungen wie diese“, sagt CEO Scherbel.

Bei Amsilk stehen am Anfang des seidenen Fadens keine Spinnen, sondern Bakterien. Seitdem die Wissenschaft in der Lage ist, Gene präzise zu analysieren und zu verändern, kann sie die Einzeller in winzige Fabriken verwandeln. Dafür wird ein DNA-Abschnitt, der den Bauplan für das gewünschte Molekül enthält, durch elektrische Impulse in das Innere der Mikroorganismen gebracht. Die gentechnisch veränderten Bakterien benötigen dann nur noch viel Zucker, die passenden, bei Evonik hergestellten Aminosäuren sowie optimale Lebensbedingungen, um sich zu vermehren und das Seidenprotein en masse zu produzieren.

Der Prozess dahinter nennt sich Fermentation und wird seit Jahrhunderten genutzt, um Lebensmittel haltbar zu machen oder Bier und Wein herzustellen. Lange Zeit wusste man nicht, dass Mikroorganismen dabei die entscheidende Rolle spielen.

Erst der französische Biochemiker Louis Pasteur zeigte im 19. Jahrhundert, dass Bakterien für die sogenannte Milchsäuregärung verantwortlich sind. Die moderne Präzisionsfermentation mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen nimmt seit rund 40 Jahren Fahrt auf und ist aus der Biotechnologie heute nicht mehr wegzudenken: Prognosen gehen bis 2030 von einem durchschnittlichen jährlichen Umsatzwachstum von Produkten auf Fermentations­basis um 43 Prozent aus – auf einen Marktwert von mehr als 35 Milliarden US-Dollar.

Gentechnisch veränderte Mikroorganismen dazu zu bringen, durch Gärung Seidenprotein herzustellen, klingt allerdings einfacher, als es ist – zumindest wenn man wie Amsilk große Mengen benötigt: Was in einem Zweilitergefäß im Labor gut funktioniert, muss im 50.000-Liter-Tank noch lange nicht reibungslos klappen. „Das Protein in geeigneten Ausbeuten zu fermentieren und in eine großtechnische Produktion zu bringen war eine Herausforderung“, berichtet Amsilk-CEO Scherbel von den Anfangszeiten des Unternehmens, das 2008 als Ausgründung der Technischen Universität München entstand.

Die Erfahrung von Evonik als Produktionspartner kommt daher gerade recht. Der Biotech-Hub des Chemieunternehmens ist seit Jahren spezialisiert auf die industrielle Fermentation von Bioprodukten für Tierfutter, Kosmetik oder Medizin. In einer Evonik-Anlage gelang es erstmals, größere Mengen Seidenprotein herzustellen.

Scherbel muss schmunzeln, wenn er an den Beginn der Zusammenarbeit denkt: „Es stellte sich schnell heraus, dass wir bei Amsilk zwar viel darüber wissen, wie sich unser Produkt im Labor verhält, von Fermentation im Industriemaßstab aber ungefähr so viel Ahnung hatten wie vom Raketenbau.“ Die Evonik-Fachleute hätten immer an das Seidenprotein geglaubt und ihr Wissen eingebracht, „sodass wir den Prozess schließlich industriefähig machen konnten“

Wer sich davon überzeugen will, sollte von Scherbels Büro in Bayern 750 Kilometer gen Osten fahren, bis tief in die Slowakei. Dorthin, wo am Fuß der Niederen Tatra und im Schatten einer Burg das Örtchen Slovenská Ľupča liegt. Für die Menschen, die hier leben, ist das Chemiewerk Evonik Fermas ein wichtiger Arbeitgeber, für die Biotechnologiebranche ist es ein international bedeutender Produktionsstandort. 23 Tanks mit je 50 Kubikmetern Fassungsvolumen befinden sich in der riesigen Fermentationshalle, in der Pumpen und Motoren sonor brummen und selbst im Winter warme Temperaturen herrschen. Es riecht wie in einer Backstube.

Gelbe Linien markieren die sicheren Wege. Schutzbrille, Ohrenschützer und Sicherheitsschuhe sind für jeden hier obligatorisch. Im Kontrollzentrum überwachen Fachleute im Schichtdienst rund um die Uhr die Fermentation, kontrollieren beispielsweise Druck, pH-Wert, Temperatur und Zuckergehalt. Direkt davor steht ein Lkw-hoher Tank, der allein Amsilk vorbehalten ist: Milliarden von Mikroorganismen produzieren darin Seidenprotein.

Der Prozess, der im Darchinger Labor entstand, wurde 2020 hier in den industriellen Maßstab überführt. Seitdem wird er ständig optimiert, um noch größere Mengen zu produzieren, berichtet Richard Vereš, Leiter Technologie und Prozessentwicklung bei Evonik ­Fermas. „Wir starten hier mit einzelnen Labor­experimenten, um uns mit einem neuen Produkt vertraut zu machen. Danach beginnen wir mit dem Hochskalieren.“

Manchmal rät Evonik dem Kunden, das Erbgut der Bakterien, die Zutaten oder die Reihenfolge der Isolationsschritte für die industrielle Herstellung anzupassen. Bis die Produktion eines Proteins im Großtank bei gleicher Qualität wie im Labor gelingt, können Wochen, manchmal sogar Monate vergehen.

Die größte Herausforderung bei der Herstellung von Seidenprotein ist es, die Zielmoleküle aus der Bakterien­lösung zu isolieren und zu reinigen – nur dann lassen sie sich zu einem Faden spinnen. Um die notwendige Qualität sicherzustellen, entwickelten die Experten von ­Evonik ein mehrstufiges Verfahren.

„Für das Seidenprotein waren einige technische Änderungen in unserer Anlage nötig“, berichtet Vereš. „Wir brauchten zum Beispiel neue Spezial­geräte für den Zellaufschluss.“ Sie ermöglichen einen entscheidenden Schritt der Isolation. Die Geräte brechen die Bakterienzellen auf, die dann das Protein freigeben.

Mehrfach wird die Lösung danach zen­trifugiert, bis nur noch Spinnenseideprotein übrig bleibt. Während der Verarbeitung durchläuft die Mischung mehrere Klärungs- und Konzentrationsstufen, wobei sie sich schrittweise in eine verfeinerte und konzentrierte Protein­lösung verwandelt. Nachdem im Trockner das Wasser ­verdampft ist, bleibt Proteinpulver übrig, das in Fässern zu je 20 Kilogramm an die Spinnerei geliefert wird. Durch neue Geräte, die Evonik speziell für Amsilk angeschafft hat, hat sich die Kapazität verdoppelt, die Verarbeitungszeiten wurden entscheidend verkürzt.

Begleitet haben diesen Prozess Tim Pohlmann und Ronald Mathä. Der Chemiker und der Biotechnologe reisen regelmäßig aus Deutschland nach Slovenská Ľupča. Die Evonik-Experten kümmern sich um die Auftragsfertigung im Bereich der mikrobiellen Fermentation: Sie ermöglichen Kunden die wirtschaft­liche Herstellung ihrer Produkte bei Evonik und öffnen Start-ups Türen zu globalen Partnern. „Wir freuen uns, den Weg mit Amsilk zu gehen und das Verfahren immer weiter zu verbessern“, sagt Pohlmann. Dem Chemiker ist es wichtig, dass beide Partner eng zusammenarbeiten: „Evonik sorgt für Transparenz, und wann immer Herausforderungen auftreten, lösen wir sie im Team.“ Das funktioniert so gut, dass die Kapazität der mit Ökostrom betriebenen Anlage in Slovenská Ľupča seit dem Produktionsstart 2023 vervierfacht wurde – jeden Monat entstehen in der Slowakei heute mehrere Tonnen Seidenprotein.

Doch wie wird dieses Pulver nun zu einem zugfesten Faden, der später vielleicht in einer Seidenbluse, einem Uhrenarmband oder dem Türgriff eines Autos verarbeitet ist? Sobald die Fässer in der Pilotanlage von Amsilk bei München ankommen, wird das Protein zunächst nach und nach in Lösungsmittel eingerührt. Keinesfalls darf das Pulver verklumpen: Dann würden sich die Proteine in der honigartigen Flüssigkeit niemals zu einer stabilen Schnur aneinanderreihen, und der „Magic Moment“ wäre dahin. Von der Kultivierung bis zum Spinnen kann viel schiefgehen, doch mittlerweile läuft der Prozess wie am Schnürchen: Zuverlässig zieht die Maschine in dem unscheinbaren Gebäude rund um die Uhr einen silbrigen Spinnenfaden aus der Lösung und umwickelt damit Spule um Spule.

Je nach Kundenwunsch und Einsatzzweck ist Amsilk heute in der Lage, dünnere oder dickere Fäden zu produzieren. In jedem Fall sind sie federleicht, sehr belastbar, nicht so klebrig – und doch nah am Vorbild der Natur. „Ich bin mir sicher, dass wir zu einem der führenden Anbieter von Hochleistungsfasern werden“, schwärmt CEO Ulrich Scherbel. „Denn trifft die Innovationskraft neuer Firmen wie Amsilk auf das Know-how erfahrener Industriepartner wie Evonik, kann Großes entstehen.“ Das Gefühl von Magie zum Beispiel, wenn sich aus einer eben noch zähen Masse ein zarter, silbriger Faden formt.