Ölhefen als Plattformtechnologie: CO₂‑basierte Lipide und Biomasse für Materialien und Food

Die fermentativ erzeugten Lipidgemische adressieren Kosmetik‑ und Home/Personal‑Care‑Märkte, beispielsweise als Emollientia oder nach Verseifung als Tenside.

Referenz: Palmölersatz für Mibelle Group

Ein aktuelles Beispiel ist die Entwicklung einer palmölähnlichen Fettmischung für die Mibelle Group, um Palmöl in Kosmetika zu ersetzen: In Zusammenarbeit von Mibelle Group, LanzaTech und Fraunhofer IGB wird durch die Kombination zweier aufeinanderfolgender Fermentationsprozesse das Treibhausgas CO₂ zu einer palmölfreien Fettmischung umgewandelt. 

Im ersten Schritt wird CO₂ mithilfe des von LanzaTech entwickelten Gasfermentationsprozesses biotechnologisch zu Alkohol umgewandelt. Im zweiten Fermentationsverfahren, das maßgeblich vom Fraunhofer IGB entwickelt wurde, wird der aus CO₂ hergestellte Alkohol von spezialisierten Ölhefen in die gewünschten Fette umgewandelt. Bei beiden Fermentationen werden nur natürlich vorkommende und nicht genveränderte Mikroorganismen eingesetzt. Derzeit wird der Prozess in den Pilotanlagen am Fraunhofer CBP skaliert, um erste Produktmuster im Kilogramm-Maßstab herzustellen.

Fermentative Herstellung von Single Cell Protein (SCP)

Fermentativ hergestellte proteinreiche Biomasse aus Hefen (Single Cell Protein, SCP) gilt als nachhaltige Alternative zu Soja oder Fischmehl für Tierfutter, kann aber auch zur Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln, Molke-Ersatzprodukten oder Proteinersatzprodukten in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. 

Extrusionsbasierte Food-Prototypen mit charakteristischen Sensorikprofilen

Alternativ zur klassischen Proteinisolierung kann die fermentativ gewonnene Biomasse direkt als Ganzes weiterverarbeitet werden. Durch Extrusion lässt sich die Biomasse in eine faserige Textur überführen, die sich ideal als Grundlage für Fleisch- oder Fischanaloga eignet. Besonders ölhaltige Mikroorganismen bieten dabei ernährungsphysiologische Vorteile, da sie reich an ungesättigten Fettsäuren wie Omega-3 und Omega-6 sowie an B-Vitaminen sind. Diese Inhaltsstoffe tragen zu einer ausgewogenen Ernährung bei und machen die Produkte nicht nur geschmacklich, sondern auch gesundheitlich attraktiv.

Stamm- und Prozessentwicklung sowie Skalierung aus einer Hand

Das Fraunhofer IGB bietet modernste Methoden zur Stamm- und Fermentationsprozess-Entwicklung bis zur Skalierung und Pilotierung als integrierte All-in-One-Lösung an und unterstützt Unternehmen darüber hinaus beim Transfer in den industriellen Maßstab. Der erste Schritt, das Design passender Produktionsstämme für Milch- oder Fleischprotein, erfolgt dabei am Fraunhofer IGB in Straubing. Mittels modellgestützter Verfahren und Metabolic Engineering entstehen effiziente und maßgeschneiderte Hochleistungsproduktionsstämme für Ihre Produkte.

Für Anwendungen, bei denen der Einsatz von gentechnisch veränderten Organismen (GMO) nicht gewünscht ist, bieten sich auch alternative Ansätze an. So können beispielsweise geeignete Wildtypen selektiert werden, die von Natur aus bereits über die gewünschten Eigenschaften verfügen und für die Produktion bestimmter Proteine genutzt werden können. Darüber hinaus existieren nicht-genetische Verfahren zur Optimierung von Mikroorganismen, wie zum Beispiel adaptive evolutionäre Selektion, gezielte Anpassung der Kulturbedingungen oder klassische Mutagenese. Diese Methoden ermöglichen es, die Leistungsfähigkeit und Ausbeute der Organismen gezielt zu verbessern, ohne auf gentechnische Veränderungen zurückzugreifen. So lässt sich die Proteinproduktion auch unter Berücksichtigung regulatorischer oder gesellschaftlicher Anforderungen erfolgreich gestalten.

Die protein‑ und polysaccharidreiche Zellmatrix der Ölhefen-Biomasse kann zu kompostierbaren Filmen/ Beschichtungen verarbeitet werden, beispielsweise für papierbasierte Verpackungen.

Dass diese Materialrouten funktionieren, zeigen hergestellte Gießfilme, Compoundierungen und Rolle‑zu‑Rolle‑Beschichtungen mit dokumentierten Barriere‑ und Mechanikwerten.

• Screening von Ölhefen für verschiedene Anwendungen: Auswahl geeigneter Ölhefe‑Stämme je nach Ziel (Lipide, Biomasse für Materialien, Proteinfraktionen)
• Substratscreening: Bewertung CO_₂‑basierter Chemikalien und Abfallströme zur Eignung als Substrat für Ölhefen
• Prozessentwicklung für Lipidfermentationen: Optimierung von Medium, pH‑/DO‑Regimen und Fütterungsstrategien zur Erzeugung definierter Fettsäureprofile
• Elektro‑biologische Kopplung: Entwicklung von Elektrofermentationsprozessen über elektrochemische CO₂‑Reduktion
• C₁‑Roadmap für methanolische Routen: Konzeptentwicklung zur Nutzung von Methanol über synthetische Methylotrophie‑Module
• Material- und Food‑Demonstratoren (optional): Entwicklung biobasierter Folien/Beschichtungen oder extrudierter Protein‑Prototypen aus Hefebiomasse

Üblicherweise starten wir mit einer Machbarkeits‑/Screening‑Phase, in der CO₂‑basierte Substrate (Ethanol, Formiat, Methanol) oder andere Restströme sowie die daraus erhaltenen Lipidprofile evaluiert werden. 

Es folgt die Bioprozessentwicklung (DoE‑gestützte Optimierung von Medium, pH/DO, Feed‑Strategien) und der Scale‑up (Ref. Leuna) mit Downstream Processing und Musterbereitstellung. 

Zusätzlich erfolgt eine Kostenabschätzung sowie die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit, ggf. über unser Partnernetzwerk und in Abstimmung mit dem Kunden.  Abschließend unterstützen wir bei Bedarf den Technologietransfer, inkl. SOPs, Skalierungskriterien (z. B. OTR, P/V) und Begleitung zu Lohnherstellern.

• High‑Throughput‑Fermentation über BioLector XT zur parallelen Optimierung von Medien, Substraten und Prozessparametern unter realitätsnaher Belüftungs‑ und pH‑Dynamik
• Analytik
  • HPLC für Substrat‑, Metabolit‑ und Prozessverfolgung
  • GC‑MS für Fettsäure‑ und Oxidationsanalytik
  • NMR für strukturelle Charakterisierung und Reinheitsprüfungen
• Fluoreszenz‑ und Mikroskopiesysteme zur Quantifizierung und Visualisierung der Lipidakkumulation in Ölhefen

Als Kunde und Partner profitieren Sie von der durchgängigen Umsetzung aus einer Hand: Von der Auswahl CO₂‑basierter Substrate über Stammentwicklung, Fermentationsdesign und Downstream Processing bis hin zu Scale‑up, Material‑ oder Food‑Demonstratoren kommt alles aus demselben interdisziplinären Team.

Diese integrierte Kette reicht bei ethanolischen CCU‑Zwischenprodukten nachweislich vom Labor bis in den 1-m³‑ und 10-m³‑Maßstab inklusive Separation, ATEX‑Extraktion, Destillation und Bereitstellung größerer Mustermengen, während andere Routen wie die elektro‑biologische Kopplung über Formiat und die synthetische Methylotrophie forschungs‑ und prototypengetrieben weiterentwickelt werden.

Dadurch treten wir als zentraler Ansprechpartner für das gesamte Anwendungsspektrum rund um Ölhefen auf und bündeln Fermentation, Elektro‑Bioprozesstechnik, C1‑Roadmaps, Materialwissenschaft, Lebensmitteltechnologie und Pilotierung unter einem Dach.