Alternative Proteine

Alternative Proteinquellen zu Fleisch und tierischen Produkten sind zu einer wichtigen Säule der Lebensmittelindustrie geworden und eröffnen Wahlmöglichkeiten für eine nachhaltigere Ernährung. Das Fraunhofer IGB forscht an neuen Verfahren und biotechnologischen Agrar-Produktionssystemen für Proteine aus Raps, Mikroalgen, Pilzen, Bakterien und Zellkulturen, um mit ressourceneffizienten Lösungen zur Ernährungssicherheit beizutragen.

Neue Rohstoffe und Verfahren für die Proteinversorgung der Zukunft

Proteine sind lebenswichtige Bestandteile für die Ernährung von Mensch und Tier. Fisch und Fleisch, Eier und Milchprodukte gelten traditionell als gute Eiweißlieferanten, unter den pflanzlichen Quellen vor allem Hülsenfrüchte wie Erbsen, Linsen und Bohnen. In vielen Kulturen zählen auch Insekten und Algen zu wichtigen proteinreichen Lebensmitteln, während Produkte wie zellkulturbasiertes Fleisch oder mittels Präzisionsfermentation hergestellte Milchproteine erst jüngst in einzelnen Ländern zugelassen wurden.

Wachsender Markt für vegetarische und vegane Alternativen

In Deutschland hat in den vergangenen Jahren vor allem der Absatz pflanzenbasierter Proteinprodukte stetig zugelegt. Alternative Proteine bedienen hierzulande nicht mehr nur einen Nischenmarkt, sondern haben sich zu einem zukunftsträchtigen Geschäftsfeld für die Lebensmittelbranche entwickelt.

Vor allem bei gesundheitsbewussten und jungen Menschen ist der Trend zum Verzicht auf Fleischprodukte ausgeprägt: um sich gesünder zu ernähren, aus Gründen der Ethik wie des Tierwohls, aber auch aus ökologischen Motiven wie Umwelt- und Klimaschutz.

Warum wir neue Proteinquellen benötigen

Auch wenn der Konsum von Fleisch in Deutschland rückläufig ist – weltweit gesehen steigt er weiter an. Für die nachhaltige Proteinversorgung einer wachsenden Weltbevölkerung, in der sich immer mehr Menschen Fleisch leisten können, stoßen die derzeitigen tierischen Produktionssysteme jedoch an Grenzen.

Neben wirtschaftlichen Faktoren schlagen vor allem der hohe Flächen- und Ressourcenverbrauch zu Buche. Zudem verursacht die industrielle Tierhaltung, allen voran die Massentierhaltung von Rindern, erhebliche Emissionen der Treibhausgase CO₂ und Methan, vor allem, wenn man auch die CO2-Emissionen berücksichtigt, die auf das Konto von Anbau, Verarbeitung und Transport der benötigten Futtermittel gehen. Hinzu kommen Belastungen von Böden und Gewässern durch Pestizide und Düngemittel.

Alternative Proteine für Nachhaltigkeit, Versorgungssicherheit und Resilienz

Viele alternative Proteine benötigen im Vergleich zu Fleisch deutlich weniger Ackerfläche und Wasser; bei ihrer Produktion werden geringere Mengen an Treibhausgasen emittiert. Pflanzliche Proteinquellen wirken sich positiv auf die menschliche Gesundheit aus, da mit der Nahrung mehr Ballaststoffe und Vitamine, aber weniger gesättigter Fettsäuren und Cholesterin aufgenommen werden.

Darüber hinaus leisten alternative Proteine einen Beitrag zur Ernährungssicherheit. Während globale Lieferketten für traditionelle Agrarsysteme durch geopolitische Engpässe gefährdet werden, können viele Alternativen lokal produziert werden – aus heimischen Quellen oder industriellen Nebenströmen und mithilfe biotechnologischer Verfahren. Dies macht die Lebensmittelproduktion unabhängig von klimatisch und saisonal bedingten Schwankungen und stärkt die Resilienz der regionalen Wirtschaft.

So können alternative Proteine einen Beitrag zur weltweiten Nachfrage nach hochwertigen Protein-Lebensmitteln leisten und gleichzeitig Umwelt und Ressourcen und damit auch die traditionellen Agrarsysteme schonen.

Fraunhofer IGB – Ihr Partner für die Erschließung neuer Proteinquellen

Als Verfahrensentwickler und -optimierer und mit seiner Expertise in der industriellen Biotechnologie sowie der Biofabrikation erforscht das Fraunhofer IGB ein breites Spektrum neuer Lösungen, um alternative Proteine aus Pflanzen, Mikroalgen, Mikroorganismen, Pilzen und Zellkulturen für den Einsatz in Lebensmitteln sowie Futtermitteln bereitzustellen.

Schwerpunkte liegen auf der Entwicklung neuer Verfahren zur Fraktionierung bzw. Aufbereitung pflanzlicher Biomasse, neuer biotechnologischer (inklusive zelltechnologischer) Produktionsverfahren sowie der Skalierung von Fermentationsverfahren am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, unserem Institutsteil in Leuna.

Aufbereitung pflanzlicher Biomasse zur Erschließung nicht genutzter Proteine

Das in der Ölsaaten-Bioraffinerie am Standort Leuna eingesetzte EthaNa-Verfahren liefert aus Raps neben Öl ein für die Ernährung von Mensch und Tier hochwertiges Rapskernkonzentrat mit über 50 Prozent Proteingehalt.

Verfahren der industriellen Biotechnologie zur Herstellung von Proteinen und proteinreichen Biomassen

Die Kultivierung von Mikroalgen wird am Fraunhofer IGB in Stuttgart seit Jahrzehnten erforscht und proteinreiche Algenbiomasse kann in automatisiert betriebenen Photobioreaktoren ohne weitere Proteinextraktion direkt in Lebensmittelprodukten eingesetzt werden, beispielsweise als Fischalternative.

Zur Herstellung von Pilzmyzel hat das Team der industriellen Biotechnologie in Stuttgart im Fraunhofer-Leitprojekt FutureProteins erfolgreich die Submerskultivierung von Basidiomyzeten auf industriellen Nebenprodukten entwickelt und bis in den Technikumsmaßstab skaliert.

Die biotechnologische Herstellung von Proteinen mittels Fermentation von Bakterien oder Hefen stellt eine weitere Möglichkeit dar, proteinreiche Biomasse oder hochwertige solitäre Proteine bereitzustellen. So optimieren Experten am Standort Straubing Mikroorganismen zur Herstellung von Single-Cell-Protein und das Biotechnologie-Team in Leuna unterstützt Start-ups und Unternehmen bei der Skalierung der Verfahren in den industriellen Maßstab und der Pilotierung unternehmenseigener Präzisionsfermentationen.

Zellkulturbasierte Lebensmittel

Mit Berufung von Prof. Dr. Petra Kluger zur Professorin für an der Universität Stuttgart und in Personalunion als Institutsleiterin des Fraunhofer IGB wird im Forschungsbereich Biofabrikation auch die Herstellung funktioneller Gewebe für kultiviertes Fleisch und kultivierten Fisch erforscht. Diese Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit dem Biofabrikationsteam am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) der Universität Stuttgart.

Agrarsysteme mit geschlossenen Stoff- und Energieströmen

Im Leitprojekt FutureProteins stand erstmals auch ein weiterer Aspekt im Fokus: Anfallende Reststoffe und Nebenprodukte sollten weitgehend für die Herstellung weiterer Proteinrohstoffe genutzt werden, um Stoff- und Energieströme zu schließen – ganz im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Am Fraunhofer IGB steht nun ein Modell zur Verfügung, mit dem neue Agrarsysteme energie- und ressourceneffizient geplant und ausgelegt werden können.

 

Zusammenarbeit

Kommen Sie auf uns zu, wenn auch Sie neue Proteinquellen erschließen wollen!

Je nach Technologiereifegrad können wir für Sie Prozesse optimieren und für den Markteintritt skalieren, Machbarkeitsstudien durchführen und Mustermengen für weitergehende Untersuchungen zur Verfügung stellen oder die Entwicklung neuer Verfahren in geförderten Projekten gemeinsam weiter vorantreiben.

Zur Untersuchung der ernährungsphysiologischen oder lebensmitteltechnisch relevanten Eigenschaften der Proteine und Proteinbiomassen arbeiten wir mit Partnern an der Universität Hohenheim in Stuttgart und am Fraunhofer IVV in Freising zusammen.

Die Ansprechpersonen an unserem Institut finden Sie am Ende dieser Seite sowie auf den jeweils verlinkten Themen- und Projektseiten.

Bewertung der Sicherheit neuartiger Lebensmittel

Für neue Nahrungsmittelprodukte gelten strenge Sicherheitsregularien, die in der EU über die Novel-Food-Verordnung geregelt sind. Während Produkte aus bekannten Kulturpflanzen regulatorisch nicht betroffen sind, müssen neue Eiweißquellen wie Insektenmehle, Mikroalgen, Mikroorganismen, (Hefe-)Pilze und zellkulturbasierte Fleischersatzbestandteile erst als Lebensmittel zugelassen werden. Auch bei nach Gentechnikrecht zu genehmigenden Lebens- oder Futtermitteln muss nachgewiesen werden, dass die Produkte – auch bei langfristigem Verzehr – gesundheitlich unbedenklich sind.

Novel Food

Als »Novel Food« werden Lebensmittel bezeichnet, die in der EU vor dem 15. Mai 1997 noch nicht in nennenswertem Umfang verzehrt wurden und die in mindestens eine der in Artikel 3 der Novel Food-Verordnung (EU) 2015/2283 genannten Kategorien fallen. 

 

So sind beispielsweise Lebensmittel zu prüfen, die Mikroorganismen, Pilze oder Algen, Pflanzen oder Pflanzenteile oder auch Zell- oder Gewebekulturen enthalten. Zudem zählen Lebensmittel dazu, die durch neuartige, nicht übliche Verfahren hergestellt wurden. 

 

Das Fraunhofer IGB unterstützt Sie bei der Beantragung einer Novel-Food-Zulassung mit der Auslegung des entwickelten Prozesses. 

Rapsprotein als neue pflanzliche Proteinquelle für die Ernährung von Mensch und Tier

Auch Rapssaat enthält relevante Mengen an Proteinen. Neben dem Öl, das rund 40 Prozent der Inhaltsstoffe ausmacht, fallen etwa 20 Prozent der Inhaltsstoffe von Rapskernen auf die gefragten Eiweiße. Rapsproteine ähneln in ihrer Zusammensetzung den Milchproteinen und eignen sich daher prinzipiell gut als pflanzliche Proteinquelle – für Lebensmittel ebenso wie für Futtermittel. Allerdings werden Rapsproteine in Lebensmittelprodukten bisher nicht genutzt. Bei der herkömmlichen Heißpressung der Rapssamen wird die Struktur der Proteine verändert – die Proteine denaturieren. Die hierbei anfallenden Rapsextraktionsschrote enthalten zudem Fasern und Bitterstoffe aus den Rapsschalen. Dies beeinträchtigt ihre Verträglichkeit als Futtermittel, sodass den Futtermischungen in der Regel Sojaextraktionsschrote beigemischt werden. 

Feines Rapskernkonzentrat in Behälter aus Edelstahl
© Fraunhofer CBP
Aus geschälter Rapssaat gewinnen Fraunhofer-Forschende an ihrer EthaNa®-Pilotanlage ein Rapskernkonzentrat mit mehr als 50 Prozent Proteingehalt.

EthaNa-Verfahren liefert Rapskernkonzentrat mit > 50 Prozent Proteingehalt

Anders in der Prozess der EthaNa®-Pilotanlage am Fraunhofer CBP: Hier werden Rapskerne schonend aufgeschlossen und mit Ethanol fraktioniert. Aufgrund der milden Prozessbedingungen (einer maximalen Temperatur von 70 °C und normalem Umgebungsdruck) wird die Struktur der Rapsproteine bei der Verarbeitung kaum verändert, sodass sich diese vielseitig verwerten lassen. Der Extraktion ist zudem eine separate Schälanlage vorgeschaltet, um die öl- und proteinreichen Kerne von den Fasern und Bitterstoffe enthaltenden Schalen zu trennen. Das proteinreiche Rapskernkonzentrat, das die Ölsaatenbioraffinerie neben der Schalenfraktion und dem Öl liefert, zeichnet sich durch einen hohen Proteingehalt von über 50 Prozent und einen niedrigen Restölgehalt von weniger als 5 Prozent aus.

Eignung als Lebensmittel und als Futtermittel

Aufgrund seines hohen Proteingehalts und seiner Zusammensetzung ist das Rapskernkonzentrat aus dem EthaNa-Verfahren hervorragend geeignet für den Einsatz in proteinreichen Lebensmittelprodukten, wie im Projekt Like-A-Pro gezeigt. Es bildete stabile Emulsionen in Kombination mit anderen Zutaten, die Patties überzeugten mit guter Konsistenz, angenehmem Biss und gutem Mundgefühl. Weiterhin zeigten Analysen eine ausgewogene, für den menschlichen Organismus vorteilhafte Aminosäurezusammensetzung. 

Auch für den Einsatz als Futtermittel ist Rapskernkonzentrat aufgrund seines hohen Gehalts an essenziellen Aminosäuren bestens geeignet, wie im Projekt NAPF bestätigt. Zudem zeigten Untersuchungen der Universität Hohenheim, dass Rapskernkonzentrat eine bessere Proteinverdaulichkeit aufweist als Rapsextraktionsschrot. Wurde zusätzlich das Enzym Phytase zugesetzt, konnte die Proteinverdaulichkeit des Rapskernkonzentrat-Futtermittels weiter erhöht werden. 

Rapskernkonzentrat verarbeitet zu Burger-Patties, Hackfleisch- und Fischstäbchenersatzprodukten sowie Pasta
© Flowfood
Rapskernkonzentrat bildet stabile Emulsionen mit anderen Zutaten uns lässt sich hervorragend zu Burger-Patties, Hackfleisch- und Fischstäbchenersatzprodukten sowie Pasta verarbeiten.
 

EthaNa-Ölsaaten-Bioraffinerie

Weitere Informationen

Industrielle Biotechnologie: Proteine aus Mikroalgen

Mikroalgen produzieren Polysaccharide, wichtige Omega-3-Fettsäuren, Carotinoide, Vitamine – und eben auch Proteine. Das macht Algen auch für die Verwendung als ernährungsphysiologisch ausgewogenes Lebensmittel oder Futtermittel interessant. Dabei können sie direkt in Lebensmitteln verarbeitet werden wie auch in getrockneter Form.

Wie Pflanzen binden die photosynthetisch mit Licht wachsenden Algen während des Wachstums das Treibhausgas CO2. Doch erfordert ihre Herstellung keine Ackerflächen und weniger Wasser. Dabei können die Einzeller grundsätzlich in offenen Teichen oder Becken kultiviert werden oder aber unter kontrollierten Bedingungen in geschlossenen, vertikalen Systemen – unabhängig von saisonalen oder klimatischen Faktoren.

Modulare Photobioreaktor-Plattform zur wirtschaftlichen Kultivierung

Das Fraunhofer IGB stellt Unternehmen mit seinen Flat-Panel-Airlift Photobioreaktoren (FPA-PBR) eine Technologie bereit, um Algenbiomasse mit herausragender Produktivität, Produktqualität und Kosteneffizienz herzustellen. Die einzelnen Reaktormodule mit einem Volumen von je 125 Litern sind durch Kopplung modular skalierbar. Die Beleuchtung erfolgt energiesparend mittels LED. Per Fernwartung ist ein automatisierter Betrieb an beliebigen Standorten on-site als Drop-in Technologie möglich.

Zur Kultivierung können zudem, je nach Zielprodukt, auch nährstoffreiche Nebenströme eingesetzt werden, um auf diese Weise Ressourcenkreisläufe zu schließen.

Mikroalgen im Photobioreaktor fixieren das von den Bakterien freigesetzte CO<sub>2</sub> für Wachstum und Biomassebildung. Je nach Stammauswahl und Prozessführung werden Speicherstoffe wie Stärke oder Carotinoide gebildet.
© Fraunhofer IGB
Stack-Photobioreaktor am Fraunhofer IGB

Mikroalgen als Alternative zu Fisch

Im Bereich Lebensmittel prädestiniert der Gehalt an Omega-3-Fettsäuren Algen vor allem als Alternative zu Fisch – eine angesichts der Überfischung der Weltmeere lohnende Option. Anwendungsmöglichkeiten und ernährungsphysiologische Parameter wurden für die Mikroalge Phaeodactylum tricornutum in einem Projekt zusammen mit dem Institut für Ernährungsmedizin der Universität Hohenheim in Stuttgart bereits untersucht.

So zeigten Analysen, dass getrocknete Mikroalgen neben einem Proteinanteil von fast 50 Prozent in der Trockenmasse auch nennenswerte Mengen der langkettigen Omega-3-Fettsäure Eicosapentaensäure, kurz EPA, aufweisen. Laut einer ersten Studie der Universität Hohenheim sind Mikroalgen geeignet, den täglichen Bedarf an Omega-3-Fettsäuren zu decken. Zudem enthalten sie wasserlösliche Ballaststoffe, die wichtig für die Darmgesundheit sind, sowie Vitamin E und Carotinoide. Durch Anpassung der Kulturbedingungen im Photobioreaktor des Fraunhofer IGB kann die Zusammensetzung der Inhaltsstoffe gesteuert werden. Werden den Algen ausreichend Nährstoffe zugeführt, so produzieren sie besonders viel EPA. Wachsen die Algen unter Nährstofflimitierung, bilden sie mehr Ballaststoffe.

Auch die Verwendung von Algen als Lebensmittel fällt unter die Novel-Food-Verordnung. Einige Algenarten sind bereits als Lebensmittel zugelassen. Die Mikroalge Phaeodactylum tricornutum wird bereits in Tierfutter eingesetzt, ist aber noch nicht zur Verwendung als Lebensmittel zugelassen.

Industrielle Biotechnologie: Pilzmyzel durch Submerskultivierung von Basidiomyzeten

Pilze enthalten ein für die menschliche Ernährung hochwertiges Protein, auch Mykoprotein genannt. Aufgrund seiner Konsistenz, Textur und des Geschmacks eignet es sich für den Einsatz in Fleischersatzprodukten. Zudem enthält Mykoprotein Ballaststoffe, ungesättigte Fettsäuren, wichtige Nährstoffe sowie Vitamin B12.

Die Herstellung von Pilzmyzel erfolgt, wie die der einzelligen Hefepilze (siehe unter Fermentation), in Bioreaktoren. Die Pilze wachsen dabei auf stärke-/zucker- und mineralstoffhaltigen Substraten, für die sich grundsätzlich industrielle Reststoffströme wie Melasse, Apfeltrester oder Treber einsetzen lassen. Industriell wird Mykoprotein bereits auf Basis des Schimmelpilzes Fusarium venenatum hergestellt. Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Produktion proteinreicher Pilzmyzelien durch Submerskultur von Basidiomyzeten. Zu diesen auch Ständerpilze genannten Pilzen zählen beispielsweise Shiitake und Seitlinge.

Langjährige Erfahrung in der Submerskultivierung von Basidiomyzeten

Eine Herausforderung bei der Submerskultur von Ständerpilzen im Bioreaktor ist die Steuerung des Pilzwachstums: Die Pilze sollen möglichst in Form kleiner Myzelkügelchen wachsen und keine Hyphen bilden. Diese langen, filamentösen Zellen erhöhen die Viskosität im Reaktor und bewirken, dass das Myzel »festwächst«, was die Durchmischung im Reaktor und die Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen erschwert.

Das Team der industriellen Biotechnologie am Fraunhofer IGB in Stuttgart arbeitet seit vielen Jahren an der Herstellung und Optimierung von Glykolipid-Biotensiden mit Stämmen der ebenfalls zu den Basidiomyzeten zählenden Familie der Ustilaginaceae und hat damit umfassende Expertise in der Submerskultur aufbauen können.

Submerskultur des Speisepilzes Flammulina velutipes zur Herstellung von proteinreichem Pilzmyzel aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie
© Fraunhofer IGB
Submerskultur des Speisepilzes Flammulina velutipes zur Herstellung von proteinreichem Pilzmyzel aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie

Optimierte Fermentation ohne Hyphenbildung auf Nebenströmen der Lebensmittelindustrie

Im Fraunhofer-Leitprojekt FutureProteins ist es dem Fraunhofer IGB gelungen, die Submerskultivierung von Basidiomycota auf Nebenprodukten der lebensmittelverarbeitenden Industrie zu entwickeln. Die Fermentation wurde zunächst auf stärkereichen Kartoffeltrester und Kartoffelschalen untersucht und anschließend auf Kartoffelpülpe übertragen, welche bei der industriellen Gewinnung von Stärke aus Kartoffeln anfällt. Die Fermentationsoptimierung für den Speisepilz Flammulina velutipes umfasste Vorkulturführung, Rührergeometrie und Drehzahlregime, Begasungsrate sowie die Untersuchung des optimalen C/N-Verhältnisses im Substrat. Die Fermentation wurde schrittweise bis auf den Maßstab von 300 L (mit 200 L Arbeitsvolumen) hochskaliert. Analysen des Fraunhofer IVV ergaben ein günstiges Aminosäureprofil des Pilzmyzels von F. velutipes und eine hohe Löslichkeit.

Zudem hat das Team den Fermentationsprozess von F. velutipes auf Kartoffelpülpe für eine Maßstabvergrößerung geplant und ausgelegt – von der Medienvorbereitung bis zur Produktgewinnung. Das flexibel konzipierte Modell erlaubt es, Stoffströme anhand der Massenbilanz zu bestimmen und Fermentationskapazitäten anzupassen. Darüber hinaus kann es zur Abschätzung der Investitionskosten und des Energiebedarfs größerer Anlagen eingesetzt werden.

Industrielle Biotechnologie: Proteinproduktion mit (Präzisions-)Fermentation durch Bakterien und Hefen

Die Fermentation ist eine biotechnologische Schlüsseltechnologie in der alternativen Proteinproduktion. Während klassische Fermentationsverfahren wie die Milchsäure- und die alkoholische Gärung seit Jahrtausenden zur Haltbarmachung und Produktion von Lebensmitteln eingesetzt werden, wandeln bei der Präzisionsfermentation spezifisch selektierte oder genetisch modifizierte Mikroorganismen – z. B. Hefen oder Bakterien – in einem kontrollierten Fermentationsprozess Substrate gezielt zu den gewünschten Produkten um, beispielsweise Milch-, Ei- oder Fleischproteinen.

Fermentative Herstellung von Single Cell Protein (SCP)

Fermentativ hergestellte proteinreiche Biomasse aus Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen (oder auch aus Mikroalgen oder Pilzen) wird als Single Cell Protein bezeichnet. Der Proteingehalt variiert je nach Organismus zwischen 30 und 80 Prozent. Es gilt als nachhaltige Alternative zu Soja oder Fischmehl für Tierfutter, kann aber auch zur Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln, Backzutaten, Molke-Ersatzprodukten oder Probiotika in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Zur Weiterverarbeitung werden, je nach Einsatzzweck, entweder die ganzen Zellen oder ein Proteinextrakt getrocknet.

Alternativ zur klassischen Proteinisolierung kann die fermentativ gewonnene Biomasse auch direkt als Ganzes weiterverarbeitet werden. Durch Extrusion lässt sich die Mikroorganismen-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.

Die Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer CBP, dem Institutsteil Leuna des Fraunhofer IGB, entwickelt und skaliert Fermentationen im Auftrag von Kunden zur Herstellung von Vorprodukten und Produkten für Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel und Tierfutter.

Mikroorganismen und Bioreaktoren statt Kühe

Eine spezielle Anwendung ist die prozesstechnische Entwicklung und Skalierung von Präzisionsfermentationen zur Herstellung spezifischer tierischer Proteine – ganz ohne Tiere. Die tierfreien Proteinprodukte sind identisch mit ihren herkömmlichen, beispielsweise von Kühen produzierten Pendants, aber frei von Laktose, Cholesterin oder aus dem Tierfutter stammenden Antibiotika. Zutaten wie Milchprotein für Molkereiprodukte wie Käse, Joghurt oder Speiseeis oder Ei-Protein in Backwaren können ohne Änderungen in der Prozesstechnik ersetzt werden.

Um Milchproteine im Bioreaktor, z. B. ein Molkenprotein oder ein Kasein, herzustellen, werden die entsprechenden Gensequenzen für spezifische Kuhmilchproteine fest in das Genom der Mikroorganismen kodiert. Damit die Mikroorganismen wachsen, werden sie mit Zucker, Vitaminen, Wasser und Salzen versorgt. Der Prozess findet in großen Bioreaktoren statt, wo die Mikroorganismen bei moderaten Temperaturen von etwa 25 bis 35 °C wachsen. Nach ein paar Tagen kann das Milchprotein geerntet, gereinigt und zu Pulver getrocknet werden. Die Trocknung macht die Proteine lagerstabil und erleichtert den Transport. Die getrockneten Milchproteine können weiterverarbeitet werden – etwa zu Milch, Joghurt und Käse.

Stammentwicklung am Fraunhofer IGB in Straubing

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.

Fermenterkaskade am Fraunhofer CBP in Leuna

Pilotanlagen zur Skalierung als Brücke zum Markt

Das Fraunhofer CBP stellt Start-ups, KMU oder Großunternehmen sein Equipment und Know-how zur Skalierung und Optimierung der Fermentationsprozesse und die dazugehörigen Downstream-Prozesse zur Verfügung. Mithilfe der automatisierten, steril betriebenen Bioreaktoren bis 10 m3 können Mustermengen im Kilogramm- bis zum Tonnenmaßstab hergestellt werden und Prozessparameter für die Übertragung in den industriellen Maßstab gewonnen werden.

In den USA sind die ersten Milchprodukte aus dem Labor bereits auf dem Markt. Milchproteine, die durch moderne biotechnologische Verfahren wie die Präzisionsfermentation hergestellt werden, fallen in der EU unter die Novel-Food-Verordnung. Da diese Proteine nicht von einer Kuh, sondern von genetisch veränderten Mikroorganismen erzeugt werden, gelten sie als neuartige Lebensmittel (Novel Food).

Milchprodukte, die durch Präzisionsfermentation hergestellt werden, gelten als ressourceneffizient und klimaschonend, benötigen keine landwirtschaftlichen Flächen und nur wenig Wasser. Ersten Schätzungen zufolge können mit der Präzisionsfermentation im Vergleich zur herkömmlichen Milchproduktion bis zu 90 Prozent Wasser eingespart werden. Zudem liefert die biotechnologische Produktion das ganze Jahr über gleichbleibende Qualität, unabhängig von saisonalen Schwankungen.

Weitere Informationen zu den Verfahren der industriellen Biotechnologie

 

Standort Stuttgart

Algenbiotechnologie

Standort Straubing

Single Cell Protein und Stammentwicklung

 

Standort Stuttgart

Bioprozessentwicklung Submerskultivierung

Entwicklung, Etablierung und Optimierung von Biotransformationen, bei denen entweder mithilfe von Mikroorganismen oder von Enzymen Rohstoffe in verwertbare Produkte umgewandelt werden. Durch unsere interdisziplinäre Ausrichtung in Biologie, Chemie und Verfahrenstechnik decken wir die gesamte Prozesskette ab und schaffen schon im Labormaßstab die Voraussetzungen für die Skalierbarkeit unserer Prozesse.  

 

Standort Leuna

Bioprozess-Skalierung

Mit unserem bioverfahrenstechnisches Know-how bewerten wir die im Labormaßstab entwickelten Verfahren hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit in den industrierelevanten Maßstab und optimieren sie bei der Übertragung und Skalierung iterativ. Hierzu zählen die Anpassung von Prozessführungsstrategien und eine integrierte Produktaufreinigung zur Reduktion von Prozessschritten oder die Wiederverwendung der Biokatalysatoren. Daneben stellen wir auch Mustermengen für Anwendungstests bereit.

Zellkulturbasierte Lebensmittel – Fleisch- und Fischersatz aus dem Labor

Im Labor in Zellkulturen gewachsenes Fleisch – In-vitro-Fleisch, Laborfleisch, kultiviertes Fleisch oder englisch Cultivated Meat – gilt in Bezug auf Geschmack und Textur als echte Alternative zu Fleisch aus traditioneller Landwirtschaft. Die Idee: Hochwertiges Fleisch herzustellen, aber ohne Tierhaltung und die damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Insbesondere beim Flächenbedarf,Wasserverbrauch und bei den Treibhausgasemissionen kann die Umweltbilanz günstiger ausfallen.

Hergestellt wird der Fleischersatz biotechnologisch mittels Zellkulturen. Hierzu werden aus Muskelgewebe von beispielsweise Hühnern, Schweinen oder Rindern im Labor Stammzellen gewonnen und diese in einer Nährlösung unter kontrollierten Bedingungen vermehrt. Dabei durchlaufen die Zellen verschiedene Stadien und bilden schließlich Muskelfasern. Für die Herstellung größerer Zellmengen kommen, wie auch bei anderen zellkulturbasierten Verfahren, Bioreaktoren zum Einsatz. In Singapur, den USA und Australien haben inzwischen mehrere Produkte aus kultiviertem Fleisch eine Zulassung erhalten. In Deutschland ist kultiviertes Fleisch noch nicht erhältlich. In Europa wurden bereits mehrere Anträge zur Zulassung als Novel Food eingereicht.

Kosteneffiziente Nährmedien ohne tierische Komponenten

Damit die Zellen wachsen und sich zu Muskelzellen differenzieren, benötigen sie neben Nährstoffen auch spezifische Wachstums- und Differenzierungsfaktoren oder Transportproteine. Fötales Rinderserum, das aus dem Blut ungeborener Kälber gewonnen wird, liefert all diese Komponenten. Alternative erste Lösungsansätze gibt es auf Basis von Algen, Pilzen, proteinhaltigen Pflanzen und synthetisch hergestellten Wachstumsfaktoren. Auch das Team am Fraunhofer IGB forscht an kosteneffizienten, definierten und vollständig tierfreien Nährlösungen unter anderem auf Basis von Rest- bzw. Nebenstoffen der Lebensmittel- und Milchindustrie.

Zelllinien aus Rind, Schwein, Huhn und Fisch

Zudem entwickelt das Team nicht gentechnisch veränderte Zelllinien, vor allem Fett- und Muskelvorläuferzellen von Rind, Schwein, Huhn und Fisch. Das Team verfeinert die Methoden zur Isolierung und Vermehrung der tierischen Zellen und lenkt deren Reifung gezielt in Richtung der gewünschten Eigenschaften wie Nährstoffprofil, Geschmack und Textur. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf skalierbaren Prozessen im Bioreaktor. Begleitend kommen prozessanalytische Methoden zum Einsatz, um Wachstum und Nährstoffverbrauch in Echtzeit zu verfolgen. 

Formgebung der Produkte

Bei der Formgebung benötigt man, um eine passende Textur und Stabilität der Fleischprodukte zu erhalten, abbaubare bzw. essbare und skalierbare Trägerstrukturen. Das Kluger-Team entwickelt hierzu Stützstrukturen und essbare Biotinten, um die Muskelzellen mit unterschiedlichen 3D-Biodruckverfahren in Form zu bringen. Je nach Zielprodukt entstehen reine Zellkonstrukte oder Hybridprodukte zusammen mit pflanzlichen Stoffen.

Alle Prozesse sind von Beginn an auf Lebensmitteltauglichkeit ausgelegt. Prototypen werden daher mit Methoden der Lebensmittelanalytik geprüft, etwa auf Nährstoffprofil, Textur, Lagerfähigkeit, Bratverhalten und Aussehen.

3D-Biodruck von kultiviertem Fleisch
© Christian Flemming
Formgebung mittels 3D-Biodruck

Nachhaltige Agarsysteme durch geschlossene Stoff- und Energiekreisläufe

Damit alternative Proteinquellen einen Beitrag zu einer zukunftsfähigen und nachhaltigen Ernährung leisten können, sollten Produktionssysteme auch hinsichtlich ihrer Ressourcen- und Energieeffizienz bewertet, entsprechend konzipiert und ausgelegt werden. Wenn Strategien für Stoffkreislaufkonzepte in regulatorische Rahmen eingebettet werden, etwa über Nachhaltigkeitszertifikate und CO₂-Bepreisungsmechanismen könnten Kreislaufsysteme zur neuen Norm in der proteinbasierten Agrarwirtschaft werden und die Transformation der Lebensmittelproduktion unterstützen.

Das Fraunhofer-Leitprojekt FutureProteins setzte daher einen Fokus auch darauf, anfallende Reststoffe weitestgehend für die Herstellung weiterer Proteinrohstoffe zu nutzen. Durch die Verknüpfung der verschiedenen im Projekt entwickelten Produktionssysteme konnten Nebenströme effizient verwerten werden. So dienten pflanzliche Reststoffe als Substrat für die Kultivierung von Insekten, Pilzen und Algen, stickstoffreiche Nebenströme aus der Insektenproduktion als Pflanzendünger, während Abwärme zur Klimatisierung genutzt wurde.

 

Digitale Tools und Methodik zur Erfassung von Stoff- und Energieströmen

Die Entwicklung eines solchen geschlossenen Agrarsystems, das Konzepte der Kreislaufwirtschaft berücksichtigt – Abfälle reduziert und Ressourcen optimal nutzt – erforderte die sorgfältige Planung und Analyse aller Stoff- und Energieströme auf Basis der im Pilotmaßstab aufgebauten technischen Module. Für ein solches Gesamtsystem wurden die Konzepte zur stofflichen Nutzung der anfallenden festen, flüssigen und gasförmigen Reststoffe sowie zur energetischen Nutzung von Abwärme und gasförmigen Energieträgern aus einer angegliederten Biogasanlage am Fraunhofer IGB entwickelt.

Dazu hat das Institut eine Methodik etabliert, die Stoff- und Energieströme erfasst und analysiert. Primärdaten zu Material- und Energiebedarfen wurden in ein Modell für Stoff- und Energieströme integriert. Simulationen erlaubten die Vorhersage von Stoff- und Energiebilanzen eines industriellen Produktionsmaßstabs. Für das Gesamtsystem wurden Simulationsmodelle für bevorzugte Energiekonzepte entwickelt, die mit Modellen spezifischer Anlagen kombiniert wurden. Basierend auf den Stoffstrom- und Energiemodellen konnten so umfassende Betriebskonzepte entwickelt werden, welche auch externe Stoff- und Energiequellen sowie Energiespeicher und -wandler berücksichtigten. Mit Festlegung der Bewertungskriterien wie dem Eigenversorgungsgrad war es möglich, das Gesamtsystem bestmöglich im Sinne der Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit zu konzipieren.

 

Systematische Bilanzierung als Basis weiterer Prozessoptimierung

Die sorgfältige Bilanzierung der Stoff- und Energieströme erlaubt auch in anderen Fällen die systematische Untersuchung von Produktions- und Umwandlungsprozessen. Damit wird es möglich, Material- und Energieflüsse zu verstehen und Prozesseffizienz sowie Ressourcennutzung zu bewerten. Optimierungspotenziale lassen sich klar erkennen und gezielt Maßnahmen zur Steigerung von Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit ableiten.

Bewertung der Nachhaltigkeit

Wie nachhaltig alternative Proteinquellen wirklich sind, hängt stark von der Produktionsmethode ab, die für viele neue Proteine noch in der Entwicklung steckt. Pflanzliche Proteine benötigen in der Regel weniger Ressourcen als tierische Produkte, während Mikroalgen und Mikroorganismen durch ihren geringen Platzbedarf überzeugen.

Allerdings benötigen diese Systeme wie auch Zellkulturen elektrische Energie zum Betrieb der Anlagentechnik. Erste Simulationen und Modellrechnungen deuten darauf hin, dass alternative Proteinquellen einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten können, wenn erneuerbare Energien und Neben- und Abfallströme für die Produktion genutzt werden.

Kontakt

Robert Hartmann

Contact Press / Media

Dr. Robert Hartmann

Regenerative Ressourcen | Gruppenleiter Biomassefraktionierung

Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP
Am Haupttor (Tor 12, Bau 1251)
06237 Leuna

Telefon +49 3461 43-9111

Fax +49 3461 43-9199

Timo Hardiman

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Timo Hardiman

Abteilungsleiter Industrielle Biotechnologie

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart

Telefon +49 711 970-4319

Fax +49 711 970-4200

Simon Heine

Contact Press / Media

Dr. Simon Heine

Biofabrikation und Materialentwicklung | Business Development Biofabrikation

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart

Telefon +49 711 970-4177

Antoine Dalibard

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Antoine Dalibard

Stv. Bereichsleiter Smart Engineering and Scale-Up | Gruppenleiter Physikalische und chemische Prozesstechnik

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart

Telefon +49 711 970-4130

Fax +49 711 970-4200