Fraunhofer-Leitprojekt »FutureProteins«

Die nachhaltige Produktion von Insektenproteinen als Futter für Nutztiere und Nahrung für den Menschen stellt eine weltweit prosperierende Alternative zu konventionellen Eiweißquellen wie beispielsweise Fleisch- und Milchprodukten für die Gewinnung von Proteinen dar. Mit der Novel-Food-Regulierung der EU können seit Januar 2018 Nahrungsmittel aus Insekten in Europa für den Markt zugelassen werden. Seit 2019 wird die erste Lebensmittelinsektenfarm in Deutschland betrieben.

Insekten als Proteinquelle: Nachweis der Pathogenfreiheit

Die Produktion von Insekten im industriellen Maßstab begünstigt allerdings auch die Ausbreitung von Krankheiten, die zum Zusammenbruch der Insektenzucht, zu Produktionsausfällen und damit zu empfindlichen finanziellen Einbußen führen können. Darüber hinaus müssen die insektenbasierten Lebensmittel frei von Human- und Tierpathogenen sein.

Ein spezifisches und effizientes Nachweissystem für pathogene Keime in Insektenfarmen, das automatisiert, digital und hochdurchsatzfähig ist sowie zeitnah und vor Ort Ergebnisse liefern kann, fehlt bisher. Aktuell erfolgt die Identifizierung von Mikroorganismen im Darm und in den Aufzuchtbehältern von Insekten mit klassischen kulturabhängigen Verfahren oder über metagenomische Ansätze. Beide Methoden sind teuer, aufwendig sowie langwierig und für die tägliche Routineinspektion in Insektenfarmen nicht geeignet.

DNA-basierter Nachweis von Insektenpathogenen

Im Rahmen des Leitprojekts FutureProteins entwickelt das IGB gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten IME und IVV ein automatisiertes Überwachungssystem für das Insektenfarming: Hierzu wird am IGB ein molekulares Nachweissystem für die elf wichtigsten insektenassoziierten Pathogene entwickelt. Auf Basis einer isothermalen Amplifikationstechnik werden DNA-Signaturen der Erreger aus dem Probenmaterial vervielfältigt, dabei fluoreszenzmarkiert und im Anschluss über eine spezifische, immobilisierte Sonde gebunden. Das dabei erzeugte Signal wird optisch ausgelesen und anhand einer einfachen Matrix ausgewertet. Diese Technik erlaubt eine deutlich einfachere Handhabung als die bisher gängigen PCR-Anwendungen. Zukünftig wird das entwickelte Nachweissystem zur Routineuntersuchung an Produktionsstätten in ein teil- oder vollautomatisiertes Inline-System integriert und kann letztlich dazu beitragen, den Einsatz von Antibiotika zu minimieren sowie die ressourcenschonende Produktion von Proteinen zu fördern.

Pilze enthalten ein für die menschliche Ernährung hochwertiges Protein, auch Mykoprotein genannt. Die biotechnologische Herstellung von Pilzmyzel erfolgt in Bioreaktoren in flüssigen Nährmedien (Submerskultivierung). Im Gegensatz zur Feststoffkultivierung mit Fruchtkörpern lassen sich im Bioreaktor Myzelien schneller und unter kontrollierten Bedingungen produzieren, auch im technischen Maßstab. Die Pilze wachsen auf stärke-/zucker- und mineralstoffhaltigen Substraten, für die sich grundsätzlich industrielle Reststoffströme wie Melasse, Apfeltrester oder Treber einsetzen lassen.

Fraunhofer IGB mit langjähriger Erfahrung in der Submerskultivierung von Basidiomyzeten

Eine Herausforderung bei der Submerskultur von Basidiomyzeten (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.

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.

Aus über 100 Pilzen wurden zunächst im Projekt (Fraunhofer IME) anhand von Screenings erste Kandidaten für die Kultivierung auf Kartoffelreststoffen identifiziert. Nach ersten Untersuchungen wurde der Speisepilz Flammulina velutipes, der Gemeine Samtfußrübling, für die Submerskultur und die weitere Fermentationsoptimierung am Fraunhofer IGB ausgewählt. Diese umfassten Vorkulturführung, Rührergeometrie, Begasungsrate sowie die Untersuchung des optimalen C/N-Verhältnisses im Substrat. Durch die Einführung eines neuen Drehzahlregimes bei der Durchmischung konnte der Anteil an festgewachsenem Myzel reduziert, die gebildete Myzelmenge verdoppelt und damit die Raum-Zeit-Ausbeute gesteigert werden. 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. Das proteinreiche Myzel zeichnet sich zudem durch eine hohe Löslichkeit aus und eignet sich damit etwa für Füllungen in Backwaren oder Teigwaren.

Auslegung des Fermentationsprozesses

Zudem hat das Team am IGB den gesamten 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 für zukünftige Anlagen bei Industriepartnern eingesetzt werden.

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.

Ein im Projekt entwickeltes modulares Stack-Photobioreaktorsystem mit LED-Beleuchtung, Automatisierung und CO₂-Recycling ermöglicht eine effiziente Mikroalgenproduktion. Chlorella vulgaris und Phaeodactylum tricornutum lieferten Biomassen mit bis zu 50 % Protein, geeignet für Anwendungen in Lebensmitteln, Futtermitteln und biobasierten Prozessen.

Modulares neues Stack-Photobioreaktorsystem 

Für die Zielerreichung wurde ein Prototyp eines kompakten modularen Photobioreaktors konzipiert, geplant und aufgebaut. Ein neues Beleuchtungskonzept wurde integriert und das verfügbare Steuerungskonzept erweitert und der neue Prototyp in Betrieb genommen:

• Der Steuerungs- und Automatisierungsgrad wurde erhöht durch die Integration von Sensoren.
• Abluft-Rezyklierung wurde etabliert und die CO₂-Ausnutzung stark erhöht.
• Durch den Wechsel von einseitiger Beleuchtung zu zweiseitiger Beleuchtung im kompakten modularen Photobioreaktor erhöht die Konversion von Licht in Biomasseproduktivität bei gleichzeitig hoher Lichtausbeute.
• Test von neuen energieeffizienten LEDs
• Bereitstellung von proteinreicher Algenbiomasse

Technologieplattform für wirtschaftliche Algenkultivierung

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.

Die Entwicklung eines 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 entwickelten und 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 undgasförmigen Energieträgern aus einer angegliederten Biogasanlage am Fraunhofer IGB entwickelt.

Digitale Tools und Methodik zur Erfassung von Stoff- und Energieströmen

Dazu hat das Institut eine Methodik etabliert, die Stoff- und Energieströme erfasst und analysiert. Primärdaten zu Material- und Energiebedarfen der entwickelten Anbausysteme und Aufbereitungstechnologien wurden in ein Modell für Stoff- und Energieströme integriert. Simulationen erlaubten dann 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.

Stoffkreislaufkonzepte als Beitrag zur Transformation der Lebensmittelproduktion

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.