Industrielle Umsetzung biotechnischer Produktion von Proteinen und Vitaminen
Wissenschaftler der Universität Tübingen untersuchen die Skalierbarkeit eines im Labor entwickelten zweistufigen Verfahrens zur Herstellung von Proteinen und Vitamin B9 (Folsäure) mittels Mikroorganismen. Ziel ist es, eine nachhaltige Alternative zur herkömmlichen Viehhaltung zu schaffen, die zur globalen Ernährungssicherung beiträgt.
Biotechnologische Verfahren ohne landwirtschaftliche Flächen
Unter den Begriffen Power-to-Protein und Power-to-Vitamin werden Technologien erforscht, bei denen Mikroben mithilfe von Energie aus einfachen chemischen Ausgangsstoffen wie Kohlendioxid, Wasser und Sauerstoff Proteine und Vitamine produzieren. Dieses Verfahren vermeidet den Einsatz von Viehzucht und Ackerbau. Das von Professor Lars Angenent und seinem Team entwickelte zweistufige System nutzt zwei unterschiedliche Mikroorganismen nacheinander, um zunächst Acetat zu erzeugen und anschließend in Proteine umzuwandeln.
Technische und wirtschaftliche Bewertung der Produktionsanlage
Die Untersuchung zur Übertragung des Laborsystems auf eine industrielle Produktionsanlage ergab, dass eine Anlage mit einem Volumen von 1.750 Kubikmetern jährlich 12,9 Tonnen angereicherte Hefe produzieren könnte. Diese Menge enthält 813 Kilogramm Folsäure und 5,6 Tonnen Proteine, ausreichend zur Versorgung von 5,6 Millionen Menschen mit der empfohlenen Tagesdosis Vitamin B9 sowie einem Anteil von fünf Prozent des Proteinbedarfs.
Die Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigt, dass sich die Investition bei einem Verkaufspreis von 20 US-Dollar pro Kilogramm Hefe innerhalb von fünf Jahren amortisiert. Der größte Einflussfaktor auf die Produktionskosten ist der Strompreis, insbesondere für die Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung. Unter optimalen Bedingungen könnte der Mindestverkaufspreis auf 4,53 US-Dollar pro Kilogramm gesenkt werden.
Funktionsweise des zweistufigen Bioreaktorsystems
- Im ersten Schritt reduziert das Bakterium Thermoanaerobacter kivui Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Acetat. Dieses Bakterium produziert zudem eigenständig Folsäure.
- Im zweiten Schritt wandelt die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae das Acetat unter Sauerstoffzufuhr in Proteine um. Die angereicherte Hefe kann direkt als Lebensmittelzusatz verwendet werden.
Für eine vollständige Deckung des Proteinbedarfs ist eine zusätzliche Reinigung der Hefe notwendig, um unerwünschte Stoffe zu entfernen. Dies erhöht den Aufwand und den Mindestverkaufspreis auf 14,24 US-Dollar pro Kilogramm, wobei sich die Anlage dann nach sieben Jahren amortisiert.
Herausforderungen und Potenziale
Die Skalierung auf industrielle Produktionsgrößen verlief ohne technische Probleme. Die Preise der biotechnologisch erzeugten Produkte liegen im Wettbewerb mit anderen Proteinquellen wie Hefe, Pflanzen, Molke oder Algen. Allerdings besteht Optimierungsbedarf bei den elektrochemischen Prozessen zur Wasserstoffherstellung, um die Effizienz weiter zu steigern.
Insgesamt bietet das Verfahren ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial und könnte den CO2-Fußabdruck bei der Produktion von Proteinen und Vitaminen im Vergleich zu tierischen und pflanzlichen Quellen deutlich verringern.
Kontakt
Prof. Dr. Lars Angenent
Universität Tübingen
Fachbereich Geowissenschaften – Umweltbiotechnologie
Exzellenzcluster Kontrolle von Mikroorganismen zur Bekämpfung von Infektionen (CMFI)
Telefon: +49 7071 29-74729
E-Mail: l.angenent@uni-tuebingen.de
Quelle der Originalpublikation
Lisa Marie Schmitz, Juan E. Ramírez-Morales, Andrés E. Ortiz-Ardila et al.: Power-to-Vitamins or Power-to-Protein: An Evaluation of the Integrated System at Industrial Scale from Techno-Economic Perspectives. Proceedings of the National Academy of Sciences, https://doi.org/10.1073/pnas.2535684123
