Technik | Innovation, 01.06.2025

Wertvolle Nahrung

Aus CO2 und erneuerbarer Energie

Die Landwirtschaft stößt an ökologische und ökonomische Grenzen und viele Lebensmittel liefern immer weniger Nährstoffe. Forschende aus Tübingen zeigen mit „Power-to-Vitamins", wie regenerative Energie im Verbund mit CO2, Wasserstoff und Hefe die Zukunft der Ernährung neu definieren könnte.

Zweistufiges Fermentationsverfahren zur Herstellung von mikrobiellem Protein mit der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisae. © modifizierte Abbildung aus L. M. Schmitz, N. Kreitli, L. Obermaier, N. Weber, M. Rychlik, L. T. Angenent, Trends Biotechnol. 2024, 42, 169

Der zunehmende Nahrungsbedarf der wachsenden Weltbevölkerung ist ein zentrales Thema der Menschheit. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) und die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) geben an, dass aktuell etwa 9 Prozent der Weltbevölkerung von Hungersnot betroffen sind und rund zwei Milliarden Menschen unter Mikronährstoffmangel leiden. Besonders in Ländern des Globalen Südens ist der Mangel an Vitamin B9 verbreitet, was zu schwerwiegenden gesundheitlichen Folgen wie z.B. kognitiven Beeinträchtigungen und Entwicklungsstörungen bei Kindern führen kann. Zusätzlich werden bereits jetzt fast 50 Prozent der bewohnbaren Erdoberfläche für die Landwirtschaft genutzt. Sie ist damit für einen erheblichen Teil – in etwa einem Viertel – der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Wächst die konventionelle Landwirtschaft weiter, wird dies eine Erhöhung der Treibhausgasemissionen zur Folge haben. Zusätzlich stößt die globale Landnutzung an ihre Grenzen und wertvolles Ackerland degradiert durch Erosion und Humusverlust.

Ein radikaler neuer Ansatz: Nährstoffe aus CO2 und Wasserstoff, mit Bakterien und Hefe

Mit Vitamin B9 und Protein angereichertes Hefeprodukt. © Lisa Marie Schmitz

Ein an der Universität Tübingen entwickeltes „Power-to-Vitamins" (PtV)-Verfahren soll für die genannten Probleme eine Lösung bieten, denn es ermöglicht die Herstellung von Vitamin B9 und mikrobiellem Protein aus CO2 und Wasserstoff unter Verwendung von Bakterien, Hefe und erneuerbarer Energie. In einem Bioreaktor erzeugt ein Bakterium im ersten Schritt Essigsäure aus CO2 und Wasserstoff. Der benötigte Wasserstoff wird hierzu durch Wasserelektrolyse zur Verfügung gestellt. Die Essigsäure wird im nächsten Schritt von Hefe verstoffwechselt und dabei zu Biomasse umgewandelt (Grafik).Die gewonnene Hefebiomasse enthält hohe Mengen an Vitamin B9 und Protein, wodurch bereits ein Konsum von 6 Gramm ausreichen würde, um den täglichen Bedarf eines Menschen an Vitamin B? zu decken. Sie ist zusätzlich eine Proteinquelle, die den Nährwert von Lebensmittelprodukten erhöhen und damit zur Ernährungssicherheit beitragen könnte.

Derzeit befindet sich das Verfahren noch im Labormaßstab, doch in Aarhus, Dänemark, wird bereits eine Pilotanlage in 50-mal größerem Maßstab gebaut. Damit könnte dieses innovative Verfahren zur Herstellung von mikrobiellem Protein seine Funktionsfähigkeit beweisen und neue Maßstäbe in der nachhaltigen und gesunden Nahrungsmittelproduktion setzen. Nachhaltig, weil die Essigsäure als Ausgangsstoff für die Proteinproduktion CO2-neutral hergestellt werden kann, wenn man die dafür aufgewendete Energie regenerativ erzeugt. Gesund, weil Lebensmittelprodukte mit wertvollen Nährstoffen und einem lebenswichtigen Vitamin angereichert werden können.

Erschwingliche, gesunde und nachhaltige Ernährung für alle?

Die nach dem PtV-Verfahren hergestellte Hefebiomasse ist besonders dann wettbewerbsfähig gegenüber Produkten aus zuckerbasierten Fermentationsverfahren, wenn CO2-Emissionszertifikate Anreize für Unternehmen schaffen, das mikrobielle Protein auf CO2-Basis in ihren Produkten zu verwenden.

Weltweit gibt es bisher wenige Unternehmen, die sich auf die Erzeugung von mikrobiellem Protein basierend auf erneuerbaren Substraten konzentrieren, doch das Interesse hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Solar Foods, Deep Branch, Air Protein und Calysta sind mit ihrer jeweiligen Technologie und finanziellen Unterstützung am weitesten fortgeschritten. Sie befinden sich jedoch immer noch in der Entwicklungsphase, da ihre gasfermentierenden Mikroorganismen nur unter bestimmten, eingeschränkten Bedingungen wachsen können. Das in Tübingen entwickelte PtV-Verfahren für die Biomasse-Produktion bietet dagegen den Vorteil, dass die Essigsäure von einer großen Zahl von Mikroorganismen verstoffwechselt werden kann. Es bietet damit mehr Flexibilität im Hinblick auf verwendbare Mikroben und kommt ohne gentechnische Modifikation aus.

Fazit

Grundsätzlich sollte die Politik die Forschung und Entwicklung nachhaltiger Technologien zur Nahrungsmittelproduktion weiterhin fördern, denn eine gesunde und zukunftsfähige Ernährung muss ein Grundrecht für alle Menschen sein.

Prof. Dr. Largus T. Angenent ist Professor für Umweltbiotechnologie an der Universität Tübingen, Max Planck Fellow und Professor am CORC der Universität Aarhus.

Dr. Lisa Marie Schmitz ist Nachwuchsgruppenleiterin in der Arbeitsgruppe Umweltbiotechnologie an der Universität Tübingen.

Dieser Artikel ist in forum 03/2025 - Der Wert der Böden erschienen.