Perfect Match: Brautechnologie für Lebensmittel-Alternativen

Die Basis für vegane Getränke und Lebensmittel als Ersatz zu tierischen Produkten bilden alternative Proteine. Das bekannteste Beispiel sind sicherlich Drinks auf Pflanzenbasis, die aus Getreide, Wasser und Zusatzstoffen wie Öl ganz einfach ausgemischt werden. Je nach Prozessvariante und gewünschter Produktionsleistung kann hier auf Standard-Prozesstechnik-Equipment oder Anlagen der Maischtechnologie zurückgegriffen werden.

Aber der Markt bietet weitaus mehr als „nur“ Produkte auf Pflanzenbasis: Mittlerweile gibt es in den Supermarkt-Regalen zahllose vegane Alternativen. Auch der prognostizierte Anstieg des Marktanteils dieses neuen Ernährungstrends zeigt deutlich: Die Industrie braucht eine breite Vielfalt potenzieller alternativer Proteinquellen – und zwar in großen Mengen. Um diese zu gewinnen und vorzubereiten, setzt die Industrie auf Technologien wie Präzisionsfermentation und Zellkultivierung. 

Was genau ist Präzisionsfermentation?

Bei der Präzisionsfermentation werden Mikroorganismen programmiert oder optimiert, um ein bestimmtes Produkt wie Enzyme, Fette, Proteine, Vitamine, Geschmacksstoffe und natürliche Pigmente produzieren zu können. Die Mikroben agieren als „Zellfabriken“ und sind in der Lage, gezielt organische Moleküle herzustellen. Medikamente wie Insulin und Lebensmittelenzyme wie Lab werden schon seit Jahrzenten auf diese Weise hergestellt. Nach der Auswahl und Entwicklung wird der Mikroorganismus unter kontrollierten Bedingungen zusammen mit einer entsprechenden Nährlösung in Fermentationstanks kultiviert. Durch Zusammenstellung der Nährstoffe und die Einstellung der Prozessparameter entsteht so das gewünschte Molekül, das als Produkt gewonnen und gereinigt wird. Fermentativ hergestellte Proteine können anschließend mit anderen Inhaltsstoffen kombiniert und weiterverarbeitet werden, um Fleisch-, Ei- oder Milchprodukte nachzubilden.

Und was ist die Aufgabe eines Bioreaktors?

Ein Beispiel für einen Fermentationstank ist der Bioreaktor. Im Grunde handelt es sich um einen geschlossenen Steriltank mit bekannten Dampf- beziehungsweise Kondensatsperren. Dieser übernimmt Aufgaben wie Homogenisieren, Mischen, Belüften und Befüllen und ermöglicht die Probenahme – und das alles in einer sterilen Umgebung.

Die Kernaufgabe eines effizienten Fermentationsprozesses ist dabei die Umwälzung des Tankvolumens unter sterilen Bedingungen, sodass die Mikroorganismen durchgehend optimal versorgt sind. Normalerweise übernimmt dies ein Rührwerk, was sich vor allem für kleinere Batch-Größen lohnt. Um aber auch hohe Produktionsmengen kosteneffizient zu realisieren, setzt Steinecker stattdessen auf eine Umwälzeinheit. Ausgestattet ist die Zirkulationseinrichtung mit aseptischer Ventiltechnik von Evoguard und einer scherarmen aseptischen Pumpe.

Kunden profitieren dabei von der jahrelangen Erfahrung von Steinecker; denn mit dem gleichen Grundprinzip ist die Fermentationseinheit Poseidon bereits erfolgreich am Markt im Einsatz. „Für jede Art der Fermentation muss die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen gewährleistet sein – für den Stoffwechsel und die Vermehrung. Bei der alkoholischen Gärung entsteht innerhalb des Tanks durch die entstehende Kohlensäure eine natürliche Konvektion ohne zusätzliche Komponenten. Die Umwälzvorrichtung unterstützt nun diese Konvektion innerhalb des Behälters, wodurch die Vitalität und Viabilität der Zellen erhöht wird“, sagt Alexander Scheidel. „Bei der Präzisionsfermentation und Biomasseproduktion reicht diese natürliche Konvektion nicht aus. Je nach Größe der Zellen und Toleranz gegenüber Scherkräften wird die Einheit auf Grundlage der Strömungsbedingungen innerhalb der Rohrleitungen und innerhalb des Tanks ausgelegt, damit die Zellen im Behälter verteilt und Konzentrations- und Temperaturunterschiede ausgeglichen werden.“ 

Der Bioreaktor von Steinecker eignet sich vor allem für Hersteller, die größere Mengen produzieren möchten: Denn vor allem bei Tanks mit mehr als 25.000 Litern ist die Zirkulationseinheit deutlich einfacher und wirtschaftlicher zu integrieren als ein Rührwerk. Auch das Nachrüsten der Umwälzeinheit in bestehende Tanks ist eine Möglichkeit. Je nach Fermentation und Kundenwunsch wird der Bioreaktor aber immer genau auf die Prozessanforderungen ausgelegt und in ein Gesamtanlagenkonzept eingebunden. Hierbei geht Steinecker stets flexibel auf die individuellen Wünsche der Kunden ein und realisiert auch konventionelle Bioreaktoren mit einem Rührwerk statt Umwälzeinheit.

Und was geschieht nach der Fermentation?

Die Zellen oder die in das Kulturmedium abgesonderten Moleküle, die im Bioreaktor erzeugt werden, lassen sich verwenden, um beispielsweise Fleischersatz auf Basis der Biomasse der Pilze oder Mikroalgen herzustellen oder Proteine als Lebensmittel-Inhaltsstoffe zu verwenden. Im folgenden Downstream-Prozess findet dazu zunächst eine Ernte der replizierten Zellen statt, gefolgt von einem Aufreinigen, Konzentrieren und Stabilisieren. 

• Wird nur die Biomasse als Wertstoff gewonnen, werden die Zellen direkt nach der Fermentation aus der Nährlösung separiert und ausgewaschen. Dabei wird auch die Zellmasse aufkonzentriert, sodass diese in einem weiteren Verarbeitungsschritt zum finalen Patty oder in andere Formen verarbeitet werden kann. In der anschließenden Verarbeitung werden auch noch Inhaltsstoffe wie pflanzliche Proteine, Aromen oder Texturgeber zudosiert, um das gewünschte Endprodukt zu erzeugen. 
• Ist der wertgebende Stoff ein erzeugtes Molekül, zum Beispiel ein Protein, muss dieser Stoff noch aus der Zellmasse extrahiert werden. Hierfür werden je nach Verfahren die Zellen aufgespalten, um das Protein freizusetzen, und dann mehrere Filtrationsschritte durchgeführt, um das gewünschte Produkt zu gewinnen. 

Die zentrale Fermentationstechnologie bietet somit vielfältige Möglichkeiten, unterschiedliche Produkte zu erzeugen, die zum Lebensmittel verarbeitet werden oder auch bereits direkt das Lebensmittel darstellen, wie es bei gezüchtetem Fleisch der Fall ist.

Wo liegen künftig die Herausforderungen?

Ein herausfordernder Punkt ist sicherlich die Wiederverwendung der Nährlösung, welche bei der Zellernte durch die Separierung der Zellen von der umgebenden Flüssigkeit anfällt. Dieser Nebenstrom bildet auf der einen Seite eine große Menge an Abwasser, welches aufbereitet werden muss und zusätzliches Equipment benötigt. Auf der anderen Seite ist die Herstellung der Nährlösung ein großer Kostenfaktor, welcher sich durch eine Aufbereitung dieser Nährstoffe deutlich reduzieren lässt. Aber auch die Nutzung der Nebenströme für andere Industriebereiche, wie beispielsweise als Düngemittel in der Landwirtschaft, bietet ein Potenzial zur Effizienzsteigerung.
Neben der Steigerung der effizienten Verwertung der Nährstoffe ist die energieeffiziente Produktion auch ein Must-have für neue Lebensmittelmärkte. Nur wenn die Energie- und Medienströme optimal aufeinander ausgelegt sind, können Energiespitzen vermieden und die Nachhaltigkeitsziele erreicht werden.

Steinecker: ein starker Partner

Obwohl die Herstellung von veganen Lebensmittel-Alternativen mittels Präzisionsfermentation noch ein verhältnismäßig neues Geschäftsfeld darstellt, ist Steinecker für Kunden und Interessenten ein idealer Partner. „Durch unsere Erfahrung im Anlagenbau und in der Brautechnologie sind wir in der Lage, passende Anlagen für alle Anforderungen zu designen. Denn obwohl, wie oben beschrieben, die Grundsätze der Fermentation immer gleich sind, werden die Anlagen natürlich immer gemeinsam mit dem Kunden auf die spezifischen Anforderungen ausgelegt, damit schlussendlich ein erfolgreiches Projekt realisiert und so der Grundstein für eine langfristige Partnerschaft gelegt wird“, bekräftigt Alexander Scheidel.