Verfahrenstechnik

Proteine zählen zu den zentralen Nährstoffen der menschlichen Ernährung und stammen bislang überwiegend aus tierischen Quellen wie Fleisch, Milch und Eiern. Diese Erzeugung ist jedoch ressourcenintensiv und mit hohem Treibhausgasausstoß verbunden. Alternative Proteinquellen wie Hülsenfrüchte, Insekten, Algen oder Pilzmyzelien bieten ein deutlich breiteres Potenzial – nicht nur für Fleischersatzprodukte, sondern auch für Backwaren, Süßspeisen oder funktionelle Lebensmittel.

Im Projekt FutureProteins (Fraunhofer-Leitprojekt, Laufzeit 2021–2025) wurden klimaunabhängige, geschlossene Produktionssysteme entwickelt, die Proteine aus Pflanzen, Insekten, Pilzen und Mikroalgen ressourcenschonend bereitstellen. Mit Technologien wie Vertical Farming (OrbiPlant®), Insektenzucht oder Photobioreaktoren konnten hochwertige Proteine ganzjährig erzeugt und zu lebensmitteltauglichen Prototypen wie Burgerpatties, glutenfreiem Brot und Desserts verarbeitet werden. Durch geschlossene Stoffkreisläufe – etwa die Nutzung von Reststoffen als Substrat oder Dünger – gelang eine deutliche Abfallreduktion.

Lebenszyklusanalysen zeigen, dass die Umweltbilanz der »FutureProteins« stark vom eingesetzten Energiemix abhängt, sich jedoch mit erneuerbaren Energien erheblich verbessert. Damit bieten wir einen Ansatz, die wachsende Nachfrage nach Proteinen nachhaltig zu decken und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck der Lebensmittelproduktion zu reduzieren.

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Phytin, das Salz der Phytinsäure, kommt vor allem in Öl- und Getreidesaaten vor und dient Keimlingen als Speicher für Phosphor und Kationen. Heute wird es überwiegend aus Reiskleie chemisch extrahiert und in der Kosmetik eingesetzt. Aufgrund seiner Struktur verfügt Phytinsäure jedoch über ein weit größeres Potenzial, etwa in der Medizin (Vorbeugung von Diabetes, Nierensteinen, Parkinson und Krebs), in der chemischen Industrie (Kunststoffe, Lacke) oder in Metall- und Bergbauanwendungen (Korrosionsschutz, Chelatierung).

Im Projekt »Natürliche Flammschutzmittel auf der Basis von Phytinsäure für die textil- und kunststoffverarbeitende Industrie« haben wir Phytin aus Rapspresskuchen gewonnen und erfolgreich als Flammschutzmittel in PLA (biologisch abbaubarer Kunststoff) eingesetzt. Die Prüfkörper erreichten die Brandklasse UL-94 V-0. Auch Funktionskleidung konnten wir entsprechend beschichten, wobei neben Phytin ein Protein als Koppelprodukt extrahiert wurde. Abfallprodukte waren im Wesentlichen nur die Rapsschalen.

Reisstärke ist ein vielseitiger Rohstoff, der zum Beispiel in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie oder in der Kosmetikindustrie eingesetzt wird. Gewonnen wird Reisstärke hauptsächlich durch chemische Extraktion aus Bruchreis, wobei das anfallende Reisprotein als preisgünstiges Futtermittel verwertet wird.

Im Projekt »BIORICE« haben wir das Protein mithilfe von Enzymen und Mikroorganismen aufgespalten. Die dabei gewonnenen Fraktionen wurden nach einer Trennung durch Cross-Flow-Filtration auf ihre antioxidativen, blutdrucksenkenden, tyrosinasehemmenden und Anti-Aging-Eigenschaften untersucht. Die erhaltenen Fraktionen zeigten alle eine der oben genannten Eigenschaften, ohne dabei cytotoxisch oder irritierend zu sein.

Das Projekt hat gezeigt, dass Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie durchaus als Lebensmittelergänzungsstoff sowie zur kosmetischen Anwendung eingesetzt werden können. Weitere tiefergehende Untersuchungen sind jedoch hierfür notwendig.

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Bernsteinsäure ist eine zentrale Plattformchemikalie, die bislang überwiegend aus fossilen Rohstoffen hergestellt wird. Im Projekt »Biolectid« wird daher ein neues bioelektrochemisches Fermentationsverfahren entwickelt, das Glukose und CO₂ aus Biogasanlagen als nachhaltigen Rohstoff nutzt. Durch die Bereitstellung von Elektronen über eine elektrochemische Zelle wird die Ausbeute an biobasierter Bernsteinsäure signifikant erhöht. Das Verfahren wird in den Pilotmaßstab überführt und in einen Biogasanlagen-Verbund integriert. Arbeitspakete umfassen die Entwicklung des bioelektrochemischen Systems, die Prozessoptimierung, den Aufbau einer Pilotanlage, die Substrataufbereitung sowie eine ökologische und ökonomische Gesamtbewertung. Zentrale Fragestellungen betreffen den Elektronentransfer, die Materialauswahl des Elektrolyseurs und die Auswirkungen auf die Bernsteinsäure produzierenden Mikroorganismen.

Das Projekt wird durch das BMFTR im Rahmen der Bekanntmachung »CO2BioTech« gefördert.

Biomethan kann wesentlich zur Defossilisierung und Versorgungssicherheit unserer Industrie und Gesellschaft beitragen. Theoretisch können bis zu 40 Prozent unseres Gasverbrauchs bis 2030 durch Biomethan ersetzt werden. Dennoch speisen in Deutschland aktuell nur etwa 220 Biogasanlagen Biomethan in das Erdgasnetz ein. Die biologische Methanisierung kann den CH₄-Anteil von Biogas durch die Umsetzung von CO₂ mit H₂ wesentlich erhöhen, doch die H₂-Einbringung in das Reaktorsystem ist durch die niedrige Wasserstofflöslichkeit limitiert.

In H₂Mem wurde daher ein funktionsfähiges, diffusives Begasungssystem auf Basis von Mikrostrukturen (Sub-µ-Bereich) entwickelt und zur Optimierung der biologischen Methanisierung eingesetzt. Die Effizienzsteigerungen hinsichtlich Methankonzentration und Methanbildungsrate werden untersucht und in praxistauglichen Implementierungskonzepten insbesondere für kleine und mittlere Biogasanlagen umgesetzt.

In Deutschland fallen jährlich etwa 1,8 Millionen Tonnen Klärschlamm an. Bisherige Verwertungswege (landwirtschaftliche Nutzung, Mitverbrennung) geraten durch die Novelle der Klärschlammverordnung (2017) unter Druck. Es werden daher technische Lösungen benötigt, die die Nährstoffrückgewinnung insbesondere von Phosphor mit einer sicheren und kostengünstigen Klärschlammentsorgung verbinden.

In »UltraSep« wurde daher ein kombiniertes thermisch-alkalisches Ultraschalldesintegrationsverfahren mit nachfolgender mechanischer Separation entwickelt, das den Schlamm in eine organikreiche Flüssigkeitsphase und eine faserige Feststofffraktion trennt. Das Verfahren wurde in einer Pilotanlage (1–2 m³/h) auf der Kläranlage Hückeswagen (Wupperverband) umgesetzt und iterativ optimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine gezielte Wertstoff- und Energiegewinnung durch die Aufbereitung und Verwertung von Klärschlamm möglich ist. Die Flüssigkeitsphase konnte erfolgreich in einer Hochlast-Faulung zu Biogas umgesetzt werden. Die Faserfraktion eignet sich als biobasierter Brennstoff oder Ausgangsstoff für stoffliche Verwertungswege, beispielsweise in einer Pyrolyse. Dadurch können die Ressourceneffizienz der Kläranlage gesteigert und gleichzeitig Verwertungswege geschaffen werden, statt den Klärschlamm ausschließlich der Verwertung zuzuführen.

Das Verbundprojekt »UltraSep« wurde durch das BMFTR im Rahmen des Programms KMU-innovativ: »Ressourceneffizienz und Klimaschutz« (Förderkennzeichen 02WQ1398) gefördert.

Pflanzliche Getränke und Produkte aus Soja, Hafer und anderen pflanzlichen Rohstoffen sind eine gesunde und nachhaltige Alternative zu tierischen Produkten. Die Beliebtheit und die Marktnachfrage nehmen sowohl in Europa als auch weltweit kontinuierlich zu. Die konventionelle Herstellung von pflanzlichen Getränken erfordert ein Einweichen, Mahlen und Abpressen der Rohstoffe in Wasser. Die abgetrennte flüssige Phase ist die Grundlage für Getränke und andere Produkte wie Tofu. Die feste Phase ist ein Presskuchen, der als Abfallstrom betrachtet bzw. als Tierfutter verwendet wird. Diese Presskuchen enthalten jedoch noch eine beträchtliche Menge an wertvollen Inhaltsstoffen wie Proteine.

Ziel von »DISCOVERY« war es daher, diese Potenziale zu erschließen und damit die Ausbeute von Lebensmitteln aus pflanzlichen Rohstoffen zu verbessern. Letztlich sollen sowohl die europäische Lebensmittelindustrie als auch die Verbraucher von den wirtschaftlichen und nachhaltigen Effekten profitieren, die mit der Effizienzsteigerung in der Lebensmittelproduktion einhergehen.

Dazu wurden im Rahmen des Projekts vielversprechende Techniken wie die Ultraschall- und Enzymbehandlung untersucht, um die Presskuchen von Soja, Hafer, Reis, Mandeln und Kokosnuss aufzuschließen und anschließend eine weitere proteinreiche Flüssigkeitsphase abzutrennen. Zusätzlich erfolgte eine Nachbehandlung der flüssigen Fraktion durch Konzentration sowie die Verwertung der abgetrennten Fasern in Fleischanalog-Produkten und Backwaren. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Behandlungen auf die ernährungsphysiologische Lebensmittelqualität und -sicherheit untersucht.

Insgesamt konnte in »DISCOVERY« gezeigt werden, dass die Desintegration, Behandlung und Verwertung von Presskuchen aus Soja, Hafer, Mandeln und Kokosnuss ein breites und vielversprechendes Potenzial für die Lebensmittelindustrie aufweist. Für jedes spezifische Produkt und jede Prozesslinie wurden hierbei individuelle Behandlungen gewählt, um sowohl den technologischen Produkteigenschaften als auch den wirtschaftlichen Anforderungen gerecht zu werden.