Unter den Schlagworten Power-to-Protein und Power-to-Vitamin werden biotechnische Verfahren entwickelt, bei denen Mikroben unter Einsatz von Energie aus chemischen Grundzutaten wie Kohlendioxid, Wasser- und Sauerstoff Proteine und Vitamine für den menschlichen Verzehr herstellen. Ein solches Verfahren, bei dem neben Proteinen auch Vitamin B9, die Folsäure, produziert wird, hat der Umweltbiotechnologe Professor Lars Angenent vom Exzellenzcluster «Kontrolle von Mikroorganismen zur Bekämpfung von Infektionen» (CMFI) der Universität Tübingen bereits im Labor optimiert.

Nun hat sein Team geprüft, ob sich dieses Verfahren, das als Besonderheit zweistufig angelegt ist mit zwei verschiedenen nacheinander eingesetzten Mikroben, technisch und ökonomisch rentabel auf eine industrielle Herstellung hochskalieren lässt – mit positivem Ergebnis, wie die Universität Tübingen mitteilt: Eine Produktionsanlage, die 5,6 Millionen Menschen zu marktüblichen Preisen mit der Tagesdosis Vitamin B9 versorgen und zur Proteinzufuhr beitragen könnte, würde sich bereits nach fünfjähriger Laufzeit amortisieren. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

In Angenents zweistufigem Bioreaktorsystem reduziert im ersten Produktionsschritt das Bakterium Thermoanaerobacter kivui Kohlendioxid mit Wasserstoff unter Luftabschluss zu Acetat. Das Bakterium ist genügsam und bildet die bei der Acetatherstellung benötigte Folsäure selbst. Anschließend setzt die Bäckerhefe, ein Pilz namens Saccharomyces cerevisiae, unter Luftzufuhr das Acetat zu Proteinen um. «Die Hefe selbst mit angereicherten Proteinen und Folsäure ist direkt essbar. Als Nahrungszusatz in kleiner täglicher Menge zur Deckung des Vitamin B9-Bedarfs ist sie ein sicheres Lebensmittel», sagt Angenent. «Wenn der gesamte Proteinbedarf über mikrobiell produzierte Proteine gedeckt werden soll, muss die Hefe gereinigt werden, um etwa Stoffe zu entfernen, die Gicht auslösen können. Dann ist der Herstellungsprozess entsprechend aufwendiger.»

Die in der Beispielrechnung des biotechnologischen Forschungsteams konzipierte zweistufige Bioreaktoranlage mit einem Volumen von 1750 Kubikmetern könnte jährlich 12,9 Kilotonnen Hefe erzeugen, darin enthalten 813 Kilogramm Folsäure und 5,6 Kilotonnen Proteine. Diese Menge reicht, um 5,6 Millionen Menschen mit der empfohlenen Tagesdosis Folsäure und fünf Prozent der Proteine zu versorgen. Bei einem Verkaufspreis von 20 US-Dollar für ein Kilo der angereicherten Hefe würde sich die Produktionsanlage in fünf Jahren amortisieren. Wird das zweistufige Verfahren vorrangig genutzt, um Menschen vollständig mit Proteinen zu versorgen, muss die Hefe zur Reinigung mit Hitze behandelt werden. Bei einem Preis von 20 US-Dollar würde sich die Anlage laut den Forschenden dann nach sieben Jahren amortisieren.

In beiden Produktionsmodellen hätten sich bei der Prüfung keinerlei technischen Probleme bei der Hochskalierung auf eine industrielle Anlage ergeben, schreibt die Universität weiter. Die erzeugten Produkte lägen im gleichen Preisbereich wie andere Proteinerzeugnisse aus Hefe, Pflanzen, Molke oder Algen und könnten sich voraussichtlich in der Konkurrenz auf dem Lebensmittelmarkt behaupten. Die Berechnungen zeigten jedoch auch, dass in den Power-to-Protein- und Power-to-Vitamin-Verfahren vor allem die elektrochemischen Prozesse für die Wasserstoffproduktion effizienter werden müssten.