Hochwertiges Eiweiß weltweit - FutureProteins

Proteine sind lebensnotwendige Nährstoffe. Sie könnten allerdings zur Mangelware in der globalen Nahrungsmittelversorgung werden. Gründe dafür sind extreme Wetterlagen als Ergebnis des Klimawandels sowie Belastungen von Böden und Gewässern aufgrund des Einsatzes von Pestiziden und Düngemitteln. Dieser Herausforderung globalen Ausmaßes stellen sich sechs Fraunhofer-Institute im Leitprojekt »FutureProteins«. Die Forscherinnen und Forscher wollen neuartigen Proteinquellen als nachhaltige und massentaugliche Alternative vor allem zu Schweine- und Rinderfleisch erschließen. Sie entwickeln dafür neue Anbausysteme und -prozesse, mit denen nährstoffreiche Proteine zukünftig aus ausgewählten Pflanzen, Insekten, Pilzen und Algen gewonnen und für neue Produkte genutzt werden können. Der Verbrauch von Wasser, Düngemitteln, Pestiziden und Antibiotika in der Ernährungswirtschaft ließe sich mit diesen neuen Systemen deutlich verringern. 

Seit langem raten Experten dazu, auf neue, alternative Proteinquellen umzusteigen – nicht nur, um den Konsum von Nahrungsmitteln aus der Großtier­haltung zu reduzieren bzw. diese zu ersetzen, sondern auch, um für mehr Nachhaltigkeit zu sorgen. Damit solche alternativen Quellen dieser wichtigen Nährstoffe erschlossen und ihre Potenziale in der Lebensmittelindustrie bestmöglich ausgeschöpft werden können, bedarf es neuer Agrarsysteme zur nachhaltigen Produktion sowie der effizienten Nutzung und Verwertung von Nebenprodukten und Reststoffen.

Das Leitprojekt »FutureProteins« kombiniert die Herstellung alternativer Proteinquellen in geschlossenen Agrarsystemen mit einer integrierten Nutzung aller Nebenströme zur Herstellung weiterer Proteinrohstoffe. Als alternative Proteinquellen dienen hierbei bestimmte Pflanzen (Kartoffeln, Weizengras, Luzerne), Insekten (Mehlwürmer), fadenförmige (filamentöse) Pilze (z. B. Ständerpilze wie Seitling oder Shiitake) sowie Mikroalgen. Sie enthalten allesamt ein für die menschliche Ernährung hochwertiges Aminosäureprofil sowie gute Anwendungseigenschaften, wodurch sie für die Lebensmittelindustrie sehr attraktiv sind.

Rolle der Produktionsforschung

Im Mittelpunkt von »FutureProteins« stehen vier in sich geschlossene Anbausysteme: Vertical Farming für Pflanzen, Insect Farming für Insekten, Bioreaktoren für Pilze sowie Photo­bioreaktoren für Algen. Ein wichtiger Bestandteil im Projekt ist die Analyse und Bewertung von Energie-, Abfall- und Abwasserströmen in diesen vier Anbausystemen und den jeweiligen Aufarbeitungsprozessen. Das Ziel sind geschlossene, kosten­effiziente und ressourcenschonende Kreisläufe entlang der Wertschöpfung. Das Fraunhofer IWU bringt dafür Kompetenzen zur ressourceneffizienten Produktion in das Projekt ein, entwickelt Energie- und Stoffstrom-Modelle und optimiert die Protein-Produktion in energetischer Hinsicht. Außerdem werden die Forschenden des Fraunhofer IWU die Teilsysteme der Produktionstechnik und Logistik ökonomisch und ökologisch bewerten. Im Fabrikmaßstab ist dabei entscheidend, aus welchem Materialien z. B. Pumpen für Nährstoffkreisläufe oder Energiespeicher am umweltschonendsten hergestellt werden und welche Funktionen sie erfüllen müssen, um eine optimale Wirtschaftlichkeit zu erreichen.

Weniger Wasser, weniger Pestizide, weniger Antibiotika

Der große Vorteil der vier genutzten Anbausysteme besteht darin, dass die jeweiligen Proteinquellen ganzjährig, klimaunabhängig und dadurch mit hoher Effizienz und Resilienz angebaut werden können. Darüber hinaus sind die geschlossenen Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Anbauprozessen eine äußerst ressourcenschonende Methode: Vertical Farming benötigt lediglich 5% des Wassers und 50% weniger Dünger. Auf Pestizide kann gänzlich verzichtet werden. Damit Vertical Farming hinsichtlich Energie- und Kosteneffizienz noch weiter optimiert werden kann, wird im Projekt an hybriden Beleuchtungs­systemen für Pflanzen geforscht, die Sonnen- und LED-Licht dynamisch und wellenlängenspezifisch miteinander kombinieren. Licht spielt auch eine wichtige Rolle bei der Algenkultivierung in den Photobioreaktoren, wo die Lichtausbeute mittels künstlicher Beleuchtung und KI-basierter Regelung optimiert wird.

Beim Insect Farming stellt die Vermeidung von Kontaminationen mit Insektenpathogenen die größte Herausforderung dar, um auf den Einsatz von Antibiotika und Pestiziden verzichten zu können. Im Zuge dessen wird erstmals ein geeignetes Überwachungssystem entwickelt, mit dem Insektenfarmen vor Infektionskrankheiten geschützt werden können. Bei der Kultivierung filamentöser Pilze als Proteinquelle besteht die entscheidende Aufgabe darin, kostengünstige Nährmedien für die Pilze bereitzustellen.

Verbesserte Rezepturen für höhere Akzeptanz

Über die technologischen und biotechnologischen Aspekte hinaus, werden im Projekt die neuen Proteinquellen und ihre sensorischen und funktionellen Eigenschaften für ein breites Spektrum von Anwendungen in der Lebensmittelindustrie optimiert und veredelt. Hierbei werden Rezepturen für Nahrungsmittel mit verbessertem ernährungsphysiologischem Profil entwickelt sowie die Akzeptanz bei Verbraucherinnen und Verbrauchern sowie Nachhaltigkeitsfaktoren bewertet.

Eckdaten zum Projekt

Laufzeit

01.01.2021 - 31.12.2024

Koordination

  • Fraunhofer IME
  • Fraunhofer IVV

Projektpartner

  • Fraunhofer IGB
  • Fraunhofer IOSB
  • Fraunhofer IWU
  • Fraunhofer UMSICHT