Biotechnologische Konversion von Riegelteigabschnitt-Resten in Citronensäure und proteinhaltige Hefebiomasse für die Kreislaufwirtschaft in der Lebensmittelindustrie
Projektdurchführung
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
Dept. Umwelt- und biotechnologisches Zentrum (UBZ)
Permoserstr. 15
04315 Leipzig
Zielsetzung
Die Implementierung einer Kreislaufwirtschaft (Circular economy) in bestehende Industriezweige unter Nutzung von im Produktionsprozess anfallenden Reststoffen und Nebenprodukten stellt eine wissenschaftlich-technische Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere für die Nahrungsmittelindustrie, deren Rohstoffe überwiegend aus begrenzt verfügbaren landwirtschaftlichen Flächen stammen. Gleichzeitig steigt mit zunehmendem Gesundheitsbewusstsein der Bevölkerung die Nachfrage nach funktionellen Lebensmitteln wie Protein- und Energieriegeln mit angepassten Nährstoffprofilen. Bei der Produktion dieser Riegel fallen kontinuierlich in signifikanten Mengen Riegelteigreste (RTR) sowie über- und untergewichtige Produkte an, die aufgrund von Beschichtungen nicht erneut als Teigmasse verarbeitet werden können und derzeit überwiegend einer energetischen Verwertung zugeführt werden. Dieses bislang unzureichend genutzte Reststoffpotenzial bietet jedoch erhebliche Möglichkeiten für eine stoffliche Verwertung im Sinne der Kreislaufwirtschaft.
Ziel des Verbundvorhabens der anona GmbH, des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung GmbH – UFZ und des Instituts für Nichtklassische Chemie e. V. (INC) ist daher die Entwicklung eines biotechnologischen Verfahrens unter Einsatz der Hefe Yarrowia lipolytica, mit dem diese Reststoffe sowie weitere geeignete Produktionsrückstände effizient in Citronensäure und proteinhaltige Biomasse konvertiert werden. Für den Wiedereinsatz dieser biobasierten Produkte als Ausgangstoffe in den Produktionsprozessen am Standort des Nahrungsmittelproduzenten wird ein effizientes Produktaufarbeitungsverfahren für das bevorzugte Zielprodukt Trimagnesiumdicitrat entwickelt und hinsichtlich seiner Skalierbarkeit bewertet. Die Eignung der Produkte wird durch physikochemische Charakterisierung sowie Anwendungstests hinsichtlich ihrer Substitutionsfähigkeit in Endprodukten des Nahrungsmittelproduzenten anona, wie Getränkepulvern und Energieriegeln, untersucht. Integriert in das Vorhaben wir eine ökologische und ökonomische Bewertung durch ein Life Cycle Assessment erfolgen.
Modellhaft sollen mit dem Vorhaben Beiträge zum Aufbau und weiteren Ausbau einer Kreislaufwirtschaft für eine ressourcenschonende Nahrungsmittelproduktion unter Wiedernutzung von biogenen Reststoffen innerhalb der bestehenden Produktionsprozesse geleistet werden und eine ökologische sowie ökonomische Bewertung durch ein Life Cycle Assessment erfolgen.
Arbeitsschritte
Die Umsetzung des Vorhabens zur Entwicklung eines hefebasierten Bioverfahrens für Reststoffe aus der Proteinriegelproduktion erfolgt unter einem ganzheitlichen, interdisziplinären Bearbeitungsansatz. Dieser umfasst die gesamte Prozesskette der Verfahrensentwicklung – von der Identifikation geeigneter Rohstoffe und deren Aufbereitung über die Entwicklung und Überführung des hefebasierten Bioprozesses in den Bioreaktormaßstab, der Produktaufbereitung und -testung bis zur ökologischen und ökonomischen Bewertung.
Das Projekt ist in sechs Arbeitspakete (AP) unterteilt, wobei die zeitliche Planung des Transfers von Produktmustern in Form eines Mustermengenplanes so konzipiert ist, dass alle drei Projektpartner, über die gesamte Laufzeit hinweg aktiv an der Verfahrensentwicklung partizipieren können. Im Detail umfassen die Arbeitspakete (AP):
AP 1: Charakterisierung, Analytik und Auswahl der Reststoffe für den Hefeprozess
• Bereitstellung und Charakterisierung von geeigneten Riegelteigrest-Fraktionen (RTR) und weiterer
Reststoffen als Co-Substrate
AP 2: Limitationsbedingungen für Citratbildung, Optimierung des Kultivierungsmediums
• Identifizierung Nährstofflimitation für Citratbildung mit RTR und anderen kohlenstoffreichen Reststoffen
AP 3: Bioprozessentwicklung und -optimierung der Citratgewinnung
• Übertragung des Bioprozesses mit RTR von Schüttelkolben- in den Bioreaktormaßstab
• Entwicklung von Prozessführungsstrategien
• Durchführung von Kultivierungen im 1 bis 30 l-Maßstab zur Bereitstellung von Produktmustern
AP 4: Entwicklung Produktaufbereitung und -isolierung für Citrat und proteinhaltige Biomasse
• Konzeptionierung und Durchführung von Versuchen zur Isolierung von Trimagnesiumdicitrat als Zielverbindung
• Untersuchungen zur primären Aufreinigung der Kulturlösungen
AP 5: Untersuchungen zu Substitution von Rohstoffen bei anona durch hefebasierte Citrate und Proteine
• Übernahme Produktmuster und deren physikalische Charakterisierung und Testung der Einsatzfähigkeit in Produkten von anona
AP 6: Nachhaltigkeitsbewertung (Life Cycle Assessment)
• Festlegung der Ziele und Systemgrenzen für Nachhaltigkeitsbewertung
• Analyse und ökologische und ökonomische Bewertung des Istzustandes mit externer Beschaffung Rohstoffe im Vergleich mit einer integrierten hefebasierten Eigenproduktion
Ergebnisse
Im Rahmen des Verbundvorhabens ist es gelungen, ein Bioverfahren mit der Hefe Yarrowia lipolytica für die Gewinnung von Citronensäure unter ausschließlicher Nutzung von Reststofffraktionen aus der Proteinriegelproduktion in Kombination mit zuckerhaltigen Reststoffen zu entwickeln. Hierfür wurden geeignete Verfahren zur Aufbereitung der Reststoffe für die Hefekultivierung etabliert.
Für eine effiziente Citratbildung konnte eine kombinierte N/P-Limitierung umgesetzt werden. Dabei erwies sich ein C:N-Verhältnis von > 55:1 als erforderlich, das durch die Zugabe eines stickstoffarmen Co-Substrats, beispielsweise Aspirationsresten aus der Getränkepulverherstellung, eingestellt wurde. Im Rahmen der Bioprozessentwicklung konnte zudem gezeigt werden, dass – mit Ausnahme der Spurenkomponente Thiamin – alle für das Hefewachstum erforderlichen Nährstoffe durch die eingesetzten Reststoffe bereitgestellt werden können.
Der optimierte Bioprozess mit Substratwechsel zwischen Wachstums- und Produktionsphase ermöglichte Citratkonzentrationen von über 100 g/l innerhalb von 240 h Kultivierung. Citrathaltige Produktlösungen für die weitere Aufarbeitung wurden in Bioreaktoren bis 30 l Nennvolumen erzeugt.
Als bevorzugtes Zielprodukt der nachgeschalteten Produktaufarbeitung wurde Trimagnesiumdicitrat in Form seines Dodecahydrats identifiziert. Durch eine Kombination aus Fällungs- und Waschschritten konnten Produktreinheiten von > 99 % bei Ausbeuten von > 80 % erzielt werden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass in Reststoffen enthaltenes Citrat mit zurückgewonnen werden kann.
Die gewonnenen Produktmuster wurden umfassend physikochemisch charakterisiert und als Edukte in den Produktionslinien der anona GmbH getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass das reststoffbasiert erzeugtes Trimagnesiumdicitrat für den Einsatz in Getränkepulvern sowie Energie- und Mahlzeitersatzriegeln geeignet ist und kommerzielle Standardprodukte substituieren kann.
Ergänzend wurde eine ökologische und ökonomische Bewertung einer reststoffbasierten Herstellung von Trimagnesiumdicitrat am Produktionsstandort der anona GmbH durchgeführt. Im Vergleich zum externen Bezug kommerzieller Citrate aus großindustrieller Produktion zeigten sich Vorteile hinsichtlich einzelner Umweltindikatoren, während die Kostenvorteile bei einer externen Beschaffung liegen.
Öffentlichkeitsarbeit
Im Vorhaben wurde ein umfangreiches technologisches Know-how zur reststoff- basierten biotechnologischen Citratproduktion sowie zur Produktisolierung und Wiedernutzung der Citrate als Rohstoffe generiert, das insbesondere für den Technologietransfer von Interesse ist. Die Projektpartner planen, die wesentlichen Ergebnisse als Technologie-Angebot online bereitzustellen, um potenziellen Anwendern einen kompakten Zugang zu den Lösungsansätzen zu ermöglichen und geeignete Kooperationspartner zu gewinnen.
Ein erster Austausch mit Fachöffentlichkeit und Anwendern erfolgte im Rahmen der 6. Bioraffinerietagung des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) im September 2025, bei der das Konzept des Vorhabens vorgestellt und diskutiert wurde.
Im Rahmen der studentischen Ausbildung wurden einzelne wissenschaftliche Fragestellungen in einer Masterarbeit vertieft bearbeitet, die öffentlich zugänglich ist und zur Verbreitung der Projektergebnisse beiträgt.
Geplant ist außerdem, die Ergebnisse wissenschaftlich aufzubereiten und in einer gemeinsamen Publikation zu veröffentlichen, um die fachliche Sichtbarkeit und langfristige Verfügbarkeit zu sichern.
Fazit
Die parallele Bearbeitung des Vorhabens in sechs ineinandergreifenden Arbeitspaketen durch die Verbundpartner anona GmbH, INC und UFZ hat sich als zielführend erwiesen. Alle zentralen Projektziele und Meilensteine wurden fristgerecht erreicht.
Am Beispiel Trimagnesiumdicitrat konnte die grundsätzliche Machbarkeit einer reststoffbasierten biotechnologischen Eigenerzeugung hochwertiger Rohstoffe für bestehende Produktionsprozesse demonstriert werden. Eine zentrale Voraussetzung für die Umsetzung ist die ausreichende Verfügbarkeit und Qualität geeigneter Reststoffströme. Trotz erkennbarer ökologischer Vorteile ist eine direkte Implementierung des entwickelten Verfahrens am Standort des Industriepartners aufgrund begrenzter Reststoffmengen in den erforderlichen Qualitäten, notwendiger Investitionen und fehlender Skaleneffekte derzeit wirtschaftlich nicht aussichtsreich.
Das im Projekt generierte Know-how besitzt jedoch ein hohes Transferpotenzial und kann auf Firmenstandorte mit geeigneten Reststoffströmen sowie in bestehende biotechnologische Produktionsumgebungen übertragen und weiterentwickelt werden. Einzelne Verfahrensschritte, insbesondere die direkte Ausfällung von Trimagnesiumdicitrat, bieten darüber hinaus eigenständige Anwendungsmöglichkeiten. Eine Nutzung der anfallenden Hefebiomasse, beispielsweise im Futtermittelbereich, würde zusätzliche Verwertungspfade eröffnen und zu einer noch nachhaltigeren Nutzung der Reststoffe beitragen.