Der Fortschritt im Bereich der Cultivated-Food-Produktion, der durch Fermentation von Lebensmittelbestandteilen, Proteinen und Fleisch­alternativen gekennzeichnet ist, ist zweifellos eine der spannendsten Entwicklungen unserer Zeit. Es wird immer klarer, dass diese Branche das Potenzial hat, die Art und Weise, wie wir Lebensmittel produzieren und konsumieren, tiefgreifend zu verändern. Dennoch sind die Herausforderungen zahlreich und beträchtlich. Während viele Unternehmen Machbarkeitsstudien und erste Produktversionen vorstellen, bleiben die Kosten für die Massenproduktion aufgrund limitierter Analysemethoden und damit stark eingeschränkten Möglichkeiten zur Prozessoptimierung, ein zentrales Hindernis.

Der weltweite Lebensmittelkonsum wird in den kommenden Jahren ein beträchtliches Wachstum verzeichnen, das durch Faktoren wie Urbanisierung, steigende Einkommen und sich verändernde Lebensstile angetrieben wird. Laut dem Bericht „Meat Market: Global Industry Trends, Share, Size, Growth, Opportunity, and Forecast 2023-2028“ der International Market Analysis Research and Consulting Group (IMARC) wird der globale Lebensmittelmarkt bis 2028 voraussichtlich einen Wert von 1,6 Bio. USD erreichen, was die zunehmende Bedeutung dieses Sektors mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 2,3 % unterstreicht.

Während das Bevölkerungswachstum eine Rolle bei der Steigerung des Lebensmittelverbrauchs spielt, wächst der Lebensmittelmarkt tendenziell schneller als die Bevölkerung. Dies deutet auf eine steigende Nachfrage nach verschiedenen Nahrungsmitteln hin, darunter Fertiggerichte, spezielle Diätprodukte und alternative Nahrungsmittel, die nicht auf Anbauflächen angewiesen sind.

So hat sich z. B. Singapur, ein Land mit begrenzten Landressourcen für die traditionelle Landwirtschaft, ein ehrgeiziges Ziel gesetzt, das als „30-by-30“ bekannt ist. Die Regierung will bis 2030 30 % des Nahrungsmittelbedarfs durch nachhaltige urbane Landwirtschaft, vertikale Landwirtschaft und den Einsatz fortschrittlicher Technologien zur Steigerung der Lebensmittelproduktion selbst erzeugen. Um dieses Ziel zu erreichen, sind jedoch technologische Lösungen erforderlich, die den riesigen Bedarf an Anbauflächen minimieren.

„Die Wirtschaftlichkeit der Produktion von kultivierten Lebensmitteln ist eine der größten Hürden für die Branche.“

Nachhaltige Proteinquellen

Alternative Proteine bieten eine nachhaltige und ethische Antwort auf die Deckung des künftigen Nahrungsmittelbedarfs, von denen einige nicht auf wertvolle Landressourcen angewiesen sind. Proteine auf pflanzlicher Basis, die aus Soja, Erbsen und Linsen gewonnen werden, sind aufgrund ihrer positiven Auswirkungen auf die Umwelt und ihrer gesundheitlichen Vorteile sehr beliebt. Dennoch bleibt das Problem der Landnutzung für ihre Erzeugung bestehen.

Kultiviertes Fleisch, das durch zelluläre Landwirtschaft erzeugt wird, birgt das Potenzial, den ökologischen Fußabdruck der traditionellen Viehzucht zu verringern und gleichzeitig den vertrauten Fleischgeschmack zu erhalten. Diese Methode vermeidet den Verbrauch von Land. Darüber hinaus sind Proteine auf Fermentationsbasis, die mit Hilfe von Mikro­organismen wie Bakterien oder Myzelien hergestellt werden, vielversprechend, was die Skalierbarkeit und den Nährwert angeht.

Derzeit ist herkömmlich erzeugtes Fleisch von Tieren im Vergleich zu alternativen Optionen kostengünstiger. Ohne einen bedeutenden Katalysator, der den technologischen Fortschritt vorantreibt, wie z. B. die Verbesserung der Produktionsprozesse zur Steigerung der Effizienz, müssen alternative Proteine jedoch die Preisparität mit konventionellem Fleisch erreichen, um wettbewerbsfähig zu werden.

Trotz der potenziellen Vorteile von kultiviertem Fleisch und Proteinen auf Fermentationsbasis gibt es nach wie vor Herausforderungen. Bei der Produktion von kultiviertem Fleisch ist die Identifizierung optimaler wachstumsfördernder Faktoren für die gewünschten Zellen oder Produkte nach wie vor eine Hürde. Laufende Forschungsarbeiten zielen darauf ab, das Wachstumsmedium zu verfeinern und effiziente Produktionsverfahren zur Verbesserung des Zellwachstums zu etablieren.

Auch bei Proteinen auf Fermentationsbasis stellen das Verständnis und die Steuerung des Fermentationsprozesses zur Erzielung der gewünschten Proteinprofile eine Herausforderung dar, die innovative Lösungen erfordert. In beiden Fällen ist eine Steigerung der Gesamtausbeute zur Erreichung der Kostenparität äußerst wünschenswert. Leider bieten die derzeitigen Analysemethoden im Foodtech-Ökosystem keinen schnellen umfassenden Überblick mit einem Fingerabdruck aller enthaltenen Verbindungen.

Analytik als Innovationstreiber

Die traditionellen Analysemethoden, die in der Industrie verwendet werden, haben sich als einschränkend erwiesen. Sie benötigen oft Stunden bis Tage, und selbst dann muss man im Voraus genau wissen, nach welchen Inhaltsstoffen man sucht. Dies ist vor allem in einer Branche problematisch, die durch komplexe, biologisch bedingte Probenzusammensetzungen gekennzeichnet ist. Hinzu kommen die große Varianz bei der Probenvorbereitung und die erheblichen Auswirkungen, die unterschiedliche Anwender auf die Ergebnisse haben können. Kurzum, die klassische Analyse ist oft ein Hindernis für Innovation und Effizienz.

Hier bietet die auf Mittelinfrarotspektroskopie beruhende MIRA Aquaspec-Technologie eine potenziell revolutionäre Lösung. Sie erstellt in nur vier Minuten einen umfassenden digitalen Zwilling jeder analysierten Flüssigkeit. Diese Geschwindigkeit und Genauigkeit, kombiniert mit extremer Reproduzierbarkeit, ist in der Branche beispiellos, und die Vorteile dieser Technologie sind tiefgreifend. Erstens erlaubt die Möglichkeit, ein so detailliertes Profil einer Flüssigkeit zu erstellen, eine umfassende Analyse. Zweitens lassen sich durch die Erfassung eines breiten Spektrums von Inhaltsstoffen komplexe Beziehungen und Korrelationen zwischen ihnen erkennen. Dies ist entscheidend für das Verständnis und die Identifizierung von limitierenden Faktoren im Produktionsprozess, was wiederum den Weg für Optimierungen ebnet.

Die Wirtschaftlichkeit der Produktion von kultivierten Lebensmitteln ist eine der größten Hürden für die Branche. In diesem Bereich erweist sich die MIRA-Technologie als besonders wertvoll. Traditionelle Produktionsmethoden erfordern oft teure und spezifische Rohstoffe. MIRA hingegen ermöglicht die Verwendung vielfältigerer und kostengünstigerer Materialien, einschließlich natürlicher Stoffe und Lebensmittelabfälle. Dies senkt nicht nur die Kosten, sondern fördert auch eine nachhaltigere Produktionsmethode.

Die nachgelagerten Sektoren und der Bereich Fill & Finish profitieren von der MIRA-Technologie, indem sie die Kontrolle und Optimierung der nachgelagerten Prozesse durch die Überwachung kritischer Qualitätsmerkmale (CQAs) ermöglicht. Vor allem in der Downstream-Phase ist es entscheidend, die Reinigungsprozesse so effizient wie möglich zu gestalten, um nur die für die Produktqualität wesentlichen Stoffe zu entfernen, z. B. unerwünschte Geschmacksstoffe (Off-Flavors) zu eliminieren.

Ein oft übersehener Bereich ist die Nachhaltigkeit. Obwohl die grüne Biotechnologie im Allgemeinen als Lösung für eine nachhaltige Produktion angesehen wird, gibt es immer noch Herausforderungen. So ist bspw. der Wasserverbrauch bei vielen Prozessen nach wie vor sehr hoch, insbesondere in wasser­armen Ländern, wo diese Prozesse nicht optimal umgesetzt werden können. Die MIRA-Technologie des Bioanalytikspezialisten Clade könnte zur Senkung des Wasserverbrauchs beitragen, indem sie die Prozesse optimiert und die Möglichkeit der Wiederverwendung des Wassers nach der analytischen Prüfung bietet.

Datenbasierte Prozessoptimierung

Der Einsatz fortschrittlicher Algorithmen erhöht den Nutzen der MIRA-Technologie. Die kalibrierungsfreie DOSIM-Methode von Clade, die auf Datenbankeinträgen digitaler Zwillinge (eTwins) basiert, ermöglicht die schnelle qualitative und quantitative Erkennung bekannter Verbindungen. Darüber hinaus helfen Cluster-Algorithmen bei der Unterscheidung zwischen optimalen und suboptimalen Produktionschargen auf der Grundlage von Spektralmustern. Und sobald genügend Daten von verschiedenen Chargen vorliegen, können Deep-Learning-Methoden implementiert werden, um den Produktionsprozess bis ins kleinste Detail zu beschreiben. Diese Algorithmen ermöglichen in Kombination mit der MIRA-Technologie nicht nur die Prozessoptimierung, sondern auch die Überwachung und Regelung von Prozessen in Echtzeit. Und das nicht nur in der Theorie: In der Pharmaindustrie hat die MIRA-Technologie bereits zu erheblichen Optimierungen beigetragen. Ein ähnlicher Ansatz im Bereich der kultivierten Lebensmittel ist also analog möglich.

Fazit

Die MIRA Aquaspec-Technologie, ergänzt durch die innovativen Algorithmen des 2001 unter dem Namen Micro-Biolytics gegründeten Analysengeräteherstellers Clade, hat das Potenzial, den Bereich Cultivated Food zu revolutionieren. Die Kombination aus Geschwindigkeit, Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Flexibilität wird die Produktionskosten senken und die Qualität steigern. Für die Verbraucher bedeutet dies bessere Produkte zu wettbewerbsfähigen Preisen, während die Erzeuger von effizienteren Prozessen profitieren. Es ist eine aufregende Zeit für die Branche der kultivierten Lebensmittel, und mit Technologien wie MIRA an vorderster Front liegen die besten Tage sicherlich noch vor uns.

Stefan Bahnmüller, Executive Director, Evovian Pte. Ltd., Singapur

Andreas Wolf, Gründer, Clade AG, Frankfurt am Main