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Fachbeitrag: Seafood aus dem Bioreaktor

Die Ozeane schützen durch nachhaltige Lebensmittelproduktion

Die Weltbevölkerung wächst stark, die Ernährung von bald 10 Milliarden Menschen wird immer mehr zur Herausforderung. Noch decken traditionelle Nutztierhaltung, Fischfang und Aquafarming den Bedarf an tierischen Proteinen. Wie können in Zukunft Proteine als Bestandteil einer hochwertigen Ernährung auf nachhaltige Art und Weise produziert werden? Die Erforschung und Entwicklung innovativer und markttauglicher Produktionstechnologien ist weltweit voll im Gange. Aus der sogenannten zellbasierten Landwirtschaft (Cellular Agriculture) gehen vielversprechende Produkte hervor. Das bekannteste davon ist „Cultivated Meat“ – in Zellkultur kultiviertes Fleisch.

Die Herstellung von kultivierten Fleisch- und Fischprodukten: eine Herausforderung

Bei der Produktion von kultiviertem Fleisch werden tierische Stammzellen mit den entsprechenden Nährstoffen, Salzen und Wachstumsfaktoren kombiniert und in Bioreaktoren zur Vermehrung angesetzt. Diese Methode wird auch zur Herstellung von Fischprotein für Fischgerichte vorangetrieben. Neue Technologien sollen es ermöglichen, tierische Zellen in großem Maßstab, auf wirtschaftlich und ökologisch nachhaltige Weise zu züchten. Ohne Überfischung der Ozeane, ohne Schwermetalle und Mikroplastik, aber mit dem gleichen Nährwert wie gewöhnliche Speisefische.

Bis zur Marktreife vieler Produkte der sogenannten „Cellular Agriculture“ gilt es – vor allem in Bezug auf Skalierbarkeit, Kosten oder regulatorische Zulassungen – derzeit noch einige Hürden zu überwinden. Die Entwicklung optimaler Produktionsprozesse und deren Scale-up stehen im Zentrum vieler Überlegungen. Die zentrale Frage lautet: Wie gelingt eine effiziente Produktion von neuen Lebensmitteln wie Cultured Meat im kommerziellen Maßstab? Die Antwort: Mit ERIDIA als erfahrenem Partner! Das neue Joint Venture von ZETA und Bühler treibt die zelluläre Landwirtschaft voran und ist der ideale Partner für den Weg zur Marktreife!

ZETA Kunden wissen die hervorragende Engineering-Kompetenz des Spezialisten für aseptische Produktionsprozesse zu schätzen. So auch ein Produzent von kultiviertem (Fisch-)Fleisch. Für dieses Unternehmen entwickelte ZETA ein Tabletop-System im Labormaßstab. Diese Versuchsanlage soll der Prozessoptimierung dienen, um die optimalen Wachstumsbedingungen für die Zellen zu ermitteln.

ZETA entwickelt eine Tabletop-Anlage zur Prozessoptimierung

Die kleine Tabletop-Anlage wurde als flexibles und modulares System entwickelt. Zum Großteil kommen Single-Use-Komponenten zum Einsatz.  Das Herzstück der Anlage ist ein Kulturbehälter mit speziellen Einbauten. Dazu gehört eine Halterung für die sogenannten Scaffolds. Dabei handelt es sich um kleine Plättchen aus essbarem Material wie Kollagen, auf welchen die tierischen Zellen aufgebracht sind. Im wachsenden Gewebe wird durch die Scaffolds der Aufbau von Struktur und Richtung ermöglicht. Das Fleisch selbst wird dann in einem nachfolgenden, biotechnologischen Prozess aus diesen bewachsenen Plättchen generiert. Der Kulturbehälter ist mit einer Temperiereinheit (TCU) und einem Doppelmantel ausgestattet.

Die wachsende Zellkultur benötigt eine effiziente Versorgung mit Nährstoffen, zugleich müssen toxische Stoffwechselprodukte entfernt werden. Um dies zu bewerkstelligen, entwickelte ZETA ein spezielles Design, welches eine gleichmäßige Strömung des Mediums erlaubt.

Optimale Bedingungen zum Zellwachstum

Die entwickelte Lösung erlaubt, dass wertvolle Wachstumsfaktoren und Hormone im Kulturbehälter bleiben und gleichzeitig Stoffwechselprodukte entfernt werden. Ein Sensor misst die Nährstoffkonzentration und ermöglicht eine genaue Zudosierung der Nährmedien. Zusätzlich zur Inline-Analytik gibt es auch eine Möglichkeit zur manuellen Probeentnahme.

Ein weiterer entscheidender Punkt für das Wachstum der Zellen in einem Bioreaktor ist die Sauerstoffversorgung. Wie erreicht man durch Rühren oder Begasen eine optimale Sauerstoffkonzentration, ohne die empfindlichen Zellen durch auftretende Scherkräfte zu schädigen? Die von ZETA entwickelte Methode zur zuverlässigen Bestimmung eines der wichtigsten Performanceparameter in Bioreaktoren – des Massentransferkoeffizienten für Sauerstoff (kLa) – ist dabei ein Meilenstein in Bezug auf deren Optimierung. Für die Versorgung der wachsenden Zellen in der beschriebenen Pilotanlage wurde ein spezielles effizientes Begasungssystem designt.

„Die Planung des Systems und der Automation desselben war der erste Schritt. Nun erfolgen die Konstruktion des Prototyps und funktionelle Tests. Im Anschluss folgt die Lieferung zu unserem Partner“, erläutert Thomas Maischberger, Process Engineer im Project Development bei ZETA, und betont: „Das gesamte Projekt ist geprägt von einer engen Kooperation zwischen ZETA und den Prozessexperten unseres Auftraggebers.“

Gemeinsam mit ERIDIA auf dem Weg zur Marktreife

Erhebliche Entwicklungen sind noch erforderlich, um kultiviertes Fleisch über Geschmackstests hinaus zur Marktreife zu bringen. ZETA hat die besten Voraussetzungen, gemeinsam mit den zukünftigen Produzenten der nachhaltig erzeugten Lebensmittel, maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln. ZETA hat umfangreiche Expertise und Erfahrung in aseptischer Prozessführung, im Prozess-Engineering und im Prozessdesign nach GMP-Richtlinien.

Author: Thomas Maischberger

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