Als Reaktion auf die dezimierten Fischbestände und die weltweit steigende Aquakulturproduktion schreitet die Forschung und Entwicklung im Bereich der einzelligen Proteine (SCP) als alternative Zutat zum Ersatz von Fischmehl in Aquakultur- und anderen Viehfuttermitteln voran. Dieses erneute Interesse ebnet jedoch auch den Weg für SCPs in Lebensmittelanwendungen. Da SCPs sowohl für Futtermittel- als auch für Lebensmittelhersteller immer relevanter werden, ist es wichtig, zwischen den Entwicklern hinsichtlich ihrer technischen Fähigkeiten und ihrer Marktansätze zu unterscheiden.
Lux hat kürzlich über die strategischen Auswirkungen von Synbio berichtet und vier Schlüsselelemente für die Differenzierung bei Anwendungen der synthetischen Biologie ermittelt. Diese Schlüsselelemente sind Ausgangsstoffe, Mikroorganismen, Produktionsinfrastruktur, Produkte und Märkte. Auf der Grundlage dieses Rahmens werden in diesem Bericht mehrere SCP-Entwickler untersucht, die auf die Futter- und Lebensmittelindustrie abzielen, und diese Informationen werden genutzt, um zusätzliche Bedenken zu skizzieren, die Kunden bei jedem Schlüsselelement berücksichtigen sollten.
Schlüsselelemente für den Erfolg von synbio
Ausgangsmaterial: Haben Sie Zugang zu einem preiswerten Rohstoff?
- Mikroben verstoffwechseln einfache organische Verbindungen wie Zucker, Alkohole, organische Säuren und Kohlenwasserstoffe. Die Produktion erfordert oft die Nähe zu einer Gasquelle (z. B. Ethanolanlagen, Rauchgas und Biogas aus landwirtschaftlichen Abfällen), um unnötige Produktionskosten zu vermeiden. Die Verwendung von Methan oderCO2 als Ausgangsstoff bietet den Herstellern dieser Gase eine Möglichkeit zur Reduzierung ihrer gesamten Treibhausgasemissionen. Andere potenzielle Substrate für SCP sind Zucker der ersten und zweiten Generation, Stärke, Zellulose oder holzige Biomasse. Die holzige Biomasse muss jedoch vorbehandelt werden, um sie in die Bestandteile Lignin, Hemizellulose und Zellulose zu trennen, bevor die Hemizellulose in Xylose und die Zellulose in Glukose umgewandelt wird.
Mikroorganismus: Wie schneidet Ihr Mikroorganismus im Vergleich zur Konkurrenz ab?
- SCP wird aus Bakterien, Hefe oder anderen Pilzen gewonnen. Bakterien haben in der Regel einen höheren Proteingehalt (50 bis 80 %) als Hefe (40 bis 60 %) oder Pilze und weisen eine schnellere Wachstumsrate auf.
- Konkurrenten erforschen den Einsatz von gezielter Evolution und genetischer Veränderung, um kommerziell relevante Eigenschaften oder funktionelle Attribute zu optimieren, einschließlich der Biomasseumwandlungsrate, der Produktkonsistenz und der Nährstoffzusammensetzung. Die gentechnische Veränderung von Inhaltsstoffen, die ganze Zellen oder Ganzzell-Lysate enthalten, wird von den Aufsichtsbehörden genauestens geprüft.
Produktionsinfrastruktur: Es kommt nicht nur auf die Kapazität an, sondern auch auf die Eigentumsstrategie (Bau/Eigentum/Betrieb vs. Auftragsfertigung)
- Nur wenige SCP-Hersteller haben eine groß angelegte Produktion erreicht, was zum Teil auf die hohen Investitionskosten (die Baukosten für eine typische Anlage liegen im dreistelligen Millionenbereich) und die Herausforderungen bei der Produktvalidierung in den Zielmärkten zurückzuführen ist. Lux sprach kürzlich mit dem CEO von White Dog Labs, Bryan Tracy, der sagte, dass die Entwickler in der Lage sein müssen, genügend Protein im Pilotmaßstab zu produzieren, um umfangreiche Tests und Fütterungsversuche durchzuführen, bevor das Produkt verkauft werden kann. Ausgehend von den Gesprächen von Lux mit SCP-Innovatoren ist ein angemessenes Ziel für die Produktion im Pilotmaßstab 10.000 Tonnen pro Jahr (MT/Jahr).
Produkt und Markt: Was verkaufen Sie und zu welchem Preis?
- Die Hauptstrategie der SCP-Erzeuger besteht darin, auf Futtermittel zu setzen, insbesondere als nachhaltige Alternative zu Fischmehl. Erfolgreiche Fütterungsversuche und Tests führen zu einer behördlichen Zulassung.
- Die Anwendung von SCP als Lebensmittelzutat muss die Herausforderungen der öffentlichen Wahrnehmung überwinden und unsichere regulatorische Hürden überwinden (d.h. die Zulassung neuartiger Lebensmittel). Die Hersteller von SCP müssen nicht nur Geschmack, Schmackhaftigkeit, Kosten und Qualität bieten, sondern auch Wettbewerbsvorteile (z. B. Nachhaltigkeit und Nährwertprofil) gegenüber anderen alternativen Proteinen auf dem Lebensmittelmarkt nachweisen. Die Entwicklung der zellulären Landwirtschaft und anderer fermentierter Lebensmittel könnte den Wandel in der öffentlichen Meinung hin zu einer weit verbreiteten Akzeptanz von SCP als Lebensmittel unterstützen.
Unterscheidung der Wettbewerber durch Schlüsselelemente
In der nachstehenden Abbildung unterscheiden wir mehrere SCP-Entwickler, die auf die Lebens- und Futtermittelindustrie abzielen, nach vier Schlüsselelementen: Rohstoffe, Mikroorganismen, Produktionsinfrastruktur, Produkte und Markt. Auf der Grundlage dieses Vergleichs fassen wir die Ergebnisse für jedes Schlüsselelement zusammen und erörtern im Folgenden weitere Bedenken.
Abb. 1. Vergleich der Schlüsselelemente aus Sicht der Entwickler von Einzelzellproteinen für Futter- und Lebensmittel
Die Verfügbarkeit von Rohstoffen wird von entscheidender Bedeutung sein
Kostengünstige Ausgangsstoffe für die SCP-Produktion sind in der Regel Nebenprodukte industrieller Prozesse. So behauptet KnipBio, sein System entwickelt zu haben, um kondensierte Destillationsabfälle, ein Nebenprodukt der Ethanolgärung, zu verwenden, um eine Kostenwettbewerbsfähigkeit mit Fischmehl zu erreichen. Andere Wettbewerber verwenden Rohemissionen aus Zementfabriken oder Ölraffinerien. Zu diesem Zweck sind strategische Partnerschaften mit Branchen, die kompatible Nebenprodukte erzeugen, wie z. B. der Energiewirtschaft, von entscheidender Bedeutung. Die jüngste Unterstützung durch Bundesregierungen und Öl- und Gasunternehmen(BP Ventures) deutet darauf hin, dass SCP-Entwickler bei der Beschaffung ihrer Rohstoffe Stabilität finden werden.
Systeme, dieCO2 als Ausgangsstoff verwenden, benötigen auch Wasserstoffgas als mikrobielle Energiequelle. Zu den Wasserstoffquellen gehören die Wasserelektrolyse, die aufgrund der heutigen hohen Strompreise die teuerste Komponente ist (siehe die Technikseite zur Wasserelektrolyse), oder ein Nebenprodukt der Betonherstellung. Solar Foods plant, Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse zu gewinnen, die mit Solarenergie betrieben wird; der hohe Energieverbrauch des Systems könnte jedoch in großem Maßstab ein großes Problem darstellen.
Fortschrittliche Stammentwicklung führt zu kommerzieller Optimierung
SCP-Entwickler wählen und optimieren Mikroorganismenstämme auf der Grundlage von Wachstumsrate und Proteingehalt. Gegenwärtig ist der spezifische Stamm weniger wichtig als die Bemühungen der Entwickler, die Eigenschaften der Stämme zu optimieren. Am deutlichsten wird dies bei denjenigen, die auf Anwendungen in der menschlichen Ernährung abzielen und sich noch nicht auf eine akzeptierte mikrobielle Produktionsplattform festgelegt haben. Das mag an der Vertrautheit mit der traditionellen Fermentation mit Hefe liegen oder an der falschen Vorstellung der Verbraucher, dass der Verzehr von Bakterien gefährlich ist.
SCP-Lebens- und -Futtermittel werden derzeit nicht aus transgenen Organismen hergestellt, aber die Entwickler erforschen künftige Möglichkeiten zur Verbesserung wichtiger Eigenschaften wie der Nährstoffverwertung durch diese Methoden (z. B. String Bio, NovoNutrients, Kiverdi).
Produktionsinfrastruktur differenziert den Wettbewerb
Calysta und Unibio sind führend in der großtechnischen Produktion (beide über 10.000 MT/Jahr) und haben sich Partnerschaften gesichert, die das Wachstum vorantreiben werden. Die Produktionsplattformen beider Unternehmen sind dank der Schlaufenreaktortechnologie, die eine kontinuierlich hohe Ausnutzung gasförmiger Ausgangsstoffe ermöglicht, leicht skalierbar. Sie behaupten außerdem, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Rührkesseln weniger Energie verbrauchen und weniger Kosten verursachen.
Unternehmen, dieCO2 als Rohstoff einsetzen, suchen zwar nach strategischen Partnern, doch müssen sich diese Technologien erst noch auf der kommerziellen Ebene bewähren. Die hohen Investitionskosten in Verbindung mit der Abhängigkeit von Wasserstoffgas als Energiequelle könnten eine eingehendere technische und wirtschaftliche Bewertung rechtfertigen. Dennoch gibt es starke Konkurrenten, die Zugang zu Gasinputs und Kapital haben. Dazu gehört NovoNutrients, das kürzlich dem Catalyst-Programm von Chevron Technology Ventures beigetreten ist.
Die Entwickler White Dog Labs und Arbiom, die beide aus Zellulose gewonnene Rohstoffe verwenden, gehen derzeit zur großtechnischen Produktion über. Beide Unternehmen haben ihre Proteinbestandteile ausgiebig getestet und dabei vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf Ernährung und Nachhaltigkeit erzielt.
Die Kommerzialisierung auf dem Markt für menschliche Nahrungsmittel wird eine größere Herausforderung sein
SCP stößt weiterhin auf Interesse für Anwendungen in Aquakulturfutter, da die Unternehmen ihre Produkte in der Industrie validieren (z. B. Calysta und Thai Union Group).
Solar Foods, Sustainable Bioproducts und Kiverdi's Air Protein konzentrieren sich ausschließlich auf die Herstellung von Proteininhaltsstoffen für den menschlichen Verzehr; die Kommerzialisierung in diesem angestrebten Markt ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Diese Entwickler befinden sich noch in einem frühen Stadium und haben noch keine skalierte Produktion oder behördliche Genehmigung erreicht. Solar Foods könnte durch seine Zusammenarbeit mit Akteuren der Lebensmittelindustrie zur Bestimmung der SCP-Leistung in verschiedenen Lebensmittelanwendungen einen kleinen Vorsprung gegenüber anderen haben.
Schlussfolgerung
Da SCP in der Lebensmittelbranche vor größeren Herausforderungen in Bezug auf Vorschriften und öffentliche Wahrnehmung steht als in der Futtermittelindustrie, ist zu erwarten, dass die Entwickler ihre Produkte in unterschiedlichem Tempo validieren und Hindernisse für die Vermarktung überwinden werden. Erfolgreiche Entwickler, die auf eine der beiden Branchen abzielen, werden jedoch diejenigen sein, die Zugang zu potenziellen Partnern für Abfallströme erhalten und sich vergrößern können. Ebenso sollten Unternehmen, die über Rohstoffe, geeignete Abfallströme oder Fermentationskapazitäten verfügen, sich SCP zunutze machen. Die Zeit, sich mit SCP zu beschäftigen, ist jetzt gekommen, denn die künftige Nachfrage nach Proteinen wird darauf bestehen.