Wie das Projekt C.A.T.A.L.I.S.T. die zelluläre Landwirtschaft skaliert

Foto: Universität Hohenheim/Philipp Scheurich, KI-generiert mit Adobe Firefly

Flächenknappheit, Klimawandel und steigende Anforderungen an das Tierwohl: Unser globales Ernährungssystem steht unter massivem Druck. Um eine wachsende Weltbevölkerung künftig sicher und ressourcenschonend zu versorgen, reichen inkrementelle Verbesserungen nicht aus. Wir müssen die biologische Produktion von der Fläche in biointelligente Systeme verlagern. Ein Hoffnungsträger ist die zelluläre Landwirtschaft. Hier werden Proteine, Fette oder Aromen nicht auf dem Feld oder im Stall gewonnen, sondern mithilfe von Mikroorganismen und Pilzen in biotechnologischen Verfahren hergestellt. Laut Projektplan wird mit der Eröffnung der Plattform in Q3 oder Q4 in 2027 gerechnet.
Was im kleinen Labormaßstab bereits hervorragend funktioniert, steht vor einer entscheidenden Hürde: der Skalierung. Wie bringt man die biotechnologische Lebensmittelproduktion vom Reagenzglas in den Pilotmaßstab, um sie wirtschaftlich und gesellschaftlich relevant zu machen?

Ein Meilenstein für den Standort Hohenheim
Genau hier setzt das zukunftsweisende Projekt C.A.T.A.L.I.S.T. an der Universität Hohenheim an. Unter dem Leitgedanken Food First entsteht dort aktuell eine skalierbare Bioreaktoren-Plattform, die die Lücke zwischen Forschung und industrieller Anwendung schließt. Gefördert mit 1,1 Millionen Euro aus EFRE-Mittel, ermöglicht das Projekt die Herstellung zellbasierter Produkte in Mengen, die eine fundierte technologische und ernährungsphysiologische Untersuchung erst möglich machen.

Das Besondere dabei: C.A.T.A.L.I.S.T. versteht sich nicht als Ersatz, sondern als komplementäre Brücke zur klassischen Landwirtschaft. So dienen beispielsweise Nebenströme wie Sauermolke oder Presskuchen aus der Sojaverarbeitung als Nährbasis für die Mikroorganismen – ein Paradebeispiel für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft und eine direkte Brücke zur landwirtschaftlichen Produktion.

Tiefere Einblicke im Interview
Wie sieht diese neue Form der Landwirtschaft konkret aus? Welche Chancen bietet sie speziell für dicht besiedelte Regionen wie Baden-Württemberg? Und warum ist die enge Verzahnung von Agrarwissenschaft und Biotechnologie der Schlüssel zum Erfolg?

Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, haben wir mit den Köpfen hinter dem Projekt gesprochen. Im folgenden Interview geben Prof. Dr. Mario Jekle, Dr. Sabina Paulik und Dr. Evelyn Reinmuth vertiefende Einblicke in die Vision von C.A.T.A.L.I.S.T. und erklären, warum dieses Projekt ein echter Beschleuniger für die Lebensmittelversorgung von morgen ist.

Was sind aus Ihrer Erfahrung die kritischsten biologischen oder technischen Parameter, die bei der Skalierung von Mikroorganismen und Pilzen oft unterschätzt werden und die C.A.T.A.L.I.S.T. nun kontrollierbar macht?

Die Skalierung von Fermentationen von Mikroorganismen und Pilzen ist schon immer sehr herausfordernd. Wichtige Parameter sind dabei u.a. der Stoff- und Wärmetransport, die Sauerstoffversorgung bei aeroben Prozessen und teils auch Scherkräfte, die mechanische Belastung verursachen können, aber auch die Anreicherung von Nebenprodukten, welche dann abgeführt werden müssen. Mit C.A.T.A.L.I.S.T. versuchen wir die Grundlage zu schaffen, um diese Parameter durch moderne Sensorik, digitale Prozessführung und skalierbare Bioreaktorkonzepte vom Labor- bis zum Pilotmaßstab besser kontrollierbar und damit reproduzierbar zu machen. So können wir Wachstumsverhalten, Metabolitbildung und Technofunktionalitäten der resultierenden Produkte schon im Labormaßstab so einstellen, dass sie später im Pilotmaßstab stabil funktionieren.

Inwiefern können Unternehmen KI-gestützte Daten aus Ihren Bioreaktoren nutzen, um ihre eigenen Produktionsprozesse schneller zu optimieren?

Die Plattform wird als Infrastruktur kontinuierlich Prozessdaten generieren – von klassischen Fermentationsparametern bis hin zu Online-Messungen von Produktbildung und Technofunktionalität – und diese später mit KI-gestützten Auswerteverfahren koppeln. Unternehmen könnten die Infrastruktur nutzen, um ihre eigenen Versuchsreihen auf der Plattform zu fahren und die entstehenden Datenstrukturen und Modelle direkt für die Optimierung ihrer Prozesse auszuwerten, etwa über digitale Zwillinge oder prädiktive Regelstrategien. Dies immer unterstützt durch die Expert:innen an den Fachgebieten der Universität Hohenheim. Damit verkürzt C.A.T.A.L.I.S.T. die Strecke von der Idee zum skalierbaren Prozess und stellt dafür eine neutrale, hochinstrumentierte Umgebung bereit, die Unternehmen eine einmalige Serviceumgebung bereitstellt.

Kann das System modular auf verschiedene Organismen wie beispielsweise Myzelien oder Bakterien angepasst werden, oder gibt es einen technologischen Fokus der Plattform?

Als Infrastruktur wird C.A.T.A.L.I.S.T. bewusst modular aufgebaut: unterschiedliche Reaktortypen und Prozessführungen erlauben es, sowohl Suspensionskulturen (Bakterien, Hefen) als auch filamentöse Organismen und Myzelien zu kultivieren. Der technologische Fokus der Plattform liegt aber klar auf präzisionsfermentativen Anwendungen für Lebensmittel, also auf der späteren Erforschung und Entwicklung von Proteinen, Fetten, Aromen und funktionalen Inhaltsstoffen auf Basis agrarischer Nebenströme. Die Infrastruktur ist damit nicht selbst ein Forschungsverbund, sondern die „technische Heimat“, in der verschiedene Forschungsprojekte und Unternehmenskooperationen ihre zellbasierten Prozesse entwickeln können.

Wie offen ist die Plattform für Unternehmen, die mit eigenen spezifischen Nebenströmen zu Ihnen kommen, um deren Eignung als Substrat für Präzisionsfermentation zu testen?

C.A.T.A.L.I.S.T. ist als offene Infrastruktur konzipiert, die explizit dazu dient, agrarische Rest- und Nebenströme später auch gemeinsam mit Unternehmen zu testen – als Nährmedien, Substrate oder funktionelle Matrizen. Unternehmen können nach der Integration in das Transferzentrum für Lebensmittel- und Biotechnologie an der Universität Hohenheim mit ihren spezifischen Nebenströmen in diese Infrastruktur einsteigen; wir stellen die Bioreaktoren, Analytik und Prozessführung bereit, um zunächst im Labor und später im Pilotmaßstab die Eignung und Prozessstabilität zu prüfen. Forschungsaktivitäten entstehen dann in Form spezifischer Projekte auf Basis dieser Infrastruktur. Wo sinnvoll besteht die Möglichkeit, sich mit Forschenden der Fakultät für Agrarwissenschaften zu vernetzen, wenn dies aus der Rohstoffperspektive Sinn macht. Hier versteht man agrarische Rohstoffe von der Züchtung bis zur Ernte und Aufarbeitung. Das ist der Vorteil der kurzen Wege hier in Hohenheim.

Welche funktionalen Inhaltsstoffe, die bisher schwer rein pflanzlich zu kopieren waren, sehen Sie als besonders vielversprechend für die Erprobung in der Pilotanlage an?

Die Infrastruktur zielt insbesondere auf Inhaltsstoffe, bei denen pflanzliche Systeme bisher an funktionellen oder sensorischen Grenzen stoßen, etwa komplexe Emulgatoren, strukturgebende Proteine, bestimmte Lipidfraktionen oder hochspezifische Käse- und Fleischaromen. Mit C.A.T.A.L.I.S.T. schaffen wir die technische Basis, auf der Forschungsprojekte solche Komponenten durch Präzisionsfermentation erzeugen, charakterisieren und in Prototypen testen können – von fermentierten Getränken bis zu alternativen Käse- und Fleischsystemen. Das Programm selbst definiert dabei keine einzelnen Produkte, sondern stellt die skalierbare Umgebung bereit, in der diese Innovationen entwickelt werden. Am Ende ist immer die Kreativität der Forschenden und Unternehmenspartner gefragt.

Welche Möglichkeiten bietet C.A.T.A.L.I.S.T., um Technofunktionalitäten wie Schäumen oder Gelieren bereits während des Fermentationsprozesses gezielt zu steuern?

Ein zentraler Mehrwert besteht darin, dass technofunktionale Eigenschaften bereits sehr nah am Fermentationsprozesses erfasst und durch Prozessführung beeinflusst werden können. Die Plattform verknüpft Prozessparameter mit Online oder Atline-Messungen funktionaler Eigenschaften und stellt damit die Werkzeuge bereit, mit denen Forschungs- und Entwicklungsprojekte eine „Funktions-Fermentation“ systematisch untersuchen. Realistischerweise ist nach Installation der Plattform noch einige Forschungsarbeit notwendig, um dies zu ermöglichen. Aber das ist ja genau der Charme des Projektes, dass diese Fragen translational zusammen mit Unternehmen identifiziert und bearbeitet werden.

Wie könnten konkrete Hybrid-Innovationen aussehen, bei denen zellbasierte Komponenten aus der Plattform mit regionalen Ackerfrüchten aus der klassischen Landwirtschaft kombiniert werden?

Z.B. über fermentativ erzeugte Käsearomen oder funktionale Proteine mit Hülsenfrucht- und Getreidematrizen aus Baden-Württemberg, die wir beispielsweise von unseren langjährigen Kooperationspartnern aus der Mühlenwirtschaft oder lebensmittelverarbeitenden Industrie bekommen. Diese konkreten Produkte werden dann in einzelnen Forschungs- oder Firmenprojekten entwickelt; die Plattform stellt dafür die Bioreaktoren, Prozessdaten und analytischen Schnittstellen bereit, natürlich immer zusammen mit der Fachexpertise. Auf diese Weise kann das Innovationsökosystem Bioökonomie rund um Hohenheim neue hybride Lebensmittelkonzepte aufbauen, ohne dass jede Institution ihre eigene komplexe Fermentationsinfrastruktur vorhalten muss. Das ist hoch effizient.

Inwieweit schützt dieses lokale Angebot in Hohenheim das geistige Eigentum von Start-ups und KMU im Vergleich zur Nutzung von großen Lohnfertigern im Ausland?

Als lokale Infrastruktur soll C.A.T.A.L.I.S.T. später Start-ups und KMU einen Entwicklungsraum bieten, in dem sie ihre Prozessideen, Stämme oder Rohstoffe nicht an globale Lohnfertiger geben müssen. Die Plattform trennt klare Zonen: nutzbare wissenschaftliche Methoden und Geräte einerseits, vertrauliche, firmenspezifische Prozessdaten und Rezepturen andererseits, was natürlich alles vertraglich geregelt bleibt. Zudem konkurrieren wir nicht mit Lohnfertigern, sondern stellen eine Entwicklungsplattform für anwendungsnahe Forschung.

Wie fließen die Erkenntnisse aus C.A.T.A.L.I.S.T. in die Ausbildung ein, sodass Unternehmen künftig gezielt auf spezialisierte Fachkräfte wie „Bioprocess Engineers“ aus Hohenheim zurückgreifen können?

C.A.T.A.L.I.S.T. ist als Infrastrukturprogramm auch ein Baustein der akademischen Ausbildung: Studierende und Promovierende arbeiten an den Bioreaktorsystemen, lernen Scale up, digitale Prozessführung, Datenanalyse und Schnittstellen zu Industrieprojekten kennen. Die eigentliche Forschungsarbeit erfolgt dann in Lehr- und Drittmittelprojekten, die diese Infrastruktur nutzen – etwa im Bereich alternative Proteine, Präzisionsfermentation und Bioökonomie. Für Unternehmen entsteht damit ein klarer Zugang zu Absolvent:innen, die nicht nur Theorie, sondern praktische Infrastruktur-Erfahrung mitbringen und als „Bioprocess Engineers“ einsetzbar sind. Das war bisher schon die Stärke Hohenheims, die Kombination von Theorie und Praxis in den Technika, und wird somit noch ausgebaut und um spannende digitale Kompetenz-Elemente erweitert.

Wie kann die Bioreaktoren-Plattform dazu beitragen, dass Landwirte künftig nicht als Wettbewerber, sondern als Rohstofflieferanten oder Partner Teil dieser neuen Wertschöpfungskette werden?

Die Plattform ist so angelegt, dass Landwirte über neue Rohstoff- und Nebenstromkonzepte in die Wertschöpfung eingebunden werden können. Forschungs- und Transferprojekte können auf dieser Infrastruktur untersuchen, wie Nebenströme, spezifische Kulturen oder neue „Fermentationspflanzen“ als Substrat dienen und damit zusätzliche Einkommensquellen gerade unter Flächenkonkurrenz erschließen. In Kombination mit der Fakultät für Agrarwissenschaften können hier spannende Zukunftsprojekte entstehen.

Wenn die Skalierungsschritte erfolgreich optimiert werden – welche Produktkategorie in deutschen Supermärkten wird Ihrer Meinung nach als erste durch biointelligente Produktion revolutioniert?

Die Produkte werden wohl noch nicht morgen im Regal stehen, aber mit C.A.T.A.L.I.S.T. legen wir heute die technische Basis dafür, dass die nächste Generation von Lebensmitteln überhaupt entwickelt werden kann. Zuerst werden Forschungsteams und Unternehmen auf der Plattform zellbasierte Komponenten und Prozesse erproben – und dann Schritt für Schritt Anwendungen in Richtung von Alternativen, Back und Snackwaren oder völlig neuer Produktkategorien bringen. In einigen Jahren werden wir im Supermarkt nicht einfach „noch ein Veggie-Produkt“ sehen, sondern Lebensmittel, bei denen man von außen gar nicht mehr erkennen muss, wie stark biointelligente Infrastruktur ihre Entstehung geprägt hat.

Autorin

Mailin Zanke
Communications
BALPro e. V.
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