„Altbrot in Biogas umzuwandeln ist zwar ein etablierter Prozess, aber ergibt eine sehr niederwertige Wertschöpfung für den hochwertigen Rohstoff Brot“, befand der Biotechnologe Brück. Nachfragen bei anderen Bäckereien, darunter Großbäckereien, ergaben, dass auch dort das nicht verkaufte Brot entsorgt wird. „Das entspricht 1,7 Millionen Tonnen Altbrot pro Jahr in Deutschland“, rechnet der Forscher vor. Geboren war die Idee, diese Abfälle einer höherwertigen Nutzung zuzuführen.

„Verflüssigtes Brot ist ein hervorragendes Fermentationsmedium“, erläutert Brück. Brot besteht weitgehend aus Stärke und Proteinen, aber enthält auch viele Vitamine und Mineralstoffe. Die Stärke lässt sich mit kommerziell verfügbaren Enzymen in monomere Zucker wie Glukose, dem sogenannten Traubenzucker, zersetzen, während Proteine sich enzymatisch in Aminosäuren und damit eine hervorragende Stickstoffquelle umsetzen lassen. Also hat der Biotechnologe mit seinem Team Altbrot mittels handelsüblicher Backenzyme verflüssigt und darin ölbildende Hefezellen wachsen lassen. „Nach drei Tagen hatten wir eine sehr dicke Brühe aus Hefezellen, die einen Ölgehalt von 87 Prozent aufweisen“, berichtet der Forscher. Aus 1,7 Millionen Tonnen Altbrot könnten somit 800.000 Tonnen Hefeöl werden.

Ein Förderantrag im Programm Industrielle Bioökonomie des Bundeswirtschaftsministeriums war schnell gestellt und bald auch bewilligt. „Wir mussten den Antrag allerdings zurückziehen, weil die notwendige Co-Finanzierung unseres Industriepartners, der Global Sustainable Transformation (GST) GmbH, zu der Zeit nicht möglich war“, bedauert Brück. In kleinerem Maßstab zog er das Projekt mit eigenen Mitteln dennoch innerhalb von 18 Monaten durch. „Wir hatten schon viele Methoden etabliert und konnten unser Know-how schnell anpassen“, begründet der Forscher den raschen Erfolg.

Im Zuge dieser Entwicklungen erarbeitete Brück eine weitere Innovation. Er entwickelte eine spezielle Enzymmixtur aus pilzlichen Hydrolase-Enzymen, die es ermöglichte, die Zellwände der Ölhefe effizient und selektiv aufzulösen. Nach der auf Altbrot basierten Fermentation der Ölhefe wurde dadurch eine schnelle Isolation und Aufreinigung des Hefeöls durch einen einfachen Zentrifugationsschritt möglich. Mit dieser Technologie konnte das Öl erstmalig nachhaltig und mit geringem Kosten- und geringem Energieaufwand von der Wasserphase getrennt werden – ganz ohne Einsatz von toxischen, organischen Lösemitteln, die sonst standardmäßig in der Aufarbeitung von Pflanzenölen eingesetzt werden. Das resultierende Hefeöl hat einen sehr hohen Reinheitsgrad, der eine weitere Aufarbeitung, zum Beispiel durch energieintensive destillative Verfahren wie bei der Aufreinigung von Pflanzenölen, komplett überflüssig macht. Das Hefeöl kann deshalb direkt eingesetzt werden, um Backwaren wie Brötchen, Brezeln und Krapfen herzustellen.

Die übrigbleibende Wasserphase aus der Fermentation, die eine Menge an fermentierbaren Zuckern aus der Hefeöl-Lyse enthält, lässt sich wiederum als Nährstofflösung in weiteren Hefeölfermentationen einsetzen. So entsteht ein komplett zirkuläres Hefeöl-Produktionsverfahren, das fast keine Abfallströme generiert. Das neue Hefeölproduktionsverfahren auf Basis von Altbrot wird nun vom TUM-Spin-out GST mit weiteren Industriepartnern skaliert und kommerzialisiert.

Angenehm überrascht zeigte Thomas Brück sich, dass in der Forschungsphase die Brotverflüssigung mit in der Backindustrie etablierten Enzymen überraschend einfach funktioniert hatte. Jedoch stellte der enzymatische Abbau der Hefezellwand und die folgende Hefeöl-Isolation eine größere Herausforderung dar. „Wir haben viel experimentiert mit dem Enzymmix, der Dosierung und den Inkubationsbedingungen“, schildert der Projektleiter. Am Ende war der Prozess so weit optimiert, dass er in die Kommerzialisierung durch die GST überführt werden konnte.

Was aber ist an dem gelben, klaren Hefeöl so wertvoll? Zum einen kann man es direkt für Nahrungsmittel wie Backwaren und Glasuren nutzen und damit das ökologisch umstrittene Palmöl oder doppelt so teure Alternativen wie Kokosöl oder Bio-Palmöl komplett ersetzen. „Unser Bäcker hat mit dem Hefeöl Brötchen, Feingebäck und Mürbeteig hergestellt“, berichtet Brück. Probeverkäufe an Kunden wurden alle gut angenommen. Obendrein ist das Hefeöl länger haltbar als etwa Palmöl und lässt sich zum Frittieren etwa von Krapfen bis zu 60-mal wiederverwenden.

„Ein weiteres kommerziell hoch interessantes Produkt, das sich auch mit dem neuen Hefeölproduktionsverfahren herstellen lässt, ist Kakaobutter“, sagt Brück. Das Team konnte zeigen, dass unter veränderten Fermentationsbedingungen und ohne den Einsatz von Gentechnik auch ein festes Fett, das sogenannte Kakaobutteräquivalent, aus dem Altbrot hergestellt werden kann. „Das hefebasierte Kakaobutteräquivalent hat die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften wie pflanzenbasierte Kakaobutter“, berichtet der Forscher. Vor allem habe es den gleichen Schmelzpunkt wie Kakaobutter, nämlich 28 Grad Celsius. „Das entscheidet über das Schmelzgefühl auf der Zunge“, weiß Brück. Um das mit anderen Pflanzenölen zu erreichen, müssten diese erst noch weiter chemisch oder enzymatisch behandelt werden.

Der Zeitpunkt für die Neuentwicklung ist günstig. Die Kakaopflanze ist sehr anfällig geworden für vom Klimawandel begünstigte Krankheiten. Durch die dadurch hervorgerufenen Ernteausfälle fehlen am Markt immer wieder große Mengen Kakaobutter. „Am Markt kostet ein Kilogramm 23 Euro, das ist sehr werthaltig“, weiß der Projektleiter. Schon heute könnte das Fett aus Altbrot diesen Preis unterbieten, und der Preis für Kakaobutter wird eher weiter steigen. Auch diesmal stellte der Bäcker wieder Produkte für eine Probeverkostung her – diesmal Pralinen. Auch diese kamen sehr gut an, da das hefebasierte Kakaobutteräquivalent neutral im Geschmack ist und keine Fehlnoten aufweist.

Eine regulatorische Bremse gibt es allerdings noch: Schokolade darf nur dann Schokolade heißen, wenn maximal fünf Prozent der Kakaobutter durch Kakaobutteräquivalent ersetzt wurden. „Viele Hersteller denken aber sowieso über Alternativen nach“, berichtet Brück. Schließlich sei der Kakaoanbau neben den Ernteverlusten auch mit Kinderarbeit, kriminellen Strukturen und Oligopolen verbunden. „Ähnlich wie bei veganer Wurst heißen die Produkte dann einfach anders“, vermutet der Forscher. Hier sei die Politik gefordert, Innovationen nicht zu behindern.

Tatsächlich ist das Upcycling des Altbrots sogar noch nachhaltiger, als es sowieso schon scheint. Es wird besonders effizient, weil die abgetrennte Wasserphase in der nächsten Fermentation wiederverwendet werden kann. „Darin sind noch jede Menge monomere Zucker aus der Zellwand und Aminosäuren enthalten“, erläutert Brück. Weil diese aus der Hefe selbst stammen, ist die Mischung ideal als Nährmedium. Unterm Strich lässt sich so ein Teil des Rohmaterials einsparen.

Apropos sparen: Bei einer Lebenszyklusanalyse kamen die Forscher zu dem Ergebnis, dass sich jede Menge Anbaufläche sparen lässt: Um die gleiche Menge Öl aus Palmölhainen zu erzeugen, bräuchte man 80.000-mal so viel Fläche. Bei Raps wäre es sogar noch einmal mehr als doppelt so viel. Selbst die Klimabilanz ist extrem vorteilhaft. Zwar atmet Hefe auch und wandelt Zucker unter anderem in Kohlenstoffdioxid um, „aber wenn man die Ersparnis gegenüber den pflanzlichen Alternativen berechnet, könnten in Deutschland jährlich 16,8 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalente eingespart werden“, erklärt Brück. Neben Altbrot könnte zudem Weizenkleie als Rohstoff für Hefeöl dienen. Jährlich werden etwa 60.000 Tonnen verbrannt, weil sie nicht die nötige Qualität aufweisen.

Inzwischen hat der Biotechnologe mit seinem Team die Hefetechnologie weiter diversifiziert. Als Fortführung finanziert das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) nun das Projekt „Urban Heat Cycle“. Darin werden Klärschlämme und kommunale Abfälle der „braunen Tonne“ genutzt, um zunächst daraus Hefeöl herzustellen und dieses dann über industriell etablierte, thermochemische Katalyseverfahren in Biodiesel zu überführen. 

Kombinieren lässt sich das Verfahren mit einem vorgeschalteten Biogasprozess, bei dem statt Methan vorwiegend Wasserstoff erzeugt wird. „Das verbinden wir, indem der Wasserstoff aus der Vorgärung genutzt wird, um das Hefeöl katalytisch zu Heizöl zu hydrieren“, erklärt Brück – eine Koppelnutzung, die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit verbessert. Bis Ende 2027 läuft die Projektförderung noch. Dann soll der Prozess praxisreif sein. Das resultierende Heizöl könnte dann in Quartieren im urbanen Bereich als nachhaltiger Heizenergieträger genutzt werden.

„Die Herausforderung im Projekt „Urban Heat Cycle“ besteht darin, wie wir den Klärschlamm enzymatisch noch mal aufbereiten, um viele der Restzucker und der enthaltenen Energie freizusetzen“, erläutert Brück. Außerdem nutzt das Team Mikroalgen, um dem Klärschlamm die Schwermetalle zu entziehen, die sonst die Hefeöl-Fermentationen behindern würden. Die Schwermetalle können von der Algenbiomasse runtergewaschen und schließlich einer industriellen Wiederverwertung zugeführt werden. Bislang scheint das gut zu gelingen. „Im 1000-Liter-Maßstab haben wir schon erste gute Ergebnisse der Hefeöl-Fermentation auf Basis von Modellklärschlamm erzielt“, berichtet der Biotechnologe. Ähnlich wie beim Altbrot sei dieser Ansatz ökonomisch sehr interessant: „Klärschlamm kostet nicht nur nichts, man bekommt sogar Geld dafür, ihn zu entsorgen oder zu nutzen.“

Dem Projektleiter ist bewusst: „Die Kosten des Rohmaterials bestimmen wesentlich die ökonomische Effizienz des Gesamtprozesses.“ Je günstiger der Rohstoff ist, desto eher kann der Prozess mit Agrarprodukten konkurrieren. „Wenn wir Geld dafür bekommen, den Klärschlamm zu verwenden, dann ist das kostenäquivalent zu Heizöl“, hat Brück errechnet. Es sei ein Irrweg anzunehmen, dass man aus Kostengründen Öl und Gas weiter nutzen müsse. Nicht zuletzt sinkt durch die Nutzung von biogenem Heizöl auf Hefeölbasis die Abhängigkeit von fossilem Öl und Gas, was einen Beitrag zur Energieunabhängigkeit und Rohstoffresilienz Deutschlands leisten kann. Zusätzlich ist die Nutzung von hydriertem Hefeöl als Heizölersatz CO₂-neutral und schont so das Klima.

Autor: Björn Lohmann