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Globale Erwärmung und Treibhausgasemissionen sind immer wieder heiß diskutierte Themen.

Schnell wird dann angeführt, dass insbesondere die Milch- und Rindfleischindustrie für die Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Mit etwa 14,5 % haben diese Industriezweige tatsächlich einen erheblichen Anteil daran. V. a., wenn man bedenkt, dass allein der Methanausstoß von Kühen mit satten 4% zu Buche schlägt, was in Bezug auf die globale Erwärmung etwa 2 Milliarden Tonnen Kohlendioxid entspricht.

Die CO₂-Emissionen eines Cheeseburgers

Veranschaulichen wir dieses Problem doch am Beispiel eines Cheesburgers. Natürlich ist so etwas für viele Menschen kein alltägliches Essen – schon gar nicht für Veganer*innen oder Vegetarier*innen.

Es soll nur als Beispiel dafür dienen, das das Problem der landwirtschaftlich bedingten Treibhausgasemissionen in einem Kontext veranschaulicht, mit dem die meisten Menschen vertraut sind.Spannend wird es dann bei der Frage, wie wir diese Emissionen mit Hilfe von technischen Simulationen erheblich reduzieren können. Aber dazu später mehr.

Daten aus “How Bad Are Bananas? The Carbon Footprint of Everything”, Mike Berners-Lee, 2020.

Die o. a. Schätzungen stammen übrigens aus dem Buch "How Bad Are Bananas? The Carbon Footprint of Everything". Der Autor Mike Berners-Lee ermittelte für dieses Buch die Kohlenstoffauswirkungen von Alltagsgegenständen, darunter die für den Anbau von Nahrung und der Aufzucht von Tieren

Auch alle weiteren Kosten, wie Verarbeitung, Transport, Verpackung und Kühlung berücksichtigt er. Nicht aber die Kosten für die Zubereitung der Mahlzeit an sich, die davon abhängen, wie "grün" die Energieversorgung des Konsumenten ist.

Die Ergebnisse sind erschütternd: Etwa 87 % der Treibhausgasemissionen eines Hamburgers stammen aus dem Rindfleisch-Patty, das 2,84 kg CO₂e verursacht. Die anderen Zutaten tragen nur 400 g bei. Der größte Teil davon entfällt auf den Käse (natürlich auch ein Produkt aus der Kuhhaltung).

Da die meisten Burger-Esser einen Burger als Teil einer "Mahlzeit" bestellen, sind hier noch CO₂-Abdrücke aufgeführt, die durch Zugabe von

normale Pommes frites - 68 g CO₂e
Limonade - 120 g CO₂e oder
Milchshake - 1000 g CO₂e

zur Bestellung. Auch hier macht der Milchshake den größten Anteil aus. Er verursacht ein weiteres Kilogramm an Emissionen.

Die unmittelbare Lösung

Weniger tierische Produkte essen. Der gesamte Kohlenstoff-Fußabdruck eines Cheeseburgers, Pommes und Milchshakes beträgt etwa 4,4 kg Treibhausgas. Ersetzt man das Rindfleischpatty durch einen Bohnenburger (ca. 630 g CO₂e) und wählt eine Limonade anstelle des Milchshakes, verringert sich die Menge der ausgestoßenen Treibhausgase auf etwa 1,1 kg CO₂e.

Viele Leser dieses Artikels, die Vegetarier oder Veganer sind, würden argumentieren, dass die ideale Lösung darin bestünde, dass jeder sofort und für immer auf den Verzehr von Fleisch (und vielleicht anderen tierischen Proteinen) verzichtet. Aber ist das eine pragmatische Lösung für den Klimanotstand?

In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde berechnet, dass 14 % der Verbraucher Vegetarier (11 %) oder Veganer (3 %) sind. Weitere 20 % der Verbraucher sind der Studie zufolge "Flexitarier", die ihren Fleischkonsum einschränken.

Dass sich viele Verbraucher dazu bewegen lassen, dem Fleischkonsum vollständig den Rücken zu kehren.

Allerdings muss klar sein, dass unser Planet die geschätzten 70 Milliarden Nutztiere nicht verkraften kann, die nötig sind, um eine schnell wachsende Bevölkerung von fast 8 Milliarden Menschen zu ernähren.

Eine technische Lösung: Fleisch aus dem Labor
Aus Sicht des Klimaschutzes besteht das Hauptproblem der Viehzucht zur Nahrungsmittelerzeugung darin, dass die lebenden, atmenden Nutztiere große Mengen Methan - ein unglaublich starkes Treibhausgas - produzieren. Dies ist ein besonderes Problem für Wiederkäuer wie Kühe und Schafe, gilt aber für alle Nutztiere. Bei fast allen tierischen Erzeugnissen sind die Treibhausgasemissionen pro erzeugter Kalorie wesentlich höher als bei Gemüse.

Im Dezember 1931 schrieb der britische Premierminister Winston Churchill einen Artikel, in dem er versuchte, den Zustand der Welt "in 50 Jahren" vorherzusagen. Churchill schrieb: "Wir werden der Absurdität entkommen, ein ganzes Huhn zu züchten, um die Brust oder den Flügel zu essen, indem wir diese Teile separat unter einem geeigneten Medium züchten."

Da hatte er Recht. Für die Aufzucht, Fütterung und Verarbeitung von Tieren zur Fleischproduktion wird ein enormer Aufwand an Zeit, Energie und natürlichen Ressourcen betrieben. Als Spezies bauen wir genug Getreide an, um mehr als 10 Milliarden Menschen zu ernähren. Von dieser Gesamtzahl werden etwa 2 Milliarden Menschen an Nutztiere verfüttert.

Und was die Vorhersagen anbelangt, so waren sie ziemlich genau, auch wenn Churchill in Bezug auf den Zeitrahmen etwas optimistisch war. Der weltweit erste Hamburger aus im Labor gezüchtetem Fleisch wurde 2013 (82 Jahre nach seiner Vorhersage) in London Restaurantkritikern serviert. Ein Gastrokritiker beschrieb den Burger so: "Für mich ist das Fleisch. Er fällt nicht auseinander. Das Mundgefühl ist wie Fleisch. Ich vermisse das Fett, es ist etwas mager, aber der allgemeine Biss fühlt sich an wie ein Hamburger."

Dieser Burger wurde aus Stammzellen gezüchtet, die durch Biopsie aus den Muskeln einer lebenden Kuh gewonnen wurden. Wenn sie unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen in eine Petrischale mit einem nährstoffreichen Medium gegeben werden, beginnen sich diese Zellen zu teilen. Und dann teilen sie sich wieder und wieder, bis es Tausende von Zellen gibt, oder zumindest genug, um einen Hamburger zu bauen. (Offenbar braucht man etwa 20.000 Muskelzellen, um einen Burger zu machen).

Im Labor gezüchtetes Massenfleisch

Trotz dieser beachtlichen Leistung sind seit der Einführung des "Laborburgers" neun Jahre vergangen. Aber wir haben immer noch kein grausam gezüchtetes, kohlenstoffarmes Fleisch aus dem Labor in unseren Lebensmittelgeschäften (oder in unserem Lieblings-Burgerladen zum Mitnehmen) gesehen. Warum ist das so?

Ein Teil des Problems ist die behördliche Genehmigung für den Verzehr von im Labor gezüchtetem Fleisch durch die Lebensmittelzulassungsbehörden. Diese Hürde wurde jedoch vor kurzem zumindest in einem Gebiet überwunden. Ein weiteres Problem ist die Akzeptanz der Verbraucher. Ist die fleischessende Öffentlichkeit bereit, Fleisch zu essen, das in Petrischalen und nicht an Nutztieren gezüchtet wurde?

Die eigentliche Herausforderung für die Hersteller von im Labor gezüchtetem Fleisch besteht darin, aus wenigen Stammzellen Tausende von Kilogramm Biomasse zu erzeugen (wenn man bedenkt, dass ein einziges Rind etwa 450 kg Rindfleisch produzieren kann). Für die kommerzielle Produktion werden diese Zellen in Bioreaktoren gezüchtet, d. h. in sorgfältig kontrollierten, mit Nährstoffen angereicherten Mischumgebungen, in denen die Temperatur, der Sauerstoff, das Kohlendioxid und der pH-Wert genau kontrolliert werden, um die Ausbeute an Zellen zu maximieren. Wenn diese Umgebung nur geringfügig falsch ist, teilen sich die Zellen nicht, teilen sich in den falschen Zelltyp oder sterben möglicherweise ab. Aus diesem Grund muss der Inhalt des Bioreaktors ständig gemischt werden.

Leider sind Säugetierzellen auch anfällig für den Scherstress, der durch den Mischvorgang verursacht wird. Insbesondere die Scherwirkung turbulenter Wirbel kann die Zellen von dem Gerüst, auf dem sie wachsen, ablösen.

Darin liegt die Herausforderung - biologische Prozesse skalieren nicht linear mit der geometrischen Größe des Bioreaktors. Die Aufrechterhaltung der idealen Kultivierungsbedingungen, die in einem 10-Liter-Tischversuch entwickelt wurden, in einem industriellen 4000-Liter-Bioreaktor ist ein schwieriges technisches Problem. Die Konstruktion eines Bioreaktors im industriellen Maßstab unterscheidet sich erheblich von den Bioreaktoren im Labormaßstab, in denen der ursprüngliche Prozess entwickelt wurde.

Der Entwurf größerer Gefäße, in denen optimale Zellwachstumsbedingungen aufrechterhalten werden können, hängt fast vollständig von der numerischen Strömungsmechanik ab. Obwohl die Hersteller von kultiviertem Fleisch verständlicherweise über ihre kommerziell sensiblen Prozesse Stillschweigen bewahren, gibt es viele öffentlich zugängliche Beispiele aus der medizinischen Industrie, wie Simcenter für die Züchtung menschlicher Zellen für Transplantationen, Nierenzellen von Affen für die Impfstoffproduktion oder für die Konstruktion von Bioreaktoren eingesetzt wird.

Wie kann Simcenter helfen?

Vor einigen Jahren sprachen wir mit ABEC, dem Hersteller der größten Bioreaktoren der Welt. Wir sprachen darüber, wie sie Simcenter für die Skalierung der Produktion von Mikroorganismen einsetzen. Obwohl es bei unseren Gesprächen um die Kultivierung von Zellkolonien für biopharmazeutische Zwecke und nicht für die Fleischproduktion ging, sind die beschriebenen Prinzipien dieselben.

Paul Kubera, Vizepräsident für Prozesstechnologie bei ABEC, erklärte uns,

"Ein typisches Szenario ist ein Projekt, das vom Labortisch im Zehn-Liter-Maßstab in die Prozessentwicklung übergeht, die vielleicht im Hundert-Liter-Maßstab abläuft. Und dann geht es in die Produktion, wo Tausende von Litern in mehreren Einheiten produziert werden müssen."

Die Herausforderung bei Bioreaktoren besteht darin, die Wirtszellplattform am Leben zu erhalten. Laut Kubera,

"Das Wachstum des Organismus muss unterstützt werden - er braucht Nahrung, eine Kohlenstoffquelle und muss Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid abgeben. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass wir in der Lage sind, allen Organismen im Gefäß innerhalb eines bestimmten Zeitraums eine bekannte Menge an Sauerstoff zuzuführen und Kohlendioxid zu entfernen."

Kubera weiter:

"Mit Simcenter können wir eine Rechensimulation der Laborkonfiguration durchführen und die gleichen Ergebnisse bestätigen. Anschließend können wir eine groß angelegte Simulation durchführen und sicher sein, dass die gemessene Leistung der gelieferten Anlage den Erwartungen entspricht. Wir haben zum Beispiel gezeigt, dass wir die Mischungszeit um 50 % reduzieren können, indem wir Labortests zur Prüfung von Optionen und Simcenter-Simulationen zur Erweiterung der Ergebnisse verwenden."

Bioreaktoren können sehr effizient sein, sobald man den Skalierungsprozess perfektioniert hat. Während es Monate oder Jahre dauert, ausreichende Mengen Fleisch an einem lebenden Tier zu züchten, kann derselbe Prozess in einem Bioreaktor nur 2 bis 4 Wochen dauern. Da das Fleisch aus Stammzellen gezüchtet wird, werden bei diesem Prozess keine Tiere geschädigt. Die einzigen wirklichen Zutaten sind Wasser, chemische Nährstoffe und Wärme. (Anstelle von intensiv angebautem Getreide, das zur Fütterung der meisten Rinder verwendet wird). Am wichtigsten ist jedoch, dass bei diesem Verfahren keine großen Mengen an Methan freigesetzt werden. Das bedeutet, dass die Treibhausgasemissionen um mehr als 70 % niedriger sein dürften als bei Fleisch aus landwirtschaftlichem Anbau.

Würden Sie im Labor gezüchtetes Fleisch essen?

Ein weiteres potenzielles Problem ist die Marktakzeptanz. Sind die Verbraucher bereit, Fleisch zu essen, das in einer Petrischale und nicht auf einem Bauernhof gezüchtet wurde? Sind wir bereit, das Fleisch gewissermaßen vom Tier zu trennen? Bis zu einem gewissen Grad tun wir das als Verbraucher jedes Mal, wenn wir in den Supermarkt gehen. Wir stöbern in Schränken voller eingeschweißtem Fleisch, das oft rosa eingefärbt ist, um es weniger fleischähnlich erscheinen zu lassen.

Das ganze Erlebnis des Fleischkaufs ist bewusst hygienisiert, um jede Verbindung zum Tod des Tieres zu beseitigen. Im Gegensatz zu den alten Zeiten der Metzgerei kann man das Fleisch in einem Lebensmittelgeschäft nicht einmal mehr riechen. Ich frage mich, wie viele gewohnheitsmäßige Fleischesser, wenn sie die Möglichkeit hätten, einen Schlachthof besuchen würden, um zu sehen, wie Fleisch tatsächlich "gemacht" wird?

Die Wahrheit ist, dass die meisten von uns viele Dinge essen, deren Herkunft wir nicht kennen. Quorn zum Beispiel, ein einzelliges Mykoprotein, das aus einem Pilz gewonnen wird, wird in Bioreaktoren gezüchtet. Seit seiner Markteinführung in den späten 1980er Jahren hat Quorn als Fleischersatz in Europa eine anständige Marktdurchdringung erreicht, wobei die Hersteller behaupten, dass es einen Kohlenstoff-Fußabdruck hat, der "mindestens 80 % geringer ist als der von Rindfleisch".

Eine Alternative, seinen CO2-Abdruck (und seinen Fleischkonsum) zu verringern, sind "pflanzliche Burger". Wobei an der Stelle erwähnt sein sollte, dass Hackfleischprodukte wie Burger nur einen Teil des Verbrauchs tierischer Erzeugnisse ausmachen. In Singapur ist das erste im Labor gezüchtete Hühnerfleisch im Handel erhältlich. Andernorts gibt es Pläne zur Herstellung von Kuhmilch und menschlicher Muttermilch aus dem Labor.

Wie wäre es mit einem im Labor gezüchteten Steak?

Die wahre Herausforderung ist doch im Grunde genommen die Züchtung eines perfekten Steaks aus dem Labor. Im Gegensatz zu Burgern und Hühnerbrust, die homogen sind, hängt der Genuss eines Steaks von einer recht heterogenen Verteilung von Eiweiß und Fett ab. Aber auch das könnte mit Hilfe von 3D-Drucktechniken bald möglich sein. Schauen Sie mal hier