Bakterien machen aus Strom und CO₂ per Gasfermentation Proteine

Bei der Gasfermentation wachsen Bakterien im Stahltank, gefüttert mit Wasserstoff und Kohlendioxid. Das finnische Cleantech-Unternehmen Solar Foods gewinnt so ein Proteinpulver, das Singapur 2022 als Lebensmittel zugelassen hat.

VON MARTIN JENDRISCHIK · 10 Min. LESEN

Ein Hektar Sojabohnen liefert im weltweiten Mittel gut eine Tonne Protein im Jahr, genug für rund 40 Menschen. Ein Team um Dorian Leger und Arren Bar-Even vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam hat 2021 eine Alternative durchgerechnet. Auf demselben Hektar stehen dabei Solarmodule, und Bakterien verwerten deren Strom. Das Ergebnis in der Fachzeitschrift PNAS: Protein für mehr als 500 Menschen, bei einer Sonneneinstrahlung von 2.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr.

Der Weg dorthin führt an der Photosynthese vorbei. Solarmodule wandeln Licht in Strom, ein Elektrolyseur spaltet damit Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Bakterien gewinnen aus dem Wasserstoff Energie und bauen aus Kohlendioxid ihre Zellen auf. Das so erzeugte Protein braucht weder Acker noch Weide, seine Klimabilanz hängt am Strom.

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Was passiert bei der Gasfermentation im Bioreaktor?

Bei der Gasfermentation leiten Betreiber Gase in eine wässrige Nährlösung, und Mikroben bauen daraus Zellmasse oder Stoffwechselprodukte auf. Den Namen trägt das Verfahren, weil die Mikroben ihre Nahrung als Gas bekommen. Für Protein kommen vor allem sogenannte Knallgasbakterien infrage. Sie gewinnen ihre Energie aus einer Reaktion anorganischer Stoffe statt aus Licht oder Zucker und holen ihren Kohlenstoff aus CO₂; Fachleute nennen solche Organismen chemolithoautotroph. Konkret verbinden sie Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, dieselbe Reaktion, die im Labor als Knallgasprobe bekannt ist.

Zu den bekanntesten Vertretern gehören Cupriavidus necator, den Forschende als Lieferanten für Protein und für Bioplastik untersucht haben, und Bakterien der Gattung Xanthobacter. Solar Foods arbeitet mit einem Xanthobacter-Stamm aus finnischen Umweltproben, der nicht gentechnisch verändert ist.

Bakterienbiomasse enthält allerdings viele Nukleinsäuren, also Bausteine von Erbgut und RNA. Acht bis zwölf Prozent, vor allem RNA, nennt eine Übersichtsarbeit des finnischen Forschungszentrums VTT von 2017. Der Körper baut sie zu Harnsäure ab, die Gicht und Nierensteine begünstigt. Für Lebensmittel muss der Gehalt deshalb sinken; bei Quorn erhitzen die Hersteller die Biomasse dafür kurz auf 60 bis 70 Grad, sodass zelleigene Enzyme die RNA abbauen.

Die größte technische Hürde steckt im Gas selbst: Wasserstoff löst sich kaum in Wasser. Die Mikroben verwerten nur, was gelöst bei ihnen ankommt. Dieser Stoffübergang aus der Gasblase in die Flüssigkeit begrenzt deshalb ihr Wachstum. Der dänische Hersteller Unibio lässt Gas und Nährlösung aus diesem Grund durch eine senkrechte Schleife zirkulieren, in der der Druck die Bläschen in Lösung hält.

Dazu kommt der Explosionsschutz. Wasserstoff und Sauerstoff bilden ein zündfähiges Gemisch, die Anlagen brauchen Sicherheitstechnik, die in einer Brauerei fehlt und die Baukosten erhöht. „Unser Fermenter ist wie ein großer Sodastream“, sagt Vainikka im Gespräch mit AgFunderNews. Der Fermenter in der ersten Fabrik des Unternehmens in Vantaa bei Helsinki fasst 20.000 Liter.

Welche Mikroben verwerten Wasserstoff, Methan oder Kohlenmonoxid?

Unter dem Begriff Gasfermentation laufen mehrere Gruppen von Mikroben, die jeweils andere Gase verwerten und anderes liefern. Für Protein aus Strom kommen nur die Wasserstoff-Verwerter in Frage, die anderen Gruppen hängen an Erdgas, Biogas oder Industrieabgasen.

Mikroben	Energiequelle	Kohlenstoff	Beispielorganismus	Produkt	Akteure, Stand Oktober 2026
Knallgasbakterien	Wasserstoff aus Elektrolyse	CO₂	Xanthobacter, Cupriavidus necator	Proteinbiomasse für Lebensmittel und Futter	Solar Foods (Finnland), Air Protein (USA)
Methanotrophe Bakterien	Methan aus Erdgas oder Biogas	Methan	Methylococcus capsulatus	Proteinbiomasse für Tierfutter	Calysta (USA), Unibio (Dänemark)
Acetogene Bakterien	Kohlenmonoxid, Wasserstoff	CO, CO₂	Clostridium autoethanogenum	Ethanol und Grundchemikalien	LanzaTech (USA)
Archaeen	Wasserstoff	CO₂	nicht veröffentlicht	Aminosäuren	Arkeon (Österreich), 2025 insolvent

Quellen: Ritala et al., Frontiers in Microbiology 2017; Leger et al., PNAS 2021; Unternehmensangaben und Fachpresse 2023 bis 2026; eigene Zusammenstellung.

Methanotrophe Bakterien wie Methylococcus capsulatus nutzen Methan zugleich als Energie- und Kohlenstoffquelle. Stammt das Methan aus Erdgas, bleibt das Futter an einen fossilen Rohstoff gebunden. Unibio betreibt seine Demonstrationsanlage in Dänemark nach eigenen Angaben vollständig mit Biogas.

Acetogene Bakterien wie Clostridium autoethanogenum arbeiten ohne Sauerstoff und machen aus kohlenmonoxidreichen Abgasen Ethanol. LanzaTech nahm 2018 mit dem chinesischen Stahlkonzern Shougang eine Anlage für 46.000 Tonnen Ethanol im Jahr in Betrieb, gespeist aus den Abgasen eines Stahlwerks. Im Industriemaßstab läuft Gasfermentation damit bisher vor allem für Treibstoff.

Mit der Präzisionsfermentation teilen diese Verfahren vor allem den Stahltank. Dort geben Hersteller Hefen oder Pilzen per Gentechnik den Bauplan für ein einzelnes Zielprotein, etwa Molkenprotein, und füttern sie mit Zucker. Am Ende trennen sie das Protein von den Zellen. In der Gasfermentation für Lebensmittel ist dagegen die ganze Zelle das Produkt, Fachleute sprechen von Biomassefermentation.

Warum scheiterte Einzellerprotein in den 1970er Jahren?

Einzellerprotein, im Englischen Single Cell Protein, verlor in den 1970er und 1980er Jahren gegen billigeres Futter. Der britische Chemiekonzern ICI stellte in Billingham im Nordosten Englands aus Methanol und dem Bakterium Methylophilus methylotrophus das Futtermittel Pruteen her. Es enthielt bis zu 70 Prozent Protein und war vor allem für Schweine gedacht. Laut dem Londoner Science Museum konnte Pruteen beim Preis nicht mithalten und verschwand Ende der 1980er Jahre vom Markt.

Härter traf es BP. Der Ölkonzern ließ in den 1970er Jahren Hefen auf Paraffinen aus der Raffinerie wachsen und baute dafür eine Anlage mit bis zu 100.000 Tonnen Jahreskapazität. Die Ölkrise von 1973 verteuerte den Rohstoff, wegen Umweltbedenken fehlten Genehmigungen, und BP gab das Geschäft auf.

Die Idee mit dem Wasserstoff ist älter. Für die NASA untersuchte das Battelle Memorial Institute Mitte der 1960er Jahre Bakterien der Gattung Hydrogenomonas für geschlossene Lebenserhaltungssysteme in Raumschiffen. Die Mikroben sollten Kohlendioxid und Harnstoff aus den Ausscheidungen der Crew verwerten und ihre Energie aus Wasserstoff der Elektrolyse ziehen. Überschüssige Zellen waren als Nahrungsergänzung gedacht. Auf diese Forschung stieß später der Technikchef von Solar Foods, erzählt Vainikka.

Ein Unterschied zu damals liegt im Rohstoff. Pruteen hing am Methanol, BP an Erdölfraktionen. Knallgasbakterien hängen am Wasserstoff, und der Preis von Elektrolyse-Wasserstoff folgt dem Strompreis. Der fällt dort, wo viel Wind- und Solarstrom ins Netz fließt.

Wie viel Fläche und Strom braucht Protein aus der Gasfermentation?

Protein aus der Gasfermentation braucht pro Kilogramm einen Bruchteil der Fläche von Soja, aber viel Strom. Bei der Solartechnik setzt das Potsdamer Team niedrige Werte an: Als Wirkungsgrad der Solarparks nimmt es 4,1 bis 5,6 Prozent, abgeleitet aus mehr als 600 realen Großanlagen. Für die Elektrolyse rechnet es mit 70 Prozent. Am Ende landen bis zu 0,4 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie als Nahrungskalorien beim Menschen, als Tierfutter bis zu 0,8 Prozent.

Daraus ergibt sich mehr als der zehnfache Proteinertrag pro Fläche gegenüber Soja, der proteinreichsten Ackerfrucht. Die Autoren benennen die Grenzen selbst. Die Wirkungsgrade der Mikroben stammen aus Laborversuchen, die Energie für den Anlagenbau fehlt in der Bilanz, und eine vollständige Kostenanalyse ist die Arbeit nicht. Sie schätzen die Kosten grob auf vier bis fünf US-Dollar je Kilogramm Protein, beim Kurs von 2021 rund 3,40 bis 4,20 Euro. Sojaschrot setzen sie mit etwa 0,85 Euro an, Fischmehl mit etwa 2,10 Euro.

Zu einem ähnlichen Befund kam 2019 ein finnisches Team um Jani Sillman in der Fachzeitschrift Global Food Security. Es schätzte für Knallgasbakterien einen um ein Mehrfaches höheren Proteinertrag pro Fläche als bei Soja und rund ein Zehntel des Wasserbedarfs. Unter den Autoren sind Pasi Vainikka und Juha-Pekka Pitkänen, die Solar Foods gegründet haben.

Über Kosten und Klimabilanz entscheidet der Strom. Rund die Hälfte der Produktionskosten von Solar Foods entfällt auf Strom, vor allem für die Elektrolyse, sagte Vainikka 2023. Rund 90 Prozent des CO₂-Fußabdrucks gehen nach Unternehmensangaben auf den Energiebedarf zurück, berichtete die Lebensmittel Praxis 2024. Das Unternehmen setzt dafür auf Wind- und Solarstrom.

Wie stark die Menge zählt, zeigen Zahlen aus der Pilotphase. Für 2023 wies Solar Foods 15,95 Kilogramm CO₂ je Kilogramm Produkt aus, gerechnet nur für eigene Emissionen und eingekauften Strom; als Ziel nennt das Unternehmen 1,6 Kilogramm. Die Prüfer von S&P Global führen den Abstand 2024 auf die kleinen Mengen der Pilotphase zurück und weisen darauf hin, dass die Werte nicht extern geprüft sind. Ein Stromnetz mit viel Kohle und Gas würde die Bilanz deutlich verschlechtern, schreiben sie.

Wo landet Protein aus der Gasfermentation zuerst?

Protein aus der Gasfermentation ist im Tierfutter schon zugelassen, als Lebensmittel erst in wenigen Ländern. Calysta vermarktet Futterprotein aus methanverwertenden Bakterien unter dem Namen FeedKind, eine Variante ist nach Unternehmensangaben in der gesamten EU zugelassen. Unibio hat für sein Uniprotein nach eigenen Angaben Zulassungen für Futter und Heimtiernahrung in Europa. Beide zielen auf Fischmehl und Soja im Futter von Fischen, Garnelen und Nutztieren.

Der Sprung in die Großproduktion fällt schwer. Die Fabrik des Gemeinschaftsunternehmens Calysseo im chinesischen Chongqing steht laut Geschäftsbericht des Partners Adisseo für 2025 still, für technische Nachrüstungen. Im Juni 2026 verlängerte Adisseo ein Gesellschafterdarlehen nicht und verwies auf größere Schwierigkeiten beim Hochskalieren als erwartet. Unibio plant mit einem saudischen Partner eine Anlage für zunächst 50.000 Tonnen im Jahr, die nach Planungsstand 2026 im Jahr 2028 anlaufen soll.

Bei Lebensmitteln ist Solar Foods am weitesten. Die Fabrik 01 in Vantaa läuft seit 2024 und ist auf 160 Tonnen Solein im Jahr ausgelegt (mehr dazu: Solar Foods skaliert die Solein-Produktion). Singapur ließ Solein 2022 als neuartiges Lebensmittel zu. In den USA erklärte das Unternehmen sein Produkt im September 2024 nach eigener Prüfung für allgemein sicher, den sogenannten GRAS-Status, und bat 2025 die Lebensmittelbehörde FDA um eine Bestätigung.

In der EU wartet Solein seit dem Antrag im Oktober 2021 auf die Zulassung als neuartiges Lebensmittel, Stand Oktober 2026 steht sie aus.

Für die geplante Fabrik 02 hat die Förderagentur Business Finland 2026 Zuschuss und Darlehen über 77,8 Millionen Euro aus dem europäischen Wasserstoff-Förderprogramm IPCEI Hy2Use zugesagt. Die Zusage hängt an der Investitionsentscheidung, und die setzt die EU-Zulassung und die FDA-Bestätigung voraus. Die erste Ausbaustufe soll nach Unternehmensangaben Ende 2028 rund 3.200 Tonnen im Jahr liefern, ausgelegt ist die Fabrik auf 6.400 Tonnen, eine spätere Erweiterung auf 12.800 Tonnen (Stand 2026).

Andere sind weniger weit oder gescheitert. Das US-amerikanische Cleantech-Unternehmen Air Protein entwickelt Fleischalternativen aus Luftprotein und vereinbarte 2023 mit dem Agrarkonzern ADM den Bau einer ersten Anlage im kommerziellen Maßstab. Das Wiener Cleantech-Unternehmen Arkeon wollte mit Archaeen Aminosäuren aus CO₂ und Wasserstoff herstellen und meldete im Juni 2025 Insolvenz an. Rückblickend nannten die Gründer eine geplatzte Finanzierungsrunde, lange Wege bis zur Marktreife und den Mangel an bezahlbarem grünem Wasserstoff in Europa.

Protein aus Elektrolyse-Wasserstoff gehört zur Familie der Power-to-X-Verfahren, die Ökostrom über Wasserstoff in Stoffe verwandeln, etwa in Dünger ohne Erdgas oder in Öl aus CO₂. Steht am Ende Nahrung, lässt sich von Power-to-Food sprechen. Wer Protein aus Gas billig herstellen will, braucht günstigen Wind- und Solarstrom und Elektrolyseure im Industriemaßstab. Für Bakterienprotein im Futtertrog liegen in der EU bereits Zulassungen vor, bislang für Methan-Verwerter. Dort kann es Sojaschrot aus Übersee und Fischmehl ersetzen, ohne dass jemand seinen Speiseplan ändern muss.

QUELLEN

Solar Foods (Pressemitteilung): Solar Foods has submitted a GRAS notification on Solein in the United States to obtain a No Questions letter from the FDA, 16.09.2025.
Solar Foods (Pressemitteilung): Inside information: Solar Foods receives EUR 77.8 million grant and loan financing for the construction and commissioning of Factory 02, 17.06.2026.
Solar Foods (Pressemitteilung): Halbjahresbericht Januar bis Juni 2026, 11.08.2026.
ADM (Pressemitteilung): ADM, Air Protein Sign Strategic Agreement to Advance Development and Production of Unique Landless Protein, 18.05.2023.