Bakterier forvandler kartoffelskræller og muggent brød til mad

Rester fra aftensmaden, gammelt brød, brugte kaffefiltre og madvarer, som har ligget lidt for længe i køleskabet - og meget andet - havner hver dag i vores skraldeposer.

Hvis vi husker at sortere det i den grønne spand til madaffald, bliver en del brugt til biogas og gødning.

Mange andre steder i verden bliver det dog bare smidt ud og udgør en belastning for samfundet.

Men med en ny teknologi, som er udviklet her i Danmark, kan vi i stedet omdanne det organiske affald til nyttige, nærende proteiner, som vi kan bruge til foder til køer og grise - eller endda til menneskeføde.

Stort behov for proteiner

Verdens befolkning og velstanden er stigende, og der er et presserende behov for at finde måder at producere proteinholdig mad med et mindre klimaaftryk, end kød har.

For eksempel forventer WHO, at selv om flere og flere af os spiser mere vegetarisk, så vil den årlige kødproduktion alligevel stige, så vi vil nå op på 376 millioner tons i 2030.

Det får behovet for dyrefoder til at stige, og dét betyder, at vi også kan forvente en betydelig stigning i behovet for foderingredienser.

I Danmark er det cirka 75 procent af de landbaserede afgrøder, der bliver brugt som foder i svine-, kvæg- og hønsefarme.

Derudover importerer Danmark årligt 1,5 millioner tons sojaskrå (restprodukt ved produktion af sojaolie, red.) til foder fra Argentina og Brasilien, ofte fra skovryddede områder.

Hvis vi kan bruge det organiske affald til foder, kan vi begrænse vores brug af de knap så klimavenlige sojaskrå. Samtidig kan vi imødegå den stigende efterspørgsel på dyrefoder - uden at bruge endnu flere marker til at producere dyrefoder frem for mad til os mennesker.

Men hvordan omdanner man lige madaffald til spiselige proteiner? Her kommer mikroorganismer ind i billedet!

Mikroorganismer kan være løsningen

Der findes trillioner af mikroorganismer i verden.

Langt de fleste er gode, nyttige mikroorganismer, som kan hjælpe med at formindske forurening, forbedre jordens frugtbarhed, reducere tab af biodiversitet - og ikke mindst at omdanne affald og restprodukter fra landbruget til nyttige produkter.

Mikroorganismer såsom svampe, alger og bakterier nedbryder madvarer (du kender det fra den mugne brødskive i skuffen – den skal du dog ikke spise).

Efterfølgende kan vi bruge mikroorganismerne (der har vokset sig store og stærke på dit gamle brød) til for eksempel proteinrigt grisefoder.

Især bakterier er velegnede til at lave affald om til mad, fordi de vokser virkelig hurtigt og har et højt proteinindhold. Og så har de også en attraktiv sammensætning af aminosyrer med et højt indhold af essentielle aminosyrer såsom cystein, leucin, isoleucin, lysin, methionin o.a.

Aminosyrer er byggestenene i proteiner, og de essentielle aminosyrer kan mennesker og andre pattedyr ikke producere selv. Dem skal vi spise os til. Derfor er det attraktivt med et højt indhold af lige netop de essentielle aminosyrer.

Derudover, så har bakterier tillige et lavt fedtindhold.

Dyrefoder i dag, mikrobe-is i morgen?

Til gengæld har de et højt nukleotidindhold.

Nukleotider er de små byggeklodser, som strengene i DNA og RNA er lavet af, og for mange af dem er et minus. Nukleotider indeholder nemlig puriner, som nedbrydes til urinsyre, der et af kroppens affaldsstoffer.

Hvis vi har for meget urinsyre i kroppen, kan det aflejre sig omkring leddene og i værste tilfælde medføre gigt.

Det er muligt at bearbejde det mikrobielle protein og trække det rene protein ud, så vi ikke får nukleotiderne med. Det kan man bruge som køderstatning eller til mælk, yoghurt eller is.

Forskere på både DTU og Københavns Universitet er i gang med at udvikle effektive metoder til netop at bearbejde proteinet fra mikroorganismer til mad, vi mennesker kan spise, men teknologien er stadig under udvikling.

Men mikrobielt protein kan med fordel og uden problemer anvendes i dyrefoder.

I første omgang kræver det dog, at vi laver vores madaffald om til biogas. Så første led i at omdanne affald til mad, er altså at lave det om til biogas i et biogasanlæg.

Biogas kan blive et festmåltid for bakterierne

Indtil for ganske nylig har vi i Danmark brændt vores madaffald sammen med restaffaldet. Dermed udnytter man højst affaldets energiindhold til for eksempel fjernvarme, hvorimod nyttige næringsstoffer som kvælstof og fosfor går tabt.

De seneste år er vi herhjemme begyndt at sortere, og en del af vores madaffald bliver nu ført til et biogasanlæg, hvor det bliver omsat til biogas, som kan bruges i stedet for olie, kul og naturgas.

Når det er 'gasset af', kan restproduktet bruges som gødning/næringsstoffer i landbruget.

Den del af madaffaldet, som ikke bliver sorteret i den organiske fraktion, bliver dog stadig brændt og brugt til at lave varme og el.

I takt med den grønne omstilling bliver vores energiforbrug dog i større og større grad dækket af andre og ofte billigere vedvarende teknologier som for eksempel vind eller sol.

Derfor giver det mening at bruge det organiske materiale på en mere optimal og værdifuld måde, der adresserer bæredygtig og grøn omstilling bredere end bare energisektoren.

I stedet for at anvende biogassen energimæssigt kan vi bruge den til at fodre mikroorganismer, som har et højt og værdifuldt proteinindhold.

Fordelene ved at bruge det organiske affald til bakterie-foder er selvfølgelig endnu større, hvis affaldet ikke i forvejen bliver brugt energimæssigt.

Hvis det for eksempel bare bliver deponeret på en losseplads (som det stadig forekommer i mange lande), og der så er en potentiel emission af den kraftige klimagas metan.

Men hvordan i alverden kan bakterier blive til proteiner, sidder du måske og tænker lige nu?

Lad os dykke ned i det nu.

Sådan bliver biogas til mikrobielt protein

Biogas består overvejende af metan (CH4), kuldioxid (CO2) og lidt svovlbrinte (H2S).

Den nye teknologi, som vi har brugt til at lave biogassen fra affaldet om til dyrefoder, starter med tre forskellige mikrober, som hver især kan omsætte - eller 'spise' - de enkelte bestanddele af biogas:

• Metan-oxiderende bakterier (MOB), som forbruger metan,
• Mikroalger (MA), som udnytter CO2’en og
• Sulfid-oxiderende bakterier (SOB), som forbruger svovlbrinte.

Disse tre mikroorganismer lever i synergi og hjælper hinanden i en slags harmonisk sameksistens.

Mikroalger forbruger CO2 på den måde, at de ‘spiser’ C’et - kul-delen - og så udskiller O2 - ilten. Det er en proces, de fleste af os kender fra planteriget som fotosyntese.

Mikroalgerne sørger for en kontinuerlig forsyning af ilt (som der ikke er i biogas), og det udnytter de andre to typer af bakterier i deres oxidationsproces.

Oxidation betyder iltning, og det er en effektiv energiskabende proces, der gør organismerne i stand til at vokse og opbygge biomasse, herunder proteiner. Man kan sige, at ilten hjælper dem med at fordøje deres ‘mad’.

Derudover har de sulfid-’spisende’ bakterier den positive effekt, at de sørger for, at der ikke er så meget svovlbrinte. Det kan nemlig hæmme de bakterier, der lever af metan. De leverer samtidig nogle svovlforbindelser, som er med til at opbygge proteiner.

Så lidt forsimplet sagt bliver biogassen fra affaldet lavet om til spiselige proteiner, ved at bakterierne ‘spiser’ metanen og svovlbrinten, mens algerne spiser kuldioxiden. Så gror de og bliver til proteinrig biomasse, som dyr (eller mennesker) kan spise.

Det gælder særligt ikke planteædende dyrearter som grise, høns - og mennesker.

Vi har det til fælles, at vi er afhængige af proteinrig føde, da vores fordøjelsessystem ikke er særlig effektivt til at udnytte de små mængder protein, der er i græs, hø og andre typer plantevæv.

Bakterier og alger er et effektivt team

Lad os zoome lidt ind på, hvordan den her symbiose mellem bakterierne og algen fungerer.

Vi har lavet en række forsøg på vores laboratorium på DTU, og de har vist, at det er mere effektivt at dyrke de her mikroorganismer sammen end at dyrke dem hver for sig.

De hjælper simpelthen hinanden med at vokse og formere sig, som vi nævnte før.

Det betyder, at vi får et højere cellemasseudbytte, bedre proteinindhold og bedre aminosyre-kvalitet, end hvis vi kun dyrkede algerne sammen med den ene bakterie - eller alle tre hver for sig.

Cellemasseudbytte kan indikere, hvor meget masse fra mikroorganismerne vi kan producere - altså hvor meget mad vi får ud af skraldet.

Aminosyrekvalitet er et indeks for, hvor god næring der er i det protein, vi laver (blandt andet i forhold til mængden af essentielle aminosyrer, som vi talte om tidligere i artiklen).

Sådan fungerer deres samarbejde

Hvis vi ser nærmere på, hvordan bakterierne og algens samarbejde fungerer, så sker der blandt andet følgende:

Når de metan-oxiderende bakterier (MOB) får en kontinuerlig ilttilførsel fra mikroalgerne, kan de for eksempel bedre omdanne metanen fra biogassen.

Den proces øger produktionen af såkaldte mellem-metabolitter som eddikesyre, myresyre og andre organiske syrer, som MOB-bakterierne frigiver, når de ‘spiser’ metanet. Og de syrer får algerne til at vokse hurtigere.

Det har vi kunnet måle i laboratoriet ved hjælp af en særlig teknik, der hedder kernemagnetisk resonans-spektroskopi (NMR).

Her kunne vi konstatere, at de metan-oxiderende bakterier (MOB) leverede nogle mellem-metabolitter til mikroalgerne, som lynhurtigt blev forbrugt af mikroalgerne. Og det fremmede klart deres vækst.

Det viser sig, at ved at kontrollere ilt-niveauet kan vi styre udbyttet af MOB-bakterierne.

Og det viser sig også, at de her metan-spisende bakterier frigiver mere eddike- og myresyre i blandingskultur - hvor bakterien og mikroalgen bliver dyrket sammen - end i en såkaldt monokultur, hvor der kun er én mikroorganisme.

Vi kan også tydeligt se, at mikroalgerne vokser mere i blandingskulturer, som du kan se på figuren herunder.

Og ved at tilføje den tredje mikroorganisme - den sulfid-’spisende’ bakterie - så kan vi gøre den her blandingskultur endnu mere effektiv, fordi den fjerner svovlbrinte, som ellers kan hæmme den metan-spisende bakterie.

Men netop den bakterie bidrager også til en god aminosyresammensætning med højt indhold af svovlholdige aminosyrer (eksempelvis cystein og methionin).

Det er vigtige antioxidanter, som beskytter vores celler, understøtter afgiftningsprocesser og forbedrer vores immunforsvars funktion ved at fremme aktiviteten af ​​hvide blodlegemer.

Mikrobielt protein på middagstallerkenen?

Ved hjælp af mikroorganismer kan vi altså lave affald om til mad - i første omgang til dyr, men på sigt kan teknologien også bruges til at lave proteinholdige fødevarer til os mennesker.

Og hvis vi sætter flere mikrober sammen, peger vores forsøg på, at vi også gøre den her mikrobielle fødevareproduktion mere effektiv.

Det er vigtigt at nævne, at vores forskningsresultater endnu ikke er publiceret og fagfællebedømt, og teknologien er stadig på et relativt tidligt stadie. Så der er stadig et stykke vej til, at vi kan forvente at se store, kommercielle mikrobe-fabrikker, der laver proteinfoder i lange baner.

Men potentialet er der.

På DTU arbejder vi desuden også med at udvikle metoder til at hive næringsstoffer ud af det afgassede affald (det, der er tilovers fra processen med at lave biogas) for at bruge dem til at dyrke de mikrobielle proteiner.

Dermed kan endnu flere komponenter fra affald blive recirkuleret på en bæredygtig måde.

Artiklen er tidligere bragt i magasinet Dansk Kemi og versioneret til Videnskab.dk. Projektet (PROFIT) er finansieret af Danmarks Innovationsfond. Udover DTU deltager Københavns Kommune, Amager Ressource Center, SDU, RUC, Knowledge Hub Zealand og Unibio i projektet.