Regionale Produktion von Pharmarohstoffen in einer Indoor Vertical Farm (VerticalRegioPharm)
Für die bayerische Landwirtschaft stellt der Anbau von Spezialkulturen wie Arzneipflanzen, Aroma- und Kosmetikpflanzen sowie von Rohstoffen für Nahrungsergänzungsmittel eine alternative Einkommensmöglichkeit dar. Die steigende Nachfrage nach pflanzlichen Rohstoffen für Nahrungsmittel und Medizinprodukte übersteigt laut FAO ein weltweites Handelsvolumen von ca. einer Billion Dollar. Basierend auf dieser Größenordnung fordert das Positionspapier „Phytoextracts“ der Gesellschaft für chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA) Innovationen und nachhaltige Supply Chains. Pflanzliche Rohmaterialien von hochwertigen Heilpflanzen werden häufig wild geerntet, was weltweit zu einer erheblichen Reduktion der Vorkommen führt. Zum Schutz der natürlichen Bestände wird der Anbau in Industrieländern zunehmend relevanter.
Die Pharmaindustrie verlangt dabei ein Höchstmaß an Qualität und Reproduzierbarkeit. Von entscheidender Bedeutung für das produzierte Medikament ist die Qualität der Ausgangspflanzen, aus denen das Extrakt gewonnen wird. Die Pflanzen enthalten je nach Umwelt-, Wachstums- und Erntebedingungen unterschiedliche Wirkstoffkonzentrationen, was eine erhebliche Herausforderung darstellt. Die Pharmaindustrie arbeitet aus diesem Grund engmaschig mit ausgewählten Partnerinnen für die Arzneipflanzenproduktion zusammen, um die Produktionsbedingungen zu überwachen.
Bayern ist bisher nur in begrenzten Umfang an der gesamten Wertschöpfungskette beim Anbau entsprechender Pflanzen beteiligt. Ein innovativer und praxisorientierter Lösungsansatz besteht darin, die regionale Landwirtschaft und Indoor Vertical Farming zur Produktion von Pharmapflanzen zu kombinieren. Die Nutzung eines geschlossenen Kultivierungssystems unter Ausschluss von Sonnenlicht bei gleichzeitiger Einstellung von exakten Klima- und Kultivierungsbedingungen garantiert Ertragssicherheit bei hohen Erntemengen und gleichbleibender Qualität.
Zielsetzungen
Im Projekt wird daher gemeinsam mit einem Landwirt bzw. einer Landwirtin und dem Unternehmen Dr. Willmar Schwabe als zentrale Forschungsfrage der regionale Anbau von Indoor Arzneipflanzen am Beispiel von Rhodiola (Rhodiola Rosea Kapseln), der Kapland-Pelargonie (Umckaloabo®) und Baldrian (Euvegal und Sandrin) in Bezug auf Machbarkeit und Rentabilität untersucht.
Die wichtigsten Projektziele sind:
- Etablierung des erdelosen Anbaus mit hoher Pflanzdichte und hohen Erträgen für kontrollierte Bedingungen
- Vergleichsanalyse zwischen Indoor Farm und natürlichem Standort anhand von Wachstumsraten, Trockenmassezunahme und Inhaltsstoffakkumulation
- Kenngrößen zur ökonomischen Bewertung für eine Umsetzung in landwirtschaftlichen Betrieben
Details
Die Kultur Rosenwurz (Rhodiola), die derzeit von regionalen Landwirten im Freiland kulturviert wird, liefert nach 4 Jahren bei einer Pflanzdichte von 7 Pflanzen pro m² einen Ertrag von 4-5 t/ha. Qualität und Ertragsmenge variieren dabei deutlich. Demgegenüber könnte die Pflanzdichte in einer Indoor Farm auf 60 bis 75 Pflanzen pro m² erhöht werden, was einer Ertragssteigerung um den Faktor 10 gleichkäme. Durch eine Reduktion des Kulturzeitraums auf ein Jahr könnte dieser Faktor auf 40 erhöht werden, die vertikale Anordnung der Kulturfläche würde das nochmal mehrfach multiplizieren.
Für die Land- und Ernährungswirtschaft bietet sich dadurch eine innovative Möglichkeit, nachhaltig produzierte und von der Gesellschaft nachgefragte pflanzliche Arzneipflanzen an die Pharmaindustrie zu liefern. Die gegenüber dem Frischmarkt deutlich höheren Preise bieten wirtschaftliches Potenzial.
Voraussetzung dafür ist die Etablierung von Kulturverfahren für die spezifischen Anforderungen des erdelosen Anbaus unter den kontrollierten Bedingungen in einer Indoor Vertical Farm. Für die erfolgreiche Umseetzung in der Praxis ist ein umfassender Wissenstransfer zwischen Wissenschaft, Landwirtschaft und den abehmenden Pharmaunternehmen notwendig.
Ergebnisse
Die weltweite Nachfrage nach pflanzlichen Arzneimitteln übersteigt zunehmend das Angebot aus gezieltem Anbau, sodass ein großer Anteil der Rohstoffe weiterhin aus Wildsammlung stammen, was zu erheblichen ökologischen Belastungen und einer Gefährdung zahlreicher Arten führt. Das Projekt „Regionale Produktion von Pharmarohstoffen in einer Indoor Vertical Farm hatte zum Ziel, das Potential hydroponischer Anbausysteme und Vertical Farming für ausgewählte Heilpflanzen zu etablieren und zu evaluieren. Wichtige Teilziele waren dabei (i) substratlose Anbauprotokolle zu entwickeln, die an die physiologischen Anforderungen von Rhodiola rosea und Valeriana officinalis angepasst sind, (ii) die Produktivität durch höhere Pflanzdichten, kürzere Anbauzyklen und höhere Erträge im Vergleich zum Freilandanbau zu steigern, (iii) Indoor- und Outdoor-Produktionssysteme hinsichtlich Wachstumsraten, Biomasse und Gehalt an bioaktiven Substanzen zu vergleichen und (iv) Schlüsselkennzahlen für die wirtschaftliche Bewertung des Indoor-Anbaus von Arzneipflanzen abzuleiten. Beide Kulturen konnten erfolgreich in hydroponischen Kultursystemen etabliert werden. Baldrian (Valeriana officinalis) wurde erfolgreich in NFT- und Ebb-&-Flow (EF)-Systemen kultiviert. Im Anbau und Ertrag waren signifikante Sortenunterschiede erkennbar: ‘Jagsttal’ erzielte durchgehend die höchste Biomasse und Blattfläche. Das NFT-System lieferte im Allgemeinen mehr Biomasse als EF, und der hydroponische Anbau erreichte 4–5-fach höhere Wurzelerträge im Vergleich zum Freiland. Die Analyse der Sekundärmetabolite zeigte, dass ein R:B-Verhältnis von 0,8 (mehr Blauanteil) den Gehalt an Sesquiterpen- Säuren, insbesondere bei ‘Jagsttal’, erhöhte. Die Sortenwahl erwies sich als entscheidend für Biomasse und Metabolitproduktion, wobei die Auswahl des Lichts den Anteil der Inhaltstoffe positiv beeinflussen kann. Bei Rhodiola ermöglichte der Indoor-Vertikalanbau ein schnelles Wachstum und eine frühere Blüte im Vergleich zum Freiland. Die Rhizombiomasse nahm über 24 Monate kontinuierlich zu, und der Salidrosidgehalt stieg nach 12 Monaten deutlich an, während andere Metabolite stabil blieben. Kontrollierte Umgebungen erlaubten eine bis zu 21-fach höhere Pflanzdichte, und eine Ernte nach sechs Monaten optimierte den Metabolitertrag pro Fläche. Der Freilandanbau zeigte aufgrund genetischer Vielfalt und Umweltstress (z.B. Überschwemmung) eine hohe Variabilität. Kurze Kältebehandlungen an Pflanzen aus hydroponischer Kultur wirkten sich positiv auf den Gehalt an Sekundärmetaboliten aus. Eine längere Kühlung reduzierte das Wachstum, was darauf hinweist, dass kurze Kälteperioden potentiell interessant für den Anbau in geschlossenen Kultursystemen sein können.
Insgesamt verbesserten kontrollierte Anbausysteme (Hydroponik und Vertikalfarming) die Biomasse- und Sekundärmetabolitproduktion von Baldrian und Rhodiola im Vergleich zum Freilandanbau erheblich. Die Sortenwahl und die Optimierung des Lichtspektrums sind entscheidend für die Maximierung von Ertrag und phytochemischer Qualität. Der hydroponische Anbau in kontrollierten Kultursystemen bietet insbesondere für Wurzeldrogen erhebliches Potential, da neben einer ganzjährigen flächeneffizienzten Produktion mit erhöhten Wirkstoffanteilen auch der Arbeitsschritt der Wurzelaufreinigung weitgehend entfallen kann.
Wichtigste Projektbotschaften für den Wissenstransfer
- Substratlose Anbauprotokolle für Valeriana officinalis und Rhodiola rosea wurden erfolgreich entwickelt und ermöglichen
ein effizientes Wachstum unter kontrollierten Bedingungen. - Hydroponische Systeme (Nährfilmtechnik und Ebbe-Flut-Systeme) steigerten den Baldrian-Wurzelertrag deutlich. Das
Ertragspotential war 4–5-mal höher als im Freiland, wobei die Sortenwahl entscheidend für Produktivität und Metabolitgehalt
war. - Bei Baldrian führte die Optimierung des Lichtspektrums mit einem erhöhten Blaulichtanteil zu einer höheren Anreicherung
von Sekundärmetaboliten. - Der Anbau in einem Vertikal Farming System ermöglichte bei Rhodiola eine bis zu 21 fach höhere Pflanzdichte mit einem
schnellen Biomassezuwachs, einer frühen Blüte und hohen Sekundärmetabolitgehalten. - Kontrollierte Anbausysteme übertrafen den Freilandanbau, reduzierten Umweltrisiken und ermöglichten ganzjährige
Produktion, was eine wirtschaftliche Machbarkeit von Vertical Farming für die Produktion von Arzneipflanzenanbaus
mittelfristig realistisch macht.
