Die Bundesregierung will die Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2030 um 65 % reduzieren. Damit das gelingt, soll der Ausstoß von Klimagasen wie Kohlendioxid (CO₂) nicht nur deutlich gemindert werden. Auch die Nutzung von CO₂ als Rohstoff spielt dabei eine wichtige Rolle und könnte die Herstellung zahlreicher Produkte wie Arzneimittel, Kunststoffe oder Chemikalien nachhaltiger machen.

Sie alle enthalten Kohlenstoff, der bislang überwiegend aus Erdöl oder Erdgas stammt. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Technischen Universität München haben nun eine neue Technologie entwickelt, um mithilfe von Bakterien und Solarstrom wichtige Chemikalien effizient und auf nachhaltige Weise aus CO₂ zu gewinnen.

Mit Bakterien CO₂ in Chemikalien umwandeln

Zum Einsatz kamen biokatalytische Verfahren, die das Potenzial haben, Kohlendioxid zu binden und in Chemikalien umzuwandeln. „Unsere Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltige und dezentrale Produktion von CO₂-basierten Chemikalien. Sie zeigen das Potenzial der Kombination von biologischen und elektrokatalytischen Prozessen“, erläutert Tim-Patrick Fellinger, Leiter des Fachbereichs für Elektrochemische Energiematerialien der BAM.

Durch die Kombination von Elektrolyse und Fermentation kann Kohlendioxid mithilfe von Bakterien elektrochemisch aufgewertet werden. Dabei wird CO₂ zunächst zu Kohlenstoff (CO) reduziert und dann von Bakterien zu Essigsäure oder Ethanol oder Butanol verstoffwechselt. Diese Säuren und Alkohole werden zur Herstellung wichtiger Spezialchemikalien benötigt.

Elektrolyse und Fermentation in einem Schritt

Bislang erfolgten Elektrolyse und Fermentation jedoch in zwei separaten Schritten, da die aus Gold, Silber oder Kupfer bestehenden Katalysatoren der Elektrolysegeräte auf die für die Fermentation benötigten Flüssigkeiten empfindlich reagierten. Auch haben sich die Metalle aufgrund ihrer antibakteriellen Wirkung nicht gut mit den Bakterien vertragen. Diese Hürden haben die Forschenden nun genommen.

Wie das Team in der Fachzeitschrift „ChemElectroChem“ berichtet, entwickelten sie einen neuen Katalysator auf Kohlenstoffbasis, der es ermöglicht, Elektrolyse und Fermentation zu kombinieren. Den Forschenden zufolge ist der neuartige Katalysator biokompatibel und beeinträchtigt die Funktion der Bakterien nicht. Auch sei er deutlich kostengünstiger als bisherige Katalysatoren, heißt es.

Erfolgreicher Test im Bioreaktor

In standardisierten Bioreaktoren wurde die Technologie bereits erfolgreich getestet und ließe sich nach Ansicht der Forschenden damit schnell in die industrielle Anwendung bringen. „Die Technologie ließe sich dezentral und in Kombination mit Ökostrom aus Solaranlagen dort einsetzen, wo bei Produktionsprozessen stetig Kohlendioxid produziert und bisher mangels Alternativen als Klimagas in die Atmosphäre freigesetzt wird.“ Die Forschungsarbeit wurde von Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

bb