Den Kohlendioxid-Ausstoß zu drosseln ist eines der zentralen Ziele, die auch die Bundesregierung mit ihrer Klimapolitik verfolgt, denn das Treibhausgas ist wesentlich für die Erderwärmung verantwortlich. Ein vielversprechender Ansatz, um CO₂-Emissionen zu reduzieren, ist die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoffquelle. Das Klimagas für die Herstellung von Chemikalien zu verwenden, stand auch im Fokus des EU-Projektes CELBICON, an dem Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB maßgeblich beteiligt waren.

Dreistufige Prozesskette etabliert

Darin verfolgte das Team um IGB-Projektkoordinator Lénárd-István Csepei einen völlig neuen Weg, um einen klimaneutralen und wirtschaftlich effektiven Produktionsprozess zur Chemikalienproduktion zu etablieren. Es entwickelte eine dreistufige Prozesskette, die Adsorption, Elektrochemie und Biotechnologie verbindet. Durch die Kombination von elektrochemischer und biotechnologischer Umwandlung gelang es, aus dem aus Luft adsorbiertem Treibhausgas CO₂ einen terpenoiden Farbstoff herzustellen. „Indem wir – neben CO₂-Adsorption und elektrochemischer Umwandlung – auch die Syntheseleistung von Bakterien aus der Natur nutzen, können wir komplexere Moleküle herstellen und damit wertschöpfende Produkte, die das neue Verfahren wirtschaftlich machen“, erklärt Projektkoordinator Lénárd-István Csepei.

Mit atmosphärischem CO₂ Ameisensäure hergestellt

Um atmosphärisches CO₂ verwerten zu können, muss das Team zunächst das Treibhausgas aus der Luft adsorbieren. Hierfür wurde vom Schweizer Projektpartner Climeworks auf dem Gelände des IGB in Straubing eine Demonstrationsanlage errichtet, die mit Hilfe von CO₂-Kollektoren Luft ansaugt, woraufhin das Gas von einem speziellen Filtermaterial im Inneren gebunden wird. In sogenannten Elektrolysezellen, die mit Strom betrieben werden, wurde CO₂ über elektrochemische Reaktionen zu einfachen C1- und C2-Verbindungen wie Ameisensäure umgewandelt. „Wirtschaftlich wird die elektrochemische Produktion erst dann, wenn es gelingt, die Verbindungen weiter in höherwertige Produkte umzusetzen“, sagt Csepei.

Mit Bakterien zum roten Farbstoff

Das gelang den Forschern im nächsten Schritt. Bei der biotechnologischen Umwandlung wurden mit Hilfe des Bakteriums Methylobacterium extorquens einfache Kohlenstoffverbindungen wie Ameisensäure in einen komplexen roten Farbstoff umgewandelt. „Wir konnten zeigen, dass die in der Fermentation eingesetzte Ameisensäure zu 14 Prozent in den terpenoiden Farbstoff überführt wird“, erklärt Jonathan Fabarius, der die Arbeiten zur Fermentation am IGB leitete. Fabarius zufolge wird der Farbstoff über den mikrobiellen Terpenstoffwechsel gebildet. Andere Bakterien hatten weniger effektiv gearbeitet, weil sie energiereichere Zuckermoleküle anstatt Ameisensäure oder Methanol als Energiequelle benötigen.

Erfolgreicher Test in Pilotanlage

Die von den Forschern im Labor entwickelte dreistufige Prozesskette wurde abschließend in die automatisierte Elektrolyseur-Demonstrationsanlage integriert und das System aus CO₂-Adsorber und Elektrolyseur im kontinuierlichen Betrieb validiert. „Mit unserer neuen Technologie lässt sich CO₂ elektrochemisch in C1-Zwischenprodukte und diese dann mit einer kombinierten Fermentation zu wertschöpfenden Verbindungen umwandeln“, fasst Projektleiter Csepei zusammen. Derzeit sind die Forscher dabei, die genaue Struktur des Farbstoffes aufzuklären.

Kombiverfahren für Produktion kleiner Mengen geeignet

Zudem könnten durch die Optimierung der Organismen und des Fermentationsschrittes auch Basischemikalien wie Milchsäure, Isopren oder das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure klimaneutral hergestellt werden. Da Kohlendioxid vor allem dezentral anfällt, könnten mithilfe des neuen Kombiverfahrens auch kleinere Mengen hochwertiger Chemikalien nun wirtschaftlich effektiv hergestellt werden.

Das Projekt "Cost-effective CO₂ conversion into chemicals via combination of Capture and ELectrochemical and BIochemical CONversion technologies – CELBICON" wurde im Rahmen des EU-Forschungsprogrammes Horizon 2020 von der Europäischen Union gefördert.

bb