Der Roh­stoff für Kunst­stof­fe und Co.: Kohlenstoffdioxid

Einer der Haupt­trei­ber des Kli­ma­wan­dels ist Koh­len­stoff­di­oxid – die Emis­sio­nen müs­sen daher künf­tig sin­ken. Einen mög­li­chen Weg zur Koh­len­di­oxid-Reduk­ti­on zei­gen Fraun­ho­fer-For­schen­de auf: Sie nut­zen das Kli­ma­gas als Roh­stoff, etwa für Kunst­stof­fe. Dazu stel­len sie aus Koh­len­di­oxid zunächst Metha­nol und Amei­sen­säu­re her, die sie via Mikro­or­ga­nis­men zu Bau­stei­nen für Poly­me­re und Co. umwandeln.
Bei der Ver­bren­nung fos­si­ler Roh­stof­fe gelangt ver­stärkt Koh­len­di­oxid in die Luft. Mitt­ler­wei­le ist die Koh­len­di­oxid-Kon­zen­tra­ti­on in der Erd­at­mo­sphä­re bereits auf etwa 400 Parts per Mil­li­on (ppm) gestie­gen – das ent­spricht 0,04 Pro­zent. Zum Ver­gleich: Bis zur Mit­te des 19. Jahr­hun­derts lag die­ser Wert noch im Bereich von 280 ppm. Der hohe Anteil an Koh­len­stoff­di­oxid wirkt sich deut­lich auf das Kli­ma aus. Seit dem 1. Janu­ar 2021 wer­den die Koh­len­di­oxid-Emis­sio­nen aus der Ver­bren­nung fos­si­ler Kraft­stof­fe daher bepreist – pro­du­zie­ren­de Unter­neh­men müs­sen also für ihre Emis­sio­nen zah­len. Vie­le Betrie­be suchen daher nach neu­en Wegen. Wie las­sen sich die Kos­ten, die mit der Beprei­sung von Koh­len­di­oxid-Emis­sio­nen ver­bun­den sind, sen­ken? Wie kann man den Aus­stoß durch bio­in­tel­li­gen­te Pro­zes­se reduzieren?

Kata­ly­ti­sche Che­mie und Bio­tech­no­lo­gie – gewinn­brin­gend verknüpft

Ansät­ze dazu ent­wi­ckeln For­sche­rin­nen und For­scher der­zeit in den Pro­jek­ten EVOBIO und ShaPID am Fraun­ho­fer-Insti­tut für Grenz­flä­chen- und Bio­ver­fah­rens­tech­nik IGB. Bei­de Pro­jek­te bear­bei­ten sie im Ver­bund mit meh­re­ren Fraunhofer-Instituten.

»Wir nut­zen das Koh­len­stoff­di­oxid als Roh­stoff­quel­le. Dazu ver­fol­gen wir zwei Ansät­ze: Ers­tens die hete­ro­ge­ne che­mi­sche Kata­ly­se, bei der wir das Koh­len­di­oxid mit einem Kata­ly­sa­tor zu Metha­nol umset­zen. Zwei­tens die Elek­tro­che­mie, mit der wir aus dem Koh­len­di­oxid Amei­sen­säu­re produzieren.«
— Dr. Jona­than Faba­ri­us, The­men­feld­lei­ter für die Mikro­biel­le Katalyse

Die Beson­der­heit liegt jedoch nicht allein in die­ser Koh­len­di­oxid-basier­ten Metha­nol- und Amei­sen­säu­re­her­stel­lung, son­dern in der Kom­bi­na­ti­on mit der Bio­tech­no­lo­gie, genau­er gesagt mit Fer­men­ta­tio­nen durch Mikro­or­ga­nis­men. Ein­fa­cher gesagt: Die For­sche­rin­nen und For­scher stel­len aus dem kli­ma­schäd­li­chen Abfall­pro­dukt Koh­len­stoff­di­oxid zunächst ein­mal Metha­nol und Amei­sen­säu­re her. Die­se nut­zen sie wie­der­um als »Fut­ter« für Mikro­or­ga­nis­men, die dar­aus wei­te­re Pro­duk­te pro­du­zie­ren. Ein Bei­spiel für ein sol­ches Pro­dukt sind orga­ni­sche Säu­ren, die als Bau­stei­ne für Poly­me­re ver­wen­det wer­den – man könn­te auf die­se Wei­se Koh­len­di­oxid-basier­ten Kunst­stoff her­stel­len. Auch Ami­no­säu­ren las­sen sich so pro­du­zie­ren, etwa als Nah­rungs­er­gän­zungs- oder Futtermittel.
Der neu­ar­ti­ge Ansatz bie­tet zahl­rei­che Vor­tei­le. »Wir kön­nen gänz­lich neue Pro­duk­te rea­li­sie­ren, aber auch den Koh­len­di­oxid-Fuß­ab­druck klas­si­scher Pro­duk­te ver­bes­sern«, kon­kre­ti­siert Faba­ri­us. Wäh­rend kon­ven­tio­nel­le che­mi­sche Pro­zes­se viel Ener­gie und teil­wei­se toxi­sche Lösungs­mit­tel benö­ti­gen, las­sen sich die Pro­duk­te mit Mikro­or­ga­nis­men bei mil­de­ren und ener­gie­ef­fi­zi­en­te­ren Bedin­gun­gen pro­du­zie­ren – schließ­lich wach­sen die Mikro­ben in umwelt­freund­li­che­ren wäss­ri­gen Lösungen.

»Meta­bo­lic Engi­nee­ring« macht‘s möglich

Dabei nutzt das For­scher­team nicht nur nativ-methy­lo­tro­phe Bak­te­ri­en – also sol­che, die von Natur aus Metha­nol ver­wer­ten –, son­dern auch Hefen, die eigent­lich kein Metha­nol ver­stoff­wech­seln kön­nen. Auch behal­ten die For­sche­rin­nen und For­scher stets im Blick, ob neue inter­es­san­te Orga­nis­men ent­deckt wer­den und über­prü­fen die­se auf ihre Eig­nung als »Zell­fa­brik«. Doch wie stel­len die­se Mikro­or­ga­nis­men die Pro­duk­te eigent­lich her? Und wie kann man beein­flus­sen, was sie pro­du­zie­ren? »Im Prin­zip nut­zen wir den Stoff­wech­sel des Mikro­or­ga­nis­mus‘, um die Pro­duk­t­her­stel­lung zu steu­ern«, erläu­tert Faba­ri­us. »Dafür brin­gen wir Gene in die Mikro­ben ein, die den Bau­plan für bestimm­te Enzy­me lie­fern – man spricht dabei auch von Meta­bo­lic Engineering.«
Die Enzy­me, die dar­auf­hin im Mikro­or­ga­nis­mus pro­du­ziert wer­den, kata­ly­sie­ren wie­der­um die Her­stel­lung eines bestimm­ten Pro­dukts. Gene, die die­se Pro­duk­ti­on nega­tiv beein­flus­sen könn­ten, schal­ten die For­sche­rin­nen und For­scher hin­ge­gen gezielt aus. »Indem wir die ein­ge­schleus­ten Gene vari­ie­ren, kön­nen wir eine brei­te Palet­te an Pro­duk­ten her­stel­len«, freut sich Fabarius.
Das For­scher­team arbei­tet an der gesam­ten Her­stel­lungs­ket­te: Ange­fan­gen bei den Mikro­or­ga­nis­men über die Gen­ver­än­de­run­gen bis hin zum Hoch­ska­lie­ren der Pro­duk­ti­on. Wäh­rend eini­ge Her­stel­lungs­pro­zes­se noch im Labor­sta­di­um sind, wer­den ande­re Pro­duk­te bereits in ers­ten Bio­re­ak­to­ren mit einem Fas­sungs­ver­mö­gen von zehn Litern her­ge­stellt. Was die indus­tri­el­le Anwen­dung sol­cher Pro­zes­se angeht, so sieht Faba­ri­us die­se eher mit­tel- bis lang­fris­tig – zehn Jah­re sei­en ein rea­lis­ti­scher Zeit­ho­ri­zont. Doch: Der Hand­lungs­druck auf die Indus­trie, neue Pro­zes­se zu eta­blie­ren, nimmt zu.