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.