Rohstoff für Itaconsäure Wie Strom und Hefe CO₂ nutzbar machen

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Forschende haben elektrochemische Prozesse und Hefe in einem Bioreaktor kombiniert, um Itaconsäure herzustellen. Die für Kunststoffe, Klebstoffe und Harze nutzbare Chemikalie entsteht dabei über das Zwischenprodukt Formiat. Die Ausbeute muss allerdings noch verbessert werden.

Um den fortschreitenden Klimawandel nicht weiter zu befeuern, wird nach Technologien gesucht, die das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre nutzbar machen. Forschende des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) haben in Kooperation mit der Boku University (Universität für Bodenkultur) in Wien gezeigt, dass es durch Kombination von elektrochemischen und mikrobiologischen Prozessen gelingt, CO₂ zu binden und die industriell verwendete Bio-Chemikalie Itaconsäure herzustellen. Das neuartige Verfahren steht Modell dafür, wie CO₂-Emissionen in nachhaltige Bioprodukte überführt werden können. Durch Nutzung anderer Mikroorganismen ist die Produktion weiterer wertvoller Chemikalien denkbar. Die Studie ist im Fachmagazin Angewandte Chemie International Edition erschienen.

Itaconsäure ist eine biobasierte organische Säure, die für die Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen, Textilien, Klebstoffen und Harzen genutzt wird. Sie gilt als vielversprechende nachhaltige Alternative zu erdölbasierten Produkten. Weltweit werden pro Jahr bereits 70.000 Tonnen Itaconsäure hergestellt, mit steigender Tendenz. „Großtechnisch wird Itaconsäure biotechnologisch mithilfe eines Pilzes und auf Basis von Zucker produziert”, erklärt Prof. Falk Harnisch, Elektrobiotechnologe am UFZ und Letztautor der Studie. „Wir haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem statt Zucker CO₂ als Ausgangsstoff dienen kann, und wir so Emissionen sinnvoll nutzen können.”

In Kooperation mit Wissenschaftler:innen der Boku University hat das UFZ-Team ein Verfahren entwickelt, in dem in einem Bioreaktor sowohl elektrochemische als auch mikrobiologische Prozesse zugleich ablaufen. Doch wie genau funktioniert dieser Elektrobioreaktor? Und wie kamen die Forschenden überhaupt darauf, die Nutzung von CO₂ mit der Produktion von Itaconsäure zu kombinieren?

Eine vorangegangene Studie der Boku University zeigte, dass es möglich ist, Itaconsäure biotechnologisch auf Basis von Methanol – einem Alkohol – herzustellen. Da Mikroorganismen in der Lage sind, unterschiedliche Stoffe für ihren Stoffwechsel zu nutzen, schickte das Team um Falk Harnisch in der vorliegenden Studie eine chemisch ähnliche Substanz ins Rennen, die aber den Vorteil hat, dass man sie technisch relativ einfach aus CO₂ herstellen kann. „Unter Einsatz elektrischen Stroms – der im besten Fall aus erneuerbaren Energien stammt – ist es möglich, aus dem Gas CO₂ das Salz Formiat herzustellen. Das ist chemisch verwandt mit Methanol – beide besitzen nur ein Kohlenstoffatom. Deshalb wollten wir prüfen, ob die Hefe womöglich auch Formiat als Ausgangsstoff nutzen kann, um Itaconsäure herzustellen”, sagt Dr. Paniz Izadi, Wissenschaftlerin im UFZ-Team von Falk Harnisch und Erstautorin der Studie.

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Die Konzeption des Elektrobioreaktors, in dem die elektrochemischen und mikrobiologischen Prozesse gleichzeitig ablaufen, war mit Herausforderungen verbunden. Denn die elektrochemische Umwandlung von CO₂ in Formiat verläuft optimal bei hohen Temperaturen, alkalischem pH-Wert und mit möglichst wenig anderen vorhandenen chemischen Stoffen. Die im Bioreaktor genutzte Hefe, der industriell häufig verwendete Stamm Komagataella phaffii, benötigt dagegen gänzlich andere Bedingungen: milde Temperaturen um 30 °C, einen neutralen pH-Wert sowie ein nährstoffreiches Medium. „Damit die elektrochemischen und mikrobiologischen Abläufe überhaupt und jeweils möglichst optimal ablaufen, mussten wir, was die Bedingungen im Elektrobioreaktor angeht, einen Kompromiss finden, um unter diesen Voraussetzungen für beide Welten das Beste herauszuholen”, erklärt Dr. Simone Bachleitner, Senior Scientist am Institut für Mikrobiologie und mikrobielle Biotechnologie der Boku University.

Das Experiment war erfolgreich: Die Hefe konnte tatsächlich aus CO₂ und dem elektrochemisch hergestellten Formiat Itaconsäure produzieren. „In unserem Bioreaktor ist es gelungen, elektrochemische und mikrobiologische Prozesse zu verbinden. Eine in sich geschlossene Prozesskette hat in der Praxis große Vorteile, da dann etwa umständliche Transportwege von Zwischenprodukten wegfallen”, sagt Falk Harnisch. „Zwar lag die Ausbeute an Itaconsäure unterhalb der auf Basis von Zucker oder Methanol hergestellten Variante, doch unsere Studie zeigt eindrücklich, dass es möglich ist, CO₂ zu nutzen und in komplexe und wertvolle Bio-Chemikalien umzuwandeln.”

Die Forschenden hoffen, dass ihr neuartiges Verfahren für eine zukünftige Anwendung in der Praxis Modell stehen und in die Entwicklung großtechnischer Anlagen einfließen wird. In weiterführenden Untersuchungen wollen sie die Prozesse im Elektrobioreaktor optimieren sowie für andere Mikroorganismen und die Herstellung weiterer möglicher biobasierter Produkte austesten.

Publikation: Paniz Izadi, Manja M. Severinsen Zijlstra, Aykut Kas,Philip Haus, Verena Enzinger, Gregor Lutz, Özge Ata, Simone Bachleitner, Diethard Mattanovich and Falk Harnisch: Integrated electromicrobial production of itaconic acid from CO2 at liter-scale using Komagataella phaffii; Angew. Chem.-Int. Edit., https://doi.org/10.1002/anie.8633090

(ID:51004132)