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Nutzung von CO2 In drei Stufen zum Produkt: Farbstoffe aus atmosphärischem CO2

| Redakteur: MA Alexander Stark

Die Zeit beim Klimaschutz drängt. Einen Lösungsansatz bietet die Nutzbarmachung des Treibhausgases CO2 als Rohstoff für Chemikalien. Hierfür hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB mit Partnern einen neuen Weg verfolgt. Durch eine Kombination von elektrochemischer und biotechnologischer Umwandlung gelang es den Forschern, aus dem aus Luft adsorbierten Treibhausgas einen wertschöpfenden terpenoiden Farbstoff herzustellen.

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In der auf die Elektrolyse folgenden Fermentation wird Ameisensäure zu einem wertschöpfenden terpenoiden Farbstoff umgesetzt.
In der auf die Elektrolyse folgenden Fermentation wird Ameisensäure zu einem wertschöpfenden terpenoiden Farbstoff umgesetzt.
(Bild: Fraunhofer IGB)

Stuttgart – Trockene Böden in Deutschland, Hitzerekorde in der Arktis und tauende Permafrostböden in Sibirien. Die Folgen des Klimawandels sind weltweit spürbar. Um die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Atmosphäre zu reduzieren, untersuchen zahlreiche Forschergruppen, wie sich das Treibhausgas CO2 als Rohstoff für Chemikalien nutzen lässt. Dr. Arne Roth leitet das Innovationsfeld Katalysatoren am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. Er ist sich sicher, dass die Entwicklung von Verfahren zur Verwertung von CO2 ein entscheidender Baustein einer zukünftigen klima- und ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft sein wird.

Die Entwicklung kombinierter elektrochemisch-biotechnologischer Verfahren stellt einen neuen Weg dar, um CO2 als Rohstoff für Kraftstoffe und Chemikalien nutzbar zu machen. Diesen hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie in dem von der EU geförderten Projekt Celbicon verfolgt und eine beispielhafte Prozesskette im Pilotmaßstab demonstriert. Der Vorteil dieses Ansatzes: Indem die Forscher – neben CO2-Adsorption und elektrochemischer Umwandlung – auch die Syntheseleistung von Bakterien aus der Natur nutzen, können sie komplexere Moleküle herstellen und damit wertschöpfende Produkte, die das neue Verfahren wirtschaftlich machen.

Adsorption in CO2-Kollektor

Um atmosphärisches CO2 verwerten zu können, muss es in einem ersten Schritt aus der Luft adsorbiert werden. Hierzu installierte der Projektpartner Climeworks auf dem Gelände des IGB-Institutsteils Biocat in Straubing eine Demonstrationsanlage. Kern der Anlage sind CO2-Kollektoren. In diese wird über ein Gebläse Luft eingesaugt. Im Inneren des Kollektors befindet sich ein selektives Filtermaterial, an welches CO2 gebunden wird. Die Technologie des Schweizer Unternehmens wird an verschiedenen Pilotstandorten bereits im industriellen Maßstab eingesetzt. Doch wie wird aus CO2 ein marktreifes Produkt?

Herstellung von Ameisensäure aus CO2

In sogenannten Elektrolysezellen, die mit Strom betrieben werden, lässt sich CO2 über elektrochemische Reaktionen zu einfachen Verbindungen, beispielsweise Ameisensäure, Methanol oder auch Ethanol umsetzen. Diese sind sogenannte C1- bzw. C2-Verbindungen, die lediglich ein oder zwei Kohlenstoffatome enthalten. „Allerdings ist die elektrochemische Umwandlung von CO2 erst dann ökologisch sinnvoll, wenn hierfür erneuerbare Energien genutzt werden“, erklärt Dr. Lénárd-István Csepei, der das Projekt am Fraunhofer IGB koordiniert hat.

Damit die elektrochemische Konversion von CO2 effizient abläuft und die Ameisensäure in möglichst hoher Konzentration gebildet wird, nahmen die Fraunhofer-Forscher am Straubinger Institutsteil Biocat ein Screening hunderter verschiedener Katalysatoren vor. Mit speziellen zinnhaltigen Katalysatoren und einem phosphatbasierten Pufferelektrolyten für die Elektrolysezelle konnten sie die besten Ergebnisse erzielen und Ameisensäure in höherer Konzentration herstellen. Elektrochemie-Expertin Dr. Luciana Vieira erklärt, dass der Elektrolyt dabei weder toxisch sein noch Enzyme hemmen darf, damit der darauffolgende biotechnologische Umwandlungsschritt funktioniert.

Mit Biotechnologie zu wertschöpfendem Farbstoff

Die einfachen C1- und C2-Verbindungen lassen sich auf diese Weise allerdings kaum wirtschaftlich herstellen. Der Grund: Die Verfügbarkeit von regenerativen Energien in Deutschland unterliegt – vor allem klimatisch bedingt – starken Schwankungen. Deswegen ist lediglich einen Teillastbetrieb von höchstens 2000-3000 Stunden pro Jahr möglich. Wirtschaftlich werde die elektrochemische Produktion erst dann, wenn es gelingt, die Verbindungen weiter in höherwertige Produkte umzusetzen, erklärt Csepei.

So dienen die im zweiten, elektrochemischen Prozessschritt hergestellten C1-Verbindungen wie Methanol oder Ameisensäure im dritten Schritt methylotrophen Bakterien als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle. Für den Celbicon-Prozess wählten die Fraunhofer-Forscher das Bakterium Methylobacterium extorquens aus. Dieser Organismus ist in der Lage, aus den einfachen C1-Verbindungen einen komplexen roten Farbstoff zu bilden. „Der wertschöpfende Farbstoff wird über den mikrobiellen Terpenstoffwechsel gebildet“, erklärt Dr. Jonathan Fabarius, der die Arbeiten zur Fermentation am IGB leitete. Andere Bakterien benötigen hier energiereichere Zuckermoleküle anstatt Ameisensäure oder Methanol.

Der im Celbicon-Projekt am Fraunhofer IGB entwickelte Elektrolyseur synthetisiert Ameisensäure aus atmosphärischem CO2.
Der im Celbicon-Projekt am Fraunhofer IGB entwickelte Elektrolyseur synthetisiert Ameisensäure aus atmosphärischem CO2.
(Bild: Fraunhofer IGB)

Die Fermentation wurde als Fed-Batch-Prozess im 10-Liter-Maßstab etabliert. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die in der Fermentation eingesetzte Ameisensäure zu 14 % in den terpenoiden Farbstoff überführt wird. Nachdem die Straubinger Forscher den Farbstoff extrahieren und aufreinigen konnten, sind sie derzeit dabei, seine genaue Struktur aufzuklären. Ziel ist es, die für die Produktbildung benötigten Stoffwechselwege und Enzyme mittels Metabolic Engineering und Enzym-Engineering weiter zu optimieren, um so die Produktausbeute und damit auch die Effizienz des Gesamtprozesses zu erhöhen.

Evaluierung in Demonstrationsanlage

Nachdem die einzelnen Prozessschritte zunächst im Labormaßstab in einer durchgängigen Prozesskette integriert wurden, gelang zum Abschluss des Projekts der Aufbau einer automatisierten Elektrolyseur-Demonstrationsanlage, deren Kern eine elektrochemische Zelle mit 100 cm2 Elektrodenfläche darstellt. Mit der Demonstratoranlage können die Forscher wichtige Parameter wie Temperatur und pH-Wert der verwendeten Elektrolyte in Dauerversuchen regeln. Dazu ist die Anlage mit einer automatischen Datenaufnahme versehen. Mit dem Demonstrator konnte das integrierte System aus CO2-Adsorber und Elektrolyseur im kontinuierlichen Betrieb validiert werden.

Zudem ist der Demonstrator so ausgelegt, dass auch sogenannte Stacks, das heißt Elektrodenstapel, integriert werden können. Dadurch kann die Produktionsrate von Ameisensäure erhöht und der Demonstrator für die weitere Entwicklung der Elektrolysezelle hin zu einem industriellen Maßstab genutzt werden.

Hochpreisige Chemikalien – klimaneutral und dezentral erzeugt

Mit der neuen Technologie lässt sich CO2 elektrochemisch in C1-Zwischenprodukte und diese dann mit einer kombinierten Fermentation zu wertschöpfenden Verbindungen umwandeln. Mit einer weiteren Optimierung der Organismen und des Fermentationsschritts ist es zudem möglich, auch Basischemikalien wie Milchsäure, Isopren oder das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure herzustellen – und zwar komplett klimaneutral.

Da CO2 – genau wie erneuerbare Energie – vor allem dezentral anfällt, ist das kombinierte Verfahren besonders für die Herstellung von Chemikalien im kleineren Maßstab geeignet. So kann mit einem entsprechend hochwertigen Produkt auch die dezentrale Produktion kleinerer Mengen wirtschaftlich werden.

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