Neue Rohstoffquellen Wenn aus Schornsteingas Ethanol wird – Wie Chemie im Gasfermenter funktioniert

Von Anke Geipel-Kern

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Was das Märchen vom Rumpelstilzchen mit Chemie zu tun hat? Eine ganze Menge: Bei der Gasfermentation machen Mikroorganismen zwar kein Stroh zu Gold, aber dafür Schonsteingas zu Chemikalien. Gelingt damit die Quadratur des Kreises? Weniger Treibhausgase und fossile Rohstoffe.

(Bild: BASF)

Aus Stroh Gold machen, das wollten schon die Brüder Grimm in ihren Hausmärchen. Gelungen ist das nur durch Zauberei. Doch jetzt ist der Wunsch zumindest im übertragenen Sinne Wahrheit geworden. Weltweit arbeiten Industrieforscher an Verfahren, die ähnlich magisch klingen, wie die Geschichte vom Rumpelstilzchen und der schönen Müllerstochter.

Die Fermentation, eine uralte Technik, die Menschen schon seit Jahrhunderten zur Bier- und Weinherstellung nutzen, soll die Defossilierung jetzt endlich in Schwung bringen. Allerdings vergären die Mikroorganismen weder Zucker aus Trauben und Getreide sondern gasförmigen Kohlenstoff aus Schonsteingas und partiell oxidierten Abfall. Das Endprodukt ist jedoch das Gleiche: Ethanol.

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Ist die Gasfermentation der Schlüssel zur Defossilierung?

Ein geniale Idee, könnte man doch auf diese Weise zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Treibhausgabe reduzieren und fossile Rohstoffe sparen. Das Schöne: Die Rohstoffe sind in großen Mengen und vergleichsweise günstig zu haben. Wahr werden könnte auch der Traum von der zirkulären Chemie. Dabei wird in der Kohlenstoff im Kreislauf gehalten wird, statt das Molekül in Form von CO2 in die Atmosphäre zu pusten.

Aber geht das das wirklich? Ein Fermenter in den Abgase geleitet werden, die Bakterien als Nahrung dienen. Wenn ja, wie funktioniert man die Mikroorganismen um? Und wie sehen verfahrenstechnische Konzepte aus, die praktisch umsetzbar sind?

Einer der nicht nur überzeugt davon ist, sondern auch bereits Anlagen entwickelt und gebaut hat, ist Dr. Sean Simpson, Chief Scientific Officer von Lanzatech. Und was er auf der letzten Forschungspresse der BASF erzählte, hörte sich tatsächlich nach einer kleinen Revolution an. Gasfermentation heißt das Verfahren, das er und sein Team seit 2005 in den Laboratorien in Chicago entwickelt und optimiert. In einem kontinuierlichen Prozess wandeln Bakterien gasförmigen Kohlenstoff in Chemikalien um.

Durch die Nutzung von Gas als Rohstoff habe man Zugang zu vielen Abfallströmen, wenn Hausmüll oder landwirtschaftliche Abfälle durch Gasofizierung in Gas umgewandelt werden, betont Simpson. Auch Kohlendioxid sei durch die Zugabe von Wasserstoff aus regenerativen Quellen zugänglich. „Bei Lanzatech haben wir nicht nur die biologischen Prozesse entwickelt sondern das gesamte Prozesskonzept,“ erklärt Simpsom.

Es gibt bereits kommerziell betriebene Anlagen

Das Ganze ist dem Laborstadium längst entwachsen und keine graue Theorie mehr sondern für die Ethanolproduktion bereits kommerzialisiert. Von sechs Anlagen erzählt Simpson: 2018 hat das Lanzatech-Team die erste kommerzielle Anlage in China angefahren, mittlerweile sind insgesamt drei Anlagen dort in Betrieb. In allen werden Abgasströme aus Stahlwerken genutzt und aufsummiert 150.000 Tonnen Ethanol produziert. Zurzeit werde eine Anlage in Indien angefahren. Hier wird Raffineriegas in die Fermenter eingespeist. In einer japanischen Anlage hingegen werden die Mikroben mit Synthesegas aus Abfall gefüttert. Auch in Europa geht es nun los. Genauer gesagt in Gent bei Arcellor Mittal, wo die Fermentation mit den Abgasen aus dem dortigen Stahlwerk gekoppelt ist.

Seit kurzem auch BASF ist an dem Verfahren dran und arbeitet eng mit Lanzatech zusammen. Prof. Michael Helmut Kopf, Director Alternative Fermentation Platforms setzt große Hoffnungen in die neue Technik. Die Lanzatech-Plattform könne unterschiedliche Moleküle produzieren, die relevant für die Chemie seien und die entsprechenden Wertschöpfungsketten, sagte er auf der Pressekonferenz.

Aber mit der Chemikalienproduktion allein ist es nicht getan. Nach dem Fermentationsprozess kommt das Downstreaming zur reinen Chemikalie, das fast noch aufwändiger ist wie die Fermentation selbst. Und hier kommt, laut Kopf, die BASF-Expertise ins Spiel. Die Forscher wollen die aus der chemischen Verfahrenstechnik stammenden Reinigungsprozesse mit der Gasfermentation zu einem funktionsfähigen Gesamtprozess formen.

Ethanol funktioniert, aber weitere Chemikalien sollen folgen

Momentan geht es um die Herstellung von Ethanol. „Aber in Zukunft werden wir mit der Plattform noch viel mehr Chemikalien herstellen können,“ erklärt Simpson. Ohne in die Details einzusteigen spricht Simpson von einem genetischen Baukasten, der Lanzatech in die Lage versetze, Chemikalien wie Aceton, Isoropanol, Butanol, Isopren und Octanol herzustellen. „Wir sind auch schon dabei das in einen größeren Prozess einzubinden,“ betont er.

Der CSO hebt auch die Flexibilität des Verfahrens hervor: Ohne große apparative Veränderungen können in der gleichen Anlage die unterschiedlichsten Chemikalien hergestellt werden. Lediglich die Bakterien müssen ausgetauscht werden. Ein wichtiger Vorteil des Verfahrens, betont Simpson, sei die Toleranz der Mikroorganismen im Hinblick auf die Zusammensetzung des Abgases – eine aufwändige Reinigung sei deshalb nicht nötig. Die Bakterien kommen mit unterschiedliche Verhältnisse von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlendioxid klar, haben offenbar auch auch keine Probleme mit Störstoffen, wie Schwermetallen oder Cyaniden.

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Nur wer die Stoffwechselwege kennt, kann die Organismen genetisch beeinflussen

Das Geheimnis hinter der Lanzatech-Plattform heißt „genetic engineering“. Vereinfacht erklärt, übertragen dabei Wissenschaftler Gene von einem Organismen auf einen anderen, um neue Stoffwechselwege zu erzeugen.

In der medizinischen Biotechnologie macht man das bereits seit vielen Jahren und optimiert so die Produktion von monoklonalen Antikörpern und anderen gentechnisch erzeugten Arzneimitteln.

Bevorzugte Organismen dafür sind Hefen und E-Coli über die es Tonnen von Publikationen gibt und deren Stoffwechselwege gut erforscht sind. Ganz anders ist das bei den „Acetogenen", die in der Frühzeit der Erdgeschichte entstanden sind. Wissenschaftler haben sie zwar schon vor mehr als 20 Jahren als potenzielle „Nützlinge“ identifiziert, trotzdem war es immer schwierig sie genetisch zu manipulieren und damit auf hohe Produktionsperformance zu optimieren.

Für die Gasfermentation bringen diese „Archaebakterien“ die ideale Grundausstattung mit. Sie können unter Ausschluss von Sauerstoff leben und sie assimilieren Kohlenstoff, weil sie sich aufgrund ihrer extremen Umgebung einen uralten Stoffwechselweg erhalten haben. In den letzten Jahren haben sich Wissenschaftler intensiv mit dem Stoffwechsel der Archäen beschäftigt, weil darin der Schlüssel zur Stammoptimierung liegt. Momentan liegt der Fokus auf Clostridien, Stäbchenbakterien, die unter Sauerstoffabschluss leben und große Hitze tolerieren.

Lanzatech hat sich übrigens bereits 2008 ein Verfahren patentieren lassen, das Clostridium autoethanogenum zur Produktion von Ethanol und Acetat aus Kohlenmonoxyd einsetzt.

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