Farbstoffe aus atmosphärischem CO₂

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 aus Wissenschaft und Industrie in dem von der EU geförderten Projekt CELBICON 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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Der im CELBICON-Projekt am Fraunhofer IGB entwickelte Elektrolyseur synthetisiert Ameisensäure aus atmosphärischem CO₂.

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.

»Die Entwicklung von Verfahren zur Verwertung von CO₂ wird ein entscheidender Baustein einer zukünftigen klima- und ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft sein«, ist sich Dr. Arne Roth sicher, der das Innovationsfeld Katalysatoren am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB leitet.

In drei Stufen zum Produkt: Adsorption, Elektrochemie, Biotechnologie

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 wir – neben CO₂-Adsorption und elektrochemischer Umwandlung – auch die Syntheseleistung von Bakterien aus der Natur nutzen, können wir komplexere Moleküle herstellen und damit wertschöpfende Produkte, die das neue Verfahren wirtschaftlich machen«, so Dr. Lénárd-István Csepei, der das Projekt am Fraunhofer IGB koordiniert hat.

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 Csepei.

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 wir die besten Ergebnisse erzielen und Ameisensäure in höherer Konzentration herstellen«, erläutert Elektrochemie-Expertin Dr. Luciana Vieira. »Denn der Elektrolyt darf weder toxisch sein noch Enzyme hemmen, damit der darauffolgende biotechnologische Umwandlungsschritt funktioniert«, so die Wissenschaftlerin.

Mit Biotechnologie zu wertschöpfendem Farbstoff

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In der auf die Elektrolyse folgenden Fermentation wird Ameisensäure zu einem wertschöpfenden terpenoiden Farbstoff umgesetzt.

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 wird 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.

Die Fermentation wurde als Fed-Batch-Prozess im 10-Liter-Maßstab etabliert. »Wir konnten zeigen, dass die in der Fermentation eingesetzte Ameisensäure zu 14 Prozent in den terpenoiden Farbstoff überführt wird«, verdeutlicht Fabarius. Nachdem die Straubinger Forscher den Farbstoff extrahieren und aufreinigen konnten, sind sie derzeit dabei, seine genaue Struktur aufzuklären. Fabarius blickt nach vorn: »Unser 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 wir wichtige Parameter wie Temperatur und pH-Wert der verwendeten Elektrolyte in Dauerversuchen regeln. Dazu ist die Anlage mit einer automatischen Datenaufnahme versehen«, erklärt Dr.-Ing. Carsten Pietzka, der am IGB-Standort Stuttgart an der Elektrosynthese von Basischemikalien forscht. 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 können wir die Produktionsrate von Ameisensäure erhöhen und den Demonstrator für die weitere Entwicklung der Elektrolysezelle hin zu einem industriellen Maßstab nutzen«, sagt Pietzka.

Hochpreisige Chemikalien – klimaneutral und dezentral erzeugt

»Mit unserer neuen Technologie lässt sich CO₂ elektrochemisch in C₁-Zwischenprodukte und diese dann mit einer kombinierten Fermentation zu wertschöpfenden Verbindungen umwandeln«, fasst Projektleiter Csepei zusammen. 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.

Source: Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), Pressemitteilung, 2020-08-19.