In der aktuellen Forschung wird verstärkt nach Lösungen gesucht, um den fortschreitenden Klimawandel zu bekämpfen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Entwicklung von Technologien, die es ermöglichen, Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre zu nutzen und in wertvolle Produkte umzuwandeln. Ein Team von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat in Zusammenarbeit mit der BOKU Universität in Wien ein neuartiges Verfahren entwickelt, das CO2 in Kombination mit elektrotechnischen und mikrobiologischen Prozessen in die industriell genutzte Bio-Chemikalie Itaconsäure verwandelt. Diese Methode könnte als Modell für die Umwandlung von CO2-Emissionen in nachhaltige, biobasierte Produkte dienen.
Itaconsäure ist eine organische Säure, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird und für die Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen, Textilien, Klebstoffen sowie Harzen verwendet wird. Sie stellt eine nachhaltige Alternative zu petrochemischen Produkten dar. Derzeit werden weltweit rund 70.000 Tonnen Itaconsäure jährlich produziert, und die Tendenz ist steigend. Prof. Falk Harnisch, Elektrobiotechnologe am UFZ, erläutert, dass Itaconsäure üblicherweise biotechnologisch aus Zucker und einem speziellen Pilz gewonnen wird. Die neue Methode hingegen verwendet CO2 als Ausgangsstoff, was eine sinnvolle Nutzung der Emissionen ermöglicht.
Das Verfahren, das die Forscher entwickelt haben, findet in einem Bioreaktor statt, in dem elektrochemische und mikrobiologische Prozesse gleichzeitig ablaufen. Der Schlüssel zu diesem Ansatz liegt in der Verwendung von Formiat, einem chemisch verwandten Salz, das aus CO2 gewonnen werden kann und von Mikroorganismen als Ausgangsstoff für die Synthese von Itaconsäure genutzt werden kann. Dr. Paniz Izadi, die Erstautorin der Studie, erklärt, dass durch den Einsatz von elektrischem Strom – idealerweise aus erneuerbaren Energiequellen – CO2 in Formiat umgewandelt wird, das dann von der Hefe zur Herstellung von Itaconsäure verwendet werden kann.
Die Entwicklung des Elektrobioreaktors war nicht ohne Herausforderungen. Die besten Bedingungen für die elektrochemische Umwandlung von CO2 in Formiat erfordern hohe Temperaturen und einen alkalischen pH-Wert. Im Gegensatz dazu benötigt die verwendete Hefe, ein industriell verbreiteter Stamm namens Komagataella phaffii, mildere Temperaturen von etwa 30 Grad Celsius und einen neutralen pH-Wert in einem nährstoffreichen Medium. Dr. Simone Bachleitner, Senior Scientist an der BOKU Universität, betont, dass ein Kompromiss gefunden werden musste, um optimale Bedingungen für beide Prozesse zu schaffen.
Die Versuche waren erfolgreich: Die Hefe konnte tatsächlich Itaconsäure aus CO2 und dem elektrochemisch erzeugten Formiat produzieren. Prof. Harnisch hebt hervor, dass die Verbindung von elektrochemischen und mikrobiologischen Prozessen in einem einzigen System bedeutende Vorteile bietet. Zum Beispiel entfallen umständliche Transportwege für Zwischenprodukte, was den gesamten Prozess effizienter gestaltet. Obwohl die Ausbeute an Itaconsäure aus CO2 unter der von Zucker oder Methanol hergestellten Variante liegt, zeigt die Studie deutlich, dass es möglich ist, CO2 als Rohstoff zu nutzen und in komplexe, wertvolle Chemikalien umzuwandeln.
Die Forscher sind optimistisch, dass ihre innovative Methode als Modell für zukünftige Anwendungen in der Industrie dienen kann. In weiteren Studien planen sie, die Prozesse im Elektrobioreaktor weiter zu optimieren und auch andere Mikroorganismen einzubeziehen, um die Herstellung zusätzlicher biobasierter Produkte zu ermöglichen. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten somit einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Chemieindustrie darstellen und zur Verringerung von CO2-Emissionen beitragen.
