CO₂-Biokonversion – vom Treibhausgas zum Wertstoff
Spricht man über den Klimawandel, spricht man auch über klimaschädliche Treibhausgase. Eines von ihnen ist das CO2 (Kohlendioxid). Es macht aktuell mit ca. 35 Mrd. jährlich emittierten Tonnen den Großteil der Treibhausgase aus und sein Anteil in der Atmosphäre ist seit Beginn der Industrialisierung von circa 280 ppm (Teil pro Millionen) auf heute 410 ppm gestiegen.
Als Abfallprodukt bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe hat CO2 nachweislich einen Einfluss auf das Klima und gilt als einer der wesentlichen Verursacher der Erderwärmung. Um die Auswirkungen des Klimawandels einigermaßen beherrschbar zu machen, gehen Klimaforscher davon aus, dass die Erderwärmung im Jahresmittel auf +1,5°C begrenzt werden muss. Die Biotechnologie kann dazu beitragen Klimaziele zu erreichen, z.B. indem CO2 eingefangen und nachhaltig genutzt wird – daher ist die Biotechnologie ein wirksames Instrument auf dem Weg zu einer nachhaltigen Wirtschaftsform, der Bioökonomie.
Was tun mit dem Zuviel an CO2? In erster Linie gilt es für alle den Ausstoß von vornherein zu reduzieren! Doch ganz ohne CO2-Emission wären derzeit kein Verkehr, keine Industrie, kein Heizen privater Haushalte, kurz kein Leben, so wie wir es kennen und lieben, möglich. Es gilt also das momentan noch unvermeidbare CO2 „einzufangen“ und festzuhalten – damit es nicht in die Atmosphäre entlassen wird und dort weiteren Schaden anrichtet. Eine verrückte Idee? Mitnichten – und es gibt inzwischen viele Ansätze gasförmiges CO2 als Rohstoff zu nutzen und in einen neu hergestellten festen oder auch flüssigen Stoff einzubinden.
Ein paar griffige Beispiele: Evonik und Siemens wandeln CO2 mittels Strom aus erneuerbaren Quellen und mit Hilfe von spezialisierten Bakterien in wertvolle Spezialchemikalien um. Der Polymer-Hersteller Covestro setzt Kohlendioxid als Rohstoff ein, um Polyole als Komponente für weichen Polyurethanschaum, Grundlage z.B. für Matratzen, herzustellen. Das Schweizer Start-up Climeworks arbeitet daran CO2 aus der Atmosphäre einzufangen, um es dann für den Anbau von Pflanzen oder die Herstellung kohlenstoffneutraler Brennstoffe zu verwenden.
Mikroorganismen werden zu Produktionsspezialisten
Welche Rolle spielt die Biotechnologie in diesem Zusammenhang? Was kann sie dazu beitragen, um die gasförmige Verbindung CO2 bzw. das reine Element Kohlenstoff (C) aus industriellen Nebenströmen – z.B. aus Schornsteingasen – „stofflich“ zu nutzen? Die Biotechnologie basiert auf der Nutzung lebender Organismen wie z.B. Mikroorganismen oder auch Algen- oder Pflanzenzellen und nutzt deren Fähigkeiten, eine Substanz zu einer anderen Substanz zu verstoffwechseln.
Ein Beispiel ist das bei der Bioethanolherstellung anfallende reine CO2: Forscherinnen und Forscher der BRAIN AG haben in Zusammenarbeit mit der Südzucker AG im Rahmen eines BMBF-geförderten Kooperationsprojektes (Zero Carbon Foot Print, ZeroCarbFP) in verschiedensten Quellen und Industrieanlagen nach Mikroorganismen gesucht, die CO2 als einzige Kohlenstoffquelle ihren Stoffwechsel nutzen. Tatsächlich fanden sie unter Tausenden untersuchten Mikroorganismen solche, die aus CO2 Substanzen herstellten, die als Bausteine für chemische Verbindungen verwendet werden können. Das Team war zuversichtlich, dass sie fündig würden, war doch vor ca. 1 Mrd. Jahre auf der Erde das Verhältnis von Sauerstoff zu CO2 (0,5% Sauerstoff und ca. 20% CO2) ziemlich genau umgekehrt zu dem, wie wir es heute kennen. Und das einzige Leben auf dem Planeten waren zu dieser Zeit Mikroorganismen, die mit diesen Bedingungen prächtig zurechtkamen.
Nach Untersuchungen zum Stoffwechsel der Bakterien und zu vielen weiteren Eigenschaften war der nächste Schritt, die Mikroorganismen dazu zu bringen, CO2 effizienter und vor allen Dingen schneller zu verstoffwechseln. Dazu setzten die Projektbeteiligten biotechnologische Werkzeuge ein – und aus CO2-Normalverbrauchern wurden CO2-Superverbraucher. Aktuell befindet sich das Südzucker-Projekt in der 3. Förder- und damit in der Pilotierungsphase.
Energie aus Wasserstoff für energieloses CO2
Da CO2 bisher als das Ende des Kohlenstoffkreislaufs bezeichnet wurde und als komplett durchoxidiertes Molekül als „energetisch tot“ gilt, was eine Weiterreaktion verhindert, war es die größte Aufgabe der Forscherinnen und Forscher einen Energieträger zu finden, der das CO2 wieder in einen reduzierten (energetisch nutzbaren) Zustand bringen konnte. Hierzu wurden Experimente mit Schwefel, Kupfer und zuletzt auch mit Wasserstoff durchgeführt. Wasserstoff wurde als die beste Energiequelle ausgewählt. (Dieser kann durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden – ein Vorgang, der z.B. mit Solarenergie oder Windenergie in einem sogenannten Elektrolyseur kostengünstig hergestellt werden kann.)
Im biotechnologischen Einsatz verstoffwechseln die CO2-verwertenden Mikroorganismen das Element Kohlenstoff aus dem CO2 quantitativ zu einer organischen Zwischenverbindung, die z.B. in der chemischen Industrie als Baustein für weitere Verbindungen benötigt wird. Der Baustein kann nun die „alten“, bislang aus fossilen Ressourcen wie z.B. Erdöl gewonnenen Bausteine ersetzen. Somit entsteht durch den Einsatz dieser Mikroorganismen eine Art „Bioraffinerie“ für verschiedene Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Stoffen. Die neuen biotechnologischen Verfahren haben daher den Trend in der chemischen Industrie hin zur Nutzung biobasierter Bausteine gefördert.
Wertschöpfung auf Basis biologischer Ressourcen und erneuerbarer Energien – so umgesetzt entspricht die hier beschriebene CO2-Nutzung aus industriellen Nebenströmen dem Prinzip der Bioökonomie.
→ Dieser Beitrag wurde in der Rubrik „Köpfe des Wandels“ der Online-Plattform bioökonomie.de veröffentlicht. Die Plattform ist Bestandteil der Initiative "Wissenschaftsjahr 2020 – Bioökonomie" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF).