CO2-Nutzung durch Kombination von Hefe und Elektrochemie
Angesichts des fortschreitenden Klimawandels werden Technologien entwickelt, die CO2 aus der Atmosphäre verwerten. Forschende des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) haben gemeinsam mit der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) ein Verfahren vorgestellt, das elektrochemische und mikrobiologische Prozesse vereint, um CO2 zu binden und daraus Itaconsäure herzustellen – eine wichtige biobasierte Chemikalie für die Industrie. Diese Methode zeigt, wie CO2-Emissionen in nachhaltige biotechnologische Produkte umgewandelt werden können. Zudem eröffnet die Nutzung verschiedener Mikroorganismen Perspektiven für die Produktion weiterer wertvoller Chemikalien. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.
Itaconsäure als nachhaltiger Rohstoff
Itaconsäure ist eine organische Säure auf biologischer Basis, die unter anderem in der Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen, Textilien, Klebstoffen und Harzen Verwendung findet. Sie stellt eine vielversprechende Alternative zu erdölbasierten Produkten dar und wird weltweit bereits in Mengen von etwa 70.000 Tonnen jährlich produziert, mit steigender Tendenz. Prof. Falk Harnisch, Elektrobiotechnologe am UFZ, erläutert: „Die industrielle Produktion von Itaconsäure erfolgt biotechnologisch mit einem Pilz und Zucker als Ausgangsstoff. Unser neu entwickeltes Verfahren ermöglicht es, CO2 anstelle von Zucker zu verwenden und so Emissionen sinnvoll zu nutzen.“
Funktionsweise des Elektrobioreaktors
In Zusammenarbeit mit der BOKU wurde ein Bioreaktor konzipiert, in dem elektrochemische und mikrobiologische Prozesse simultan ablaufen. Eine frühere Studie der BOKU hatte gezeigt, dass Itaconsäure biotechnologisch auf Methanolbasis hergestellt werden kann. Aufbauend darauf nutzte das UFZ-Team eine chemisch verwandte Substanz, das Formiat, welches technisch relativ einfach aus CO2 erzeugt werden kann. Dr. Paniz Izadi, Erstautorin der Studie, erklärt: „Mit elektrischem Strom, idealerweise aus erneuerbaren Quellen, lässt sich CO2 elektrochemisch zu Formiat umwandeln. Da Formiat und Methanol beide nur ein Kohlenstoffatom enthalten, prüften wir, ob die Hefe Formiat als Ausgangsstoff zur Itaconsäureproduktion verwenden kann.“
Herausforderungen bei der Prozessintegration
Die gleichzeitige Durchführung der elektrochemischen CO2-Reduktion und der mikrobiologischen Umwandlung stellte eine Herausforderung dar, da die optimalen Bedingungen für beide Prozesse stark voneinander abweichen. Die elektrochemische Umwandlung benötigt hohe Temperaturen, alkalischen pH-Wert und möglichst reine Reaktionsbedingungen, während die Hefe Komagataella phaffii milde Temperaturen um 30 °C, neutralen pH-Wert und ein nährstoffreiches Medium bevorzugt. Dr. Simone Bachleitner von der BOKU beschreibt: „Wir mussten einen Kompromiss finden, um für beide Prozesse akzeptable Bedingungen zu schaffen und deren Effizienz zu maximieren.“
Ergebnisse und Ausblick
Das Experiment war erfolgreich: Die Hefe produzierte aus CO2 und elektrochemisch erzeugtem Formiat Itaconsäure. Prof. Harnisch betont: „Die Kombination elektrochemischer und mikrobiologischer Prozesse in einem geschlossenen System bietet praktische Vorteile, da Transportwege für Zwischenprodukte entfallen. Obwohl die Ausbeute noch unter der von zucker- oder methanolbasierten Verfahren liegt, demonstriert die Studie die Machbarkeit der CO2-Nutzung zur Herstellung komplexer biobasierter Chemikalien.“
Die Forschenden planen, das Verfahren weiter zu optimieren, andere Mikroorganismen einzusetzen und die Produktion weiterer biobasierter Produkte zu erforschen, um die Technologie für den industriellen Maßstab vorzubereiten.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Falk Harnisch
Co-Leiter des UFZ-Departments Mikrobielle Biotechnologie
E-Mail: falk.harnisch@ufz.de
Originalpublikation
Paniz Izadi, Manja M. Severinsen Zijlstra, Aykut Kas, Philip Haus, Verena Enzinger, Gregor Lutz, Özge Ata, Simone Bachleitner, Diethard Mattanovich und Falk Harnisch: Integrated electromicrobial production of itaconic acid from CO2 at liter-scale using Komagataella phaffii, Angewandte Chemie International Edition, https://doi.org/10.1002/anie.8633090
