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Hefe und Strom machen aus CO₂ einen Baustein für biologisch abbaubare Kunststoffe
Biobasierte Chemikalien werden bislang meist aus Zucker hergestellt. Nun ist es gelungen, Kohlendioxid mithilfe von Strom und gentechnisch veränderter Hefe in Itaconsäure umzuwandeln, einen Ausgangsstoff für Kunststoffe und Klebstoffe. Das Experiment in einem Liter großen Reaktor zeigt die technische Machbarkeit, liefert bisher aber nur geringe Produktmengen.
Leipzig (Deutschland). Kohlendioxid ist nicht nur ein Treibhausgas, sondern auch eine mögliche Kohlenstoffquelle für die chemische Industrie. Bisher lässt es sich allerdings nur mit beträchtlichem technischem Aufwand in komplexere organische Stoffe überführen.
Auch biotechnologische Verfahren benötigen oft Zucker aus landwirtschaftlichen Rohstoffen, um wertvolle Chemikalien zu erzeugen. Eine Alternative wäre, den benötigten Kohlenstoff unmittelbar aus CO₂ zu gewinnen und den Zellstoffwechsel mithilfe von elektrischer Energie anzutreiben.
Forscher des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) um Prof. Dr. Falk Harnisch haben dafür nun einen elektrochemischen Prozess mit einer gentechnisch veränderten Industriehefe kombiniert. In einem gemeinsamen Reaktionsgefäß entstehen aus Kohlendioxid die chemischen Voraussetzungen für die Bildung von Itaconsäure. Diese organische Säure wird unter anderem als Baustein für biologisch abbaubare Kunststoffe, Harze und Klebstoffe genutzt.
Die verwendete Hefe Komagataella phaffii wurde so verändert, dass sie CO₂ mithilfe eines eingebauten Stoffwechselweges als Kohlenstoffquelle nutzen kann. Zugleich reduziert eine Zinnkathode unter Stromzufuhr weiteres CO₂ zu Formiat, dem Salz der Ameisensäure. Dieses liefert Energie für das Wachstum der Hefezellen und für ihre Herstellung von Itaconsäure.
„Wir haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem statt Zucker CO2 als Ausgangsstoff dienen kann, und wir so Emissionen sinnvoll nutzen können“, erklärt Prof. Dr. Falk Harnisch.
Anders als bei einem getrennten chemischen und biologischen Verfahren muss das Zwischenprodukt Formiat nicht erst in einen zweiten Reaktor transportiert werden. Die Versuche zeigen, dass die Hefe unter diesen Bedingungen wachsen und aus CO₂ tatsächlich Itaconsäure bilden kann.
Für den kombinierten Betrieb verwendete das Team einen Elektrobioreaktor mit einem Liter Volumen. Unter den günstigsten untersuchten Bedingungen erreichte die Itaconsäure im Mittel eine Konzentration von 110,1 Milligramm pro Liter. Damit ist die Bildung des Produkts belegt, für eine industrielle Herstellung ist diese Ausbeute bisher aber noch gering.
Zum Vergleich wird Itaconsäure großtechnisch mithilfe eines Pilzes aus zuckerhaltigen Rohstoffen gewonnen. Frühere Versuche hatten zudem gezeigt, dass sich die Säure durch Hefe unter Nutzung von Methanol herstellen lässt. Das neue Verfahren ersetzt diese Ausgangsstoffe durch CO₂ und elektrochemisch erzeugtes Formiat, ohne bereits die Produktivität etablierter Herstellungswege zu erreichen.
„Großtechnisch wird Itaconsäure biotechnologisch mithilfe eines Pilzes und auf Basis von Zucker produziert“, erklärt Prof. Dr. Falk Harnisch.