Zwei Fliegen, eine Klappe: Wie Hefe und Strom CO2 in eine Bio-Chemikalie verwandeln

Kohlendioxid gilt meist als Abfall, den man loswerden will. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der BOKU University in Wien dreht den Blick um: Es nutzt CO2 als Rohstoff. Mit elektrischem Strom und einer Hefe haben die Forschenden aus dem Treibhausgas eine gefragte Chemikalie hergestellt – die Itaconsäure. Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition erschienen.

Was ist Itaconsäure – und wozu braucht man sie? Itaconsäure ist eine biobasierte organische Säure. Aus ihr entstehen unter anderem biologisch abbaubare Kunststoffe, Textilien, Klebstoffe und Harze. Weltweit werden bereits rund 70.000 Tonnen pro Jahr produziert, und der Bedarf wächst.

Bisher läuft die industrielle Herstellung über Zucker, den ein Pilz in Itaconsäure umwandelt. Genau diesen Zucker wollte das Team ersetzen. Letztautor Prof. Falk Harnisch, Elektrobiotechnologe und Co-Leiter des UFZ-Departments Mikrobielle Biotechnologie, beschreibt das Ziel so: ein Verfahren, „bei dem statt Zucker CO2 als Ausgangsstoff dienen kann“.

Zwei Schritte in einem Reaktor Das Verfahren verbindet Elektrochemie und Biologie. Im ersten Schritt wandelt elektrischer Strom – im besten Fall aus erneuerbaren Quellen – CO2 in Formiat um, ein Salz mit nur einem Kohlenstoffatom. Im zweiten Schritt übernimmt die Hefe Komagataella phaffii: Sie verarbeitet das Formiat zu Itaconsäure.

Die Idee baut auf Vorarbeiten auf. Eine frühere Studie der BOKU hatte gezeigt, dass diese Hefe Itaconsäure aus Methanol herstellen kann. Methanol enthält ebenfalls nur ein Kohlenstoffatom, ist also chemisch verwandt mit Formiat. Erstautorin Dr. Paniz Izadi vom UFZ und ihre Kolleginnen und Kollegen prüften deshalb, ob die Hefe auch mit Formiat zurechtkommt.

Beides läuft in einem sogenannten Elektrobioreaktor ab, also in einem geschlossenen System. Das hat einen praktischen Vorteil: Zwischenprodukte müssen nicht erst aufwendig von einer Anlage zur nächsten transportiert werden.

Der schwierige Kompromiss Leicht war das nicht, denn Elektrochemie und Hefe haben sehr unterschiedliche Vorlieben. Die elektrochemische Umwandlung von CO2 arbeitet am besten bei hohen Temperaturen, in alkalischem Milieu und mit möglichst wenigen Begleitstoffen. Die Hefe dagegen mag es mild – um die 30 Grad Celsius –, braucht einen neutralen pH-Wert und eine nährstoffreiche Umgebung.

Man habe einen Kompromiss finden müssen, um „für beide Welten das Beste herauszuholen“, sagt Dr. Simone Bachleitner, Senior Scientist am Institut für Mikrobiologie und mikrobielle Biotechnologie der BOKU University. Das ist gelungen: Die Hefe bildete Itaconsäure aus dem elektrochemisch erzeugten Formiat.

Ehrlich eingeordnet: Noch ein Laborerfolg So vielversprechend das klingt – Itaconsäure aus CO2 wird es so bald nicht im großen Stil geben. Der Versuch lief im Litermaßstab, wie schon der Titel der Studie angibt. Und die Ausbeute lag nach Angaben des Teams unter der von Verfahren, die Zucker oder Methanol nutzen. Der Wert der Arbeit liegt im Nachweis: Es ist möglich, CO2 in einer geschlossenen Prozesskette in eine komplexe, wertvolle Bio-Chemikalie umzuwandeln.

Daran will das Team nun weiterarbeiten. Die Abläufe im Elektrobioreaktor sollen optimiert werden, außerdem wollen die Forschenden weitere Mikroorganismen und andere biobasierte Produkte testen. Die Hoffnung: dass das Verfahren einmal als Vorbild für großtechnische Anlagen dient. Dann könnte aus einem Treibhausgas ein Rohstoff werden – zwei Fliegen mit einer Klappe.