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L&M-7-2012 > Innovative CO2-Umwandlungs- und Synthesewege mithilfe von Mikroorganismen

Innovative CO2-Umwandlungs- und Synthesewege mithilfe von Mikroorganismen

Kohlenstoff ist ein begehrtes, knappes Element. Auf der Erde existieren drei Kohlenstoffquellen, das sind erstens fossile Rohstoffe wie Erdöl, Kohle und Erdgas, zweitens Biomasse und drittens CO2 bzw. Carbonate [1]. Für die energetische Nutzung werden als kohlenstoffhaltige Energieträger vor allem Erdöl, Erdgas, Kohle und Biomasse verwendet. Nach dem „BP Statistical Review of World Energy June 2011“[2] hatte im Jahr 2010 Erdöl einen Anteil von 34 % am globalen Primärenergieverbrauch, gefolgt von Kohle mit 30 % und Erdgas mit 24 %. Der Anteil der nachwachsenden Rohstoffe am Primärenergieverbrauch lag weltweit laut dieser Studie bei 1,3 %. Bei der stofflichen Nutzung spielt Erdöl im heutigen „Ölzeitalter“ die wichtigste Rolle. Es dient als Ausgangsstoff für Chemika lien, Kunststoffe und Medikamente [3]. Biomasse wird einerseits ener getisch und stofflich verwertet, anderseits ist sie als Nahrungsmittel unverzichtbar.

Die fossilen Rohstoffe sind begrenzt. Pro Tag wird so viel fossiler Rohstoff energetisch genutzt und damit verbraucht, wie erst innerhalb von 1.000 Jahren wieder neu entstehen könnte [3]. Die Erschließung und Nutzung von Kohlenstoffquellen sollte deshalb nachhaltig erfolgen. Dies ist umso wichtiger, da anzune hmen ist, dass der Weltenergiebedarf stetig weiter steigen wird [4]. Seine Deckung erfolgt heutzutage hauptsächlich aus fossilen Energieträgern, deren Einsatz mit entsprechenden CO2Emissionen einhergeht.
Die stoffliche Nutzung der fossilen Rohstoffe kann nicht getrennt von der energetischen Nutzung betrachtet werden. In der chemischen Industrie werden schätzungsweise 10 % des weltweiten Erdölverbrauchs für die stoffliche Nutzung eingesetzt [1]. Erdöl stellt momentan die wichtigste Rohstoffquelle für die kohlenstoffbasierte Chemie dar [1]. Um die Abhängigkeit vom Erdöl zu verringern, wird die stoffliche Nutzung von Erdgas und Kohle evaluiert [1]. Auch der verstärkte Einsatz nachwachsender Rohstoffe wird diskutiert. Hier darf jedoch die stoffliche und energetische Nutzung nicht die Nahrungsund Futtermittelproduktion beeinträch tigen. Denn die Ernährung der wach senden Weltbevölkerung und die weiter ansteigende Anzahl an Nutztieren erfordert eine nachhaltige Steigerung der Biomasse produktion [5] und den vermehrten Anbau von Nutzpflanzen. Unbegrenzt erhöht werden kann die Bildung nachwachsender Rohstoffe natürlich nicht. Dies liegt vor allem an begrenzt zur Verfügung stehender Anbaufläche und Wasserressourcen [5, 6]. Eine effiziente Nutzung der Biomasse ist deshalb zwingend notwendig. Dies könnte durch die Verwirklichung von Bioraffineriekonzepten und einer Kaskadennutzung der Biomasse erfolgen [7]. In einer Bioraffinerie würde die Biomasse analog dem Erdölraffinerieprinzip in biobasierte Stoffe, Bioenergie und Biokraftstoffe umgewandelt werden [8]. Bei der Kaskadennutzung würde die Biomasse erst stofflich und danach erst als Abfall energetisch genutzt werden [7]. Als dritter Weg könnte die primäre Verwertung als Nahrungsmittel, gefolgt von der stofflichen oder energetischen Nutzung der dabei anfallenden Abfall ströme, genannt werden.

Wertstoffe aus kohlenstoffhaltigen Abfällen

Weil weder fossile noch nachwachsende Rohstoffe unbegrenzt verfügbar sind, ist die verstärkte Verwendung kohlenstoffhaltiger Abfallströme als Rohstoffquelle ein wichtiger Ansatz für die Bildung von Wertstoffen [1].
Die Verwandlung kohlenstoffreicher Abfälle und industrieller Nebenströme in Wertstoffe ist die Zielsetzung der Innovationsallianz ZeroCarbFP – kurz für Zero Carbon Footprint. Bei dieser Innovations allianz handelt es sich um einen For schungsverbund von insgesamt 21 Partnern aus Industrie, Mittelstand und Aka demia, dessen Forschungsaktivitäten durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden sollen [9]. Koordi niert wird die Allianz durch die RWE Power AG. Es sollen Mikroorganismen oder mikrobielle Gemeinschaften gefunden werden, die kohlenstoffhaltige Abfallströme wie bspw. CO2 nutzen, die mithilfe von Stammentwicklungsmaßnahmen hin zu Wertstoffbildnern optimiert werden können. Die angestrebte biotechno logische Produktion von Biokunststoffen, Flugzeug enteisungsmitteln und Zusätzen für die Herstellung von HightechÖlen und Fetten wird dabei im Fokus der Forschung stehen [9]. Daneben sollen Wege gefunden werden , funktionale Biomasse für Erzlaugungsprozesse (Green Mining) einsetzen zu können. Das Biotechnologieunter nehmen BRAIN AG wird sein Technologieportfolio, Knowhow und Netzwerk in die Innovationsallianz ZeroCarb einbringen [9].

CO2 aus Rauchgas – ein Rohstoff?

Im Jahr 2010 wurden weltweit – bedingt durch energetische Nutzung – geschätzte 30,6 Gigatonnen CO2 emittiert [10]. Der globale Anstieg der atmosphärischen CO2Konzentration wird vor allem durch die Verbrennung fossiler Kohlenstoffquellen und in geringerem Maße durch veränderte Landnutzung verursacht [11]. Ein weiterer Anstieg der weltweiten CO2Emissionen ist zu erwarten [4]. CO2 als Kohlenstoffträger ist also in großen Mengen vorhanden. CO2 ist Endprodukt von Verbrennungsprozessen, befindet sich auf einem sehr niedrigen Energieniveau und ist sehr reaktionsträge. Soll CO2 als CQuelle zu einem Wertstoff umgesetzt werden, muss also viel Energie zugeführt werden. Höchste Priorität sollte deshalb immer die Vermeidung von CO2Emissionen haben [1].
Das geschätzte Potenzial einer stofflichen Nutzung von CO2 ist begrenzt: Es liegt laut Positionspapier der DECHEMA „Verwertung und Speicherung von CO2“ [12] für die Herstellung hochwertiger Produkte (z. B. Stoffwechselintermediate wie Pyruvat oder Succinat als Vorstufen von Bio plastik) bei höchstens 1 % und für die Bildung von Kraftstoffen bei höchstens 10 % der weltweit emittierten CO2Menge. Trotzdem ist die Nutzung von CO2 als ein Baustein für Emissionsreduktion und Ressourcenschonung zu betrachten. Praktische Beispiele für die stoffliche Nutzung gibt es seit vielen Jahrzehnten: Sowohl in der industriellen Synthese von Harnstoff als auch von Salizylsäure kommt CO2 zum Einsatz [12].
Schon seit einiger Zeit hat sich die RWE Power AG – eines der führenden Unternehmen der Stromerzeugung in Deutschland – dem Thema angenommen. Denn für die Energieerzeugung spielen fossile Energieträger wie Kohle jetzt und in Zukunft eine wichtige Rolle. RWE Power engagiert sich, verlässliche Wege zu finden, die aus der Kohleverstromung resultierenden Emissionen von CO2 zu minimieren.
Schon seit einiger Zeit hat sich die RWE Power AG – eines der führenden Unternehmen der Stromerzeugung in Deutschland – dem Thema angenommen. Denn für die Energieerzeugung spielen fossile Energieträger wie Kohle jetzt und in Zukunft eine wichtige Rolle. RWE Power engagiert sich, verlässliche Wege zu finden, die aus der Kohleverstromung resultierenden Emissionen von CO2 zu minimieren.
Bei der direkten CO2-Nutzung als technisches Gas wird es bspw. für die Herstellung von Trockeneis, als Reinigungs- und Kühlmittel, als Schweißgas, als umweltfreundliches Lösemittel, für die Gewächshausversorgung oder die Wasseraufbereitung verwendet. Der chemische Pfad bedeutet den Einsatz von CO2 als Rohstoff in der Chemie. Mögliche Zielprodukte sind Synthesegas, Basischemikalien, Kunststoffe, Spezialchemie, Treibstoffe und Erdgas/ Biogas. Hier untersucht RWE Power z. B. gemeinsam mit der Bayer AG und der RWTH Aachen die CO2-basierteHerstellung von Polyurethanen in dem vom BMBF geförderten Projekt „Dream Production“.

Für die direkte und chemische Nutzung von CO2 muss dieses zunächst aus dem Rauchgas abgetrennt werden, z. B. durch ein CO2-Wäscheverfahren. Die CO2-Abtrennung ist deshalb vonnöten, weil bei beiden Pfaden der Einsatz von CO2 mit hoherReinheit erforderlich ist. Bei der chemischen Nutzung könnten z. B. katalytische Prozesse durch Nebenkomponenten beeinträchtigt werden.
Bei der biotechnologischen und biologischen Route kann auf den erheblichen apparativen und energetischen Aufwand der CO2-Abtrennung verzichtet werden. Das CO2-haltige Rauchgas selbst kann als kohlenstoffhaltiger Rohstoff verwendet werden.
Die biologische Nutzung von CO2 aus Rauchgas kann durch Einsatz von Pflanzen oder pflanzenartigen Organismen wie Algenerfolgen, die CO2 fotosynthetisch reduzieren. RWE hat ein solches Verfahren unter Verwendung von Mikroalgen in einer Algen-Pilotanlage am Braunkohlekraftwerk Niederaußem realisiert. Diese Anlage wurde2008 errichtet und bis 2011 mit Rauchgas aus dem Kraftwerk betrieben. Mikroalgen zeichnen sich durch eine besonders hohe Wachstums- und damit CO2- Einbindungsrate aus. Als eine der wichtigsten Prozessbedingungen muss aber berücksichtigt werden, dass bei Nutzung der Sonne als Energiequelle die Energiemenge für die CO2-Reduktion, bezogen auf die Grundfläche der Anlage, in den Prozess eingebracht wird.
Beim vierten Pfad, der biotechnologischen Nutzung, kommen Mikroorganismen, Vertreter der Bacteria oder Archaea, zum Einsatz. Sie beziehen die Energie für die CO2-Verwertung aus Redox-Prozessen. Das hat den Vorteil der Skalierbarkeit, d. h. man könnte an ein dreidimensionales Upscale denken, da die Anzucht lichtunabhängig sein kann.
Die Verwirklichung des Ziels, CO2 aus Rauchgas für die biotechnologische Nutzung zu erschließen, wird innerhalb der 2010 initiierten Kooperation zwischen der RWE Power und dem in der weißen Biotechnologie führenden Unternehmen BRAIN AG angestrebt. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen als Basis für fortführende Arbeiten innerhalb der Innovationsallianz ZeroCarb dienen (siehe oben; [9]). Der Hauptfokus der strategischen Kooperation richtet sich auf die rauchgasbasierte Biomasse- und Wertstoffproduktion durch Mikroorganismen. Gestartet wurde mit einer umfangreichen Bioprospecting, Anreicherungs- und Isolierungskampagne.
Es sollten Mikroorganismen gefunden werden, die bei 60 °C unter Rauchgasbedingungen wachsen können. Die dafür benötigte Energie sollen sie aus Redoxmitteln beziehen, bestehend aus anorganischen Komponenten wie Schwefelverbindungen oder Wasserstoff. Dafür wurden heiße Schwefelquellen und die Rauchgaskanäle von Braunkohlekraftwerken der RWE Power beprobt. Es wurden etwa 3000 Kulturen unter artifiziellen Rauchgasbedingungen angesetzt und mehr als 500 Reinoder Mischkulturen für das Screening in Kultur gehalten. Wasserstoffoxidierer wurden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von PD Dr. Arnulf Kletzin (TUDarmstadt) isoliert. Des Weiteren wurden aus dem proprietären BRAIN BioArchiv viel versprechende Isolate für die Anzucht ausgewählt. Für die Durchmusterung nach effizienten Biomassebildnern unter artifiziellen Rauchgasbedingungen wurden die Kulturen angezogen und der Gesamtkohlenstoff (TOC) anfangs und nach bestimmtenInkubationszeiten bestimmt. Eine Auswahl interessanter Kulturen wird jetzt weiter untersucht. Um mikrobielle Gemeinschaften anzureichern oder zu identifizieren, die in Gegenwart von „Original“- Rauchgas wachsen können, wurden Experimente im Innovationszentrum Kohle in Niederaußem durchgeführt. Dort sind an einem der modernsten Braunkohlekraftwerke der Welt, dem so genannten BoABlock (BoA = Braunkohlekraftwerk mit optimierterAnlagentechnik), die Forschungsanlagen der RWE-Power zu den Themen Effizienzsteigerung, Emissionsreduktion, CO2-Abtrennung und -Nutzung gebündelt. Für die Anreicherungskampagnen wurde etwa 60 °C warmes Rauchgas direkt dem Rauchgaskanal des BoA-Blocks entnommen. Mit diesem Rauchgas wurden ausgewählte mikrobielle Kulturen kontinuierlich begast. In regelmäßigen Abständen wurde ein großer Teil der Kultur durch frisches Medium ersetzt. Das Wachstum wurde über TOC-Messungen verfolgt. Es stellte sich heraus, dass sich „Original“-Rauchgas zur Anzucht einiger Kulturen eignet.
Nächster Schritt wird nun nach diesem „Proof of principle“ ein Upscale der Kultivierung am Innovationszentrum Kohle in Niederaußem sein.
Langfristiges Ziel der Forschungsarbeiten ist es darüber hinaus, Mikroorganismen zu Wertstoffbildnern umzuwandeln, die CO2 aus Rauchgas als Edukt verwenden können. Diese „Designer-Mikroorganismen“ sollen unter Verwendung des CO2 aus Rauchgas Produkte wie bspw. Laktat oder Succinat bilden. Dafür sollen ausgewählte Kulturen auf das Vorkommen von Schlüsselenzymen für CO2-Fixierungswege untersucht werden. Des Weiteren müssen Methoden für die genetische Manipulierbarkeit ausgewählter Mikroorganismen angepasst und etabliert werden. Mithilfe metabolischer Modellingund klassischen „Pathway Engineering“- Methoden werden dann die Wertstoff bildenden „Designer-Mikroorganismen“ geplant, konstruiert und anschließend getestet.

CO2 aus Rauchgas – ein Rohstoff der Zukunft!

Der Einsatz von Mikroorganismen zur Umwandlung und Nutzung von CO2 hat einige entscheidende Vorteile: Die Konversion des Treibhausgases kann direkt im Kraftwerksrauchgas ohne vorgeschaltete CO2-Abtrennung ablaufen, der Prozess ist dreidimensional skalierbar, sodass keine Konkurrenz zur landwirtschaftlichen Flächennutzung besteht, und die mögliche Produktpalette kann vielseitig gestaltet werden. Bis zur kommerziellen Verfügbarkeit sind allerdings noch weit reichende Forschungsund Entwicklungsarbeiten zu leisten. Sie betreffen die Energiebilanz des Verfahrens oder auch die Effizienzsteigerung von CO2- Fixierung und Produktbildung. Sind diese Schritte getan, so lassen sich mit dem Verfahren zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Aus dem Reststoff CO2 wird ein Rohstoff. Das verringert Emissionen und schont fossile Kohlenstoffquellen.

Literatur
[1] Rohstoffbasis im Wandel, Positionspapier getragen von DECHEMA, GDCh, DGMK, VCI, 2010.
[2] BP Statistical Review of World Energy June 2011, bp.com /statisticalreview.
[3] Gründinger, Das Ende eines Zeitalters in Vorsicht Hochspannung, Brockhaus.
[4] WEO2010 report, International Energy Agency, www.worldenergyoutlook.org
[5] Nachhaltige Nutzung von Bioenergie, BioÖkonomieRat.
[6] Investitionen in Land und das Phänomen des „LandGrabbing“, BMZ-Strategiepapier 2 /2012.
[7] Effiziente Nutzung von Biomasse – Reststoffe, Nutzungskonkurrenzen und Kaskadennutzung, Baur, 2010.
[8] Biomasse-Wirtschaft und Bioraffinerie-Systeme, Kamm, B. 2008.
[9] Pressemitteilung 077 / 2012 des Bundesministeriums für Bildung- und Forschung vom 18.06.2012.
[10] http://www.iea.org/index_info.asp?id=1959, Prospect of limiting the global increase in temperature to 2 °C is getting bleaker (International Energy Agency,
latest Information).
[11] Climate Change 2007: Synthesis Report, An Assessment of the Intergovernmental Panel on Climate Change.
[12] Positionspapier DECHEMA Verwertung und Speicherung von CO2, 2009.

Foto: © BRAIN AG

L&M 7 / 2012

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe L&M 7 / 2012.
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