Grüne Chemie im Blick: RPTU forscht mit KIT zur nachhaltigen Bioproduktion

Im Rahmen eines von der Carl-Zeiss-Stiftung geförderten Projekts wollen Forschende CO₂ in wertvolle Chemikalien umwandeln. Chemikalien, die als Grundstoffe beispielsweise für die Industrie relevant sind. Dazu soll eine sogenannte elektrobiotechnologische 200%-Zelle entwickelt werden. Für das innovative Vorhaben kooperieren das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in der führenden Rolle und die Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU).

Ziel der „grünen Chemie“ ist es, nachhaltig und ökologisch vorzugehen, um eine durch chemisch-synthetische Prozesse erzeugte Umweltbelastung bestmöglich zu reduzieren. So sollen auch neue und (energie-)effizientere Prozesse erarbeitet werden, mit deren Hilfe sich Chemikalien produzieren lassen. Chemikalien, die beispielsweise für die Herstellung von Biokraftstoffen, Arzneimitteln, Fein- und Massenchemikalien benötigt werden. Genau dort setzt ein gemeinsames Projekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der RPTU an, das von der Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen des Programms „CZS Wildcard“ gefördert wird.

Federführend vonseiten der RPTU mit dabei ist Professor Roland Ulber vom Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik: „Das Projekt adressiert globale Herausforderungen wie steigende CO₂-Emissionen, die wachsende Weltbevölkerung, die Erschöpfung fossiler Brennstoffe und der Übergang zu erneuerbaren Energien“, erklärt er – und konkretisiert: „Im Rahmen des Projekts wollen wir CO₂ in Chemikalien umwandeln, die der chemischen Industrie als Grundstoffe dienen könnten.“

Um dieses Vorhaben realisieren zu können, wollen die Forschenden eine sogenannte elektrobiotechnologische 200%-Zelle entwickeln. In dieser soll eine Mischkultur zweier Bakterienarten – unter Einspeisung von Strom – als eine Art „biologische Fabrik“ zum Einsatz kommen. Mikrobielle Elektrosynthese (MES) nennt sich das dahinterstehende Verfahren. Dieses hat sich in den vergangenen Jahren als vielversprechende Technologie zur Nutzung von CO₂ erwiesen. Attraktiv dabei ist die hohe Energieeffizienz von über 80 Prozent, bei der sozusagen aus Strom wertvolle Chemikalien entstehen.

In dem Kooperationsprojekt werden Forschende aus den Bereichen Mikrobiologie, Bioinformatik, elektrochemischer Verfahrenstechnik und Bioprozesstechnik zusammenarbeiten: „Die RPTU ist insbesondere mit der Entwicklung eines neuartigen Reaktorkonzeptes beschäftigt, in dem CO₂ unter Anlegen einer elektrischen Spannung mithilfe von Mikroorganismen zu interessanten Produkten umgesetzt werden kann. Das KIT beschäftigt sich mit den Vorgängen des Elektronentransports zu und in den Mikroorganismen. Dieses geht hin bis zu den Auswirkungen auf metabolischer und genomischer Ebene“, erklärt Roland Ulber zu den Details der Kooperation.

Die beiden genutzten Arten von Bakterien sind Methanogene und Methanotrophe. Herausfordernd dabei ist, dass Methanogene anaerob sind – sie brauchen also ein sauerstofffreies Milieu. Methanotrophe indes sind aerob, sie benötigen für ihren Stoffwechsel demnach Sauerstoff. Der verfolgte Ansatz der Forschenden: In der elektrobiotechnologischen 200%-Zelle wandeln Methanogene das CO₂ in Methan um. Anschließend produzieren Methanotrophe aus diesem Methan dann wertvolle Chemikalien. Solch Chemikalien können beispielsweise organische Säuren sein, die sich in neuartige Polymere einbauen ließen, erklärt Roland Ulber: „Wenn der Prozess erfolgreich ist, könnten so aus CO₂ und Überschussstrom aus regenerativen Energien Polymere hergestellt werden, die CO₂-neutral sind. Der Ansatz ist für die chemische Industrie generell von großem Interesse.“ Im Erfolgsfall würde das Projekt demnach eine neue Art der nachhaltigen Bioproduktion ermöglichen, die sowohl den gesellschaftlichen als auch den industriellen Bedürfnissen gerecht wird.

Das Projekt mit dem vollständigen Titel „Co-cultivation of anaerobic methanogens with aerobic methanotrophs in a bio-electrochemical 200% cell“ wird von Januar 2025 bis Dezember 2026 mit einem Budget von 900.000 Euro gefördert. Mit der „CZS Wildcard“ unterstützt die Carl-Zeiss-Stiftung MINT-Forschungsideen in einem sehr frühen Entwicklungsstadium.

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Über die Carl-Zeiss-Stiftung
Die Carl-Zeiss-Stiftung hat sich zum Ziel gesetzt, Freiräume für wissenschaftliche Durchbrüche zu schaffen. Als Partner exzellenter Wissenschaft unterstützt sie sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung und Lehre in den MINT-Fachbereichen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). 1889 von dem Physiker und Mathematiker Ernst Abbe gegründet, ist die Carl-Zeiss-Stiftung eine der ältesten und größten privaten wissenschaftsfördernden Stiftungen in Deutschland. Sie ist alleinige Eigentümerin der Carl Zeiss AG und SCHOTT AG. Ihre Projekte werden aus den Dividendenausschüttungen der beiden Stiftungsunternehmen finanziert.

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Roland Ulber
Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik / RPTU in Kaiserslautern

Tel.: +49 631 205-4043/-4044
E-Mail: roland.ulber@mv.rptu.de