CO2 in organische Säuren: Wertschöpfung für eine Kreislaufwirtschaft
Im anhaltenden Kampf gegen den Klimawandel stellt die nachhaltige Biotechnologie innovative Lösungen dar. Im EU-finanzierten Projekt VIVALDI(öffnet in neuem Fenster) wurde ein bemerkenswerter Durchbruch in diesem Sektor erzielt, indem Kohlendioxidemissionen aus der biobasierten Industrie erfolgreich in wertvolle organische Säuren umgewandelt wurden. Ein Konsortium aus 16 Partnern hat eine integrierte Lösung entwickelt, mit der CO2 aus realen Industrieemissionen abgefangen und in vier hochwertige organische Säuren umwandelt wird: Milch-, Bernstein-, Itacon- und 3-Hydroxypropionsäure. Diese Chemikalien können wieder in den Produktionsprozess von Bioraffinerien einfließen oder als wesentliche Bausteine für biologische Werkstoffe dienen, die in Branchen wie der Pharma-, Lebensmittel- und Futtermittelindustrie verwendet werden, was einen wichtigen Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft darstellt. „Der ganzheitliche Ansatz von VIVALDI gewährleistet einen effizienten und nachhaltigen Weg, um aus einem ehemaligen Abfallprodukt (CO2) marktfähige organische Säuren mit Mehrwert zu erzeugen“, erklärt Albert Guisasola, Projektkoordinator bei VIVALDI.
Von der CO2-Abscheidung zur Vergärung
Der Erfolg des Projekts liegt in dem umfassenden Ansatz, bei dem mehrere Methoden in einem nahtlosen Prozess kombiniert und anhand tatsächlicher Emissionen aus vier biobasierten Industrien getestet wurden. Die Reise beginnt mit einem MDEA-basierten(öffnet in neuem Fenster) CO2-Abscheidesystem, das zur Verbesserung der Absorptionsrate mit Kohlensäureanhydrase-Enzymen angereichert ist. „Der Energieaufwand und die Kosten für die CO2-Abscheidung konnten um bis zu 25 % gesenkt werden, und das Verfahren wurde anhand eines realen CO2-Stroms eines großen Ölkonzerns validiert, der ursprünglich weniger als 13 % Kohlendioxid enthielt“, bekräftigt Guisasola. Das abgeschiedene CO2 wird dann elektrochemisch zu Ameisensäure oder Methanol reduziert, die in der nächsten Stufe als Bausteine dienen. Dabei wandeln gentechnisch veränderte Stämme der Hefe Komagataella phaffii diese Verbindungen durch Fermentation in die gewünschten organischen Säuren um. Um dieses Verfahren noch nachhaltiger zu machen, wurden die für die Fermentation benötigten Nährstoffe mit bioelektrochemischen Systemen aus Industrieabwässern zurückgewonnen. Jeder Schritt wurde im Labor- oder Pilotmaßstab geprüft. So wurde beispielsweise die CO2-Elektroreduktion zu Ameisensäure mit verschiedenen Kathodenmaterialien wie Zinn und Wismut über einen längeren Zeitraum erprobt. Das VIVALDI-Team demonstrierte das Potenzial der Lösung für die Produktion im industriellen Maßstab und erreichte hohe Ausgaberaten: bis zu 100 Gramm pro Liter Bernsteinsäure, 80 Gramm pro Liter Itaconsäure und eine deutliche Verbesserung der Ausbeute an 3-Hydroxypropionsäure, wenn Ameisensäure vorhanden war.
Biobasierte Innovation auf dem Prüfstand
Die Industriepartner verifizierten die im Rahmen des Projekts biologisch hergestellten organischen Säuren, die wichtige Bestandteile von Werkstoffen für Arzneimittel, Lebensmittel, Kunststoffe und Tierfutter sind. Das Biokunststoffunternehmen Novamont(öffnet in neuem Fenster) hat die biologisch hergestellte Bernsteinsäure erfolgreich zur Herstellung innovativer Biopolymere verwendet, die sich für Spritzguss- und Schaumstoffanwendungen eignen. Diese neuen Werkstoffe wiesen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie herkömmliche Kunststoffe auf und boten gleichzeitig eine verbesserte Recyclingfähigkeit und Schaumbildung. Die biologisch hergestellte Milchsäure wurde zur Wachstumsförderung für Nutztiere getestet, wobei sie alle Sicherheitsnormen erfüllte und wirksame antimikrobielle Eigenschaften für Tierfutteranwendungen aufwies. Im Vergleich zu herkömmlicher Milchsäure hat sie jedoch eine geringere Wirkstoffkonzentration und eine auf Natrium basierende Form, sodass die Leistung beeinträchtigt sein kann und eine Anpassung der Formulierung erforderlich ist. Trotz dieser Bedingungen ist die kommerzielle Nutzung vielversprechend, sofern praktische und wirtschaftliche Faktoren berücksichtigt werden. Das VIVALDI-Team ist von den ersten Forschungsstadien bis zum Technologie-Reifegrad 5 bis 6 vorangeschritten, wobei einige Komponenten für vorindustrielle Pilotstudien bereit sind. In der nächsten Phase geht es darum, Industriepartner zu finden, die abschließende Tests durchführen und die Lösung europaweit auf den Markt bringen.
