Forschende aus Leipzig und Wien haben einen Reaktor entwickelt, in dem Strom und gentechnisch veränderte Hefe gemeinsam CO₂ in eine Industriechemikalie umwandeln. Das Verfahren funktioniert bereits im Labor. Allerdings macht der elektrische Betrieb den Mikroorganismen zu schaffen.
Strom und lebende Hefezellen in einem Reaktor – kann das funktionieren? Forschende des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der BOKU University Wien haben es ausprobiert. Ihr Ziel: Aus CO₂ eine Chemikalie herstellen, die unter anderem für Kunststoffe, Klebstoffe und Harze benötigt wird.
Das Experiment ist gelungen. In einem Reaktor im Litermaßstab produzierten gentechnisch veränderte Hefezellen Itaconsäure. Den dafür benötigten Ausgangsstoff stellte eine elektrochemische Reaktion direkt im selben Behälter bereit.
Allerdings zeigte sich auch, wie schwierig das Zusammenspiel von Elektrochemie und Biotechnologie ist. Während die Elektroden weiterhin arbeiteten, verlor ein großer Teil der Hefezellen im Laufe der Versuche seine Funktionsfähigkeit. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Angewandte Chemie International Edition erschienen.
Inhaltsverzeichnis
Warum die Industrie Itaconsäure benötigt
Itaconsäure ist ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie. Sie wird beispielsweise für Kunststoffe, Textilien, Klebstoffe und Harze verwendet. Bestimmte Polymere auf Itaconsäurebasis können zudem biologisch abbaubar sein.
Weltweit werden nach Angaben des UFZ jährlich rund 70.000 t Itaconsäure hergestellt. Üblicherweise übernehmen Pilze die Produktion. Sie verarbeiten Zucker und bilden daraus die gewünschte Säure.
Das Forschungsteam wollte einen anderen Weg einschlagen. Statt zuckerhaltige Rohstoffe einzusetzen, sollte CO₂ als Kohlenstoffquelle dienen.
„Wir haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem statt Zucker CO2 als Ausgangsstoff dienen kann“, erklärt Falk Harnisch, Elektrobiotechnologe am UFZ und Letztautor der Studie, in einer Pressemitteilung des Forschungszentrums vom 28. Oktober 2026.
Dafür mussten die Forschenden allerdings zwei unterschiedliche Technologien zusammenbringen.
Erst arbeitet der Strom, dann übernimmt die Hefe
Der neue Elektrobioreaktor verbindet eine chemische Reaktion mit dem Stoffwechsel lebender Mikroorganismen. Beide Vorgänge laufen gleichzeitig ab.
Im ersten Schritt wird CO₂ mithilfe von elektrischem Strom zu Formiat umgewandelt. Dabei handelt es sich um das Salz der Ameisensäure. Das Formiat ist ein wichtiger Zwischenstoff, den die Hefezellen für ihren Stoffwechsel nutzen können.
Anschließend kommt die Hefe Komagataella phaffii ins Spiel. Sie wird bereits in der industriellen Biotechnologie eingesetzt, kann CO₂ aber von Natur aus nicht auf die hier benötigte Weise verwerten.
Deshalb nutzte das Forschungsteam einen gentechnisch veränderten Stamm. Dessen Stoffwechsel wurde so angepasst, dass er CO₂ als Kohlenstoffquelle verwendet. Das elektrochemisch erzeugte Formiat liefert die notwendige Reduktionskraft für das Wachstum und die Herstellung von Itaconsäure.
Der Vorteil dieser Kombination: Das Formiat muss nicht in einer separaten Anlage hergestellt und anschließend zum Bioreaktor transportiert werden.
Die Verbindung von chemischen Reaktionen und biologischen Prozessen wird auch an anderen Stellen erforscht. So haben Wissenschaftler in den USA einen künstlichen Stoffwechsel entwickelt, der CO₂-basierte Moleküle ganz ohne lebende Zellen verarbeitet. Das neue Verfahren aus Leipzig und Wien geht den umgekehrten Weg: Es nutzt gezielt die Fähigkeiten lebender Hefezellen.
Die Hefe braucht Strom – verträgt ihn aber schlecht
Die größte Schwierigkeit liegt in den unterschiedlichen Anforderungen der beiden Prozesse. Die elektrochemische Umwandlung von CO₂ zu Formiat funktioniert besonders gut bei höheren Temperaturen, alkalischen Bedingungen und möglichst wenigen zusätzlichen Stoffen in der Reaktionsflüssigkeit.
Die Hefe benötigt dagegen Temperaturen um 30 °C, einen ungefähr neutralen pH-Wert und ausreichend Nährstoffe. Zu aggressive Bedingungen können die Zellen schädigen. Die Forschenden mussten deshalb einen Kompromiss finden, bei dem die Elektroden genügend Formiat produzieren, die Hefezellen aber gleichzeitig überleben und Itaconsäure bilden können.
Wie empfindlich das System reagiert, zeigten Versuche mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen. Bei einem Kathodenpotenzial von −2,2 V waren nach 100 h nur noch 25 % der Hefezellen lebensfähig. Als das Team den Wert auf −1,6 V änderte, verbesserte sich die Stabilität. Unter diesen Bedingungen waren nach 260 h noch 39 % der Zellen lebensfähig.
Die beiden Messwerte stammen aus Versuchen mit unterschiedlichen Laufzeiten und lassen sich deshalb nicht unmittelbar vergleichen. Sie zeigen aber, dass das angelegte Potenzial erheblichen Einfluss auf die Lebensfähigkeit der Mikroorganismen hat.
Besonders aufschlussreich war eine weitere Beobachtung: Auch nachdem die Hefe kein Formiat mehr aufnahm, lief die elektrochemische Produktion weiter. Die Elektroden arbeiteten also noch, während die biologische Komponente bereits weitgehend ausgefallen war.
Warum die Zellen ihre Aktivität verlieren, ist noch nicht vollständig geklärt. Die Forschenden diskutieren unter anderem elektrische Belastungen und mögliche Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen.
Auch das fertige Produkt kann wieder zerstört werden
Die Spannung beeinflusst nicht nur die Hefe. Sie entscheidet auch darüber, wie viel der produzierten Itaconsäure erhalten bleibt. In den Versuchen entstand das benötigte Formiat an der Kathode. An der Anode konnten dagegen unerwünschte Oxidationsreaktionen auftreten. Dabei wurde nicht nur Formiat abgebaut, sondern auch bereits gebildete Itaconsäure.
Bei −2,2 V ging die Konzentration der Itaconsäure im weiteren Versuchsverlauf zurück. Mit dem weniger negativen Kathodenpotenzial von −1,6 V ließ sich dieser Abbau deutlich reduzieren.
Das Forschungsteam untersuchte außerdem, ob sich die Elektroden räumlich voneinander trennen lassen. Auch damit sollte verhindert werden, dass das gewünschte Produkt an der Anode wieder verloren geht.
Solche Probleme zeigen, weshalb sich elektrochemische und biologische Prozesse nicht ohne Weiteres in einem gemeinsamen Reaktor betreiben lassen.
Die elektrochemische Herstellung von Formiat ist für sich genommen bereits Gegenstand intensiver Forschung. Beispielsweise haben Wissenschaftler der University of Nottingham einen Solarreaktor entwickelt, der mit Sonnenlicht CO₂ zu Formiat umwandelt. Die Leipziger und Wiener Forschenden gehen nun einen Schritt weiter und verbinden die Herstellung des Zwischenprodukts unmittelbar mit dessen biologischer Nutzung.
110 mg Itaconsäure pro Liter – noch deutlich zu wenig
Unter den verbesserten Bedingungen produzierte die Hefe durchschnittlich 110,1 mg Itaconsäure pro l Reaktionsflüssigkeit. Damit ist nachgewiesen, dass sich CO₂ mithilfe von Strom und lebenden Mikroorganismen in einem gemeinsamen Reaktor zu einer komplexeren Industriechemikalie verarbeiten lässt.
Für eine industrielle Anwendung ist die Ausbeute allerdings noch zu gering. Bei herkömmlichen Verfahren auf Zuckerbasis werden wesentlich höhere Produktkonzentrationen erzielt. Auch frühere Versuche mit gentechnisch veränderter Hefe und Methanol als Ausgangsstoff waren produktiver.
Die niedrige Ausbeute ist dabei nicht das einzige Problem. Die Forschenden berichten außerdem von schwankenden Produktmengen, unerwünschten elektrochemischen Nebenreaktionen und einer begrenzten Energieeffizienz.
Wie geht es mit dem Elektrobioreaktor weiter?
Das Forschungsteam will nun untersuchen, wie sich die Bedingungen im Reaktor verbessern lassen. Besonders wichtig sind eine höhere Produktionsleistung, die Stabilität der Hefezellen und die Verringerung unerwünschter Nebenreaktionen.
Auch andere Mikroorganismen könnten künftig in solchen Anlagen eingesetzt werden, um weitere chemische Grundstoffe aus CO₂ herzustellen.
Quellen
- Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (28.10.2026): Nutzung von CO₂ – Hefe und Strom schlagen zwei Fliegen mit einer Klappe. Pressemitteilung mit Originalzitaten.
- Izadi et al. (2026): Integrated Electromicrobial Production of Itaconic Acid From CO₂ at Liter-Scale Using Komagataella phaffii. Angewandte Chemie International Edition, Open Access. Originalstudie mit Messdaten zu Ausbeute, Zellstabilität und Elektrodenpotenzialen.
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