Kohlendioxid – das Klimagas, das unsere Atmosphäre aufheizt – könnte bald zum Hoffnungsträger der Chemie werden. Innerhalb weniger Monate wurden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die aus CO2 künftig Parfümrohstoffe oder Komponenten für Lippenstifte erzeugen sollen.
Während ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft auf einen chemischen Doppelkatalysator setzt, entwickelt ein europäisches Konsortium unter Leitung der Charité Bakterien, die aus Methanol nachhaltige Grundchemikalien herstellen. Beide Verfahren verfolgen dasselbe Ziel: die Chemieindustrie von Erdöl und Erdgas unabhängig zu machen.
Inhaltsverzeichnis
Chemieindustrie bisher – CO₂ als Abfall
Normalerweise werden in der Chemieindustrie sogenannte Olefine, also einfache Kohlenwasserstoffe, die beispielsweise aus Erdöl gewonnen werden, weiterverarbeitet. Ein wichtiger Schritt dabei ist die Carbonylierung: Während dieses Vorgangs wird das Gas Kohlenmonoxid genutzt, um die Olefine in Säuren oder Ester umzuwandeln. Letztere entstehen, wenn Säuren mit Alkohol reagieren. Diese Stoffe sind Grundbausteine für viele Alltagsprodukte wie:
- Kunststoffe (z. B. Acrylglas)
- Duftstoffe (z. B. für Parfüms)
- Spezialchemikalien für Kosmetik, Farben, Lacke
Das Problem dabei ist, dass Kohlenmonoxid giftig ist und meistens aus fossilen Rohstoffen gewonnen wird.
Ansatz 1: Der Bochumer Doppelkatalysator offenbart Nutzen von CO₂
Das Forscherteam der RUB hat nun gemeinsam mit Evonik Oxeno und dem Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) ein bimetallisches Katalysatorsystem entwickelt. Es ersetzt das giftige Kohlenmonoxid durch CO₂. Außerdem nutzt es grünen Wasserstoff, also Wasserstoff, der mit erneuerbarer Energie hergestellt wurde. Als Metalle im Katalysator dienen Iridium und Palladium, gemeinsam mit einem Phosphinliganden – ein bewährtes Hilfsmittel, das die Reaktion steuert. In Anwesenheit dieser Komponenten werden Olefine direkt zu Estern umgesetzt.
„Die Entwicklung dieses Katalysatorsystems ist ein Beispiel dafür, wie wir durch gezielte Forschung zur Defossilierung der chemischen Industrie beitragen können. CO2 wird hier nicht als Abfall, sondern als wertvoller Rohstoff betrachtet“, sagt Dr. Ralf Jackstell, Themengruppenleiter am LIKAT.
Durchbruch bei der Präzision
Bisherige Versuche, CO2 auf diese Weise zu nutzen, scheiterten oft daran, dass am Ende oft eine Mischung aus verschiedenen End- und Nebenprodukten entstand, die industriell unbrauchbar war. Die Forschenden haben mit dem Doppelkatalysator eine Möglichkeit gefunden, extrem zielgenau zu arbeiten und eine hohe Regioselektivität zu erreichen. Das System ist in der Lage, fast ausschließlich exakt die chemischen Bausteine zu produzieren, die industriell gewollt sind.
Ansatz 2: Charité setzt auf Bakterien
Im Projekt CarboNcare entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Bakterien, die aus nachhaltigem Methanol wichtige chemische Ausgangsstoffe herstellen können.
„Wir programmieren die beiden bereits industriell genutzten Bakterienstämme Escherichia coli und Pseudomonas putida genetisch so um, dass sie Methanol ‚fressen‘ und Laktat, Succinat oder Butandiol ausscheiden“, erklärt Steffen Lindner-Mehlich, Wissenschaftler am Institut für Biochemie der Charité und Leiter des jetzt gestarteten Projekts CarboNcare.
Laktat, Succinat und Butandiol sind wichtige Zwischenprodukte, die durch die Umwandlung von Methanol entstehen. Industriell sind sie wesentliche Bestandteile von:
- Medikamente (z.B. Tablettenbeschichtungen)
- Lebensmittel (z.B. Konservierungsmittel und Geschmacksverstärker)
- Biokunststoffe
- Kosmetik (z.B. Lippenstifte, Cremes)
- Kautschuk für die Reifenfertigung
CO2-Kreislaufwirtschaft als Hauptziel
Das Ziel der Forschenden ist es, eine CO₂-Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen: Also das Kohlendioxid, das beispielsweise durch Verbrennung eines Plastikprodukts am Ende seines Lebenszyklus in die Atmosphäre gelangt, auch als Basis für dessen Herstellung zu nutzen. Im Idealfall entsteht so ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf ohne zusätzliche Emissionen. Der erste Schritt auf diesem Weg ist heute schon möglich: Methanol – ein zentraler Grundstoff der chemischen Industrie – lässt sich bereits aus CO₂ herstellen, das aus der Atmosphäre gewonnen wird.
Industrielle Fermentation ist kein Novum
Der Einsatz von Mikroorganismen zur Herstellung von Chemikalien ist keineswegs neu. Bereits heute werden viele Industriechemikalien biotechnologisch produziert.
- Zitronensäure wird mithilfe von Pilzen hergestellt
- Insulin wird von gentechnisch veränderten Bakterien produziert
- Biokunstoffe wie PLA basieren auf mikrobiell erzeugter Milchsäure
Was am Projekt CarboNcare besonders ist, ist die Tatsache, dass das Wachstum der Bakterien und die Produktbildung gekoppelt werden.
Bakterien mit Eigeninteresse
Normalerweise haben Bakterien ein Eigeninteresse. Sie nutzen die verfügbare Energie, die sie durch Nahrung erhalten, vor allem für Zellteilung und Biomasseaufbau. Die gewünschte Chemikalie ist für die Zelle oft nur ein Nebenprodukt.
Die Charité-Forschenden koppeln daher das Wachstum der Bakterien an die Herstellung der gewünschten Chemikalien. „Wenn die Bakterien also wachsen wollen, müssen sie gleichzeitig das Zielmolekül produzieren. Dieser Ansatz erhöht nicht nur die Ausbeute, sondern macht die Prozesse auch robuster und besser planbar – ein entscheidender Faktor für die industrielle Anwendung“, erklärt der Projektleiter.
| Kriterium | RUB-Katalysator | Charité-Bakterien |
| Grundprinzip | Chemische Katalyse | Biotechnologie |
| Kohlenstoffquelle | CO₂ direkt | CO₂ erst zu Methanol |
| Energiebedarf | Wasserstoff erforderlich | Methanol erforderlich |
| Produkte | Ester, Duftstoffe, Kunststoffe | Grundchemikalien, Kosmetikrohstoffe |
| Geschwindigkeit | Hoch | Eher langsam |
| Skalierung | Nähe zur bestehenden Chemieindustrie | Noch frühe Entwicklungsphase |
| Rohstoffe | Edelmetall-Katalysatoren | Mikroorganismen |
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