Klimawandel 17.01.2022, 07:00 Uhr

Schädliches Kohlendioxid in nützliche Chemikalien umwandeln – die Natur weist den Weg

Enzyme, wie sie auch in Pflanzen vorkommen, erleichtern die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid. Doch im Experiment mussten weitere Hürden bewältigt werden.

Kohlendioxid-Reduktion

Forschende haben Enzymreaktionen kombiniert, um Kohlendioxid zu binden und um den Kofaktor zu regenerieren.

Foto: Fraunhofer/Marc Müller

Um Klimaziele zu erreichen, steht die Verringerung beziehungsweise die Vermeidung von Kohlendioxid-Emissionen an erster Stelle auf der Agenda etlicher Regierungen weltweit. Darüber hinaus gibt es weitere Möglichkeiten wie die Lagerung oder Abscheidung von CO2. Als Problem bleibt, dass viele Prozesse der chemischen Industrie, etwa die Herstellung von Arzneimitteln, Kunststoffen, Reinigern und vielen Produkten mehr, bislang nur mit Chemikalien aus Erdöl funktionieren. Nachhaltige Alternativen zur Petrochemie mit geschlossenem Kohlendioxid-Kreislauf sind gefragt.

Ingenieurinnen und Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB haben eine weitere Möglichkeit im Blick. Zusammen mit Forschenden der Mack-Planck-Gesellschaft zeigen sie jetzt, wie es gelingt, das Treibhausgas zu fixieren und in Feinchemikalien umzuwandeln. Das Besondere an ihrem Projekt: Nach dem Vorbild der Natur nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Enzyme für den Elektronentransfer auf CO2-Moleküle. Damit schaffen sie besonders milde Bedingungen; solche Reaktionen laufen schon bei niedrigeren Temperaturen ab.

„Das Verfahren könnte nicht nur dazu beitragen, dass die Industrie auf fossile Rohstoffe verzichten kann, sondern durch die CO2-Reduktion die Klimawende außerdem aktiv vorantreiben“, sagt Michael Richter vom Fraunhofer IGB. „Zunächst ging es uns jedoch darum zu zeigen, dass unsere Idee überhaupt funktioniert, eine solch komplexe biokatalytische Multienzym-Reaktion auf diese Art mit Strom anzutreiben.“

Klimawandel: So lässt sich der CO2-Fußabdruck von Fachwerken verringern

Kohlendioxid abscheiden, binden und umsetzen  

Bei ihren Experimenten nutze das Team Strategien aus der Natur. In Pflanzen katalysieren Enzyme die Fixierung von Kohlendioxid, aber auch den Transfer von Elektronen zur Reduktion der Kohlenstoffatome. Doch die Umsetzung erwies sich als anspruchsvoll, galt es doch, Enzyme kontinuierlich mit Strom aus regenerativen Energiequellen zu versorgen.

Die Forschenden fanden eine Lösung. Sie betteten Enzyme in redoxaktive Hydrogel-Strukturen ein, was letztlich zum gewünschten Erfolg führte. Speziell für den Einsatz im Experiment haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU München Hydrogele modifiziert. Ihre wasserhaltigen Polymere sollten elektrisch gut leitfähig sein und Enzymen eine ideale Bedingung geben, damit deren katalytische Aktivität voll zum Einsatz kommt.

Molekulare Architekturen waren nicht nur mit einzelnen Lagen an Enzymen möglich. Das Schema konnte dreidimensional erweitert werden, da Hydrogele Elektronen gut leiten: ein wichtiges Kriterium zur späteren Hochskalierung des Verfahrens. Die Reaktion selbst lief recht ökonomisch, mit geringem Energieverbrauch, aber auch vergleichsweise sauber ohne Nebenreaktionen.

Nachhaltigkeit: Kalksandstein nimmt CO2 auch wieder auf

Recycling der Kofaktoren für wirtschaftliche Kohlendioxid-Reduktionen

Den Forschenden ist aber noch ein weiterer Durchbruch gelungen. Enzyme benötigen normalerweise sogenannte Kofaktoren, um biologisch aktiv zu sein und um chemische Reaktionen zu katalysieren. Das sind kleine, organische Moleküle. Müsste man diese Kofaktoren ständig ins Reaktionsgemisch geben, würden Kohlendioxid-Fixierungen dieser Art schnell zu teuer. Beim neuen Ansatz werden diese Moleküle im Hydrogel durch den elektrischen Strom wieder regeneriert – und stehen für einen weiteren Reaktionszyklus zur Verfügung. Insgesamt haben die Forschenden zwei Enzymreaktionen kombiniert: eine zur Kohlendioxid-Fixierung und eine zur Regeneration des jeweiligen Kofaktors.

Aus der Grundlagenforschung stehen unterschiedliche Enzyme zur Verfügung, mit denen sich fast jeder denkbare Kofaktor regenerieren lässt. Dazu werden anhand bioinformatischer Datenbanken geeignete Enzyme ausgewählt, biotechnologisch in größerem Stil produziert, aufgereinigt und in Hydrogele integriert. Diese Vorarbeiten schaffen auch ökonomisch ideale Rahmenbedingungen für Kohlendioxid-Fixierungen. „So wäre die Herstellung verschiedener biobasierter Feinchemikalien denkbar, die man bei entsprechendem Ausbau über weitere Enzymkaskaden praktisch nach Bedarf diversifizieren könnte“, erklärt Michael Richter.

Vom Labor in die Praxis 

Durch die Reduktion von Kohlendioxid entstehen im nächsten Schritt sogenannte Carbonylverbindungen, sprich Carbonsäuren, Carbonsäureester, Ketone oder Aldehyde. Daraus lassen sich weitere Derivate wie Alkohole herstellen. Sie sind wichtige Bausteine für die chemische Industrie. Die letzte große Herausforderung lautet nun, zu zeigen, dass sich solche Vorgänge auch in größerem Maßstab durchführen lassen und dass sie zu einer guten Ausbeute an Feinchemikalien führen.

Mehr zu den Themen Kohlendioxid und organische Chemie 

Von Michael van den Heuvel

Top Stellenangebote

RHEINMETALL AG-Firmenlogo
RHEINMETALL AG Verstärkung für unsere technischen Projekte im Bereich Engineering und IT (m/w/d) deutschlandweit
Stadt Viernheim-Firmenlogo
Stadt Viernheim Stadt- und Bauleitplanung (m/w/d) Viernheim
Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW-Firmenlogo
Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW Professor*in für Werkstoffwissenschaften Brugg-Windisch
Frankfurt University of Applied Sciences-Firmenlogo
Frankfurt University of Applied Sciences Professur (W2) Werkzeugmaschinen Frankfurt am Main
Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten-Firmenlogo
Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten Professur (m/w/d) Werkstofftechnik und Metallkunde Kempten
Hochschule der Bayerischen Wirtschaft gemeinnützige GmbH-Firmenlogo
Hochschule der Bayerischen Wirtschaft gemeinnützige GmbH Professur (W2) für Aerodynamik, Fluidmechanik, Thermodynamik und Wärmeübertragung München
OOWV Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband-Firmenlogo
OOWV Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband Ingenieur (w/m/d) Leitungswesen Abwasser Brake (Unterweser)
Carl Zeiss AG-Firmenlogo
Carl Zeiss AG Projekt- und Prozessmanagement in der Halbleiterfertigungstechnik (m/w/d) Keine Angabe
Hochschule Ravensburg-Weingarten-Firmenlogo
Hochschule Ravensburg-Weingarten Professur (W2) elektrische Antriebstechnik Weingarten
Bayernwerk-Firmenlogo
Bayernwerk Mitarbeiter (m/w/d) Keine Angabe
Zur Jobbörse