Die Reduzierung des Treibhausgases CO2 ist entscheidend, um die Folgen des Klimawandels zu begrenzen. In diesem Zusammenhang ist das Interesse an biokatalytischen Prozessen gewachsen, die CO2-Emissionen binden und in nützliche Chemikalien umwandeln können.

Dass sich Kohlendioxid mithilfe von Bakterien elektrochemisch aufwerten lässt, ist dem Prinzip nach bekannt. Dafür werden die Verfahren der Elektrolyse und der Fermentation kombiniert: CO2 wird erst zu CO reduziert und dann von Bakterien zu Essigsäure oder auch zu Ethanol oder Butandiol verstoffwechselt - Säuren und Alkohole, die als Ausgangsstoffe für Spezialchemikalien dienen können.

Bislang jedoch erfolgen Elektrolyse und Fermentation in zwei getrennten Schritten. Denn die Katalysatoren aus Gold, Silber oder Kupfer in den Elektrolysegeräten sind empfindlich gegenüber der Flüssigkeit, die für die Fermentation benötigt wird. Auch vertragen sich wiederum die Metalle aufgrund ihrer antibakteriellen Wirkung nicht gut mit den nützlichen Mikroorganismen.

Eine Studie der BAM zeigt nun, wie sich Elektrolyse und Fermentation in einem System miteinander kombinieren lassen. Dafür hat das Team neuartige Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis entwickelt. Die Materialien sind biokompatibel, beeinträchtigen die Funktion der Bakterien also nicht, und sind zudem deutlich kostengünstiger als bisherige Katalysatoren.

Die Machbarkeit des Konzepts wurde in standardisierten Bioreaktoren erfolgreich demonstriert. Ein optimierter Prozess ließe sich also schnell in die industrielle Anwendung bringen. „Unsere Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltige und dezentrale Produktion von CO2-basierten Chemikalien. Sie zeigen das Potenzial der Kombination von biologischen und elektrokatalytischen Prozessen", erläutert Tim-Patrick Fellinger, Leiter des Fachbereichs für Elektrochemische Energiematerialien der BAM. „Die Technologie ließe sich dezentral und in Kombination mit Ökostrom aus Solaranlagen dort einsetzen, wo bei Produktionsprozessen stetig Kohlendioxid produziert und bisher mangels Alternativen als Klimagas in die Atmosphäre freigesetzt wird.“

Publikation
Irina Schwarz, Arielle Rieck, Dr. Asad Mehmood, Raphaela Bublitz, Lukas Bongers, Prof. Dr. Dirk Weuster-Botz, Dr. Tim-Patrick Fellinger: PEM Electrolysis in a Stirred-Tank Bioreactor Enables Autotrophic Growth of Clostridium ragsdalei with CO2 and Electrons, ChemElectroChem 2024, Volume 11, Issue 6, https://doi.org/10.1002/celc.202300344

Quelle: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)