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BLICKWINKEL

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Kohlendioxid CO2 ist die meistdiskutierte Ressource unserer Zeit: Als Abfallprodukt bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe hat es Einfluss auf das Klima und gilt als wesentlicher Verur­sacher der Erderwärmung. Man kann es aber auch anders sehen: Kohlendioxid ist wie Sand am Meer im Überfluss vorhanden und dazu auch noch kostenlos verfügbar. Im Interview mit Research Scientist & Project Manager der BRAIN Dr. Jörg Mampel erfahren wir, wie uns die Natur selbst Wege weist und wie man diese technisch nutzen kann.

CO2 ist natürliches Endprodukt des Energiestoffwechsels lebender Organismen, wenn bspw. bei der Atmung weit mehr des Gases aus- als eingeatmet wird. Pflanzen nutzen es außerdem bei der Fotosynthese. Besonders interessant ist hinsichtlich biotechnologischer Nutzungsoptionen, dass Kohlendioxid in der Natur auch als Nährstoff und Baustein für den Aufbau von Biomasse (Pflanzen und Bakterien) verwendet wird. So gibt es eine Reihe von Mikroorganismen, die sich ausschließlich von CO2 ernähren. Die bekanntesten Vertreter sind Bakterien, die im Umfeld heißer Quellen wie in Island vorkommen. Dass es diese Überlebenskünstler gibt, ist kein Wunder. Sie stammen vermutlich aus Urzeiten, als die Erdatmosphäre noch sehr stark mit Kohlendioxid (ca. 20%) angereichert war. Auf solchem Wissen basieren Forschungsarbeiten, die Kohlenstoff einer industriellen Nutzung zuführen wollen. Hierzu zählt die von der BRAIN koordinierte Forschungsallianz Zero-CarbFP. So wie einst Schwefeldioxid vom Saurer-Regen-Macher zu Kalziumsulfat und als Gips zu einem neuen Wertstoff avancierte, soll auch CO2 alsbald zu einer Handelsware der Bioökonomie werden. BLICKWINKEL sprach mit Dr. Jörg Mampel, Research Scientist & Project Manager bei der BRAIN, über das von ihm geleitete ZeroCarbFP-Projekt mit dieser Zielsetzung.

BRAIN: Sie suchen nach Mikroorganismen, die sich von CO2 ernähren. Wer steht auf Ihrer Fahndungsliste?

Dr. Jörg Mampel: Es gibt sogenannte chemolitho-autotrophe, kurz: c-autotrophe, Organismen, die ihren gesamten Kohlenstoff aus CO2 beziehen. Es handelt sich in der Regel um Bakterien, die CO2 als einzige Kohlenstoffquelle nutzen und die zur Reduktion von CO2 notwendige Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen wie Methan, Wasserstoff, Metallionen, Stickstoff- und Schwefelverbindungen gewinnen. Diese Organismen werden von uns identifiziert und biotechnologisch optimiert, um gasförmiges CO2 aus Neben- und Abfallströmen neu zu fixieren und anschließend als effizienten Wertstoff der industriellen Wertschöpfung bereitzustellen.

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BRAIN: Welche waren die ersten Schritte, die es bei der Forschung zu absolvieren galt?

Dr. Jörg Mampel: Die Allianz ZeroCarbFP startete 2013. In der ersten dreijährigen Forschungsphase konnten wir ein zweistufiges Verfahren für die stoffliche CO2-Verwertung im Labormaßstab etablieren. Das war ein großer Erfolg. Auch weil wir im Vergleich zu alternativen Prozessen, beispielsweise mit Algen, sehr raumsparend arbeiten und mit einer relativ niedrigen Temperatur des CO2-Gases während des Verfahrens auskommen. Das ermöglicht eine sehr effektive Substratbereitstellung und entsprechend sehr hohe CO2-Fixierungsraten der Mikroorganismen. 

Zuvor haben wir aber zunächst einmal mehrere Tausend vorselektierte Mikroorganismen auf spezielle Merkmale hin überprüft. Am Ende blieben einige wenige Kandidaten Spezialisten, die besonders gute Wachstumseigenschaften aufzeigten und die sich auch dadurch her- vortaten, dass sie bei der Verwertung von CO2 Substanzen bildeten, die wir in Richtung Plattformchemikalien weiterentwickeln können.

BRAIN: Welche Wertstoffe sollen am Ende dieses Prozesses entstehen?

Dr. Jörg Mampel: Konkret geht es in unserem Projekt darum, neue nachhaltige Zwischenprodukte für die Herstellung von Biokunststoffen bereitzustellen. Die Biokunststoffindustrie ist bislang stark von fossilen Rohstoffen abhängig. Wir können heute schon im Labor Karbonsäuren produzieren, deren Kohlenstoffgerüste vollständig aus CO2 aufgebaut sind. Jedes einzelne Kohlenstoffatom entstammt dabei dem zugeführten Kohlendioxid. Damit liegen wir mit unserer Forschung weit vorne.

BRAIN: Welche biogenen CO2-Quellen wollen Sie in welchem Umfang nutzen?

Dr. Jörg Mampel: Wir arbeiten im Rahmen von ZeroCarbFP mit dem Industriepartner Südzucker, der auch Bioethanol produziert. Das meiste CO2, das im Pflanzenmaterial gebunden ist, landet beim Gärungsprozess in Bioethanolanlagen im Brennstoff Ethanol. Aber ein Teil wird freigesetzt. Dieses freigesetzte CO2 wollen wir einer stofflichen Nutzung zuführen. Allein in Europa gibt es etwa 25 große Bioethanol-Anlagen, in den USA sind es wohl an die 200. Die zur Verfügung stehenden CO2-Mengen pro Anlage und Jahr liegen im sechsstelligen Tonnen-Bereich.

BRAIN: Können die Forschungsergebnisse auch auf andere CO2-Quellen angewendet werden oder fokussieren Sie nur auf Bioethanolanlagen?

Dr. Jörg Mampel: Unser System bietet in der Tat die Möglichkeit, unterschiedlichen Industriepartnern mit ihren jeweiligen CO2-Quellen ein Portfolio interessanter Produkt-Kandidaten für die CO2-Verwertung anzubieten. Das Portfolio können wir an verschiedene spezielle Anwendungsbereiche anpassen. Unsere Prozesse sind also im Grunde für alle möglichen CO2-Punktquellen verwendbar, bei denen CO2 in hohen Konzentrationen anfällt – seien sie biogen, chemisch oder petrochemisch. Und bei Bedarf können wir in unserem BioArchiv oder an den jeweiligen CO2-Quellen jederzeit auch nach weiteren Mikroben für die CO2-Verwertung suchen. Zu einem früheren Zeitpunkt haben wir zum Beispiel schon einmal zeigen können, dass sich in einem industriellen Rauchgaskanal massenhaft Bakterien angesiedelt haben, die sich von CO2 ernähren. Diese Bakterien haben wir im Labor kultiviert, mit Rauchgas gefüttert und optimiert. Die Ergebnisse waren, wie auch beim Bioethanolanlagen-Projekt, sehr vielversprechend.

BRAIN: CO2 wird als energetisch tot bezeichnet. Es bedarf viel Energie, um das Molekül nutzbar zu machen. Wie kriegen Sie das effizient hin?

Dr. Jörg Mampel: Um CO2 biotechnologisch verwerten zu können, muss das Molekül durch Energieeintrag aktiviert werden. Für diese Aktivierung nutzen wir in unserem Verfahren derzeit Wasserstoff als Energielieferanten. Wir gehen davon aus, dass der Energieeintrag zukünftig bei einer industriellen Anwendung aus erneuerbaren Energiequellen stammen wird. Hier läuft also der Strukturwandel hin zur biobasierten Industrie Hand in Hand mit der Energiewende, die diese nachhaltigen Energiequellen bereitstellt. Wir untersuchen in der Allianz ZeroCarbFP derzeit auch Alternativen wie die Verwendung von Lichtenergie und von Überschussstrom zur Aktivierung des CO2.

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BRAIN: Gibt es weitere Anwendungsfelder für biogenes CO2, die Sie aktuell erforschen?

Dr. Jörg Mampel: Wir arbeiten bereits an neuen Anwendungsfeldern auf Grundlage unserer zwei- stufigen Technologieplattform, um andere Wertstoffe zu gewinnen. Die Übertragbarkeit funktioniert, aber über Details sprechen wir erst, wenn wir mit der Forschung weitergekommen sind.

BRAIN: Was passiert, wenn Biokunststoffe in einigen Jahren in den Müll wandern – Wird das CO2 dann wieder freigesetzt?

Dr. Jörg Mampel: Theoretisch ist das denkbar und entsprechend auch heute schon Gegenstand der Diskussion und Forschung. Wir bauen hier auf weiteren wissenschaftlichen Fortschritt und neue Technologien. Die Forschung im Bereich der Bioökonomie ist extrem dynamisch. Nach dem Vorbild der Natur sollte jeder Stoff früher oder später dem globalen Stoffkreislauf, der größtenteils über CO2 läuft, wieder zugeführt werden. Der große Vorteil in der Nutzung von CO2 als Baustein für Biokunststoffe besteht darin, dass keine stabil im Untergrund gelagerten fossilen Kohlenstoffe für ihre Erzeugung mobilisiert werden. Dies gilt übrigens auch für Biokraftstoffe. Der Vorteil bei Biokunststoffen ist zusätzlich, dass das CO2 für deutlich längere Zeiträume gebunden bleibt und so nicht klimawirksam ist.

BRAIN: Welche Forschungsarbeiten stehen aktuell im Fokus und wie geht es weiter?

Dr. Jörg Mampel: In der 2016 angelaufenen ZeroCarbFP-Entwicklungsphase geht es darum, unser zweistufiges Verfahren weiter zu optimieren, um Prozessstabilität zu garantieren und die Ausbeuten zu erhöhen. Wir haben auch schon mit dem Upscaling begonnen. Dabei geht es um die Überführung des Prozesses in einen größeren Maßstab. Sofern die Zwischenevaluierung der ZeroCarbFP-Entwicklungsphase positiv ausfällt, wovon wir ausgehen, beginnt 2019 die auf weitere drei Jahre angesetzte Pilotierungsphase. Dann wollen wir die Ergebnisse bis in den Produktionsmaßstab hochfahren. Zunächst denken wir jedoch an den Einsatz einer Fermenteranlage mit einer Größenordnung von etwa 200 Litern. Im Anschluss können wir dann hoffentlich schon bald in die kommerzielle Anwendung übergehen und neue industrielle Wertstoffe liefern.

Wertstoffe aus Biodiesel-Abfallströmen

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In einem weiteren Forschungsprogramm der Innovationallianz ZeroCarbFP forscht die BRAIN derzeit an der biotechnologischen Verwertung von Abfallströmen, die bei der Produktion von Biodiesel auf der Basis von Rapsöl entstehen. Im Anwendungsvisier stehen Wertstoffe, die beispielsweise von der Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie genutzt werden können. 

In einer ersten Forschungsphase von 2013 bis 2016 wurden zusammen mit dem Partner Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen grundlegende molekularbiologische Fragestellungen für die Optimierung der eigens isolierten Mikroorganismen bearbeitet. Der Biodieselhersteller Bioeton Deutschland GmbH stellte von Anfang an die Versorgung mit unterschiedlichen Rohglycerin-Chargen sicher, um den Effekt verschiedener Reinheiten auf den Herstellungsprozess mit zu untersuchen. 

In der aktuell laufenden dreijährigen Entwicklungsphase steht die Verfahrensentwicklung im Fokus. Mit Blick auf den Produktionsmaßstab werden derzeit sowohl das Upstream Processing (Fermentation) als auch das Downstream Processing (Abtrennung des Produkts aus der Fermentationsbrühe sowie Reinigung und Konzentrierung) entwickelt. Hierbei werden vorrangig solche Verfahren berücksichtigt, welche die Herstellung eines natürlichen Produkts erlauben. Des Weiteren wird in dieser Entwicklungsphase eine umfangreiche Analyse bezüglich Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit erfolgen. Die Forschung wird bei BRAIN von Forschungsingenieur Dipl.-Ing. Marc Gauert koordiniert.

Joerg Mampel

Dr. Jörg Mampel

Dr. Jörg Mampel studierte von 1991 bis 1996 Biologie an der Universität Konstanz und promovierte dort im Jahr 2000 am Lehrstuhl für Mikrobielle Ökologie. Danach wechselte er als Postdoc an das Institut für Biotechnologie der ETH Zürich. 2005 kam Jörg Mampel zur BRAIN AG, wo er als Research Scientist & Project Manager aktiv ist. Seit 2012 obliegt ihm auch die Funktion des Plattformkoordinators für den Bereich Genetic Engineering.

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