Gasfermentation: Gamechanger für die Kreislaufwirtschaft?
Materialkreisläufe schließen, Abfälle reduzieren und Rohstoffe dauerhaft
im Wirtschaftssystem halten – das sind die zentralen Ziele der
Kreislaufwirtschaft. Um sie zu erreichen, braucht es innovative
Technologien, die neue Wege des Recyclings eröffnen. Eine
vielversprechende Technologie ist die Gasfermentation: Das
biotechnologische Verfahren nutzt Abgase wie CO₂ als Rohstoff, um daraus
wertvolle Produkte zu erzeugen und industrielle Emissionen neu zu denken.
Prof. Ralf Takors will der Gasfermentation mit seiner Forschung zur
Marktreife verhelfen.
Worauf es dabei ankommt, erklärt der Leiter des
Instituts für Bioverfahrenstechnik (IBVT) der Universität Stuttgart im
Interview.
- Herr Professor Takors, bei der Gasfermentation handelt es sich um ein
sogenanntes biotechnologisches Verfahren. Die Bioverfahrenstechnik gilt
allgemein als umweltfreundliche Schlüsselindustrie des 21. Jahrhunderts.
Warum?
Die Bioverfahrenstechnik nutzt Mikroorganismen, um Stoffe umzuwandeln.
Darauf basierend lassen sich effiziente Herstellungsverfahren entwickeln.
Diese sind aus der modernen Industrie nicht mehr wegzudenken und kommen
etwa bei der Herstellung von Rohstoffen, Chemikalien,
Nahrungsmittelzusätzen oder pharmazeutischen Produkten zum Einsatz.
Nachhaltig sind biotechnologische Herstellungsverfahren, da sie statt auf
fossilen Quellen auf nachwachsenden Rohstoffen wie etwa Zucker basieren.
Aber nicht nur aus Umweltgesichtspunkten sind biotechnologische
Herstellungsverfahren von strategischer Bedeutung. Wir erleben heute
leider vermehrt, dass Kriege und Krisen den Zugriff auf fossile Rohstoffe
erschweren. Indem wir lokale Ressourcen für industrielle
Herstellungsverfahren nutzbar machen, verringern wir unsere Abhängigkeit
von fossilen Rohstoffen und stärken die Resilienz des Wirtschaftsstandorts
Europa.
- Sie forschen am Institut für Bioverfahrenstechnik (IBVT) seit einigen
Jahren intensiv an einem neuen biotechnologischen Verfahren: Der
Gasfermentation. Welches besondere Nachhaltigkeitspotential bietet diese
Technologie?
Mit der Gasfermentation können wir dank mikrobieller Umsetzungen Gase in
Wertstoffe umwandeln. In der Regel handelt es sich dabei um Abgase wie
etwa CO2. Das große Nachhaltigkeitspotential besteht also darin, dass wir
umweltschädliche Abgase und Abfallstoffe in eine nachhaltige
klimafreundliche Kreislaufwirtschaft zurückführen können.
- Wie könnte ein solcher Kreislauf aussehen?
Ich erkläre es an einem Beispiel aus unserer Forschung: An der Universität
Stuttgart untersuchen wir, wie mithilfe der Gasfermentation aus schwer
recycelbaren Mischkunststoffen Wertstoffe für die Chemieindustrie gewonnen
werden können. Der Kunststoff wird am Institut für
Energieverfahrenstechnik und Dynamik in Energiesystemen (IED) (ehemals:
Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik) in speziellen Vorverfahren
vergast. So erhalten wir ein energiereiches Synthesegas, das unter anderem
aus Kohlenstoffmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff besteht. Im zweiten
Prozessschritt, der Gasfermentation, wird dieses Gas von anaeroben
Bakterien verwertet. Mithilfe mikrobieller Stoffwechselleistungen stellen
die Bakterien kurzkettige organische Säuren und Alkohole her. Diese können
der chemischen Industrie als Wertstoffe zugeführt werden.
- Wo könnte die Gasfermentation neben der Kunststoffbranche noch helfen,
zirkuläre Wertschöpfungsketten zu etablieren?
In der Stahlindustrie etwa. Dort wird die Gasfermentation vereinzelt sogar
schon kommerziell eingesetzt: Aus Industrieabgasen wird Ethanol für die
chemische Industrie gewonnen. Auch für die Zementindustrie, die
bekanntermaßen zu den größten Verursachern von CO2 zählt, steckt viel
Potential in der Gasfermentation. Eine unserer Forschungskooperationen mit
einer Zementfirma zielt darauf ab, die CO2-Emissionen des Unternehmens
mithilfe der Gasfermentation zu Acetat oder auch Ethanol umzuwandeln. Aus
diesen Stoffen können dann wiederum Kunststoffe produziert werden, die
ansonsten über fossile Rohstoffe hergestellt werden müssten. Das Beispiel
zeigt: Die Gasfermentation ist nicht nur nachhaltig, sondern bietet auch
ein interessantes Geschäftsmodell für Firmen, die viele Emissionen
ausstoßen.
- Welche Fragen muss die Forschung noch klären, bevor die Gasfermentation
breit zum Einsatz kommen kann?
Neben bestimmten Fragen zur Bioprozessentwicklung gilt es, sinnvolle
Anwendungsfälle zu skizzieren und Machbarkeiten aufzuzeigen. So muss die
Prozessentwicklung beispielsweise Lösungen finden für die in der Regel
sehr schlechte Löslichkeit der Gase im flüssigen Medium, was die
Zugänglichkeit dieses Substrates für die Mikroorganismen erschwert. Eine
weitere Aufgabe ist die industrielle Skalierung.
- Und wo setzt Ihre Forschung an?
Wir betreiben interdisziplinäre Grundlagenforschung, forschen aber auch
anwendungsnah in Kooperation mit der Industrie. Unsere Expertise ist
insbesondere die Bioprozessentwicklung, wir schlagen aber auch eine Brücke
von der Laborentwicklung zum Produktionsmaßstab: Wir sind Vordenker, was
sinnvolle Anwendungsfälle für die Gasfermentation angeht. Gleichzeitig
sind wir Technologieentwickler und nehmen uns beispielsweise dem Thema
industrielle Skalierung an.
- Nachgefragt zur Skalierung: Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein,
um die Gasfermentation vom Labormaßstab auf großtechnische
Industrieanlagen zu übertragen?
Der Scale Up, d.h. die Maßstabsübertragung, ist komplex. Ein Erfolgsfaktor
sind verlässliche Vorhersagen: Es braucht sehr gute mathematische,
modellierungstechnische Ansätze, um zu verhindern, dass es bei der
Hochskalierung auf den industriellen Maßstab zu Leistungseinbußen kommt.
Am IBVT erarbeiten wir diese Ansätze und führen sogenannte Computational
Fluid Dynamics Untersuchungen für großvolumige Anlagen durch.
Ein weiterer Erfolgsfaktor ist der Bioreaktor, also das technische System,
in dem die Gasfermentation unter kontrollierten Bedingungen abläuft. Bei
industriellen Anwendungen sprechen wir hier von Anlagen mit einem Volumen
von etwa 800 Kubikmetern. Zum Vergleich: Ein typisches 25-Meter-
Schwimmbecken fasst etwa 500 Kubikmeter. Bei Bioreaktoren dieser
Größenordnung muss die Auslegung, das optimale Design und der optimale
Betrieb im engen Wechselspiel von Grundlagenforschung und
anwendungsorientierter Umsetzung entwickelt werden. Auch daran arbeiten
wir am IBVT.
Gasfermentation – Projekte am IBVT
CO2BioTech: Limerick - Kalkstein - eine essenzielle Resource für Zement
treibt einen neuen Polyamid Zyklus an (Teilprojekt A), BMBF Förderzeichen
031B1400A. Partner: Universität Stuttgart, Universität Bielefeld,
Fraunhofer IGB, Firma Schwenk Zement (Ulm). Laufzeit: 2023-2026.
Mischkunststoffe – vom Problemfall zur Problemlösung durch Inwertsetzung
mit Mikroorganismen (MiMiWin), MWK, Land Baden-Württemberg. Partner:
Universität Stuttgart, Universität Ulm. Laufzeit: 2025-2028.
3DFiberFilm: Design Hoch-Produktiver Carboxydotropher Biofilme mit der
Hilfe von 3D Textilien, Teil des DFG Schwerpunktprogamms SPP2494
(Productive Biofilm Systems). Partner: Universität Stuttgart, DITF
(Denkendorf). Laufzeit: 2025-2028.
Model-based heterogeneity assessment in gas fermentation (MORE-GAS), Novo
Nordisk Funden (Denmark). Partner: DTU Lyngby, BRIGHT (DTU Biosustain)
Lyngby, Unibio A/S Roskilde, Universität Stuttgart. Laufzeit: 2026-2031.
Towards Resilience: Identification and Mitigation of Chemical, Physical,
and Biological Heterogeneity in Microbial Gas Fermenting Bioreactors
(Recipe), Novo Nordisk Funden (Denmark). Partner: Universität Aarhus,
BRIGHT (DTU Biosustain) Lyngby, Universität Wageningen, Universität
Stuttgart. Laufzeit: 2026-2031.
