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Recycling von Kohlenstoff

Fermentative Herstellung von n-Oktanol aus Abgasen
Recycling von Kohlenstoff

Das amerikanische Start-up Lanzatech und BASF haben den ersten Meilenstein ihrer Entwicklungskooperation zur fermentativen Herstellung längerkettiger Alkohole erreicht. Erstmals konnten sie mithilfe biotechnologischer Methoden n-Oktanol aus gasförmigen Kohlenstoffquellen herstellen. n-Oktanol ist ein Rohstoff, der beispielsweise in der Kosmetikindustrie aber auch im Bereich der Geruchsstoffe eingesetzt werden kann.

Kohlenstoff wird in praktisch allen Wertschöpfungsketten des BASF-Verbunds benötigt, um die gewünschten Produkte herzustellen. In den allermeisten Fällen stammt der Kohlenstoff dabei aus fossilen Quellen. Auf dem Verarbeitungsweg des Kohlenstoffs, beispielsweise vom Erdöl bis zum Polyamid, geht ein Teil davon als Prozessemissionen verloren. Das können Abgase sein, die Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in unterschiedlichen Verhältnissen enthalten, oder es kann auch CO2 direkt emittiert werden. Zudem benötigen die Produktionsprozesse Energie, in Form von Strom und Dampf, zu deren Erzeugung zumindest partiell fossile Energieträger eingesetzt und dabei zu CO2 umgewandelt werden. Ziel der nachhaltigen Gestaltung der Produktionsprozesse ist es, diese Emissionen zu vermindern beziehungsweise sie in den Kohlenstoffkreislauf zurückzuführen.

Zirkulärer Ansatz

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die zumeist linearen chemischen Wertschöpfungs- und Lieferketten durch einen zirkulären Ansatz der Kohlenstoffnutzung ergänzt und teilweise neu gestaltet werden. Das bedeutet, den Kohlenstoff nicht über die Einbahnstraße „Bohrloch – Produktion – Nutzung – Entsorgung“ zu schicken, sondern im Kreislauf zu halten.

Die Zusammenarbeit zwischen BASF und der US-amerikanischen Firma Lanzatech leistet einen Beitrag zu diesem Ziel. Industrielle Abgase, die bisher verbrannt oder zur Erzeugung von Strom und Dampf genutzt werden, beziehungsweise CO2, das in die Atmosphäre abgegeben wird, sollen als Rohstoff für die fermentative Synthese wichtiger Produkte für die BASF-Wertschöpfungsketten dienen. Dieser innovative Kohlenstoffrecycling-Ansatz mithilfe der von Lanzatech entwickelten Gasfermentation reduziert industrielle Kohlenstoffemissionen und trägt zur Defossilierung bei.

Entwicklungskooperation

Das gemeinsame Entwicklungsprojekt startete nach einer intensiven Vorbereitungsphase im Juni 2020 mit dem Ziel, die Grundlagen zur Produktion von wertvollen Chemikalien wie n-Oktanol durch Gasfermentation zu legen. Gasfermentation ist ein biotechnologischer Syntheseschritt, der eine gasförmige Kohlenstoffquelle (CO bzw. CO2) als Substrat sowie Wasserstoff als Energiequelle und Reduktionsäquivalent nutzt. Dabei setzen Mikroorganismen, beispielsweise bestimmte anaerobe Clostridien-Stämme, den gasförmigen Kohlenstoff mit Wasserstoff zu bestimmten Produkten um. Allerdings stellen die Organismen üblicherweise nicht das gewünschte n-Oktanol her.

Erster Meilenstein

Lanzatech ist es jedoch gelungen, die Mikroorganismen mithilfe biotechnologischer Methoden so zu verändern, dass sie genau das tun. Dabei kommt ein spezieller Stoffwechselweg zum Einsatz, der an der University of South Florida entwickelt wurde: die sogenannte reverse ß-Oxidation. Damit ist ein erster, wichtiger Meilenstein erreicht. Im Labormaßstab konnte n-Oktanol mittels Gasfermentation hergestellt werden. Gleichzeitig haben Wissenschaftler der BASF ein Verfahrenskonzept entwickelt, das eine kontinuierliche Herstellung und Reinigung des Produkts ermöglicht, denn n-Oktanol ist für die Mikroorganismen giftig. Das heißt, je mehr Wertprodukt entsteht, desto toxischer wird das Milieu, und letztendlich würden die Mikroorganismen zugrunde gehen. Das neue Verfahrenskonzept ermöglicht dennoch die kontinuierliche Herstellung von n-Oktanol durch die direkte Verknüpfung der Fermentation mit der Abtrennung und Aufreinigung von n-Oktanol – im Fachterminus in-situ product recovery genannt. Ziel dabei ist, das für die Mikroorganismen toxische n-Oktanol nahezu zeitgleich mit seiner Synthese aus dem Fermentationsmedium zu entfernen.

Das Verfahren hat drei Vorteile: Erstens, es läuft bei niedrigen Drücken und Temperaturen ( 0,1 Mpa, 40 °C) ab. Zweitens, die eingesetzten Mikroorganismen sind nicht wählerisch, was die Zusammensetzung des zugeführten Gasstroms betrifft. Sie können unterschiedliche Verhältnisse von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlendioxid tolerieren. Und drittens, sind die Mikroorganismen auch gegenüber unterschiedlichsten Verunreinigungen tolerant. Daher müssen die Gase nicht mit großem Aufwand gereinigt werden.

Verbindet man die Gasfermentation mit einer Partialoxidation zur Umwandlung fester kohlenstoffhaltiger Reststoffe in CO, CO2 und H2, können so auch feste Abfallstoffe z. B. kommunale, landwirtschaftliche und industrielle Reststoffströme genutzt und der darin enthaltene Kohlenstoff im Kreislauf gehalten werden.

Optimierungspotenziale

Gemeinsam haben die Unternehmen das sogenannte Proof of Principle erreicht. Jetzt konzentrieren sich die Teams darauf, das biologische und technische Design zu optimieren, um einen effizienten, integrierten Produktionsprozess zu entwickeln. Lanzatech wird die Mikroorganismen hinsichtlich ihrer Raum-Zeit-Ausbeute und Effizienz weiter verbessern. BASF optimiert parallel den Downstream-Prozess (Aufreinigung). Wichtig dabei ist: Fermentation und Aufreinigung müssen ganzheitlich als ein Prozess betrachtet werden. Man kann beide Prozessschritte nur gemeinsam optimieren.

Daher ist die Verknüpfung der Kompetenzen der Partner BASF und Lanzatech und die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Biologen, Biochemikern und Ingenieuren entscheidend für den Erfolg dieses Projektes. Lanzatech bringt bei der Zusammenarbeit ihre Technologie der Gasfermentation ein, während BASF die Expertise bei der Entwicklung und dem Betrieb von chemischen Prozessen hat.

BASF SE, Ludwigshafen


Autor: Prof. Michael H. Kopf

Leiter der Gruppe Process Development Industrial Biotechnology,

BASF

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