Materialkreisläufe schließen, Abfälle reduzieren und Rohstoffe langfristig im Wirtschaftssystem halten – die Gasfermentation ist ein biotechnologisches Verfahren, das industrielle Abgase wie CO2 als Ausgangsstoff für neue Produkte nutzbar macht. Durch mikrobielle Prozesse können gasförmige Emissionen in chemische Wertstoffe überführt und damit in zirkuläre Wertschöpfungsketten integriert werden.
Welche Potenziale die Gasfermentation für unterschiedliche Branchen bietet und welche technischen sowie bioprozessualen Herausforderungen noch zu bewältigen sind, erläutert Prof. Ralf Takors, Leiter des Instituts für Bioverfahrenstechnik (IBVT) der Universität Stuttgart, im Interview. Dabei geht es um konkrete Forschungsansätze, industrielle Anwendungsfelder und die Voraussetzungen für eine Übertragung vom Labor- in den Produktionsmaßstab.
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.
Gasfermentation – Gamechanger für die Kreislaufwirtschaft?
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.
Das Interview ist auf der Seite der Universität Stuttgart erschienen und wurde zur Veröffentlichung übernommen.