TRANSFORMATE – Kombi-Prozessentwicklung zur
Herstellung des Biopolymers PHB und der Crotonsäure

Vom Treibhausgas zum Biokunststoff

Im Projekt „TRANSFORMATE“ macht das Forschungskonsortium das Treibhausgas Kohlendioxid über eine
Kombination von künstlicher Photosynthese und synthetischer Biologie für die chemische Industrie nutzbar.
Einerseits werden dadurch die CO₂-Emissionen von Industrieparks reduziert und andererseits entstehen neue Rohstoffe und Produkte aus CO₂. Um den Gesamtprozess möglichst effizient zu gestalten, werden zwei Verfahrensstufen eingesetzt: Zuerst die elektrochemische Konversion von CO₂ in Ameisensäure und danach die biotechnologische Veredlung der Ameisensäure zu Biokunststoffen. Bei den anvisierten Biokunststoffen handelt es sich um Polyhydroxybuttersäure (PHB) und Crotonsäure. PHB wird in Bakterien als Speicherstoff akkumuliert. Crotonsäure hingegen wird aus den Bakterienzellen ausgeschleust und kann aus dem Fermentationsüberstand gewonnen werden. In „TRANSFORMATE“ soll ein ganzheitlicher, nachhaltiger Herstellungsweg der Biokunststoffe aus CO₂ aufgezeigt und erprobt werden.

 Elektrochemie trifft Biotechnologie

Die besondere Innovation von „TRANSFORMATE“ ist dievollständige Abbildung und Optimierung des zweistufigen Prozesses (Elektrolyseur und Bioreaktor) zur direkten Umwandlungvon CO₂ in Biokunststoffe über Ameisensäure. Erstmalig wird dazu ein Ameisensäure-Elektrolyseur aneinen Bioreaktor gekoppelt und das Zusammenspiel desintegrierten Systems optimiert. Jeder Schritt besitzt seine eigenen Herausforderungen, sodass auch in den Teilprojekten neue Ansätze ausprobiert werden. Beim Elektrolyseur besteht die Herausforderung darin, hohe Energieeffizienzen, Stromdichten und Ameisensäure-Konzentrationen zu erzielen. Dies soll durch einen möglichst geringen Wassereintrag in das System, ein annähernd spaltloses Zell-Design sowie durch die Einbringung von polymeren ionischen Flüssigkeiten in die katalytische Schicht des Elektrolyseurs erreicht werden. Im Bereich der Biotechnologie soll ein neuer synthetischer Stoffwechselweg (reduktiver Glycin-Weg) in das Bakterium Cupriavidus necator eingebracht werden. Dadurch kann das Bakterium Ameisensäure als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen. Wenn der Stoffwechselweg seine Funktionalität bewiesen hat, werden die positiven Stämme zu maximalem Wachstum über eine adaptive Labor-Evolution stimuliert. Im Anschluss daran wird die Produktsynthese in die optimierten Bakterien- Stämme molekularbiologisch eingebracht und die generierten Produktionsstämme werden dann im Fermenter überprüft. Im letzten Jahr des Projektes soll dann der optimierte Elektrolyseur an das Fermentationssystem gekoppelt und das Gesamtverfahren optimiert werden. Das Projekt wird begleitet durch eine kontinuierlich, fortgeschriebene Life-Cycle-Analyse (LCA) und eine technisch-wirtschaftliche Analyse (TEA).

Demonstration der Formiat-Bioökonomie

Um eine spätere Umsetzung der Projektergebnisse zu realisieren, haben sich die sieben Forschungspartnerinnen und -partner ambitionierte Ziele gesetzt:

• Bereitstellung und Erprobung von Mini-Stack-Elektrolyseuren mit aktiver Gesamtelektrodenfläche von
100 Quadratzentimeter und stabile Produktion einer fünfprozentigen (w/w) Ameisensäure-Lösung.

• Mikrobielle Produktion von PHB und Crotonsäure aus Ameisensäure mit 70 Prozent der maximalen Ausbeute.

• Realisierung und Optimierung des integrierten Prozesses mit Elektrolyseur und Bioreaktor im Labormaßstab.

• Bereitstellung der LCA und TEA des Prozesses.

• Bereitstellung eines Engineering-Konzepts zum Bau
eine Pilotanlage des Gesamtprozesses.

Die beteiligten Firmen b.fab GmbH, Ertel IonStream UG und YNCORIS GmbH & Co. KG wollen die Ergebnisse des Projektes bei wirtschaftlicher Machbarkeit in die industrielle Anwendung überführen.

Interview über das TRANSFORMATE-Projekt

Transformate-Projektblatt zum Download