Welcher Energieträger für biotechnologisches CO₂-Recycling?

Bei CO₂ handelt es sich um eine energiearme Verbindung, für eine Umwandlung muss Energie zugeführt werden. Bei biotechnologischen Verfahren wandeln ganze Mikroorganismen oder auch biologische Katalysatoren wie Enzyme das CO₂ um. Hierfür können je nach Organismus unterschiedliche Energieformen eingesetzt werden. Daher unterscheiden sich die Verfahren.

Wasserstoff: Mit diesem Energieträger sind die Verfahren äußerst energieeffizient und können einfache Kohlenstoffverbindungen wie Methan, Essigsäure oder Ethanol erzeugen.

Künstliche Beleuchtung: Die Energiequelle Licht geht mit höheren Strom- und Investitionskosten einher. Allerdings kann sich die Biomasseproduktivität durch künstliche Beleuchtung um den Faktor 8 bis 10 erhöhen.

Strom: Mit Strom als Energiequelle lassen sich auch Abgasgemische mit CO₂ und O₂ verwenden, die in Verbindung mit Wasserstoff explosionsgefährdet wären. Biologische Elektroden stellen zudem einen Katalysator dar, die in der konventionellen Elektrochemie nur mit teuren oder schwer verfügbaren Materialien zu erreichen sind.

Die Wahl des Energieträgers für biotechnologisches CO₂-Recycling hängt somit stark von den spezifischen Anforderungen des Prozesses sowie den gewünschten Endprodukten ab, wobei Effizienz, Kosten und Sicherheitsaspekte eine Rolle spielen.

Wie funktioniert biotechnologisches CO₂-Recycling mit Wasserstoff als Energiequelle?

In der modernen Biotechnologie stellt das Recycling von CO₂ mit Wasserstoff als Energiequelle eine besonders energieeffiziente Lösung dar. Dabei entstehen wertvolle Kohlenstoffverbindungen wie Methan, Essigsäure und vor allem Ethanol, das durch die mikrobielle Gasfermentation mit Clostridium-Bakterien kommerzielle Bedeutung erlangt hat.

Das gewonnene Methan kann auch als Rohstoff für verschiedene chemische Prozesse dienen. Darüber hinaus bilden die Mikroorganismen bei allen Fermentationen nicht nur einfach aufgebaute Kohlenstoffverbindungen, sondern auch Biomasse. Diese besteht zu einem großen Teil aus Proteinen, die zu Tierfutter weiterverarbeitet werden können.

Biotechnologisches CO₂-Recycling mit Wasserstoff ist also nicht nur energieeffizient, sondern auch vielseitig einsetzbar. Wer hätte gedacht, dass Mikroben so nützlich sein können?

Wie funktioniert biotechnologisches CO₂-Recycling mit Licht als Energiequelle?

Eine wichtige Energiequelle für das biotechnologische CO₂-Recycling ist Licht. In der Natur wird CO₂ durch die Photosynthese mit Hilfe des Sonnenlichts gebunden und in Biomasse gewandelt. Dieser Prozess läuft auch in Mikroalgen ab. Im Gegensatz zu höheren und komplexeren Pflanzen sind diese platzsparend und können mit moderner Prozesstechnik und mit einem geringen Wasser- und Energieverbrauch genutzt werden.

Die geschlossenen Systeme ermöglichen zudem eine gute Kontrolle der Kultivierungsbedingungen und die Nutzung eines gesamten Reaktors. Durch eine gut entwickelte LED-Beleuchtungstechnik sind die Prozesse energetisch optimiert und können die Freilandkultivierung von Algen ablösen. Der Vorteil: Damit ist eine witterungsunabhängige Ganzjahresproduktion möglich. Höhere Strom- und Investitionskosten dieser Energiequelle werden mit einer acht- bis zehnfach höheren Biomassenqualität ausgeglichen.

Wie funktioniert biotechnologisches CO₂-Recycling mit Strom als Energiequelle?

Ist Strom die Energiequelle, katalysieren Mikroorganismen die Fixierung von CO₂ zu komplexen Verbindungen, indem sie mit einer Elektrode interagieren. Dabei nehmen sie Elektronen direkt oder über Shuttlemoleküle von dieser Elektrode in ihren Stoffwechsel auf. Als Endprodukte können verschiedenste Stoffe von Methan über Basischemikalien und Biopolymeren bis hin zu Proteinen erzeugt werden.

Durch diese Art von Verfahren lassen sich Abgasgemische mit CO₂ und Sauerstoff verwenden, die in Verbindung mit Wasserstoff explosionsgefährdet wären. Außerdem stellen die biologischen Elektroden einen Katalysator für Prozesse dar, die in der konventionellen Elektrochemie nur unter Einsatz teurer Materialien zu erreichen und teilweise kritisch zu beschaffen sind.

Die Verfahren mit Strom als Energiequelle befinden sich allerdings noch in einem frühen Entwicklungsstadium.