CO₂ als wertvoller Rohstoff: Projekt 'Carbon4Bac' der Ohm untersucht die Nutzung des Treibhausgases
Das Projekt Carbon4Bac der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm (Ohm) zeigt, dass CO₂ nicht nur ein klimaschädliches Abgas ist, sondern als wertvoller Rohstoff genutzt werden kann. Spezielle Bakterien verwandeln CO₂ in eine biologische Säure, mit der Metalle aus Erzen oder alten Lithium-Ionen-Batterien gelöst und zurückgewonnen werden können.
Prof. Dr. Stephanie Stute, Professorin für Bioverfahrenstechnik an der Ohm, untersucht an der Fakultät Verfahrenstechnik die Vewertbarkeit von Kohlendioxid als Substrat für Bioprozesse mit Bakterien.
Deutschland will bis 2045 Treibhausgasneutralität erreichen. Europa bis 2050.
Kohlendioxid (CO₂) und andere Treibhausgase sollten dementsprechend im Sinne des Vorsorgeprinzips vermieden, spezifisch CO₂ und dessen Nutzung als Rohstoff abgeschieden werden. Das sogenannte Kohlenstoffmanagement lässt sich in drei Bausteine aufgliedern:
- Abscheidung und Speicherung – CO₂ wird am Ort seiner Entstehung gesammelt, aufgefangen und zur Speicherung im Untergrund verpresst
- Entnahme aus der Atmosphäre – CO₂, das nicht direkt an der Entstehung gesammelt werden kann, wird aus der Atmosphäre über technisch-chemische Verfahren gebunden und in Form von Baumaterial gespeichert
- Nutzung – CO₂ wird zur Herstellung kohlenstoffhaltiger Produkte wie Kunststoffe genutzt.
Neben der Speicherung kann CO₂ außerdem auch als Rohstoff verwendet werden.
Projektziele
Das vorliegende Projekt fokussiert die Nutzung von CO₂ zur Herstellung von Leaching-Solvent mittels des säureproduzierenden Bakterium Acidithiobacillus ferrooxidans. Dieses Biosolvent kann in der Bergbauindustrie und zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, um Metalle aus Erzen und Feststoffen zu extrahieren. Aus früheren Versuchen ist bekannt, dass die Zugabe von Eisensulfat zum Nährmedium eine unerwünschte Feststoffbildung auslöst, die eine Skalierung auf industrielle Größenordnungen behindert. Aus diesem Grund wird als Alternative die Nutzung von elementarem Schwefel betrachtet. Bei Entschwefelungsprozessen von Biogas, Erdgas und Erdöl entsteht Elementarer Schwefel, weshalb er in großen Mengen, kostengünstig und im Falle von Biogas auch regional verfügbar ist.
Das Gesamtziel des Projekts ist die Untersuchung des Wachstums der Bakterien unter Nutzung von in der Atmosphäre vorhandenen CO₂ und von Prozessgas mit CO₂-Konzentrationen entsprechend regional vorhandener Punktquellen. Abgase von Heizkraftwerken, Biogasanlagen und Brauereien wurden dabei als bedeutsame Punktquellen in der Metropolregion ausgewählt. Die Verwendung von CO₂ als Rohstoff führt zu folgenden Vorteilen: Die Abhängigkeit von schwankender Rohstoffverfügbarkeit und -kosten werden verringert und zudem können CO₂-Emissionen reduziert werden, wodurch ein wichtiger Beitrag gegen den menschgemachten Klimawandel geleistet werden kann.
Projektverlauf
Das Forschungsprojekt gliedert sich in drei Arbeitspakete. Im ersten Schritt fokussiert das Projektteam das Wachstum des Bakteriums unter Nutzung von Schwefel. Da Schwefel einen nicht-wasserlöslicher Feststoff darstellt, wird die Wachstumserfassung über die üblichen Methoden eingeschränkt. Das Wachstum wird daher über die Bildung von Schwefelsäure mittels Messung des pH-Wert und der Sulfatkonzentration erfasst und ist mit Abschluss des Arbeitspaketes unter Nutzung von CO₂ aus Luft vollständig charakterisiert.
Als nächstes wird der Effekt von CO₂-angereichertem Prozessgas auf das Wachstum untersucht, wobei die CO₂-Konzentrationen entsprechend der Abgase von industriellen Anlagen eingesetzt werden. Aus den gewonnenen Resultaten wird schließlich ein mathematisches Modell entwickelt, welches die Abhängigkeit des Wachstums und der Säurebildung von der CO₂-Konzentration präzise beschreiben kann.
In einem letzten Arbeitspaket steht die Bilanzierung des im Prozess gebundenen CO₂ im Fokus. Insgesamt soll neben der Nutzung von CO₂ als kostenloser Rohstoff auch das Potential biotechnologischer Prozesse als CO₂-Senke abgeschätzt werden.
