Gase aus Zucker Herstellung: Wege zur CO2-Reduktion und Nutzung
Die stetig steigende Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Erdatmosphäre, bedingt durch die Verbrennung fossiler Energieträger, stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar. Die UN-Klimakonferenz in Paris hat das Ziel bekräftigt, diesen Anstieg zu begrenzen. Neben der Reduktion von CO2-Emissionen rückt die Rückholung und Nutzung des Gases als Rohstoff immer stärker in den Fokus. Wissenschaftler arbeiten seit Jahren daran, CO2 in Wertstoffe umzuwandeln, wobei die Nutzung erneuerbarer Energien eine Schlüsselrolle spielt. Grundsätzlich gilt: Aus CO2, Wasser und ausreichend Energie lassen sich Kohlenwasserstoffe wie Methan, Zucker oder Benzin gewinnen.
Zwei Strategien zur CO2-Umwandlung
Es existieren zwei Hauptstrategien zur CO2-Umwandlung:
- Technische Anlagen: Hierbei werden chemische Reaktionen in speziell konzipierten Anlagen durchgeführt.
- Biologische Systeme: Lebende Organismen werden genutzt, um die gewünschten Moleküle zu produzieren.
Ein Beispiel für die zweite Strategie ist die Vision des US-Unternehmers Craig Venter, Bakterien genetisch so zu verändern, dass sie Treibstoffe liefern können.
Reprogrammierung von E.-coli-Bakterien zur Zuckerproduktion
Ein Forscherteam am Weizmann Institut in Israel unter der Leitung von Professor Ron Milo hat einen bemerkenswerten Erfolg erzielt. Sie haben E.-coli-Bakterien so „reprogrammiert“, dass sie CO2 aufnehmen und in Zucker umwandeln können.
Künstlicher Stoffwechselmechanismus
In einem ersten Schritt pflanzte der Forscher Niv Antonovsky den E.-coli-Bakterien einen künstlichen Stoffwechselmechanismus ein, der Kohlenstoff binden und Kohlenwasserstoffmoleküle produzieren kann. Die gentechnisch veränderten Bakterien produzierten zwar diese Substanzen, nutzten aber nicht das angebotene CO2, sondern mussten mit Zucker gefüttert werden.
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Evolution im Labor: "Umerziehung" der Bakterien
Um die Bakterien zur CO2-Aufnahme zu bewegen, setzten die Wissenschaftler auf eine Art "Umerziehung" im Labor. Sie züchteten die Bakterien in einem speziellen Behälter, einem Chemostat, und versorgten sie mit reichlich CO2-Bläschen. Die Zuckermenge wurde stark reduziert, um die Bakterien zur Anpassung zu zwingen.
Nach drei Monaten gelang es, die Bakterien gänzlich vom Zuckerkonsum zu entwöhnen. Sie nutzten nun den Kohlenstoff aus dem CO2 zur Produktion von Kohlenwasserstoffen. Durch eine Isotopenmarkierung des Kohlenstoffs im CO2-Molekül konnten die Forscher andere Kohlenstoffquellen ausschließen.
Mutationen und weitere Forschung
Die Analyse der Mutationen, die während des Selektionsprozesses auftraten, zeigte unerwartete Veränderungen. Die Fähigkeit, E.-coli-Bakterien zur Kohlenstoffbindung zu programmieren, könnte einen neuen Werkzeugkasten für die Erforschung und Verbesserung dieses grundlegenden Prozesses darstellen.
Obwohl noch keine Nettoreduzierung von CO2 erreicht wurde, da das System organische Salze der Brenztraubensäure als Energiequelle benötigt, sind die Forscher optimistisch, dass sich auf Basis ihrer Ergebnisse Bakterien entwickeln lassen, die CO2 aus der Atmosphäre aufsaugen und in wertvolle Rohstoffe umwandeln. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten auch in der Landwirtschaft Anwendung finden, um die CO2-Aufnahme von Pflanzen zu erhöhen und Ernteerträge zu steigern.
Thermochemische Umwandlung von CO2 in Treibstoffe
Wissenschaftler des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) in Villigen und der Eidgenössischen-Technischen Hochschule (ETH) in Zürich haben ein thermo-chemisches Verfahren entwickelt, mit dem sich CO2 und Wasser direkt in Treibstoffe wie Methan, Benzin und Diesel umwandeln lassen. Dieses Verfahren erfordert jedoch gebündeltes Sonnenlicht, da Temperaturen von mindestens 1000 Grad Celsius benötigt werden.
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Katalysator als Schlüsselkomponente
Die entscheidende Leistung der Schweizer Wissenschaftler ist die Entwicklung eines Katalysators, der die gewünschten Reaktionen deutlich beschleunigt. Dieser Katalysator besteht aus einer Verbindung des Seltenerdmetalls Cer und Sauerstoff mit einem Zusatz von Rhodium.
Funktionsweise des Verfahrens
Bei der Reaktion wird Kohlendioxid und Wasser über den heißen Katalysator geleitet, wodurch Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen. Aus diesen Substanzen lassen sich dann Kohlenwasserstoffe herstellen, die als gasförmige oder flüssige Treibstoffe gespeichert oder in das Erdgasnetz eingespeist werden können.
Diese Technologie ermöglicht nicht nur die Entnahme von CO2 aus der Luft, sondern auch die Speicherung von Sonnenenergie in Form von energiereichen Kohlenwasserstoffen. Eine solche Komponente ist für Versorgungssysteme, die auf erneuerbaren Energien basieren, von zentraler Bedeutung.
Ausblick
Obwohl der Prozess noch kleine Mengen an verwertbaren Treibstoffen liefert, haben die Forscher gezeigt, dass ihre Idee funktioniert. Es liegt jedoch noch ein langer Weg vor ihnen, bis die Umwandlung von CO2 in Benzin in der Praxis anwendbar ist.
Optimierung von Kupferkatalysatoren zur Ethylenproduktion
Forscherteams an der Universität Bochum und der TU Berlin haben sich mit der Umwandlung von CO2 in Ethylen befasst, einem wichtigen Grundstoff für die chemische Industrie. Sie haben einen Kupferkatalysator optimiert und berichten in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ über ihre Ergebnisse.
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Neue Klasse von Kupferkatalysatoren
Die Forscher haben eine neue Klasse von anorganischen Kupferkatalysatoren entwickelt, die eine hohe Selektivität und Produktionsrate an Ethylen aufweist. Die Selektivität bedeutet, dass bei dem Prozess kaum unerwünschte Nebenprodukte entstehen.
Regulierbare Behandlung der Kupferoberfläche
Dieser Erfolg wurde durch eine regulierbare Behandlung der Kupferoberfläche mit einem Sauerstoff- und Wasserstoffplasma ermöglicht. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der Kupferoberfläche gezielt verändern, um optimale Oberflächeneigenschaften zu erzielen.
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