Am Anfang des Projekts steht die Frage, wie sich aus kohlenstoffhaltigen Abgasen hochwertige Produkte herstellen lassen. Eine Antwort liefern Mikroorganismen. Bestimmte Bakterien sind in der Lage, sogenannte C1-Verbindungen, also Moleküle mit nur einem Kohlenstoffatom wie Kohlenstoffdioxid (CO₂), Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Methan (CH₄), als Nährstoffquelle zu nutzen und in komplexere chemische Verbindungen umzuwandeln. Genau dieses natürliche Stoffwechselvermögen macht sich das Projekt zunutze. Janik Hense, der das Projekt an der Fluidverfahrenstechnik maßgeblich mit vorantreibt, erklärt, warum das Team auf mikrobielle CO₂-Fixierung statt auf rein chemische Verfahren setzt: „Der entscheidende Vorteil dieser biologischen Systeme liegt darin, dass sie auch mit Gasgemischen klarkommen. Industrielle Abgase, etwa aus Stahlwerken oder Biogasanlagen, sind in der Regel nicht rein.“ Der Einsatz von Mikroorganismen eröffnet damit die Möglichkeit, komplexe Emissionsströme direkt als Rohstoff zu nutzen, ohne sie zuvor energieaufwendig in einzelne Reingase auftrennen zu müssen.

Selbst wenn die Mikroorganismen aus CO₂ erfolgreich Acetat produzieren, ist der Weg zum marktfähigen Produkt noch weit. Denn in der Fermentationsbrühe liegt die gewünschte Chemikalie nur in vergleichsweise geringer Konzentration vor, gelöst in einem komplexen Gemisch aus Wasser, Salzen, Nährstoffen und Stoffwechselprodukten. Die eigentliche Herstellung des Moleküls ist damit nur die halbe Miete. Erst wenn sich das Produkt effizient abtrennen und aufreinigen lässt, wird aus einem vielversprechenden Laborprozess eine wirtschaftlich nutzbare Technologie. Genau an diesem Punkt setzt der zweite Schwerpunkt von GasValor an: die Entwicklung innovativer Trenn- und Aufarbeitungsverfahren. Unter Leitung des Lehrstuhls für Fluidverfahrenstechnik an der RWTH Aachen arbeitet das Projektteam daran, die biotechnologisch erzeugten Produkte so aus der Fermentationslösung zurückzugewinnen, dass der Gesamtprozess technisch und wirtschaftlich skalierbar wird.

Die Herausforderung beginnt bereits bei der Chemie des Produkts selbst. Essigsäure liegt unter den neutralen Bedingungen, die Mikroorganismen für ihr Wachstum bevorzugen, überwiegend in ihrer Form als Acetat vor. In diesem Zustand bleibt sie vollständig in der wässrigen Phase gelöst und lässt sich nur schwer abtrennen. Für eine effiziente Aufarbeitung müsste sie dagegen möglichst als freie Säure vorliegen. Konventionell wird dieses Problem durch die Zugabe starker Säuren gelöst. Dadurch sinkt der pH-Wert, und aus Acetat wird wieder Essigsäure. Der Nachteil: Dabei entstehen große Mengen an Salzabfällen, die entsorgt oder weiterbehandelt werden müssen. Dies stellt einen erheblichen ökologischen und wirtschaftlichen Nachteil dar, der solche biotechnologische Prozesse im industriellen Maßstab unattraktiv macht.

Noch arbeitet GasValor im Labormaßstab. Doch das Ziel des Projekts ist von Beginn an größer gedacht: Die entwickelte Prozesskette soll perspektivisch in industrielle Anwendungen überführt werden. Dafür müssen die einzelnen Verfahrensschritte nun schrittweise skaliert und enger miteinander gekoppelt werden, vom Fermenter über die Aufarbeitung bis hin zur kontinuierlichen Prozessführung.

Besonders im Blick haben die Forschenden dabei Standorte, an denen kohlenstoffhaltige Gasströme bereits in größeren Mengen anfallen. Dazu zählen etwa Biogasanlagen, Klärwerke oder industrielle Emittenten wie die Stahl- und Chemieindustrie. Gerade im Biogasbereich könnte die Technologie neue wirtschaftliche Perspektiven eröffnen. Denn für viele Anlagen endet nach 20 Jahren die EEG-Förderung, wodurch sich die reine Strom- und Wärmeerzeugung oft kaum noch rentabel betreiben lässt. Die stoffliche Nutzung von Methan und CO₂ könnte Betreibern künftig ein zusätzliches Geschäftsmodell eröffnen, nicht als Ersatz, sondern als Erweiterung der bisherigen Nutzung. Die eigentliche Wertschöpfung entstünde dann nicht mehr primär durch Energieverkauf, sondern durch die Produktion chemischer Rohstoffe direkt am oder nahe dem Entstehungsort der Gase. Aus bislang wenig genutzten Nebenströmen würden marktfähige Plattformchemikalien und biobasierte Materialien. 

„Ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass wir in 20 Jahren industrielle Anlagen sehen werden, die genau solche Prozesse nutzen“, meint Janik Hense. „Langfristig müssen wir uns ohnehin die Frage stellen, woher der Kohlenstoff für unsere Produkte kommen soll, wenn wir uns von fossilen Rohstoffen wie Erdöl lösen. […] Die Gasfermentation kann hier ein wichtiger Baustein sein. Sie ermöglicht es, Kohlenstoff im Kreislauf zu führen und seine ,Lebenszeit‘ zu verlängern, anstatt ihn sofort als Emission freizusetzen.“

Auch aus der Industrie gibt es bereits positive Signale. Mehrere Unternehmen haben Interesse an den Forschungsergebnissen bekundet, darunter nach Angaben des Projektteams auch international tätige Anlagenbauer. Langfristig könnte daraus eine neue Generation modularer Anlagen entstehen, die dort eingesetzt wird, wo C1-Gasströme verfügbar sind. Mit seiner hohen Dichte an potenziellen Emittenten aus Biogasanlagen, Klärwerken und industriellen Prozessen bietet beispielsweise das Rheinische Revier ideale Voraussetzungen, um solche Kohlenstoffströme künftig gezielt stofflich zu nutzen. Im Sinne des BioökonomieREVIERs ergibt sich daraus ein schlüssiges Gesamtbild: aus bislang vor allem energetisch genutzten oder ungenutzten Abgasen sollen regionale Wertschöpfungsketten entstehen, die Kohlenstoff im Kreislauf führen und neue industrielle Perspektiven für die Region eröffnen.