Müll und Abfall
Müll und Abfall – einfach für die Tonne. Doch so einfach ist es nicht. Am Helmholtz Zentrum für Umweltforschung wird daran gearbeitet, stinkenden Biomüll, Abwässer und klimaschädliche Gase in wertvolle Rohstoffe umzuwandeln. Was es dazu braucht und wie komplexe Gemeinschaften von Kleinstlebewesen dabei helfen können, darum geht’s in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört.
Kohlendioxid und Mikrobiome
Kohlendioxid – der böse Klimakiller. Doch was wäre, wenn wir CO2 und andere industrielle Abgase nicht einfach in die Luft blasen, sondern sie als wertvolle Rohstoffe nutzen könnten? Dr. Flavio Baliero arbeitet am Helmholtz Zentrum für Umweltforschung in der Arbeitsgruppe Mikrobiologie Anaerobesysteme unter anderem daran. Dafür untersucht er Mikrobiome und hat dafür auch den Helmholtz Promotionspreis in angewandter Forschung erhalten.
Herr Dr. Baliero, herzlich willkommen im Forschungsquartett. Vielen Dank, schön hier zu sein. Herr Dr. Baliero, was sind eigentlich Mikrobiome und was machen die? Mikrobiome sind mikrobielle Gemeinschaften, die Dutzende, Hunderte, Tausende Arten von Mikroorganismen enthalten, hauptsächlich Bakterien. Mikrobiome sind fast überall auf der Erde: in unserer Haut, in unserem Darm.
Wir haben vor Jahrtausenden gelernt, wie man Mikrobiome nutzt, um zum Beispiel Joghurt, Buttermilch und Sauerkraut zu produzieren, damit Lebensmittel schmackhafter und eine längere Haltbarkeit haben können. Und wir haben Mikrobiome natürlich auch für den Abbau von unserem Abfall, von unserem Bioabfall verwendet. Das heißt, Kompostierung und für die Erzeugung von Energie durch Biogas.
Rohstoffe aus Müll
Sie haben jetzt die Idee, dass man nicht nur Humus bekommt, sondern dass man Rohstoffe dann auch bekommt. Welchen Müll können die Mikrobiome eigentlich überhaupt verarbeiten? Mikrobiome können organische Abfallstoffe abbauen. Und natürlich können wir dann viel mehr als nur Humus oder Joghurt oder Biogas produzieren.
In meiner Forschung will ich tatsächlich Chemikalien für unseren alltäglichen Verbrauch mit Mikrobiomen produzieren. Mikrobiome haben dann diese Eigenschaft, sie können Biopolymere, komplexe Biopolymere aus der Biomasse, aus unserem zum Beispiel Haushalt-Biomüll abbauen. Und diese Biopolymere, die enthalten ein riesiges Potenzial. Man kann eine Vielzahl von Chemikalien produzieren aus diesen Biopolymeren.
Und wie man dann diese Mikrobiome steuert, mit zum Beispiel Zugabe von Sauerstoff oder in der Abwesenheit von Sauerstoff, das nennen wir anaerobe Mikrobiome, entscheiden wir dann, welche Chemikalien wir aus diesem Bioabfall beziehungsweise lebensmittelrelevanten Stoff produzieren können.
Chemikalienproduktion
Welche Chemikalien können denn diese Mikrobiome dann am Ende herstellen und wofür können wir die dann wieder verwenden? Ja, ich nutze gerne das Beispiel mit dem Biomüll aus dem Haushalt und wie wir das dann lagern. Wenn wir diesen Biomüll einfach unter der Luft lassen, wächst Schimmel, und wir produzieren dann CO2 und Wasser. Das sind auch Chemikalien, aber nicht die interessantesten Chemikalien.
Wir können Wasserstoff produzieren, indem wir diesen Biomüll, diesen organischen Reststoff dann von Sauerstoff schützen, oder Essigsäure. Die sind aber sogenannte Commodity-Chemikalien. Die sind nicht besonders wertvoll und die sind, also im Fall von Essigsäure, Chemikalien, die sehr schwer extrahierbar aus der Fermentationsbrühe, also aus diesem Mikrobiom, dann extrahierbar sind.
Ich versuche, die Fermentation mit dem Mikrobiom zu steuern, damit wir sogenannte mittelkettige Fettsäuren produzieren. Mittelkettige Fettsäuren, die sind so ein bisschen organische Chemie, die sind Carbonsäuren mit sechs bis zwölf Kohlenstoffatomen in der Kette. Das finde ich besonders interessant, weil diese mittelkettigen Fettsäuren, die werden aktuell in Kosmetika, Bioherstellung, Farbstoffen und Aromastoffen verwendet.
Und die kommen hauptsächlich aus Palmöl oder Kokosöl. Das heißt, wenn wir hier diese mittelkettigen Chemikalien verbrauchen in Europa, müssen wir die importieren, also Palmöl oder Kokosöl. Das heißt, wenn wir diese mittelkettigen Fettsäuren mit Mikrobiomen und einem Ausgangsstoff, der eigentlich regional verfügbar ist, herstellen können, dann können wir eine ganze Chemieindustrie komplett lokal aufbauen.
Kohlendioxid unschädlich machen
Ich habe in der Anmoderation von Kohlendioxid gesprochen und dass in ihrem Forschungsprojekt das auch benutzt wird und nicht mehr dieser böse Klimakiller auf einmal da ist. Wie macht man Kohlendioxid denn unschädlich? Das hängt davon ab, wie man dieses Mikrobiom, diesen Bio-Reaktor steuert. Normalerweise, bei Biomasseabbau, wird dann CO2 entstehen aus der Fermentation.
Während meiner Promotion, das war ungefähr vor vier Jahren, habe ich eine sogenannte mixotrophe Fermentation vorgeschlagen. In der mixotrophen Fermentation gebe ich neben der Biomasse, neben dem organischen Substrat, auch CO2, Wasserstoff und Kohlenmonoxid dazu. Ich steuere dann das Mikrobiom so, dass es gleichzeitig die Biomasse und CO2 und die Gase, also CO2, Wasserstoff und Kohlenmonoxid, verbrauchen kann.
Am Ende kann man diese Fermentation so steuern, dass wir eine sogenannte kohlenstoffnegative Fermentation haben. Das bedeutet, es wird mehr CO2 fixiert, als CO2 produziert wird. Und die Idee ist, dass wir in der Zukunft diese mixotrophe Fermentation zusammen mit der Produktion von wertvollen Chemikalien koppeln können und jede Biogasanlage eine potenzielle Kohlenstoffsenke umwandeln kann.
Dafür hätte dann die Anlage ein bisschen mehr technische Komplexität. Wir müssen nicht nur mit dem Hauptausgangsstoff, das heißt der Biomasse, arbeiten, wir müssen auch mit zwei, drei unterschiedlichen Gasen arbeiten. Wir müssen dann unseren Wasserstoff irgendwie nachhaltig erzeugen. Wir müssen dann den konzentrierten CO2- Abgas irgendwoher bekommen.
Das ist neben einer Biogasanlage kein Problem. Biogas ist eigentlich 50 % CO2, und Kohlenmonoxid können wir entweder aus Wasserstoff und CO2 zurückgewinnen oder können wir aus Abgas von den Stahlwerken der Stahlindustrie besorgen. Das heißt, die Handhabung mit Gasen macht das ein bisschen komplexer, aber das ist auch in unserer To-Do-Liste.
Kommerzialisierung der Technologie
Wie viele Unternehmen haben denn schon bei Ihnen angeklopft, wenn man diese Chemieindustrie hier vor Ort machen kann? Wir können immer noch keine kommerzielle Anlage bauen. Vorher müssen wir demonstrieren, dass diese Technologie wirklich wettbewerbsfähig ist und tatsächlich machbar ist. Wie groß ist der Vorteil, zum Beispiel bezüglich Kohlenstoffrückabdruck im Vergleich zu den palmölbasierten Chemikalien?
Wir arbeiten jetzt daran. Wir sind in einem sogenannten Pilotmaßstab. Das heißt, wir können ein paar Kilogramm von diesen aufgereinigten Chemikalien produzieren und dann an zukünftige Industriekunden schicken, damit sie dann ihre Formulierungen mit unseren biobasierten Chemikalien oder lokal produzierten Chemikalien anpassen können. Dafür brauchen wir noch ein paar Jahre, aber wir arbeiten daran.
Der nächste Schritt ist dann der Demonstrationsmaßstab. Das bedeutet, wir wollen dann eine Demonstrationsanlage komplett integriert mit einer Biogasanlage betreiben für sechs Monate und damit dann eine größere Menge von Chemikalien, ungefähr mindestens 100 Kilogramm von Chemikalien produzieren und extrahieren, damit wir dann sicherer sind bezüglich Ausbeute oder ob wir technische Herausforderungen in einem Hochmaßstab identifizieren können.
Mikrobiome vs. Reinkulturen
In der Biotechnologie versucht man ja oft, eigentlich ein einzelnes Bakterium im Labor genetisch perfekt für eine Aufgabe zu designen. Dafür wird mittlerweile auch häufig KI eingesetzt. Sie setzen stattdessen auf eine komplexe Mischkultur. Warum nutzen Sie diese natürliche Wohngemeinschaft im Reaktor und nicht einen einzelnen spezialisierten Superkeim?
Mit einer Reinkultur produziert diese klassische Biotechnologie sehr teure und komplexe Moleküle. Der Grund ist, dass der Ausgangsstoff für eine Reinkultur teuer ist. Eine Reinkultur verbraucht grob gesagt Zucker. Diese Reinkultur ist auch sehr empfindlich bezüglich Kontamination. Der Bioreaktor mit der Reinkultur muss dann steril betrieben werden. Er muss aus teurem Edelstahl gebaut werden.
Die Produktionsbedingungen sind alle sehr anstrengend. Das heißt, man hat höhere Betriebskosten, einen empfindlichen Prozess, der ständig sterilisiert werden soll. Und man verbraucht Zucker, das eigentlich ein Lebensmittel für uns ist. Mit einem Mikrobiom, mit einer Milchkultur, also auch sogenannten Milchkulturen, da steht dann ein bisschen das reflektorische Potenzial der Technologie.
Wir könnten dann mit einer Milchkultur ein komplexes Substrat aus Ausgangsstoff nutzen. Das bedeutet, unser Mikrobiom-Bioreaktor ist dann deutlich günstiger. Das kann zum Beispiel aus Plastik oder Beton gebaut werden. Unser Ausgangsstoff muss nicht sterilisiert werden. Wir nutzen buchstäblich Müll.
Das Substrat selbst, das organische Biomasse, hat schon ein Mikrobiom drauf. Und das ist kein Problem mit dieser Kontamination, dieses Risiko von Kontamination. Ein Mikrobiom ist von Natur aus schon dagegen robust gegen Kontamination durch andere sogenannte invasive Bakterien.
Aussehen der Reaktoren
Sie haben von diesen Reaktoren geredet. Wie sehen die denn eigentlich aus? Also wenn ich Reaktor höre, dann denke ich erstmal an Atomreaktoren, so große Gebäude. Sie meinten, dass die neben so kleinen Biogasanlagen stehen können. Wie sehen die eigentlich aus?
Biogas, wie gesagt, wird auch mit Mikrobiomen produziert. Das heißt, unsere Bioreaktoren für die Produktion von Chemikalien sehen sehr ähnlich aus wie die Biogasreaktoren, die man zum Beispiel an Land sieht, wenn man mit der Bande reißt. Die sind relativ groß, aber wie gesagt, aus günstigem Material gebaut.
Bei der Fermentation entsteht Gasproduktion: Wasserstoff, Biomethan, ein bisschen CO2, abhängig von den Bedingungen. Das heißt, es wird wahrscheinlich diese typische Ballonform da oben auf diesen Biogasreaktoren auch geben. Und der Grund, warum ich gesagt habe, dass diese Biorefinerien neben Biogasanlagen gebaut werden können, ist, dass wir den wertvollsten Anteil von Biomassen für die Chemikalien nutzen.
Für die Produktion von wertvollen Chemikalien. Und aus den Hochständen dieser Chemikalienproduktion können wir immer noch Biogas produzieren.
Zukunft der Technologie
Wie lange braucht das noch, bis das industriell verwendet werden kann? Also dass wir so eine Menge haben. Sie haben schon gesagt, so drei Jahre bis zur nächsten Stufe, dieser sechsmonatige Test, wo man dann hoffentlich 100 Kilogramm rausbekommt. Bis wann denken Sie, wird die Industrie da aufspringen und sagen: Ja, das ist unser Ding? Wie viele Jahre braucht das?
Ja, das ist so ein Thema. Es ist eine sogenannte sehr kapitalintensive Technologie. Das bedeutet, eine erste kommerzielle Anlage braucht dafür Millionen Euro. Bevor wir diese Investoren für diese Investitionen überzeugen können, müssen wir dann, wie gesagt, unsere Technologie in einem relativ großen Maßstab demonstrieren.
Dafür werde ich dann meine eigene sogenannte Helmholtz Innovation Exploration Gruppe ab nächstem Jahr leiten. Und wir werden, wie gesagt, in ungefähr drei Jahren diese Demonstrationsanlagen zusammenbauen, die die Flaschenhälse aus unserem Verfahren lösen oder besser verstehen und sozusagen das gesamte Verfahren optimieren.
Und damit haben wir dann gute solide Wirtschaftlichkeitsschätzungen für unsere finanziellen Pläne, also für unser Businessmodell. Wir kooperieren aktuell schon mit Betreibern von Biogasanlagen. So ein Partner von uns betreibt eine große Zuckerfabrik und damit dann eine verbundene Biogasanlage.
Ein anderer Partner, industrielle Partner von uns, betreibt dann mehrere Biogasanlagen in Deutschland. Mit denen sollen wir dann zusammenarbeiten, damit unsere Biorefinerie komplett koppelbar mit ihrer bestehenden Biogas-Infrastruktur ist. Und wir müssen natürlich auch mit unseren zukünftigen Kunden sprechen, die man nennt die Oleochemie, weil sie Chemikalien aus Pflanzenöl produzieren.
Die importieren aktuell Palmöl und Kokosöl, und wir müssen dann mit denen zusammenarbeiten, um sicher zu sein, dass unsere, zum Beispiel, das ist ein neues Verfahren, dass die Unreinheiten von dieser neuen Produktionsroute kompatibel sind mit ihrem Endprodukt. Das sind dann, wie gesagt, zum Beispiel die Biohandcreme, die man in einem Drogeriemarkt kaufen kann.
Abschluss
Was ist Ihre Hoffnung, wie schnell das passiert? Mein Ziel ist aktuell, die erste kommerzielle Anlage in circa sieben Jahren aufgebaut zu haben. Eine letzte Frage zum Abschluss: Wenn Sie den Biomüll rausbringen, wie oft denken Sie dann an Ihre Arbeit oder ist das dann einfach nur Biomüll rausbringen?
Sehr gute Frage. Ich versuche, meinen Biomüll immer wie meine Bioreaktoren zu sehen. Leider habe ich zu Hause nur einen Plastikeimer für meinen Biomüll. Ich kann es zum Beispiel nicht berühren. Ich kann den pH-Wert, also die Azidität dieser Biomüll messen. Da will ich auch keine Puffer zugeben, um die Azidität zu steuern und die chemikalische Produktion zu steuern.
Aber zum Beispiel halte ich meinen Biomüll immer zu, damit dann keine Schimmel oder nicht so viele Aerobakterien da sind, damit ich nicht so viel CO2 oder Biomethan schon in meinem Biomüll produzieren kann. Aber das ist eine sehr gute Frage. Ich sehe meinen Biomüll fast wie einen Bioreaktor bei mir zu Hause.
Das sagt Dr. Flavio Baliero vom Helmholtz Zentrum für Umweltforschung in Leipzig. Dr. Baliero, vielen Dank für Ihre Zeit und das spannende Gespräch. Vielen Dank. Außerdem an dieser Stelle vielen Dank für die Produktion dieser Folge. Die kam diese Woche von Clemens Möller.
Das war es mit dem Forschungsquartett für diese Woche. Immer donnerstags erscheint eine neue Episode, und wir freuen uns natürlich, wenn ihr wieder dabei seid. Außerdem würden wir uns riesig freuen, wenn ihr einer wissenschaftsbegeisterten Person vom Forschungsquartett erzählt. Mein Name ist Wilhelm Mikulajczyk. Ich danke euch fürs Zuhören. Bleibt neugierig! Bis zum nächsten Mal. Das Forschungsquartett in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum für Umweltforschung.
Rico Ehrentraut (DBFZ)