Neue Plattformtechnologie macht CO₂ zur Ressource für die Chemieindustrie
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Die chemische Industrie steckt in fast allen Alltagsprodukten, ist aber zugleich für einen erheblichen Teil der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich. ETH-Forscherin Ronja Rappold will das ändern.
Als ETH Pioneer Fellow entwickelt sie mit ihrem geplanten ETH-Spin-off „Teno Bioworks“ Mikroorganismen, die CO₂ in nützliche Chemikalien umwandeln.
Ob Medikamente, Kleidung oder Lebensmittel: Rund 96 Prozent unserer Alltagsprodukte sind von der chemischen Industrie abhängig. Gleichzeitig verursacht sie etwa sechs Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen, die die Klimaveränderung vorantreiben. „Dieses Problem ist gross, aber oft unsichtbar“, sagt Rappold. Genau hier setzt ihr Projekt Teno Bioworks an. „Wir konsumieren die Endprodukte, sehen aber die fossilen Rohstoffe nicht, die für ihre Herstellung verbraucht wurden.“
Gemeinsam mit ihren Teamkollegen Philipp Keller und Michael Reiter entwickelt die Biotechnologin eine Technologie, die das Problem an der Wurzel packt: Sie betrachten CO₂ nicht als Abfallstoff, sondern als Ressource. Das Team kombiniert modernste Biologie mit einem Prozess, der so alt ist wie das Brotbacken: der bakteriellen Fermentation.
Der strategische Weg über das Methanol
Die chemische Nutzung von CO₂ als Rohstoff ist eine grosse Herausforderung: Als Gas ist CO₂ flüchtig und damit schwer zu bändigen. Hier nutzt das Team einen entscheidenden technologischen Kniff: „grünes Methanol“ als Bindeglied. Zuerst wird das gasförmige CO₂ in flüssiges Methanol umgewandelt. Dieses dient den Bakterien als Ausgangsstoff – sozusagen als „Futter“.
„Methanol ist ein hervorragender industrieller Rohstoff“, erklärt Rappold. „Im Gegensatz zu CO₂ ist es nicht nur flüssig, sondern lässt sich auch leicht lagern, transportieren und präzise dosieren.“
Ein Durchbruch nach Jahrzehnten der Forschung
Die Vision, Methanol mikrobiell zu verwerten, existiert schon lange. Seit den 1970er-Jahren versucht die Forschung, natürlich vorkommende „Methanolverwerter“ industriell zu nutzen – mit mässigem Erfolg. Rappolds Team hat für dieses Problem in langjähriger Forschung im Labor von Julia Vorholt, Professorin für Mikrobiologie an der ETH Zürich, nun eine revolutionäre Lösung entwickelt, indem sie den Spiess umdrehten: Sie haben ein bereits grossindustriell genutztes Bakterium optimiert, das sich nicht wie bisher von Zucker, sondern nun von Methanol ernährt.
„Wir haben den Stoffwechsel dieses Bakteriums grundlegend umprogrammiert“, sagt Rappold. Das Ergebnis: Eine bakterielle Fabrik, die Methanol verwerten kann und so in der industriellen Chemie mit klimaneutraler Ressourcennutzung eingesetzt werden kann.
Vom Labor in den Markt
Das Potenzial ist enorm: Teno Bioworks entwickelt keine Einzellösung, sondern eine Plattformtechnologie. Das heisst, je nachdem, wie die Mikroorganismen instruiert werden, produzieren sie unterschiedliche Produkte – so zum Beispiel Bausteine für Kosmetika, Dämm- oder nachhaltige Kunststoffe.
Als operative Leiterin verantwortet Rappold dabei die strategische Ausrichtung des geplanten ETH-Spin-off. Im engen Austausch mit Industriepartnern und potenziellen Kunden weltweit evaluiert sie, in welchen Anwendungsfeldern ihre Technologie den grössten Einfluss erzeugen kann. „Die chemische Industrie steht unter enormem Preisdruck. Deshalb müssen unsere Lösungen wirtschaftlich konkurrenzfähig sein“, betont sie. Nachhaltigkeit dürfe kein Luxusgut sein, sondern müsse der neue Standard werden. „Unsere Technologie schlägt zwei Fliegen mit einer Klappe“, sagt sie. „Wir machen Chemikalienproduktion unabhängig von fossilen Rohstoffen und schützen gleichzeitig die Biodiversität sowie die Ressourcen Land und Wasser.“
Brückenbauerin zwischen Labor und Industrie
Dieser Blick für das grosse Ganze hat sich über Jahre entwickelt. Prägend waren für sie dabei verschiedene Eindrücke wie etwa die gigantischen Schaufelradbagger im Rheinland als kleines Kind oder die weiten Ölfelder in Texas während der Studienzeit. „Das Ausmass an Zerstörung von Lebensraum hat mich schockiert“, erinnert sie sich. Mit Teno Bioworks will sie zeigen, dass industrielle Produktion und Umweltschutz kein Widerspruch sein müssen.
Noch steht das künftige ETH-Spin-off am Anfang. Der Prozess funktioniert bisher im Labor und erste Skalierungsschritte wurden erfolgreich umgesetzt. Der nächste Meilenstein ist die Erweiterung auf eine erste Test- und schliesslich der Sprung auf eine industrielle Anlage. Diese Entwicklung wird nun mehrere Jahre dauern. Für Ronja Rappold ist der Weg klar: „Wir haben heute die Mittel, industrielle Produktion von Umweltbelastung und fossilen Importen zu entkoppeln. Jetzt geht es darum, sie auch anzuwenden.“
Pioneer Fellowship Programm
Das Pioneer Fellowship ist ein umfassendes Unterstützungsprogramm, das innovativen Denkern ideale Bedingungen für den Beginn ihrer unternehmerischen Tätigkeit bietet. Das Programm richtet sich primär an Doktorierende, steht aber auch Masterstudierenden und Postdocs offen. Pioneer Fellows erhalten ein Stipendium von 180’000 Franken über 12 bis 18 Monate, zusätzlich zu umfassendem Mentoring und Ausbildung. Die Pioneer Fellowships werden gemeinsam von der ETH Foundation und der ETH Zürich finanziert.
Quelle: ETH Zürich
Bildquellen: Bild 1: Michel Büchel / ETH Zürich; sonstige Bilder: siehe Bildlegenden