Hefe bildet aus CO2 und Strom Itaconsäure im Reaktor

Eine Hefe kann aus Kohlendioxid und elektrischem Strom die Chemikalie Itaconsäure herstellen, wenn beide Prozessschritte in einem Reaktor ablaufen. Das zeigt als Machbarkeitsnachweis ein Team des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der BOKU University in Wien. Im Mittel erreichte das System eine Konzentration von 110,1 Milligramm Itaconsäure je Liter. Die Ausbeute liegt unterhalb der Verfahren, die Zucker oder Methanol als Ausgangsstoff nutzen.

Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition erschienen. Itaconsäure dient als Grundstoff für biologisch abbaubare Kunststoffe, Textilien, Klebstoffe und Harze und gilt als mögliche Alternative zu erdölbasierten Produkten. Weltweit werden laut Pressemitteilung pro Jahr bereits 70.000 Tonnen hergestellt, mit steigender Tendenz.

Bisher wird Itaconsäure großtechnisch mit einem Pilz auf Zuckerbasis produziert, sagt der Elektrobiotechnologe Falk Harnisch vom UFZ, Letztautor der Studie. Das neue Verfahren soll stattdessen CO2 als Kohlenstoffquelle verwenden und so Emissionen nutzbar machen.

Ein Reaktor für Elektrochemie und Hefe

Ausgangspunkt war eine frühere Studie der BOKU University. Sie hatte gezeigt, dass sich Itaconsäure biotechnologisch aus Methanol herstellen lässt. Das Team um Harnisch setzte nun eine chemisch ähnliche Substanz ein, die sich technisch einfacher aus CO2 gewinnen lässt: das Salz Formiat. Beide Stoffe enthalten nur ein Kohlenstoffatom.

Der Strom, im besten Fall aus erneuerbaren Energien, wandelt das Gas CO2 elektrochemisch in Formiat um. Die Hefe Komagataella phaffii, ein industriell häufig genutzter Stamm, verarbeitet es weiter. Laut Studie handelt es sich um einen synthetisch autotrophen Stamm, der CO2 als Kohlenstoffquelle nutzen kann. Das elektrochemisch erzeugte Formiat liefert dabei die Reduktionskraft, mit der die Hefe wächst und Itaconsäure bildet.

Schwierig war die gemeinsame Auslegung. Die elektrochemische Umwandlung von CO2 in Formiat läuft nach Angaben des Teams am besten bei hohen Temperaturen, alkalischem pH-Wert und wenigen anderen Stoffen in der Lösung. Die Hefe braucht dagegen etwa 30 Grad Celsius, einen neutralen pH-Wert und ein nährstoffreiches Medium. Die Forschenden mussten daher einen Kompromiss finden, sagt Simone Bachleitner von der BOKU University, damit beide Prozesse überhaupt laufen.

Der Vorteil einer geschlossenen Prozesskette liege darin, dass Transportwege für Zwischenprodukte entfielen, sagt Harnisch. Erstautorin Paniz Izadi sagt, das Team habe geprüft, ob die Hefe Formiat statt Methanol als Ausgangsstoff nutzen kann.

Ergebnisse und Schwächen

Das Experiment gelang: Die Hefe bildete aus CO2 und dem elektrochemisch erzeugten Formiat tatsächlich Itaconsäure. Der Versuch lief im Maßstab von einem Liter. Die mittlere Konzentration lag bei 110,1 Milligramm je Liter. Die Studie versteht sich als Machbarkeitsnachweis.

Die Autoren benennen mehrere Probleme der Kopplung. Dazu zählen eine begrenzte Leistung des Gesamtsystems, schwankende Produktkonzentrationen, die anodische Oxidation von Produkten, die an der Kathode entstehen, und Einschränkungen bei der Energieeffizienz. Trotzdem sehen die Autoren die betriebliche Machbarkeit einer integrierten Umwandlung von CO2 mit einer industriell genutzten Hefe als belegt an und benennen kritische Parameter für eine Prozessintensivierung.

Harnisch sagt, die Studie zeige, dass es möglich sei, CO2 zu nutzen und in komplexe und wertvolle Biochemikalien umzuwandeln. Mit anderen Mikroorganismen sei auch die Herstellung weiterer Chemikalien denkbar.

Einordnung

Die Kopplung von Strom und Mikroben zur Verwertung von CO2 wird als mikrobielle Elektrosynthese bezeichnet. Eine Übersichtsarbeit in der Fachzeitschrift Current Opinion in Biotechnology hielt 2020 fest, die Kennzahlen dieser Verfahren seien nach einem Jahrzehnt Forschung deutlich gestiegen, stagnierten aber und lägen weit von dem entfernt, was für eine Konkurrenz bei Massenchemikalien nötig wäre.

Besonders schwierig sei es demnach, zugleich hohe Produktionsraten und eine gute Energieumwandlung zu erreichen, wenn die Elektrolyte für Mikroorganismen verträglich bleiben sollen. Als möglichen Ausweg nennen die Autoren, wirksame abiotische Elektroreduktionen von den nachfolgenden Fermentationen zu entkoppeln. Die neue Studie geht den umgekehrten Weg und führt beides in einem Reaktor zusammen.

Eine weitere Übersichtsarbeit in Critical Reviews in Biotechnology nannte 2024 die niedrige Elektronentransferrate einen gewichtigen Engpass der mikrobiellen Elektrosynthese. Gentechnische Werkzeuge seien demnach eine der aussichtsreichsten Strategien, um Elektronentransferrate und Produktvielfalt zu erhöhen, auch wenn schwierige Transformationen und niedrige Expressionsraten blieben.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um eine Laborstudie im Maßstab von einem Liter, die selbst als Machbarkeitsnachweis angelegt ist, nicht um einen Praxistest.
• Die Studie ist in einer Fachzeitschrift erschienen und kein Preprint.
• Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom Forschungsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union und von der Helmholtz-Gemeinschaft.
• Die Studie zeigt nicht, dass sich das Verfahren im größeren Maßstab betreiben lässt. Die Ausbeute liegt unterhalb der Verfahren mit Zucker oder Methanol.

Offene Fragen

Als Nächstes wollen die Forschenden die Prozesse im Elektrobioreaktor verbessern. Sie wollen das Verfahren auch mit anderen Mikroorganismen und für weitere biobasierte Produkte testen.

Das Team hofft, dass sein Verfahren in die Entwicklung großtechnischer Anlagen einfließt.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Nutzung von CO2: Hefe und Strom schlagen zwei Fliegen mit einer Klappe“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 28.10.2026
• Übersichtsarbeit: Microbial electrosynthesis from CO2: forever a promise?, Current opinion in biotechnology (2020). Quelle, abgerufen am 28.10.2026
• Übersichtsarbeit: Metabolic engineering strategies to enable microbial electrosynthesis utilization of CO2: recent progress and challenges, Critical reviews in biotechnology (2024). Quelle, abgerufen am 28.10.2026

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