Die Initiative „reFuels – Kraftstoffe neu denken“ hat die effiziente Herstellung regenerativer Kraftstoffe zum Ziel. Diese haben dieselbe Energiedichte wie fossile Treibstoffe und sind deshalb neben anderen Maßnahmen wie dem Ausbau der Elektromobilität ein vielversprechender Weg hin zu einer CO2-neutralen Mobilität. Auch in den nächsten Jahren werden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor den Großteil der Mobilität ausmachen und auch langfristig im Langstreckenverkehr benötigt.

„Unter regenerativen Kraftstoffen fassen wir die strom- und biomassebasierten Kraftstoffe zusammen. Sie können aus CO2 gewonnen werden, das durch Biomasse in Pflanzen gebunden wurde, aber auch aus Industrieabgasen und letztendlich auch aus der Luft“, sagt Professor Jörg Sauer, einer der Projektverantwortlichen von „reFuels“.

reFuels haben verschiedenen Vorteile: Sie emittieren weniger klimaschädliches CO2 und durch ihre Weiterentwicklung wird es gelingen, die Verbrennung sauberer als mit konventionellen fossilen Kraftstoffen durchzuführen. Um die Energiewende im Verkehr möglich zu machen und weiter voran zu treiben, müsste das Potenzial reststoff- und strombasierter Kraftstoffe zusammengedacht und genutzt werden, so Sauer.

Auch beim Thema Bioökonomie spielen regenerative Kraftstoffe eine wichtige Rolle: „Unser generelles Ziel sollte sein, den durch menschliche Aktivitäten beeinflusste Kohlenstoffkreislauf zu schließen“, sagt Professor Nicolaus Dahmen, der die Kraftstoffherstellung im Projekt koordiniert. „Wir klinken unsere Prozesse in den natürlichen Kreislauf ein, indem wir das von der Biomasse aufgenommene und gebundene CO2 nutzen und bei der Verwendung der regenerativen Kraftstoffe nicht mehr CO2 als vorher schon da war erzeugen – so können wir zusätzliche CO2-Emissionen verhindern.“

Das Forschungsprojekt „BioElectroPlast” begann 2015 mit einer Reise auf die Azoren. In den dortigen Hydrothermalquellen hoffte das Team um Professor Johannes Gescher, Leiter der Abteilung Angewandte Biologie am Institut für Angewandte Biowissenschaften (IAB), geeignete Mikroorganismen für ihr Forschungsvorhaben zu finden. Sie suchten ein Bakterium, das CO2 aus Rauchgas aufnehmen und weiterverarbeiten kann. Rauchgas fällt als klimaschädlicher Abfallstoff sowohl in Blockkraftwerken als auch in der chemischen Industrie in großen Mengen an.

Das Ziel der Forscherinnen und Forscher: Der Einsatz der hitzeliebenden Bakterien, um aus dem klimaschädlichen Gas Bioplastik herzustellen. Der Weg dorthin: Mikrobielle Elektrosynthese. Dabei wachsen Mikroorganismen auf einer Kathode, nutzen diese als alleinige Energie- und Elektronenquelle und fixieren CO2.

Nach zweijähriger Suche fand die Forschungsgruppe in den Matschproben von den Azoren ein Bakterium, das die gewünschten Kriterien erfüllte: Kyrpidia spormannii. Unter feucht-heißen Bedingungen kann es auf einer Kathodenoberfläche einen Biofilm bilden und stellt mithilfe von elektrischem Strom aus CO2-Molekülen energiereiche chemische Verbindungen, wie zum Beispiel das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure (PHB), her.

„Wenn der Biofilm dick genug ist, wird ein Teil davon durch eine Schervorrichtung von der Drehscheibe abgeschabt. Die geerntete Biomasse wird so aufbereitet, dass PHB als weißes Pulver vorliegt. Dieses können wir als Grundsubstanz zur Herstellung von Bioplastik verwenden”, erklärt Gescher. Durch Bestrahlung mit UV-Licht und anschließende Selektion isolierten die Forschenden einen angepassteren K. spormannii Stamm, welcher noch schneller einen Biofilm bilden kann.

In einem nächsten Schritt sollen die Parameter, die bislang für den Zehn-Liter-Reaktor optimiert worden sind, auf einen 100-Liter-Reaktor hochskaliert werden. Am Ende soll es ein standardisiertes Verfahren für die gesamte Industrie geben. Neben der Reduktion von klimaschädlichem CO2 aus industriellen Abgasen und der kosten- und ressourcenschonenden Herstellung von Bioplastik und Biokraftstoffen ermöglicht das Verfahren die Zwischenspeicherung von Energie aus regenerativen Quellen bei Produktionsspitzen in chemischer Form.

Die Bioökonomie kommt nicht ohne eine nachhaltige und ertragreiche Landwirtschaft aus. Um Pflanzen besser auf sich verändernde Umweltbedingungen anzupassen, können ihre Eigenschaften mit Hilfe der Genschere CRISPR/Cas gezielt kombiniert werden. Dank der Forschung am Botanischen Institut lassen sich jetzt sogar ganze Chromosomen neu zusammensetzen

Schon seit einigen Jahren arbeitet der Molekularbiologe Professor Holger Puchta am Botanischen Institut des KIT an der CRISPR/Cas-Technologie. Nun ist es ihm gelungen, die molekulare Schere scharf zu schleifen: Bisher konnte sie nur einzelne Gene austauschen. Jetzt kann sie ganze Chromosomen neu zusammensetzen.

Das bedeutet einen wesentlichen Fortschritt: Im Erbgut sind die einzelnen Gene ja in einer festgelegten Reihenfolge auf den Chromosomen angeordnet. Entscheidende Gene liegen häufig ganz nah beieinander auf demselben Chromosom und werden zusammen vererbt. Die verbesserte CRISPR/Cas-Technologie macht es möglich, viele Gene gleichzeitig von einem Chromosom auf ein anderes zu übertragen.

Gemeinsam mit Professor Andreas Houben vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben hat das Team um Holger Puchta am KIT an der Modellpflanze Ackerschmalwand erstmals demonstriert, wie sich mithilfe des Proteins Cas9 Arme zwischen Chromosomen austauschen lassen. Die neu zusammengesetzten Chromosomen werden wiederum normal vererbt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können auf diese Weise künftig unvorteilhafte Eigenschaften von guten trennen, um so positive Merkmale zusammenzuführen. Auch komplexe Attribute wie Salz- oder Trockenresistenz, an denen mehrere Gene beteiligt sind, sollten sich damit gezielt in Kulturpflanzen einbringen lassen – (überlebens)wichtig angesichts des Klimawandels.