23.02.2022 - Northwestern University

Bakterien wandeln Kohlenstoffabfälle in wertvolle Chemikalien um

Konstruierte Bakterien wandeln abgeschiedenes Kohlendioxid in Chemikalien für Kraftstoffe, Textilien und Kosmetika um

Bakterien sind dafür bekannt, dass sie Laktose zur Herstellung von Joghurt und Zucker zur Herstellung von Bier abbauen. Jetzt haben Forscher unter der Leitung der Northwestern University und LanzaTech Bakterien genutzt, um Kohlendioxid (CO2) abzubauen und daraus wertvolle Industriechemikalien herzustellen.

In einer neuen Pilotstudie wählten die Forscher einen Bakterienstamm aus, entwickelten und optimierten ihn und wiesen dann erfolgreich dessen Fähigkeit nach, CO2 in Aceton und Isopropanol (IPA) umzuwandeln.

Durch diesen neuen Gasfermentationsprozess werden nicht nur Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernt, sondern es wird auch der Einsatz fossiler Brennstoffe vermieden, die normalerweise zur Erzeugung von Aceton und IPA benötigt werden. Nach einer Lebenszyklusanalyse kam das Team zu dem Ergebnis, dass die kohlenstoffnegative Plattform die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um 160% reduzieren könnte, wenn sie auf breiter Basis eingesetzt würde.

"Die sich beschleunigende Klimakrise in Verbindung mit dem rasanten Bevölkerungswachstum stellt die Menschheit vor eine der dringendsten Herausforderungen, die alle mit der ungebremsten Freisetzung und Akkumulation von CO2 in der gesamten Biosphäre zusammenhängen", so Michael Jewett von Northwestern, Mitautor der Studie. "Indem wir uns unsere Fähigkeit zunutze machen, mit der Biologie zusammenzuarbeiten, um das, was gebraucht wird, wo und wann es gebraucht wird, auf nachhaltiger und erneuerbarer Basis herzustellen, können wir beginnen, das verfügbare CO2 zu nutzen, um die Bioökonomie zu verändern.

Jewett ist Walter P. Murphy Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der McCormick School of Engineering von Northwestern und Direktor des Zentrums für Synthetische Biologie. Er leitete die Studie gemeinsam mit Michael Koepke und Ching Leang, beide Forscher bei LanzaTech.

Aceton und IPA, die in der Industrie als Grundstoff und Plattformchemikalien benötigt werden, sind fast überall zu finden und haben einen weltweiten Markt von mehr als 10 Milliarden Dollar. IPA wird weithin als Desinfektionsmittel und Antiseptikum verwendet und ist die Grundlage für eine der beiden von der Weltgesundheitsorganisation empfohlenen Desinfektionsmittelformeln, die bei der Abtötung des SARS-CoV-2-Virus sehr wirksam sind. Und Aceton ist ein Lösungsmittel für viele Kunststoffe und synthetische Fasern, zum Verdünnen von Polyesterharz, zum Reinigen von Werkzeugen und zum Entfernen von Nagellack.

Diese Chemikalien sind zwar unglaublich nützlich, werden aber aus fossilen Ressourcen gewonnen, was zu klimawirksamen CO2-Emissionen führt.

Um diese Chemikalien nachhaltiger herzustellen, entwickelten die Forscher ein neues Gasfermentationsverfahren. Sie begannen mit Clostridium autoethanogenum, einem anaeroben Bakterium, das bei LanzaTech entwickelt wurde. Anschließend programmierten die Forscher das Bakterium mit Hilfe von Werkzeugen der synthetischen Biologie so um, dass es CO2 vergärt, um Aceton und IPA herzustellen.

"Diese Innovationen, angeführt von zellfreien Strategien, die sowohl das Stamm-Engineering als auch die Optimierung der Weg-Enzyme anleiteten, beschleunigten die Zeit bis zur Produktion um mehr als ein Jahr", so Jewett.

Die Teams von Northwestern und LanzaTech sind davon überzeugt, dass sich die entwickelten Stämme und der Fermentationsprozess in den industriellen Maßstab übertragen lassen. Der Ansatz könnte auch für die Entwicklung rationalisierter Prozesse zur Herstellung anderer wertvoller Chemikalien verwendet werden.

"Diese Entdeckung ist ein großer Schritt nach vorn, um eine Klimakatastrophe zu vermeiden", sagte Jennifer Holmgren, CEO von LanzaTech. "Heute werden die meisten unserer chemischen Grundstoffe ausschließlich aus neuen fossilen Ressourcen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle gewonnen. Aceton und IPA sind zwei Beispiele mit einem Weltmarkt von insgesamt 10 Milliarden Dollar. Die entwickelten Wege für Aceton und IPA werden die Entwicklung anderer neuer Produkte beschleunigen, indem sie den Kohlenstoffkreislauf für deren Verwendung in verschiedenen Branchen schließen."

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