Wissenschaftler haben eine neue Technologie gezeigt, mit der biotechnologisch hergestellte Bakterien aus erneuerbaren Quellen kostengünstige Chemikalien/Polymere herstellen können Pflanze Quellen
Lignin ist ein Material, das Bestandteil der Zellwand aller Trockenlandpflanzen ist. Es ist nach Cellulose das zweithäufigste natürliche Polymer. Dieses Material ist das einzige in Pflanzen vorkommende Polymer, das nicht aus Kohlenhydraten besteht (Zucker) Monomere. Lignozellulose-Biopolymere verleihen Pflanzen Form, Stabilität, Festigkeit und Steifigkeit. Lignozellulose-Biopolymere bestehen aus drei Hauptkomponenten: Zellulose und Hemizellulose bilden ein Gerüst, in das Lignin als eine Art Verbinder eingebaut wird und so die Zellwand verfestigt. Die Zellwandverholzung macht Pflanzen widerstandsfähig gegen Wind und Schädlinge und schützt sie vor dem Verrotten. Lignin ist eine riesige, aber sehr wenig genutzte erneuerbare Energiequelle. Lignin, das bis zu 30 Prozent der Lignozellulose-Biomasse ausmacht, ist ein ungenutzter Schatz – zumindest aus chemischer Sicht. Die chemische Industrie ist hauptsächlich auf Kohlenstoffverbindungen angewiesen, um verschiedene Produkte wie Farben, Kunstfasern, Düngemittel und vor allem Kunststoff herzustellen. Diese Industrie nutzt zwar einige erneuerbare Ressourcen wie Pflanzenöl, Stärke, Zellulose usw., aber diese machen nur 13 Prozent aller Verbindungen aus.
Lignin, eine vielversprechende Alternative zu Erdöl für die Herstellung von Produkten
Tatsächlich ist Lignin die einzige erneuerbare Quelle auf der Erde, die eine große Anzahl aromatischer Verbindungen enthält. Dies ist wichtig, da aromatische Verbindungen im Allgemeinen aus der nicht erneuerbaren Quelle Erdöl gewonnen und dann zur Produktion verwendet werden Kunststoffe, Farben usw. Somit ist das Potenzial von Lignin sehr hoch. Im Vergleich zu Erdöl, einem nicht erneuerbaren fossilen Brennstoff, werden Lignozellulosen daraus gewonnen wood, Stroh oder Miscanthus, die erneuerbare Quellen sind. Lignin kann auf Feldern und in Wäldern angebaut werden und ist grundsätzlich klimaneutral. Lignozellulose gilt seit einigen Jahrzehnten als ernsthafte Alternative zu Erdöl. Erdöl treibt derzeit die chemische Industrie an. Erdöl ist ein Rohstoff für viele Grundchemikalien, aus denen dann nützliche Produkte hergestellt werden. Aber Erdöl ist eine nicht erneuerbare Quelle und wird knapper. Daher muss der Schwerpunkt auf der Suche nach erneuerbaren Quellen liegen. Damit kommt Lignin ins Spiel, das eine vielversprechende Alternative zu sein scheint.
Lignin ist voller hoher Energie, aber die Rückgewinnung dieser Energie ist kompliziert und ein teurer Prozess, und daher ist selbst der als Endergebnis erzeugte Biokraftstoff im Allgemeinen sehr kostenintensiv und kann die derzeit verwendete „Transportenergie“ nicht wirtschaftlich ersetzen. Es wurden viele Ansätze erforscht, um kostengünstige Wege zu finden, Lignin abzubauen und in wertvolle Chemikalien umzuwandeln. Mehrere Einschränkungen haben jedoch die Umwandlung von Pflanzenstoffen wie Lignin in die Verwendung als alternative Energiequelle eingeschränkt oder sogar versucht, sie kostengünstiger zu machen. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat Bakterien (E. Coli) erfolgreich so verändert, dass sie als effiziente und produktive Biokonversionszellfabrik fungieren. Bakterien wachsen und vervielfachen sich sehr schnell und halten rauen Industrieprozessen stand. Diese Informationen wurden mit dem Verständnis natürlich verfügbarer Ligninabbauer kombiniert. Die Arbeit wurde im . veröffentlicht Proceedings der National Academy of Science USA.
Das Forscherteam unter der Leitung von Dr. Seema Singh von den Sandia National Laboratories löste drei Hauptprobleme, die bei der Umwandlung von Lignin in Plattformchemikalien auftreten. Die erste große Hürde ist das Bakterien E.Coli produziert im Allgemeinen nicht die Enzyme, die für die Umwandlung benötigt werden. Wissenschaftler neigen dazu, dieses Problem der Enzymherstellung zu lösen, indem sie dem Fermentationsring einen „Induktor“ hinzufügen. Diese Induktoren sind wirksam, aber sehr teuer und passen daher nicht gut in das Konzept der Bioraffinerien. Forscher versuchten ein Konzept, bei dem eine von Lignin abgeleitete Verbindung wie Vanille sowohl als Substrat als auch als Induktor verwendet wurde Bakterien E coli. Dadurch würde die Notwendigkeit eines teuren Induktors umgangen. Wie die Gruppe herausfand, war Vanille jedoch keine gute Wahl, insbesondere weil Vanille nach dem Abbau von Lignin in großen Mengen produziert wird und die Funktion von E.Coli zu hemmen beginnt, was bedeutet, dass Vanille anfängt, toxisch zu wirken. Aber das wirkte sich zu ihren Gunsten aus, als sie das entwickelten Bakterien. Im neuen Szenario wird genau die für E.Coli giftige Chemikalie verwendet, um den komplexen Prozess der „Lignin-Valorisierung“ einzuleiten. Sobald Vanille vorhanden ist, aktiviert sie die Enzyme und Bakterien beginnen, Vanillin in Catechol umzuwandeln, die gewünschte Chemikalie. Außerdem erreicht die Vanillinmenge nie den toxischen Wert, da sie im aktuellen System autoreguliert wird. Das dritte und letzte Problem betraf die Effizienz. Da das Umwandlungssystem langsam und passiv war, suchten die Forscher nach wirksameren Transportern anderer Bakterien und bauten sie in E. Coli ein, was den Prozess dann beschleunigte. Die Überwindung von Toxizitäts- und Effizienzproblemen durch solche innovativen Lösungen kann dazu beitragen, die Produktion von Biokraftstoffen wirtschaftlicher zu gestalten. Und die Entfernung eines externen Induktors zusammen mit der Einbeziehung einer automatischen Regulierung kann den Biokraftstoffherstellungsprozess weiter optimieren.
Es ist allgemein bekannt, dass Lignin, sobald es abgebaut ist, die Fähigkeit besitzt, wertvolle Plattformchemikalien bereitzustellen oder besser zu „verschenken“, die dann in Nylon, Kunststoffe, Pharmazeutika und andere wichtige Produkte umgewandelt werden können, die derzeit aus Erdöl gewonnen werden, einem Nicht- -Erneuerbare Energiequelle. Diese Studie ist ein wichtiger Schritt zur Erforschung und Entwicklung kostengünstiger Lösungen für die Biokraftstoff- und Bioproduktion. Mit biotechnologischer Technologie können wir größere Mengen an Plattformchemikalien und mehrere andere neue Endprodukte herstellen, nicht nur mit bakteriellen E.Coli, sondern auch mit anderen mikrobiellen Wirten. Die zukünftige Forschung der Autoren soll sich auf den Nachweis einer wirtschaftlichen Herstellung dieser Produkte konzentrieren. Diese Forschung hat einen großen Einfluss auf Energieerzeugungsprozesse und die Erweiterung der Möglichkeiten für grüne Produkte. Die Autoren bemerken, dass Lignocellulose in naher Zukunft Erdöl definitiv ergänzen, wenn nicht ersetzen sollte.
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Quelle (n)
WuW et al. 2018. Auf dem Weg zur Entwicklung von E. coli mit einem autoregulatorischen System zur Lignin-Valorisierung“, Proceedings of the National Academy of Sciences. 115(12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
