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Kostengünstige Möglichkeit, Pflanzen in erneuerbare Energiequellen umzuwandeln

INGENIEURWISSENSCHAFTENKostengünstige Möglichkeit, Pflanzen in erneuerbare Energiequellen umzuwandeln

Wissenschaftler haben eine neue Technologie gezeigt, mit der biotechnologisch hergestellte Bakterien kostengünstige Chemikalien/Polymere aus erneuerbaren Pflanzenquellen herstellen können

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 Kohlenhydrat-(Zucker-)Monomeren besteht. Biopolymere aus Lignocellulose 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 Verbindungselement eingebaut wird und so die Zellwand verfestigt. Die Zellwandverholzung macht Pflanzen resistent gegen Wind und Schädlinge und hilft ihnen vor Fäulnis. Lignin ist ein riesiger, aber sehr wenig genutzter erneuerbarer RohstoffEnergiequelle. Lignin, das bis zu 30 Prozent der Lignocellulose-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 Kunststoffe herzustellen. Diese Industrie verwendet einige nachwachsende Rohstoffe wie Pflanzenöl, Stärke, Zellulose usw. Dies macht jedoch 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 von Bedeutung, da aromatische Verbindungen in der Regel aus der nicht erneuerbaren Quelle Erdöl gewonnen und dann zur Herstellung von Kunststoffen, Farben etc. verwendet werden. Somit ist das Potenzial von Lignin sehr hoch. Im Gegensatz zu Erdöl, das ein nicht erneuerbarer fossiler Brennstoff ist, werden Lignocellulosen aus Holz, Stroh oder Miscanthus gewonnen, die erneuerbare Quellen sind. Lignin kann auf Feldern und in Wäldern angebaut werden und ist im Allgemeinen klimaneutral. Lignocellulosen gelten in den letzten 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 schwindet, 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 um Dr. Seema Singh von den Sandia National Laboratories hat drei Hauptprobleme gelöst, die bei der Umwandlung von Lignin in Plattformchemikalien auftreten. Die erste große Hürde besteht darin, dass Bakterien E.Coli im Allgemeinen nicht die Enzyme produzieren, die für die Umwandlung benötigt werden. Wissenschaftler neigen dazu, dieses Problem der Enzymherstellung zu lösen, indem sie dem Gärring einen „Induktor“ hinzufügen. Diese Induktoren sind wirksam, aber sehr teuer und passen daher nicht gut in das Konzept von Bioraffinerien. Die Forscher versuchten ein Konzept, bei dem eine von Lignin abgeleitete Verbindung wie Vanille sowohl als Substrat als auch als Induktor verwendet wurde, indem das Bakterium E.Coli verändert wurde. Dies würde die Notwendigkeit eines teuren Induktors umgehen. 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 hemmt, dh Vanille beginnt, Toxizität zu erzeugen. Aber das funktionierte zu ihren Gunsten, als sie die Bakterien manipulierten. In dem neuen Szenario wird genau die für E.Coli giftige Chemikalie verwendet, um den komplexen Prozess der „Lignin-Valorisierung“ einzuleiten. Sobald Vanille vorhanden ist, aktiviert es die Enzyme und Bakterien beginnen, Vanillin in Catechol umzuwandeln, die gewünschte Chemikalie. Außerdem erreicht die Vanillinmenge nie das toxische Niveau, da sie im aktuellen System automatisch reguliert wird. Das dritte und letzte Problem war die Effizienz. Das Umwandlungssystem war langsam und passiv, daher untersuchten die Forscher effektivere Transporter von anderen Bakterien und konstruierten sie in E. Coli, die dann den Prozess beschleunigten. Die Überwindung von Toxizitäts- und Effizienzproblemen durch solche innovativen Lösungen kann dazu beitragen, die Herstellung von Biokraftstoff wirtschaftlicher zu machen. Und die Entfernung eines externen Induktors zusammen mit der Einbeziehung der Autoregulierung kann den Herstellungsprozess von Biokraftstoff 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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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

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

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