Wissenschaftler haben eine mikrobielle Ein-Topf-Formel gefunden, bei der Abfallbrot anstelle von aus fossilen Brennstoffen gewonnenem Wasserstoff für die Hydrierung verwendet wird – eine chemische Reaktion, die in großem Umfang zur Herstellung von Lebensmitteln, Arzneimitteln, Kunststoffen und anderen Alltagsprodukten eingesetzt wird.
Kohlenstoffnegativ
Der neue Ansatz ist kohlenstoffnegativ und könnte neue Wege für die biobasierte Herstellung unter Verwendung erneuerbarer und aus Abfällen gewonnener Rohstoffe eröffnen, sagen die Forscher.
Die Hydrierung ist ein Eckpfeiler der modernen chemischen Produktion, hängt jedoch heute fast ausschließlich von Wasserstoffgas aus fossilen Brennstoffen ab. Sowohl die Herstellung als auch die Verwendung dieses Wasserstoffs sind sehr energieintensiv und erfordern oft Temperaturen von mehreren hundert Grad und Drücke, die mit denen in den tiefsten Teilen des Ozeans vergleichbar sind.
Anwendungen der Hydrierung
In der Lebensmittelverarbeitung wird die Hydrierung eingesetzt, um flüssige Pflanzenöle in stabilere feste Fette umzuwandeln. In der Industrie im weiteren Sinne ist sie ein wichtiger Schritt bei der Synthese von Arzneimitteln, Feinchemikalien, Kraftstoffen und Polymeren – typischerweise unter Verwendung von Metallkatalysatoren wie Nickel, Palladium oder Platin.
Wissenschaftler des Wallace Lab der Universität Edinburgh haben nun gezeigt, dass die Hydrierung mit Wasserstoffgas durchgeführt werden kann, das auf natürliche Weise aus lebenden Bakterien gewonnen wird.
Natürlicher Wasserstoff
In der Studie wurde ein gängiger Laborstamm von E. coli mit aus Altbrot gewonnenem Zucker gefüttert und ohne Sauerstoff gezüchtet. Unter diesen Bedingungen produzieren die Bakterien auf natürliche Weise Wasserstoffgas. Als eine kleine Menge Palladiumkatalysator und eine Zielchemikalie in denselben Reaktionsbehälter gegeben wurden, reichte der von den Mikroben erzeugte Wasserstoff aus, um die Hydrierung unter milden, energiearmen Bedingungen voranzutreiben.
Der gesamte Prozess findet in einem einzigen verschlossenen Kolben bei nahezu Raumtemperatur statt, ohne dass fossile Brennstoffe oder von außen zugeführter Wasserstoff benötigt werden.
Expansionspläne
Eine detaillierte Analyse ergab, dass der Prozess CO2-negativ sein kann, wenn Altbrot als Ausgangsmaterial verwendet wird. Durch den Verzicht auf fossilen Wasserstoff und die Umleitung von Lebensmittelabfällen aus Deponien oder Verbrennungsanlagen entfernt das System mehr Treibhausgase, als es produziert.
Das Team plant, diesen Ansatz auf eine breitere Palette von wertvollen Alltagsprodukten auszuweiten und verschiedene mikrobielle Wirte zu untersuchen, um Stämme zu entwickeln, die den Einsatz eines metallischen Katalysators überflüssig machen.
Die Studie wurde von UK Research and Innovation (UKRI), dem Europäischen Forschungsrat (ERC), dem Industrial Biotechnology Innovation Centre (IBioIC) und dem High-Value Biorenewables Network finanziert.
Nachhaltigkeitsversprechen
Die Universität Edinburgh hat sich zum Ziel gesetzt, durch ihre weltweit führende Forschung, Lehre, Partnerschaften und Innovationen eine nachhaltigere Welt zu schaffen. Sie gilt als eine der weltweit führenden Universitäten im Bereich Umwelt und Soziales. Die Bekämpfung des Klimawandels und der Umweltkrise ist ein wesentlicher Bestandteil der Mission der Universität, bis 2040 CO2-neutral zu werden.
Prof. Stephen Wallace, Lehrstuhl für Chemische Biotechnologie, Fakultät für Biowissenschaften, Universität Edinburgh, sagte: „Die Hydrierung ist ein wichtiger Bestandteil der modernen Fertigung, basiert jedoch nach wie vor fast ausschließlich auf Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen. Wir haben gezeigt, dass lebende Zellen diesen Wasserstoff direkt liefern können, indem sie Abfall als Rohstoff nutzen, und zwar auf eine Weise, die tatsächlich CO2-negativ ist. Dieser Ansatz ist auch nicht auf die Lebensmittelchemie beschränkt. Hydrierung wird in der Pharmazie, der Feinchemie und der Werkstoffindustrie eingesetzt. Die Möglichkeit, diese Reaktionen mit mikrobiellem Wasserstoff durchzuführen, eröffnet neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Produktion in großem Maßstab.“
„Professor Wallace ist einer von mehreren Forschern an der Universität Edinburgh, die innovative und nachhaltige Techniken der technischen Biologie einsetzen, um Abfall zu verwerten. Diese Techniken könnten zu einer grünen Revolution in der industriellen Fertigung im Vereinigten Königreich und darüber hinaus beitragen, und wir möchten Unternehmen, die an einer Zusammenarbeit mit uns interessiert sind, dringend bitten, sich mit uns in Verbindung zu setzen“, so Dr. Susan Bodie, Direktorin für Innovationsentwicklung und Lizenzierung bei Edinburgh Innovations.
Dr. Liz Fletcher, Direktorin für Wirkung und stellvertretende Geschäftsführerin bei IBioIC, fügte hinzu: „Dieses Projekt verdeutlicht das ungenutzte Potenzial biologischer Systeme, die Funktionsweise industrieller Prozesse zu verändern. Die Verwendung von Mikroben zur Erzeugung von Wasserstoff aus Brotabfällen ist nicht nur eine Alternative zu fossilen Brennstoffen, sondern auch eine Möglichkeit, Chemie so zu gestalten, dass sie mit der Natur statt gegen sie arbeitet. Indem das Team alltägliche Abfälle in eine Ressource für die hochwertige Fertigung verwandelt, zeigt es, dass nachhaltige Ansätze sowohl praktisch als auch skalierbar sein können. IBioIC hat diese Arbeit in einem sehr frühen Stadium gerne unterstützt und dabei geholfen, das Konzept risikofrei zu gestalten. Es ist spannend zu sehen, dass daraus nun etwas viel Größeres entsteht.“
