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Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg sucht nach neuen Ansätzen für die umwelt- und klimafreundliche Transformation der chemischen Industrie. Mit der Entwicklung ungiftiger, biologisch abbaubarer Lösungsmittel aus nachwachsenden Rohstoffen wollen sie eine Alternative zu herkömmlichen, meist auf Erdöl basierenden Flüssigkeiten wie Aceton, Methanol oder Toluol schaffen.
Ziel des seit 2025 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 3,2 Millionen Euro geförderten Forschungsprojekts FOR 5730 „Maßgeschneiderte Deep Eutectic Solvents für die Biokatalyse – DESMOL2PRO“ ist es, diese neuartigen Lösungsmittel gezielt für industrielle Anwendungen – in der Medikamentenherstellung oder Produktion von Bioplastik – nutzbar zu machen und biochemische Prozesse sauberer, effizienter und kreislauffähiger zu gestalten.
Internationale Forschungsgruppe
Neun Teams aus Deutschland, Österreich und Kroatien wollen gemeinsam erforschen, wie sich sogenannte Deep Eutectic Solvents (DES) in biokatalytischen Reaktionen auf Enzyme auswirken, hochspezialisierte Eiweiße, die biochemische Reaktionen steuern.
DES sind Stoffgemische, die üblicherweise aus mindestens einer festen Substanz bestehen und bei Raumtemperatur flüssig werden. Sie lassen sich häufig aus natürlichen Rohstoffen wie Cholinchlorid (ein Vitamin-B-Vorläufer) und organischen Verbindungen wie Ethylenglykol oder Harnstoff herstellen und gelten als vielversprechende Alternative bei der Herstellung der meist auf Erdöl basierenden, oft giftigen und in der Regel schlecht abbaubaren Lösungsmittel, die bislang in der chemischen Industrie genutzt werden.
„Enzyme sind hochwirksame Eiweißmoleküle, die in Zellen biochemische Reaktionen beschleunigen – ähnlich wie ein Katalysator in einem Auto, nur viel gezielter und umweltschonender“, erklärt Prof. Dr. Jan von Langermann, Co-Sprecher des Projekts und Chemiker, der im Rahmen einer Heisenberg-Professur seit 2022 am Institut für Chemie der Universität Magdeburg forscht. „Sie ermöglichen in und auch außerhalb von Zellen biochemische Umsetzungen bei milden Temperaturen und ohne giftige Nebenprodukte. Deshalb werden sie schon heute in der Herstellung von Medikamenten, Lebensmitteln oder Feinchemikalien eingesetzt.“ Doch diese Enzyme seien empfindlich, so der Wissenschaftler weiter. Die Wahl des richtigen Lösungsmittels entscheide darüber, ob sie aktiv bleiben oder ihre Wirkung verlieren. „In vielen herkömmlichen Lösungsmitteln arbeiten Enzyme nur schlecht oder gar nicht. DES können dagegen häufig die Struktur und Stabilität von Enzymen erhalten, sogar die Aktivität der Katalysatoren gezielt beeinflussen und gleichzeitig eine auf spezifische Anwendungen zugeschnittene Weiterverarbeitung ermöglichen.“ Damit ließen sich biochemische Reaktionen schneller, sauberer und nachhaltiger gestalten.
Die Chemieindustrie sei eine der Schlüsselbranchen Deutschlands – mit einem Jahresumsatz von rund 260 Milliarden Euro (2023) und mehr als 475.000 Beschäftigten, so der Wissenschaftler. Lösungen wie DES könnten dabei helfen, die Abhängigkeit von Erdöl zu verringern und grüne Wertschöpfungsketten aufzubauen – etwa bei der Herstellung von Medikamenten, Bioplastik oder Feinchemikalien.
„Wir wollen verstehen, wie DES Enzyme beeinflussen, welches System zu welchem Enzym passt und wie wir diese Erkenntnisse für industrielle Prozesse nutzen können“, erklärt Prof. von Langermann. Die neuen Lösungsmittel könnten sich künftig maßgeschneidert an Anwendungen anpassen lassen – eine wichtige Voraussetzung für nachhaltige Produktionsverfahren im Sinne der Kreislaufwirtschaft. „So könnte ein grundlegender Wandel in der chemischen Industrie gelingen: weg von fossilen Rohstoffen, hin zu einer ressourcenschonenden ,Grünen Chemie‘“.
Kostengünstigere Chemikalien
Der Chemiker Prof. Dr. rer. nat. Jan von Langermann ist an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg auf eine „Heisenberg-Professur" berufen worden. Diese von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG finanzierte Exzellenzberufung hat zum Ziel, herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf eine wissenschaftliche Leitungsposition vorzubereiten und in dieser Zeit weiterführende Forschungsthemen zu bearbeiten.
Jan von Langermann hat am Institut für Chemie der Universität Magdeburg seine Professur angetreten. Seine Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen an der Schnittstelle von Natur- und Ingenieurwissenschaften auf dem Gebiet der angewandten Biokatalyse. Dabei geht es um den Einsatz biobasierter Katalysatoren, um Chemikalien herzustellen, die als Bausteine für pharmazeutische und agrochemische Produkte dienen. Ein wichtiges Beispiel dafür sind Enzyme, die in allen biologischen Systemen vorkommen und dort zahlreiche biochemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden. „Wir zielen mit unserer Forschung auf neuartige Kombinationen solcher Biokatalysatoren, die bestimmte chemische Reaktionen ermöglichen, oder die die daraus entstehenden Chemikalien einfach besser machen.“ So könnte künftig die industrielle Herstellung solcher für die Pharmazie oder Agrochemie benötigter Chemikalien präziser und kostengünstiger gestaltet werden.
