{"id":103336,"date":"2022-01-21T07:35:00","date_gmt":"2022-01-21T06:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=103336"},"modified":"2022-02-11T13:36:45","modified_gmt":"2022-02-11T12:36:45","slug":"aus-klimaschadlichem-co2-werden-nutzliche-chemikalien","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/aus-klimaschadlichem-co2-werden-nutzliche-chemikalien\/","title":{"rendered":"Aus klimasch\u00e4dlichem CO2 werden n\u00fctzliche Chemikalien"},"content":{"rendered":"\n

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Aus Kohlenstoffdioxid wichtige Ausgangsmaterialien f\u00fcr Feinchemikalien machen \u2013 das funktioniert tats\u00e4chlich: Einem Forscherteam des Fraunhofer IGB ist es im Max-Planck-Kooperationsprojekt eBioCO2n erstmals gelungen, CO2 in einer auf dem Transfer von Elektronen basierenden Enzymkaskade zu fixieren und in einen festen Ausgangsstoff f\u00fcr die chemische Industrie umzuwandeln. Das Verfahren zur elektrobiokatalytischen CO2-Fixierung wurde bereits publiziert und gilt als \u00bbHot Paper\u00ab.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"Dr.<\/a>
Dr. Leonardo Casta\u00f1eda-Losada bei der Entwicklung des elektrobiokatalytischen Verfahrens zur CO2-Fixierung. \u00a9 Fraunhofer\/Marc M\u00fcller<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Durch die Verbrennung von fossilen Rohstoffen entsteht klimasch\u00e4dliches Kohlenstoffdioxid, das als Treibhausgas eine gro\u00dfe Rolle bei der Erderw\u00e4rmung spielt. Dennoch ist Erd\u00f6l aktuell immer noch einer der wichtigsten Rohstoffe \u2013 nicht nur als Energietr\u00e4ger, sondern auch als Ausgangsmaterial f\u00fcr die chemische Industrie und damit f\u00fcr zahlreiche Dinge unseres Alltags, wie Medikamente, Verpackungen, Textilien, Reinigungsmittel und mehr. An verschiedenen Alternativen f\u00fcr fossile Quellen wird daher intensiv geforscht.<\/p>\n\n\n\n

Nachwachsende Rohstoffe sind eine zukunftstr\u00e4chtige M\u00f6glichkeit, aber nicht die einzige alternative Rohstoffbasis, um die Verf\u00fcgbarkeit von gr\u00fcnen Syntheseprodukten in den n\u00e4chsten Jahren abdecken zu k\u00f6nnen. Eine nachhaltige Erg\u00e4nzung hierzu im Sinne einer kreislauforientierten Kohlenstoffwirtschaft ist die M\u00f6glichkeit, CO2 gezielt und unter milden Reaktionsbedingungen zu fixieren.<\/p>\n\n\n\n

Abscheidung aus der Luft f\u00fcr weniger CO2-Emissionen<\/h3>\n\n\n\n

Einem Forscherteam am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Instituts f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie in Marburg und der TU M\u00fcnchen erstmals gelungen, CO2 elektrobiokatalytisch in wertvolle Substanzen f\u00fcr die chemische Industrie umzuwandeln. Durch Kombination verschiedener Ans\u00e4tze aus Bioelektrochemie, Enzymbiologie und synthetischer Biologie wurden hierf\u00fcr spezielle Bioelektroden entwickelt, um mit Strom aus erneuerbarer Energie Enzyme anzutreiben, die in einer gekoppelten Reaktion \u00e4hnlich der Photosynthese feste organische Molek\u00fcle aus dem Treibhausgas herstellen.<\/p>\n\n\n\n

Ziel ist es, damit CO2 direkt aus der Luft abzuscheiden: \u00bbDas Verfahren k\u00f6nnte dann nicht nur dazu beitragen, dass die Industrie auf fossile Rohstoffe verzichten kann, sondern durch die CO2-Reduktion die Klimawende au\u00dferdem aktiv vorantreiben\u00ab, erkl\u00e4rt Dr. Michael Richter<\/strong>, Leiter des Innovationsfelds Bioinspirierte Chemie am Fraunhofer IGB. \u00bbZun\u00e4chst ging es uns jedoch darum zu zeigen, dass unsere Idee \u00fcberhaupt funktioniert, eine solch komplexe biokatalytische Multienzym-Reaktion auf diese Art mit Strom anzutreiben.\u00ab<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Hydrogel transportiert Elektronen f\u00fcr CO2-fixierende Enzyme<\/h3>\n\n\n\n
\"F\u00fcr<\/a>
F\u00fcr den Prozess werden Enzymreaktionen kombiniert: eine f\u00fcr Bereitstellung und Regeneration des Cofaktors, eine f\u00fcr die CO2-Fixierung. \u00a9 Fraunhofer\/Marc M\u00fcller<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Mit Erfolg: Die Forschenden haben sich vom Stoffwechsel der Mikroorganismen inspirieren lassen und ein strombasiertes Verfahren f\u00fcr die CO2-Fixierung entwickelt. Hauptakteure sind CO2 fixierende Enzyme, die von den Kollegen Dr. David Adam und Prof. Tobias Erb, Direktor am MPI in Marburg, entwickelt wurden. Eine Herausforderung bestand nun darin, die CO2-fixierenden Enzyme kontinuierlich mit den f\u00fcr die Reduktion von CO2 ben\u00f6tigten Elektronen zu versorgen, die regenerativer Strom liefern kann. Dies gelang durch Einbettung der Enzyme in ein redoxaktives Hydrogel, wodurch sie elektrochemisch so angetrieben werden k\u00f6nnen, dass sie Kohlenstoffdioxid an ein Substrat binden und damit in einen wertvollen Zwischenstoff umwandeln. \u00bbDas Verfahren ist ein sehr effizienter Reaktionsweg, eine reduktive Carboxylierung, die sehr \u00f6konomisch und sauber abl\u00e4uft, weil man keine weiteren Substanzen im System braucht \u2013 lediglich Kohlenstoffdioxid, Substrat und Elektronen, bevorzugt aus erneuerbaren Quellen\u00ab, erl\u00e4utert Dr. Leonardo Casta\u00f1eda-Losada, der in seiner Doktorarbeit auf dem Gebiet der Elektrobiokatalyse forschte und nun am Fraunhofer IGB gemeinsam mit Dr. Melanie Iwanow und Dr. Steffen Roth im Projekt arbeitet.<\/p>\n\n\n\n

\"In<\/a>
In der \u00bbGlovebox\u00ab wird die Funktionalit\u00e4t der Enzyme elektrochemisch unter Ausschluss von Luft gemessen. \u00a9 Fraunhofer\/Marc M\u00fcller<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die an der TU M\u00fcnchen am Lehrstuhl von Prof. Nicolas Plumer\u00e9 eigens entwickelten Hydrogele, in denen die Enzyme ihre Arbeit verrichten, sind so modifiziert, dass sie Elektronen gut leiten und den Biomolek\u00fclen gleichzeitig optimale Arbeitsbedingungen bieten. \u00bbSo k\u00f6nnen wir nicht nur Monolagen an Enzymen einsetzen, sondern dies auch dreidimensional um ein Vielfaches erweitern, da die Elektronen im Gel an jeden Ort geleitet werden. Das sind gute Voraussetzungen f\u00fcr eine zuk\u00fcnftige Skalierung des Verfahrens f\u00fcr die chemische Industrie\u00ab, verdeutlicht Prof. Volker Sieber, der am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer IGB schon lange Strategien zur CO2-Speicherung verfolgt.<\/p>\n\n\n\n

Cofaktoren werden gleichzeitig permanent regeneriert<\/h3>\n\n\n\n

Der v\u00f6llig neue Ansatz der Forschenden beruht aber nicht nur auf der Tatsache, dass eine enzymatische Reaktionssequenz erfolgreich mit Strom angetrieben werden kann, sondern beinhaltet auch ein weiteres \u00e4u\u00dferst innovatives Modul: Damit die Reaktionen wie gew\u00fcnscht ablaufen und am Ende eine m\u00f6glichst hohe Produktausbeute steht, braucht es in dem Fall eine kontinuierliche Zufuhr an \u00bbDoping\u00ab f\u00fcrs Enzym: die passenden und funktionalen Cofaktoren. Diese kleinen, organischen Molek\u00fcle werden im Lauf jeder einzelnen Reaktion verbraucht und m\u00fcssen regeneriert werden, um wieder einsatzf\u00e4hig zu sein. Sie in gro\u00dfen Mengen neu bereitzustellen, ist sehr teuer und damit f\u00fcr die Industrie unwirtschaftlich. Deshalb haben die eBioCO2n-Experten eine M\u00f6glichkeit gefunden, um sie mithilfe von Strom innerhalb des gleichen Reaktionssystems in den Hydrogelen wieder erneuern zu k\u00f6nnen \u2013 theoretisch unendlich lange. \u00bbEigentlich m\u00fcsste man nur ein einziges Mal Cofaktor ins System geben, und dieser w\u00fcrde dann immer wieder automatisch regeneriert. Aber in der Praxis funktioniert das nur ann\u00e4hernd so gut, weil der Cofaktor nicht unendlich lange stabil bleibt \u2013 aber durchaus schon sehr lange\u00ab, sagt Richter.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr den bioelektrokatalytischen Recyclingprozess der Cofaktoren steht den Forschenden sogar ein ganzer Werkzeugkasten an unterschiedlichen Enzymen zur Verf\u00fcgung, die sie aus verschiedenen Organismen aufgesp\u00fcrt haben. So ist das Spektrum dieser Biomolek\u00fcle f\u00fcr weitere Arbeiten je nach Anwendung modulartig erweiterbar und als Plattformsystem verwendbar. \u00bbMan kann aus bioinformatischen Datenbanken praktisch beliebig Enzyme ausw\u00e4hlen, diese biotechnologisch herstellen und in die Hydrogele einbauen\u00ab, sagt Richter. \u00bbSo w\u00e4re die Herstellung verschiedener biobasierter Feinchemikalien denkbar, die man bei entsprechendem Ausbau \u00fcber weitere Enzymkaskaden praktisch nach Bedarf diversifizieren k\u00f6nnte.\u201c\u00ab Hier bringt inbesondere das Marburger MPI seine Expertise ein. Gelingt dies in einer entsprechenden Skalierung, k\u00f6nnte die Plattformtechnologie ein zukunftstr\u00e4chtiges Gesch\u00e4ftsmodell f\u00fcr die chemische Industrie werden.<\/p>\n\n\n\n

Plattformsystem soll beliebig erweiter- und skalierbar werden<\/h3>\n\n\n\n

Mithilfe der bioinspirierten CO2-Fixierung aus dem Labor konnte man am Fraunhofer IGB ein Coenzym-A-Derivat carboxylieren, ein f\u00fcr viele Stoffwechselvorg\u00e4nge in Lebewesen wichtiges Biomolek\u00fcl. \u00bbHierbei handelt es sich um das bislang anspruchsvollste Molek\u00fcl, an das auf biokatalytischem Weg CO2 fixiert werden konnte\u00ab, so Richter. \u00bbDas ist bei weitem nicht selbstverst\u00e4ndlich, eine so gro\u00dfe und strukturell anspruchsvolle Substanz mit dieser Technologie zu modifizieren.\u00ab Nun steht f\u00fcr die Forschenden die letzte Herausforderung an: zu beweisen, dass ihre Idee zuverl\u00e4ssig und skalierbar funktioniert sowie modular erweitert werden kann. Am IGB ist man jedoch optimistisch, vor allem auch vor dem Hintergrund eines gut funktionierenden interdisziplin\u00e4ren Teams, wie der Wissenschaftler betont. In Folgeprojekten sollen dann auch m\u00f6glichst schnell Industriepartner mit einbezogen werden.<\/p>\n\n\n\n

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Weitere Informationen zum Projekt<\/h3>\n\n\n\n

Das Projekt wird unter dem Titel \u00bbeBioCO2n \u2013 Stromgetriebene CO2-Konversion durch synthetische Enzymkaskaden zur Herstellung von Spezialchemikalien\u00ab gef\u00fchrt und im Rahmen des Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprogramms von Januar 2019 bis Dezember 2022 gef\u00f6rdert.<\/p>\n\n\n\n

Teile der Arbeiten wurden zudem \u00fcber das ERC Starting Grant Redox SHields (715900) und das Bayerische Staatsministerium f\u00fcr Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie im Rahmen des Projekts \u00bbZentrum f\u00fcr Energiespeicherung\u00ab finanziert.<\/p>\n\n\n\n


Originalpublikation<\/h3>\n\n\n\n

L. Casta\u00f1eda-Losada et al. (2021) Bioelectrocatalytic Cofactor Regeneration Coupled to CO2 Fixation in a Redox-Active Hydrogel for Stereoselective C\u2212C Bond Formation<\/a>; Angewandte Chemie International Edition 2021<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

eBioCO2n<\/strong>
Stromgetriebene CO2-Konversion durch synthetische Enzymkaskaden zur Herstellung von Spezialchemikalien<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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