Die Umwandlung von Erd\u00f6l in Kraftstoffe beruht auf einer einfachen chemischen Methode, die der Mensch erst um 1800 erfand. In der Zwischenzeit haben Bakterien seit Milliarden von Jahren Energiemolek\u00fcle auf Kohlenstoffbasis hergestellt. Was glauben Sie, wer ist besser f\u00fcr diese Aufgabe geeignet?<\/p>\n\n\n\n
Eine Gruppe von Biokraftstoffexperten unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat sich von einem au\u00dfergew\u00f6hnlichen Antipilzmolek\u00fcl inspirieren lassen, das von Streptomyces-Bakterien<\/em> hergestellt wird, um eine v\u00f6llig neue Art von Kraftstoff zu entwickeln, dessen projizierte Energiedichte gr\u00f6\u00dfer ist als die der modernsten Schwerlastkraftstoffe, die heute verwendet werden, einschlie\u00dflich der von der NASA verwendeten Raketentreibstoffe.<\/p>\n\n\n\n “Dieser Biosyntheseweg bietet einen sauberen Weg zu Kraftstoffen mit hoher Energiedichte, die vor dieser Arbeit nur mit Hilfe eines hochgiftigen Syntheseverfahrens aus Erd\u00f6l hergestellt werden konnten”, sagte Projektleiter Jay Keasling, ein Pionier der synthetischen Biologie und CEO des Joint BioEnergy Institute (JBEI) des Energieministeriums. “Da diese Kraftstoffe aus Bakterien hergestellt werden, die mit Pflanzenmaterial gef\u00fcttert werden, das aus Kohlendioxid aus der Atmosph\u00e4re gewonnen wird, wird die Verbrennung dieser Kraftstoffe in Motoren den Aussto\u00df von Treibhausgasen im Vergleich zu Kraftstoffen, die aus Erd\u00f6l hergestellt werden, erheblich reduzieren.<\/p>\n\n\n\n Das unglaubliche Energiepotenzial dieser Kraftstoffkandidaten, die als POP-FAMEs (f\u00fcr polycylcopropanierte Fetts\u00e4uremethylester) bezeichnet werden, ergibt sich aus der grundlegenden Chemie ihrer Strukturen. Polycylcopropanierte Molek\u00fcle enthalten mehrere dreieckige Drei-Kohlenstoff-Ringe, die jede Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in einen scharfen <\/strong>60-Grad-Winkel zwingen. Die potenzielle Energie in dieser gespannten Bindung f\u00fchrt zu mehr Energie f\u00fcr die Verbrennung, als mit den gr\u00f6\u00dferen Ringstrukturen oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Ketten, die normalerweise in Kraftstoffen zu finden sind, erreicht werden kann. Dar\u00fcber hinaus erm\u00f6glichen es diese Strukturen, die Kraftstoffmolek\u00fcle auf kleinem Raum eng zusammenzupacken, wodurch die Masse – und damit die Gesamtenergie – des Kraftstoffs, der in einen bestimmten Tank passt, erh\u00f6ht wird.<\/p>\n\n\n\n “Bei petrochemischen Kraftstoffen erh\u00e4lt man eine Art Suppe verschiedener Molek\u00fcle, und man hat keine gro\u00dfe Kontrolle \u00fcber diese chemischen Strukturen. Aber das ist es, was wir lange Zeit verwendet haben, und wir haben alle unsere Motoren so konstruiert, dass sie mit Erd\u00f6lderivaten betrieben werden k\u00f6nnen”, sagte Eric Sundstrom, einer der Autoren des in der Zeitschrift Joule ver\u00f6ffentlichten Artikels \u00fcber die POP-Kraftstoffkandidaten und Forscher in der Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) des Berkeley Lab.<\/p>\n\n\n\n “Das gr\u00f6\u00dfere Konsortium, das hinter dieser Arbeit steht, Co-Optima, wurde finanziert, um nicht nur dar\u00fcber nachzudenken, wie man dieselben Kraftstoffe aus biobasierten Rohstoffen neu herstellen kann, sondern auch dar\u00fcber, wie man neue Kraftstoffe mit besseren Eigenschaften herstellen kann”, sagte Sundstrom. “Die Frage, die dazu gef\u00fchrt hat, lautet: ‘Welche interessanten Strukturen kann die Biologie herstellen, die die Petrochemie nicht herstellen kann?'”<\/p>\n\n\n\n Keasling, der auch Professor an der UC Berkeley ist, hatte schon lange ein Auge auf Cyclopropan-Molek\u00fcle geworfen. Er hatte die wissenschaftliche Literatur nach organischen Verbindungen mit Dreikohlenstoffringen durchforstet und nur zwei bekannte Beispiele gefunden, die beide von Streptomyces-Bakterien<\/em> hergestellt werden, die in einer Laborumgebung fast unm\u00f6glich zu z\u00fcchten sind. Gl\u00fccklicherweise war eines der Molek\u00fcle aufgrund des Interesses an seinen antimykotischen Eigenschaften untersucht und genetisch analysiert worden. Das 1990 entdeckte Naturprodukt tr\u00e4gt den Namen jawsamycin, weil es mit seinen beispiellosen f\u00fcnf Cyclopropanringen wie ein Kiefer mit spitzen Z\u00e4hnen aussieht.<\/p>\n\n\n\n Keaslings Team, das sich aus Wissenschaftlern des JBEI und des ABPDU zusammensetzt, untersuchte die Gene des urspr\u00fcnglichen Stammes(S. roseoverticillatus) <\/em>, die f\u00fcr die Jawsamycin-bildenden Enzyme kodieren, und tauchte tief in die Genome verwandter Streptomyces ein, um <\/em>nach einer Kombination von Enzymen zu suchen, die ein Molek\u00fcl mit den zahnartigen Ringen des Jawsamycins bilden k\u00f6nnten, w\u00e4hrend sie die anderen Teile der Struktur auslassen. Wie ein B\u00e4cker, der Rezepte umschreibt, um das perfekte Dessert zu erfinden, hoffte das Team, bestehende bakterielle Maschinen neu zu mischen, um ein neues Molek\u00fcl mit brennbaren Treibstoffeigenschaften zu schaffen.<\/p>\n\n\n\n Erstautor Pablo Cruz-Morales konnte alle notwendigen Zutaten f\u00fcr die Herstellung von POP-FAMEs zusammenstellen, nachdem er in einem Stamm namens S. albireticuli <\/em>neue Enzyme zur Herstellung von Cyclopropan entdeckt hatte . <\/em>“Wir suchten in Tausenden von Genomen nach Stoffwechselwegen, die das, was wir brauchten, auf nat\u00fcrliche Weise herstellen. Auf diese Weise haben wir die Technik vermieden, die m\u00f6glicherweise nicht funktioniert, und die beste L\u00f6sung der Natur genutzt”, so Cruz-Morales, leitender Forscher am Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability der Technischen Universit\u00e4t D\u00e4nemark und gemeinsam mit Keasling Leiter des Labors f\u00fcr nat\u00fcrliche Hefeprodukte.<\/p>\n\n\n\n Leider waren die Bakterien nicht so kooperativ, wenn es um die Produktivit\u00e4t ging. Streptomyceten<\/em>, die in den B\u00f6den aller Kontinente allgegenw\u00e4rtig sind, sind bekannt f\u00fcr ihre F\u00e4higkeit, ungew\u00f6hnliche Chemikalien herzustellen. “Viele der heute verwendeten Medikamente, wie Immunsuppressiva, Antibiotika und Krebsmedikamente, werden von gentechnisch ver\u00e4nderten Streptomyces <\/em>hergestellt “, <\/em>so Cruz-Morales. “Aber sie sind sehr kaprizi\u00f6s und es ist nicht angenehm, mit ihnen im Labor zu arbeiten. Sie sind talentiert, aber sie sind Diven”. Als zwei verschiedene Streptomyces<\/em> nicht in der Lage waren, POP-FAMEs in ausreichender Menge zu produzieren, mussten er und seine Kollegen ihr neu angeordnetes Gencluster in einen “zahmeren” Verwandten kopieren.<\/p>\n\n\n\n Die daraus resultierenden Fetts\u00e4uren enthalten bis zu sieben Cyclopropanringe, die an ein Kohlenstoffger\u00fcst gekettet sind, was ihnen den Namen Fuelimycine einbrachte. \u00c4hnlich wie bei der Herstellung von Biodiesel ben\u00f6tigen diese Molek\u00fcle nur einen weiteren chemischen Verarbeitungsschritt, bevor sie als Kraftstoff verwendet werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n Obwohl sie noch nicht gen\u00fcgend Kraftstoffkandidatenmolek\u00fcle f\u00fcr Feldtests hergestellt haben – “man braucht 10 Kilogramm Kraftstoff, um einen Test in einem echten Raketentriebwerk durchzuf\u00fchren, und so weit sind wir noch nicht”, erkl\u00e4rt Cruz-Morales lachend – konnten sie Keaslings Vorhersagen zur Energiedichte bewerten.<\/p>\n\n\n\n Kollegen am Pacific Northwest National Laboratory analysierten die POP-FAMEs mit kernmagnetischer Resonanzspektroskopie, um das Vorhandensein der schwer fassbaren Cyclopropanringe nachzuweisen. Und Mitarbeiter der Sandia National Laboratories sch\u00e4tzten mit Hilfe von Computersimulationen ab, wie sich die Verbindungen im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Kraftstoffen verhalten w\u00fcrden.<\/p>\n\n\n\n Die Simulationsdaten deuten darauf hin, dass die POP-Kraftstoffkandidaten bei Raumtemperatur sicher und stabil sind und nach der chemischen Verarbeitung eine Energiedichte von mehr als 50 Megajoule pro Liter aufweisen werden. Normales Benzin hat einen Wert von 32 Megajoule pro Liter, JetA, der gebr\u00e4uchlichste Flugzeugtreibstoff, und RP1, ein beliebter Raketentreibstoff auf Kerosinbasis, liegen bei etwa 35 Megajoule pro Liter.<\/p>\n\n\n\n Im Laufe ihrer Forschung entdeckte das Team, dass ihre POP-FAMEs in ihrer Struktur einem experimentellen Raketentreibstoff auf Erd\u00f6lbasis namens Syntin sehr \u00e4hnlich sind, der in den 1960er Jahren von der sowjetischen Raumfahrtbeh\u00f6rde entwickelt und in den 70er und 80er Jahren f\u00fcr mehrere erfolgreiche Sojus-Raketenstarts verwendet wurde. Trotz seiner starken Leistung wurde die Herstellung von Syntin aufgrund der hohen Kosten und des unangenehmen Prozesses eingestellt: eine Reihe von synthetischen Reaktionen mit giftigen Nebenprodukten und einem instabilen, explosiven Zwischenprodukt.<\/p>\n\n\n\n “Obwohl POP-FAMEs \u00e4hnliche Strukturen wie Syntin aufweisen, haben viele von ihnen eine h\u00f6here Energiedichte. H\u00f6here Energiedichten erm\u00f6glichen geringere Treibstoffvolumina, was in einer Rakete zu h\u00f6heren Nutzlasten und geringeren Gesamtemissionen f\u00fchren kann”, so der Autor Alexander Landera, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Sandia. Eines der n\u00e4chsten Ziele des Teams ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Entfernung der beiden Sauerstoffatome an jedem Molek\u00fcl, die zwar Gewicht hinzuf\u00fcgen, aber keinen Vorteil bei der Verbrennung bringen. “Wenn sie einem D\u00fcsentreibstoff beigemischt werden, k\u00f6nnten richtig deoxygenierte Versionen von POP-FAMEs einen \u00e4hnlichen Vorteil bieten”, f\u00fcgte Landera hinzu.<\/p>\n\n\n\n Seit der Ver\u00f6ffentlichung ihres Proof-of-Concept-Papiers haben die Wissenschaftler damit begonnen, die Produktionseffizienz der Bakterien noch weiter zu steigern, um genug f\u00fcr Verbrennungstests zu erzeugen. Au\u00dferdem untersuchen sie, wie der Multi-Enzym-Produktionsweg modifiziert werden k\u00f6nnte, um polyzyklopropanierte Molek\u00fcle unterschiedlicher L\u00e4nge zu erzeugen. “Wir arbeiten daran, die Kettenl\u00e4nge auf bestimmte Anwendungen abzustimmen”, sagt Sundstrom. “L\u00e4ngerkettige Kraftstoffe w\u00e4ren Feststoffe, die sich gut f\u00fcr bestimmte Raketentreibstoffanwendungen eignen, k\u00fcrzere Ketten k\u00f6nnten besser f\u00fcr D\u00fcsentreibstoff geeignet sein, und in der Mitte k\u00f6nnte ein Molek\u00fcl stehen, das eine Alternative zu Diesel ist.”<\/p>\n\n\n\n Die Autorin Corinne Scown, Direktorin f\u00fcr techno-\u00f6konomische Analysen am JBEI, f\u00fcgte hinzu: “Die Energiedichte ist das A und O in der Luft- und Raketenfahrt, und hier kann die Biologie wirklich gl\u00e4nzen. Das Team kann Treibstoffmolek\u00fcle herstellen, die auf die Anwendungen zugeschnitten sind, die wir in diesen sich schnell entwickelnden Sektoren ben\u00f6tigen.”<\/p>\n\n\n\n Schlie\u00dflich hoffen die Wissenschaftler, den Prozess in einen Bakterienstamm zu \u00fcberf\u00fchren, der gro\u00dfe Mengen an POP-Molek\u00fclen aus pflanzlichen Abf\u00e4llen (wie ungenie\u00dfbare landwirtschaftliche R\u00fcckst\u00e4nde und zur Verh\u00fctung von Waldbr\u00e4nden gerodetes Gestr\u00fcpp) produzieren kann, wodurch der ultimative kohlenstoffneutrale Treibstoff entstehen k\u00f6nnte.<\/p>\n\n\n\n Wer hat Lust auf eine umweltfreundliche Weltraumreise?<\/p>\n\n\n\nAuf der Suche nach dem\/den Ring(en)<\/h3>\n\n\n\n
Jetzt kochen wir mit Cyclopropan<\/h3>\n\n\n\n
Originalver\u00f6ffentlichung<\/h3>\n\n\n\n