{"id":127157,"date":"2023-05-26T07:20:00","date_gmt":"2023-05-26T05:20:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=127157"},"modified":"2023-05-19T13:08:46","modified_gmt":"2023-05-19T11:08:46","slug":"mikroalgen-nachhaltige-chemikalienproduktion-in-der-minifabrik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/mikroalgen-nachhaltige-chemikalienproduktion-in-der-minifabrik\/","title":{"rendered":"Mikroalgen: Nachhaltige Chemikalienproduktion in der Minifabrik"},"content":{"rendered":"\n

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Nachwachsende Rohstoffe als Alternativen zu fossilen Ressourcen gibt es schon einige. Damit aus diesen allerdings Produkte unseres Alltags werden k\u00f6nnen, m\u00fcssen Pflanzen\u00f6le & Co. nicht nur gewonnen, sondern oft noch aufwendig chemisch weiterverarbeitet werden. Nun haben Forschende der Universit\u00e4t Konstanz Mikroalgenzellen so in winzige Raffinerien umfunktioniert, dass diese nicht nur Rohstoffe herstellen, sondern diese auch gleich entsprechend aufwerten und damit nachhaltige Chemikalien liefern k\u00f6nnten.<\/p>\n\n\n\n

Dass unsere Quellen fossiler Rohstoffe endlich sind, ist lange bekannt; die Suche nach Alternativen dauert bereits fast ebenso lange an. Durchaus mit Erfolg, denn es gibt schon eine ganze Reihe an nachwachsenden Ressourcen \u2013 etwa Holz, Naturfasern oder Pflanzen\u00f6le \u2013, die ebenso f\u00fcr die Produktion von Chemikalien oder Brennstoffen verwendet werden k\u00f6nnen wie ihre fossilen Pendants. Allerdings nicht direkt, denn diese Rohstoffe m\u00fcssen raffiniert, das hei\u00dft aus den Zellen extrahiert, abgetrennt und danach aufgewertet oder weiterverarbeitet werden. Zeit- und kostenaufwendige Schritte, die die Produkte oft noch nicht wirklich konkurrenzf\u00e4hig machen.<\/p>\n\n\n\n

\"Der
Der Chemiker Prof. Dr. Stefan Mecking erforscht mit seiner Arbeitsgruppe an der Universit\u00e4t Konstanz nachhaltige Verfahren zur Verwertung von Biomasse. \u00a9 Universit\u00e4t Konstanz<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Praktikable L\u00f6sungen f\u00fcr die Raffinerie w\u00fcrden nachwachsende Rohstoffe also erst zur gleichwertigen Alternative machen. Deshalb besch\u00e4ftigt sich Prof. Dr. Stefan Mecking mit seiner Arbeitsgruppe am Fachbereich Chemie der Universit\u00e4t Konstanz schon seit \u00fcber zehn Jahren mit der chemischen Umwandlung von Biomasse. Forschungsobjekt ist unter anderem die Mikroalge Phaeodactylum tricornutum<\/em>, eine Kieselalge, die photoautotroph ist, also f\u00fcr Wachstum und Energiegewinnung lediglich Sonnenlicht, CO2<\/sub>, Wasser \u2013 gerne Salz- oder Brackwasser \u2013 ben\u00f6tigt und so keine Ackerfl\u00e4chen und S\u00fc\u00dfwasserressourcen verbraucht. Und welche robust und schnell w\u00e4chst sowie durch hohe Gehalte an unges\u00e4ttigten Fetts\u00e4uren punktet, sodass sie die Forschenden zur Produktion von Algen\u00f6len als Rohstoffe nutzen.<\/p>\n\n\n\n

Solche Fetts\u00e4uren werden derzeit \u00fcberwiegend aus Palm-, Soja-, Raps- oder Sonnenblumen\u00f6l gewonnen und z\u00e4hlen aktuell zu den wichtigsten erneuerbaren Rohstoffen f\u00fcr die chemische Industrie: In Deutschland waren in den letzten Jahren beispielsweise rund die H\u00e4lfte der genutzten nachwachsenden Rohstoffe \u00d6le und Fette, etwa zur Herstellung von Tensiden und Kosmetika, Polymeren oder Klebstoffen.1)<\/sup><\/p>\n\n\n\n

Die Natur wird ausgetrickst \u2013 synthetischer Katalysator in lebender Zelle<\/h3>\n\n\n\n

Diese \u00d6le und Fette werden unter anderem mithilfe der sogenannten Olefinmetathese in die gew\u00fcnschten Produkte umgewandelt \u2013 etwa langkettige Alkene oder Dicarboxylate: Dabei findet in Anwesenheit eines Katalysators die Umorganisation der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen der unges\u00e4ttigten Fetts\u00e4uren statt. \u201eIm Prinzip funktioniert dies gut, allerdings ist vorab die Extraktion aus der Biomasse, einem w\u00fcsten Gemisch von Verbindungen, generell meist ein Flaschenhals\u201c, berichtet Mecking. \u201eUnd da wir uns haupts\u00e4chlich mit katalytischen Aufwertungen besch\u00e4ftigen, stellten wir uns die Frage, ob die Olefinmetathese nicht direkt in der Zelle stattfinden k\u00f6nnte. Allerdings handelt es sich hier um Reaktionen, zu denen die zellul\u00e4re Maschinerie von Natur aus nicht in der Lage ist und auch kein bekannter nat\u00fcrlicher Biokatalysator existiert.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Die Chemikerin Natalie Schunck, Doktorandin in Meckings Team, ging diese Herausforderung an und fand tats\u00e4chlich eine M\u00f6glichkeit, um synthetische Katalysatoren in die Kieselalgen einzuschleusen, und zwar dorthin, wo sie gebraucht werden: in die Lipidk\u00f6rper, wo die Mikroorganismen die Fette herstellen und speichern. \u201eEin sehr anspruchsvolles Projekt\u201c, wie der Professor betont. \u201eDessen Erfolg nur der herausragenden Arbeit von Frau Schunck zu verdanken ist, die nicht nur einen soliden chemischen Hintergrund einbrachte, sondern ein ebenso fundiertes biologischen Fachwissen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Nachhaltige Materialien produziert in lebenden Zellfabriken<\/h3>\n\n\n\n
\"Schwarz-wei\u00dfe<\/a>
Prinzip der katalytischen Olefinmetathese in lebenden Kieselalgen. In den Lipidk\u00f6rpern gespeicherte Fetts\u00e4uren werden in Polymerbausteine und Chemikalien umgewandelt. \u00a9 AG Mecking<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Dass es gar nicht so einfach ist, den Katalysator an seinen zuk\u00fcnftigen Arbeitsplatz der Minifabrik zu schleusen, wie es vielleicht klingt, liegt an der Anatomie der Mikroalgenzelle: Diese hat eine robuste Zellwand, die es zun\u00e4chst zu \u00fcberwinden gilt, weiter geht es durch das gesamte w\u00e4ssrige Zytoplasma mit potenziell sch\u00e4dlichen Komponenten f\u00fcr die vermeintlichen Eindringlinge von au\u00dfen bis hin zu den Lipidspeichern. Dies konnte nur gelingen, indem sich die Forscherin eines Tricks bediente. Sie koppelte den synthetischen Katalysator auf Rutheniumbasis an einen lipophilen fluoreszierenden Farbstoff, der normalerweise zum Anf\u00e4rben der Lipidk\u00f6rper in den Algenzellen verwendet wird. Dieser sorgte tats\u00e4chlich daf\u00fcr, dass der Katalysator wohlbehalten und zielgerichtet im Lipidspeicher ankam und dort die entsprechende Umwandlungsreaktion katalysierte.2)<\/sup><\/p>\n\n\n\n

\u201eDer Farbstoff hat zwei Funktionen: einerseits fungiert er als Transporter f\u00fcr den Katalysator, andererseits k\u00f6nnen wir mit ihm auch ganz genau dessen Position in der Zelle verfolgen\u201c, erkl\u00e4rt Mecking. \u201eIn den Lipidtr\u00f6pfchen werden dann tats\u00e4chlich alle unges\u00e4ttigten Fetts\u00e4uren umgesetzt, wie das z. B. bei Pflanzen\u00f6len au\u00dferhalb der Zelle in Reaktoren erfolgt. Mit den Produkten konnten wir in anderen, parallelen Arbeiten komplett recycelbare Kunststoffe \u00e4hnlich solchen aus Polyethylen herstellen. Es sind aber auch andere Produkte \u2013 etwa im Schmiermittelbereich \u2013 denkbar, denn man kann durchaus steuern, welches Fetts\u00e4urespektrum die Algen produzieren, unter anderem indem man sie genetisch manipuliert.\u201c Eine zukunftstr\u00e4chtige Perspektive zur Herstellung von Chemikalien aus lebenden Zellen, welche langfristig die aufwendige Extraktion von Biomasse umgehen k\u00f6nnte.<\/p>\n\n\n\n

Produkte sollen kontinuierlich aus dem Bioreaktor kommen<\/h3>\n\n\n\n

Damit ist es das erste Mal \u00fcberhaupt gelungen, eine solche synthetisch katalysierte Reaktion in Pflanzenzellen ablaufen zu lassen. \u201eMit dem Thema haben sich durchaus auch schon andere besch\u00e4ftigt. Aber das waren andere Zellen \u2013 etwa bakterielle von Escherichia coli<\/em> -, wo es keine Zellwand zu \u00fcberwinden galt\u201c, berichtet Mecking.<\/p>\n\n\n\n

Nun steht f\u00fcr das Team der n\u00e4chste Schritt an: die Entwicklung eines Verfahrens, um die umgesetzten Rohstoffe fortlaufend aus den lebenden Zellen zu isolieren. \u201eBisher haben wir diese Produkte noch nicht aus intakten Zellen isoliert, sondern extrahiert, was die Zellen zerst\u00f6rt\u201c, so der Chemiker. \u201eUnser Ziel ist es aber, die Produkte kontinuierlich aus den Mikroalgen zu gewinnen \u2013 wie in einer Biofabrik. Der Schl\u00fcsselschritt dorthin ist nun etabliert, aber das ganze Problem noch nicht gel\u00f6st. Wir haben aber durchaus schon konkrete Ideen, wie man das machen k\u00f6nnte.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Literatur:<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

1) Biermann, U. et al. (2021): Fatty Acids and their Derivates as Renewable Platform Molecules for the Chemical Industry. Angewandte Chemie, https:\/\/doi.org\/10.1002\/anie.202100778<\/p>\n\n\n\n

2) Schunck N. und Mecking, S. (2022) In vivo Olefin Metathesis in Microalgae Upgrades Lipids to Building Blocks for Polymers and Chemicals. Angewandte Chemie; https:\/\/doi.org\/10.1002\/anie.202211285<\/p>\n\n\n\n

Kontakt<\/h3>\n\n\n\n

Prof. Dr. Stefan Mecking
Fachbereich Chemie
Universit\u00e4tsstr. 10
78464 Konstanz
E-Mail: stefan.mecking@uni-konstanz.de<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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