{"id":129104,"date":"2023-07-12T07:33:00","date_gmt":"2023-07-12T05:33:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=129104"},"modified":"2023-07-06T10:37:24","modified_gmt":"2023-07-06T08:37:24","slug":"elektronen-und-mikroben-als-entscheidende-helfer","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/elektronen-und-mikroben-als-entscheidende-helfer\/","title":{"rendered":"Elektronen und Mikroben als entscheidende Helfer"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Bislang basierte die Produktion von Nylon auf erd\u00f6lbasierten Ausgangsstoffen. Diese ist umweltsch\u00e4dlich, weil fossile Ressourcen genutzt, viel Energie ben\u00f6tigt und bei der Produktion klimasch\u00e4dliches Lachgas ausgesto\u00dfen werden. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums f\u00fcr Umweltforschung (UFZ) und der Universit\u00e4t Leipzig entwickelte nun im Labor ein Verfahren, mit dem aus Phenol durch eine elektrochemische Synthese und den Einsatz von Mikroorganismen Adipins\u00e4ure, einer von zwei Grundstoffen von Nylon, produziert werden kann. Zudem gelang es zu zeigen, dass Phenol durch Abfallstoffe aus der Holzindustrie ersetzt werden kann. Damit k\u00f6nnte biobasiertes Nylon hergestellt werden. Publiziert wurde die Forschungsarbeit im Fachjournal “Green Chemistry”.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Ein Forschungsteam des UFZ und der Universit\u00e4t Leipzig hat ein Verfahren entwickelt, das dazu beitr\u00e4gt, die gesamte Produktionskette zur Produktion von Nylon gr\u00fcn zu machen. \u00a9<\/strong> Colourbox<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

In T-Shirts, Str\u00fcmpfen, Hemden, Seilen oder gar als Bestandteil von Fallschirmen und Autoreifen \u2013 \u00fcberall dort kommen Polyamide als synthetische Kunstfasern zum Einsatz, f\u00fcr  die Ende der 1930er Jahre der Name Nylon geschaffen wurde. Nylon-6 und Nylon-6,6 sind zwei Polyamide, die rund 95 Prozent des globalen Nylon-Marktes ausmachen und aus fossilen Rohstoffen produziert werden. Doch dieser petrochemische Prozess ist umweltsch\u00e4dlich \u2013 zum einen, weil dabei weltweit rund zehn Prozent des klimasch\u00e4dlichen Distickstoffmonoxids (Lachgas) ausgesto\u00dfen werden, zum anderen, weil er viel Energie ben\u00f6tigt. \u201eUnser Ziel ist, die gesamte Produktionskette von Nylon gr\u00fcn zu machen. Das ist m\u00f6glich, wenn wir auf biobasierte Abf\u00e4lle als Ausgangsstoffe zugreifen und den Syntheseprozess nachhaltig gestalten\u201c, sagt Prof. Dr. Falk Harnisch, Leiter der Arbeitsgruppe Elektrobiotechnologie am Helmholtz-Zentrum f\u00fcr Umweltforschung (UFZ).<\/p>\n\n\n\n

Wie das gelingen kann, haben die Leipziger Forschenden um Falk Harnisch und Dr. Rohan Karande (Universit\u00e4t Leipzig\/Forschungs- und Transferzentrum f\u00fcr bioaktive Materie b-ACTmatter<\/a>) in einem Beitrag f\u00fcr die Fachzeitschrift “Green Chemistry” beschrieben. So besteht Nylon zu rund 50 Prozent aus Adipins\u00e4ure, die bisher industriell aus Erd\u00f6l gewonnen wird. In einem ersten Schritt wird dabei Phenol zu Cyclohexanol umgewandelt, das dann zur Adipins\u00e4ure umgesetzt wird. F\u00fcr diesen energieintensiven Prozess sind hohe Temperaturen, ein hoher Gasdruck und organische L\u00f6sungsmittel notwendig, zudem werden viel Lachgas und Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Die Forschenden haben nun ein Verfahren entwickelt, in dem sie Phenol mithilfe eines elektrochemischen Prozesses in Cyclohexanol umwandeln k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

\u201eDie dahinterstehende chemische Umwandlung ist dieselbe wie bei den etablierten Verfahren: Die elektrochemische Synthese ersetzt jedoch das Wasserstoffgas durch elektrische Energie, findet in w\u00e4ssriger L\u00f6sung statt und braucht daf\u00fcr lediglich Umgebungsdruck und Raumtemperatur\u201c, erl\u00e4utert der Elektrobiotechnologe Falk Harnisch. <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Damit diese Reaktion m\u00f6glichst schnell und effizient l\u00e4uft, braucht es einen geeigneten Katalysator. Dieser soll die Ausbeute an Elektronen, die f\u00fcr die Reaktion notwendig sind, und die Effizienz, wie viel Cyclohexanol letztlich aus Phenol entsteht, maximieren.<\/p>\n\n\n\n

In Laborexperimenten zeigten sich die besten Ausbeuten mit einem auf Kohlenstoff basierten Rhodium-Katalysator mit fast 70 Prozent an Elektronen und knapp mehr als 70 Prozent Cyclohexanol. \u201eDie relativ kurze Reaktionszeit, die effiziente Ausbeute und die effektive Energienutzung sowie Synergien mit dem biologischen System machen dieses Verfahren f\u00fcr eine kombinierte Produktion von Adipins\u00e4ure attraktiv\u201c, urteilt Dr. Micjel Ch\u00e1vez Morej\u00f3n, UFZ-Chemiker und Erstautor der Studie.<\/p>\n\n\n\n

Wie in einem zweiten Schritt das Bakterium\u00a0Pseudomonas taiwanensis<\/em>\u00a0Cyclohexanol in Adipins\u00e4ure umwandelt, hatten bereits in einer fr\u00fcheren Forschungsarbeit zwei andere UFZ-Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Katja B\u00fchler und Prof. Dr. Bruno B\u00fchler herausgefunden. <\/p>\n\n\n\n

\u201eBislang war es nicht gelungen, die Reaktion von Phenol zu Cyclohexanol mikrobiell ablaufen zu lassen. Diese L\u00fccke haben wir durch die elektrochemische Reaktion geschlossen\u201c, bilanziert Dr. Rohan Karande, der diese Arbeiten in Kooperation mit dem UFZ jetzt an der Universit\u00e4t Leipzig fortsetzt.<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Und noch eine weitere L\u00fccke einer gr\u00fcnen Nylon-Produktion konnten die Leipziger Forscher:innen schlie\u00dfen, indem sie perspektivisch eine umweltfreundliche Alternative f\u00fcr das aus fossilen Ausgangsstoffen produzierte Phenol entwickelten. Daf\u00fcr setzten sie Monomere wie beispielsweise Syringol, Catechol oder Guaiacol ein, die allesamt als Abbauprodukt von Lignin – einem Abfallprodukt der Holzwirtschaft – anfallen. \u201eWir haben f\u00fcr diese Modellsubstanzen zeigen k\u00f6nnen, dass wir gemeinsam den Weg bis zur Adipins\u00e4ure gehen k\u00f6nnen\u201c, sagt Falk Harnisch. Rohan Karande erg\u00e4nzt: \u201eWeltweit werden rund 4,5 Millionen Tonnen Adipins\u00e4ure hergestellt. Wenn wir daf\u00fcr Holzreststoffe erschlie\u00dfen, h\u00e4tte das einen entscheidenden Einfluss auf den Weltmarkt.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Bis das ligninbasierte Nylon marktreif wird, ist es allerdings noch ein weiter Weg. So haben die Wissenschaftler:innen f\u00fcr den 22-st\u00fcndigen Gesamtprozess, also von den Monomeren aus Ligninresten mittels elektrochemischer und mikrobieller Reaktionsschritte hin zur Adipins\u00e4ure, bislang eine Ausbeute von 57 Prozent erzielt. \u201eDas ist eine sehr gute Ausbeute\u201c, sagt Micjel Ch\u00e1vez Morej\u00f3n. Noch basieren die Ergebnisse auf Laborversuchen im Milliliter-Ma\u00dfstab. Deswegen sollen in den n\u00e4chsten beiden Jahren die Voraussetzungen geschaffen werden, um das Verfahren in den Literma\u00dfstab zu bringen.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr diesen Technologietransfer ist nicht nur ein besseres Verst\u00e4ndnis des gesamten Prozesses notwendig, sondern unter anderem auch der Einsatz von echten statt wie bislang modellhaften Ligninmischungen und die Verbesserung der elektrochemischen Reaktoren. Falk Harnisch und Rohan Karande sind sich einig: \u201eDas Verfahren f\u00fcr das ligninhaltige Nylon zeigt exemplarisch das gro\u00dfe Potenzial elektrochemisch-mikrobieller Prozesse, da durch die intelligente Art der Kombination verschiedener Komponenten eine optimale Prozesskette aufgebaut werden kann.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Originaltitel der Publikation in “Green Chemistry”<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Micjel Ch\u00e1vez Morej\u00f3n, Alexander Franz, Rohan Karande, and Falk Harnisch: “Integrated electrosynthesis and biosynthesis for the production of adipic acid from lignin-derived phenols”, Green Chemistry,\u00a0https:\/\/doi.org\/10.1039\/D3GC01105D<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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