• Skip to main content
  • Skip to secondary menu
  • Zur Hauptsidebar springen

Die Chemie Zeitschrift Österreichs

Das unabhängige Traditionsmagazin

  • Das Magazin
    • Über die Österreichische Chemie Zeitschrift
    • 120 Jahre
    • Abonnement
    • Mediadaten
    • Online-Archiv
  • Resorts
    • Forschung
    • Foto Freitag
    • Messe
    • Publikation
    • Personalia
    • Bildung
    • Termine
    • News-Archiv 2015
    • News-Archiv 2016
    • News-Archiv 2017
    • News-Archiv 2018
    • News-Archiv 2019
  • Studienführer Technische Chemie
  • Chemie-Lexikon
  • Links
    • L&B
    • labor
    • Kunststoff
  • Welkin Media Verlag
Aktuelle Seite: Startseite / News / CO₂-Fixierung liefert wertvolle Substanzen für die chemische Industrie

CO₂-Fixierung liefert wertvolle Substanzen für die chemische Industrie

21. Januar 2022 von Birgit Fischer

Aus Kohlenstoffdioxid wichtige Ausgangsmaterialien für Feinchemikalien machen – das funktioniert tatsächlich: 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 (CO₂-Fixierung) und in einen festen Ausgangsstoff für die chemische Industrie umzuwandeln.

Durch die Verbrennung von fossilen Rohstoffen entsteht klimaschädliches Kohlenstoffdioxid, das als Treibhausgas eine große Rolle bei der Erderwärmung spielt. Dennoch ist Erdöl aktuell immer noch einer der wichtigsten Rohstoffe – nicht nur als Energieträger, sondern auch als Ausgangsmaterial für die chemische Industrie und damit für zahlreiche Dinge unseres Alltags, wie Medikamente, Verpackungen, Textilien, Reinigungsmittel und mehr. An verschiedenen Alternativen für fossile Quellen wird daher intensiv geforscht.

Nachwachsende Rohstoffe sind eine zukunftsträchtige Möglichkeit, aber nicht die einzige alternative Rohstoffbasis, um die Verfügbarkeit von grünen Syntheseprodukten in den nächsten Jahren abdecken zu können. Eine nachhaltige Ergänzung hierzu im Sinne einer kreislauforientierten Kohlenstoffwirtschaft ist die Möglichkeit, CO2 gezielt und unter milden Reaktionsbedingungen zu fixieren.

Abscheidung aus der Luft für weniger CO2-Emissionen

Einem Forscherteam am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und der TU München erstmals gelungen, CO2 elektrobiokatalytisch in wertvolle Substanzen für die chemische Industrie umzuwandeln. Durch Kombination verschiedener Ansätze aus Bioelektrochemie, Enzymbiologie und synthetischer Biologie wurden hierfür spezielle Bioelektroden entwickelt, um mit Strom aus erneuerbarer Energie Enzyme anzutreiben, die in einer gekoppelten Reaktion ähnlich der Photosynthese feste organische Moleküle aus dem Treibhausgas herstellen.

Dr. Leonardo Castañeda-Losada bei der Entwicklung des elektrobiokatalytischen Verfahrens zur CO₂-Fixierung. | Foto: Fraunhofer/Marc Müller
Dr. Leonardo Castañeda-Losada bei der Entwicklung des elektrobiokatalytischen Verfahrens zur CO₂-Fixierung. | Foto: Fraunhofer/Marc Müller

Ziel ist es, damit CO2 direkt aus der Luft abzuscheiden: „Das Verfahren könnte dann nicht nur dazu beitragen, dass die Industrie auf fossile Rohstoffe verzichten kann, sondern durch die CO2-Reduktion die Klimawende außerdem aktiv vorantreiben“, erklärt Dr. Michael Richter, Leiter des Innovationsfelds Bioinspirierte Chemie am Fraunhofer IGB. „Zunächst ging es uns jedoch darum zu zeigen, dass unsere Idee überhaupt funktioniert, eine solch komplexe biokatalytische Multienzym-Reaktion auf diese Art mit Strom anzutreiben.“

Hydrogel transportiert Elektronen für CO2-fixierende Enzyme

Mit Erfolg: Die Forschenden haben sich vom Stoffwechsel der Mikroorganismen inspirieren lassen und ein strombasiertes Verfahren für 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 für die Reduktion von CO2 benötigten Elektronen zu versorgen, die regenerativer Strom liefern kann. Dies gelang durch Einbettung der Enzyme in ein redoxaktives Hydrogel, wodurch sie elektrochemisch so angetrieben werden können, dass sie Kohlenstoffdioxid an ein Substrat binden und damit in einen wertvollen Zwischenstoff umwandeln.

„Das Verfahren ist ein sehr effizienter Reaktionsweg, eine reduktive Carboxylierung, die sehr ökonomisch und sauber abläuft, weil man keine weiteren Substanzen im System braucht – lediglich Kohlenstoffdioxid, Substrat und Elektronen, bevorzugt aus erneuerbaren Quellen“, erläutert Dr. Leonardo Castañeda-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.

Für den Prozess werden Enzymreaktionen kombiniert: eine für Bereitstellung und Regeneration des Cofaktors, eine für die CO₂-Fixierung. | Foto: Fraunhofer/Marc Müller
Für den Prozess werden Enzymreaktionen kombiniert: eine für Bereitstellung und Regeneration des Cofaktors, eine für die CO₂-Fixierung. | Foto: Fraunhofer/Marc Müller

Die an der TU München am Lehrstuhl von Prof. Nicolas Plumeré eigens entwickelten Hydrogele, in denen die Enzyme ihre Arbeit verrichten, sind so modifiziert, dass sie Elektronen gut leiten und den Biomolekülen gleichzeitig optimale Arbeitsbedingungen bieten.

„So können 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 für eine zukünftige Skalierung des Verfahrens für die chemische Industrie“, verdeutlicht Prof. Volker Sieber, der am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer IGB schon lange Strategien zur CO2-Speicherung verfolgt.

Cofaktoren werden gleichzeitig permanent regeneriert

Der völlig 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 äußerst innovatives Modul: Damit die Reaktionen wie gewünscht ablaufen und am Ende eine möglichst hohe Produktausbeute steht, braucht es in dem Fall eine kontinuierliche Zufuhr an „Doping“ fürs Enzym: die passenden und funktionalen Cofaktoren. Diese kleinen, organischen Moleküle werden im Lauf jeder einzelnen Reaktion verbraucht und müssen regeneriert werden, um wieder einsatzfähig zu sein. Sie in großen Mengen neu bereitzustellen, ist sehr teuer und damit für die Industrie unwirtschaftlich. Deshalb haben die eBioCO2n-Experten eine Möglichkeit gefunden, um sie mithilfe von Strom innerhalb des gleichen Reaktionssystems in den Hydrogelen wieder erneuern zu können – theoretisch unendlich lange. „Eigentlich müsste man nur ein einziges Mal Cofaktor ins System geben, und dieser würde dann immer wieder automatisch regeneriert. Aber in der Praxis funktioniert das nur annähernd so gut, weil der Cofaktor nicht unendlich lange stabil bleibt – aber durchaus schon sehr lange“, sagt Richter.

CO₂-Fixierung: CO2 soll – ähnlich wie in der Fotosynthese – mithilfe elektronenübertragender Biokatalysatoren fixiert und dann mit weiteren enzymatischen Umsetzungsschritten verknüpft werden. | Grafik: Fraunhofer IGB
CO₂-Fixierung: CO2 soll – ähnlich wie in der Fotosynthese – mithilfe elektronenübertragender Biokatalysatoren fixiert und dann mit weiteren enzymatischen Umsetzungsschritten verknüpft werden. | Grafik: Fraunhofer IGB

Für den bioelektrokatalytischen Recyclingprozess der Cofaktoren steht den Forschenden sogar ein ganzer Werkzeugkasten an unterschiedlichen Enzymen zur Verfügung, die sie aus verschiedenen Organismen aufgespürt haben. So ist das Spektrum dieser Biomoleküle für weitere Arbeiten je nach Anwendung modulartig erweiterbar und als Plattformsystem verwendbar.

„Man kann aus bioinformatischen Datenbanken praktisch beliebig Enzyme auswählen, diese biotechnologisch herstellen und in die Hydrogele einbauen“, sagt Richter. „So wäre die Herstellung verschiedener biobasierter Feinchemikalien denkbar, die man bei entsprechendem Ausbau über weitere Enzymkaskaden praktisch nach Bedarf diversifizieren könnte.“ Hier bringt inbesondere das Marburger MPI seine Expertise ein. Gelingt dies in einer entsprechenden Skalierung, könnte die Plattformtechnologie ein zukunftsträchtiges Geschäftsmodell für die chemische Industrie werden.

CO₂-Fixierung: Plattformsystem soll beliebig erweiter- und skalierbar werden

Mithilfe der bioinspirierten CO2-Fixierung aus dem Labor konnte man am Fraunhofer IGB ein Coenzym-A-Derivat carboxylieren, ein für viele Stoffwechselvorgänge in Lebewesen wichtiges Biomolekül.

Dr. Michael Richter, Leiter Innovationsfeld Bioinspirierte Chemie Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB | Foto: Fraunhofer IGB

Hierbei handelt es sich um das bislang anspruchsvollste Molekül, an das auf biokatalytischem Weg CO2 fixiert werden konnte. Das ist bei weitem nicht selbstverständlich, eine so große und strukturell anspruchsvolle Substanz mit dieser Technologie zu modifizieren.

Dr. Michael Richter, Leiter Innovationsfeld Bioinspirierte Chemie Fraunhofer IGB

Nun steht für die Forschenden die letzte Herausforderung an: zu beweisen, dass ihre Idee zuverlässig und skalierbar funktioniert sowie modular erweitert werden kann. Am IGB ist man jedoch optimistisch, vor allem auch vor dem Hintergrund eines gut funktionierenden interdisziplinären Teams, wie der Wissenschaftler betont. In Folgeprojekten sollen dann auch möglichst schnell Industriepartner mit einbezogen werden.

Publikation
Castañeda-Losada, Leonardo; Adam, David; Paczia, Nicole; Buesen, Darren; Steffler, Fabian; Sieber, Volker; Erb, Tobias; Richter, Michael; Plumeré, Nicolas.
Bioelectrocatalytic cofactor regeneration coupled to CO2 fixation in a redox-active hydrogel for stereoselective C-C bond formation.
in Angewandte Chemie. International edition 60 (2021), No.38, pp.21056-21061, DOI: 10.1002/anie.202103634

Kategorie: Forschung, News Stichworte: Biokatalysator, CO2, eBioCO2n, Rohstoffe

Haupt-Sidebar

Die aktuelle Chemie

Newsletter

  • Unser Newsletter-Archiv

Welkin Media News

Aktuelle Nachrichten aus unseren anderen Online-Portalen Lebensmittel-&Biotechnologie und Österreichische Kunststoffzeitschrift.

  • NIR 2023 – Internationale Konferenz für Nahinfrarotspektroskopie
    am 1. Juni 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Die NIR 2023 - Internationale Konferenz für Nahinfrarotspektroskopie - findet vom 20.- 24. August 2023 erstmals im Congress Innsbruck statt. Das Programm umfasst die Grundlagen der Spektroskopie, methodische und technologische Fortschritte sowie […]

  • ARC 2023 – Call for Abstracts
    am 1. Juni 2023 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Bis zum 30.08.2023 können Beiträge für die Advanced Recycling Conference ARC (28. und 29.11.2023, Köln und online) eingereicht werden. Die Veranstaltung stellt die Vielfalt fortschrittlicher Recyclinglösungen vor und bringt Akteure entlang der […]

  • VERTEX für PP- und PET FDY-Garne
    am 31. Mai 2023 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Mit der neuen Austrofil® VERTEX-Serie präsentiert SML ein völlig neues Anlagenkonzept, das auch für die Verarbeitung von PET geeignet ist. Die Hauptmerkmale von VERTEX sind höhere Anlagengeschwindigkeiten, eine gesteigerte Produktionskapazität […]

  • Busch Austria baut Vakuum-Kompetenzzentrum
    am 30. Mai 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Das Spezialunternehmen für Vakuumpumpen, Gebläse und Kompressoren Busch Austria baut in Korneuburg ein Vakuum-Kompetenzzentrum. Busch und die Pfeiffer Vacuum Austria GmbH werden dort künftig gemeinsam Vakuumlösungen für österreichische Kunden […]

  • Magnetotaktische Bakterien reinigen kontaminiertes Wasser
    am 26. Mai 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es gelungen, uranhaltiges Wasser mittels magnetotaktischer Bakterien zu reinigen. Diese Bakterien binden Uran in der Zellwand und können aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften mittels Magneten […]

  • Semperit übernimmt RICO Group
    am 25. Mai 2023 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Semperit übernimmt mit der Rico Group einen Anbieter von Silikonspritzguss-Werkzeugen und Produzenten von Liquid Silicone-Komponenten. Semperit setzt weiterhin auf den von Rico bereits eingeschlagenen Expansionskurs und führt daher den Bau der […]

  • AKMA-Servomotoren trotzen starker Washdown-Belastung
    am 24. Mai 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Der AKMA-Servomotor von Kollmorgen wurde speziell für Anwendungen mit mittelschwerer und schwerer Washdown-Belastung entwickelt. Er eignet sich für Präzisionsbewegungsanwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der […]

  • ALPLAindustrial – Verpackungen für die Industrie
    am 23. Mai 2023 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Die ALPLA Group intensiviert mit der neuen Marke ALPLAindustrial sein Engagement bei großvolumigen Kunststoffverpackungen für die Industrie. Durch die Einführung einer eigenen Recycling-Linie mit bis zu 100 Prozent PCR bietet das Unternehmen […]

  • Pseudouridin durch biokatalytische Synthese
    am 22. Mai 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Forschenden der TU Graz ist die Erzeugung des wichtigen mRNA Impfstoffbestandteil Pseudouridin mittels biokatalytischer Synthese gelungen. Die neue Methode erweist sich als effizienter, nachhaltiger und kostengünstiger als die bisher eingesetzte […]

  • AGRANA erweitert Produktionskapazitäten für technische Stärken
    am 19. Mai 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    AGRANA investiert 23 Millionen Euro in die Erweiterung der Produktionskapazitäten für technische Stärken am Produktionsstandort in Gmünd. Die Fertigstellung der neuen Anlage, mit der sich die Produktionskapazität von technischen Stärken um ein […]

Schlagwörter

ABB Aktuelle Nachrichten über BASF analytica Analytik Analytik Jena Automation Automatisierung Awards B&R Borealis BR CEM CO2 Danfoss Digitalisierung Endress+Hauser EndressHauser Evonik FCIO Festo Finance Forschung Foto Freitag FotoFreitag Hardware Industrie 4.0 Jubiläum Kreislaufwirtschaft Labor LANXESS Lenzing Messe Messe München MesseNews Nachhaltigkeit OMV Personalia Publikation Pumpen Recycling Shimadzu Software Studium TU Graz Webinar

Kategorien

Copyright © 2023 · WelkinMedia Fachverlag