Eine Kombination von Fermentation mit Bakterien und chemischer Raffination ermöglicht eine grüne Produktion von Kohlenwasserstoffen. In einem zweistufigen Prozess stellen Forscher am National Science Foundation Center for Sustainable Polymers (NSF) der University of Minnesota und der University of California, Berkeley aus Zucker Olefine her, die sich zur Herstellung von Kunststoffen nutzen lassen. Sie ersetzen Moleküle gleicher Bauart, die bisher aus Erdöl gewonnen werden.
Manipulierte Bakterien
Berkeley-Professorin Michelle Chang hat mit ihrem Team Bakterien der Art Escherichia coli manipuliert, sodass sie Zucker, der aus Pflanzen gewonnen wird, in Hydroxycarbonsäuren umwandeln, die Sauerstoff-, Wasserstoff- und Kohlenstoffatome enthalten. Das Produkt sei so konzipiert worden, dass Sauerstoff in strategischen Positionen verbleibt, um einem Team um Paul Dauenhauer, Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota, die nachgeschaltete Umwandlung in Olefine zu erleichtern.
„Diese Moleküle enthalten gerade genug Sauerstoff, dass wir sie mithilfe von Metall-Nanopartikelkatalysatoren leicht in größere, nützlichere Moleküle umwandeln können“, so Dauenhauer. „Das ermöglichte es uns, die Verteilung molekularer Produkte nach Bedarf abzustimmen, genau wie bei herkömmlichen Erdölprodukten, mit dem entscheidenden Unterschied, dass wir erneuerbare Ressourcen verwenden.“
Grüne Produktion von Kohlenwasserstoffen
Dauenhauers Labor hat eine breite Palette von Katalysatoren untersucht, um zu zeigen, dass sich die durch Fermentation hergestellten Kohlenwasserstoffe in eine Reihe wichtiger Materialien umwandeln lassen. Dazu gehören kleinere Moleküle zur Herstellung von Schlüsselpolymeren wie Polyethylen und Polypropylen, aus denen beispielsweise Plastiktüten hergestellt werden, und mittelgroße Moleküle für die Produktion gummiartiger Materialien. Der hybride Ansatz, die Kombination von Fermentation mit Bakterien und chemische Raffination, hat den Vorteil, dass die Produkte mit jenen aus Erdöl konkurrenzfähig werden.
„Das ist ein wirklich innovativer grüner Einstieg für die Herstellung von Polymeren“, sagt David Berkowitz, Direktor der NSF-Chemie-Division. „Durch die geschickte Kombination von Biologie und Chemie hat das Chang-Team eine umweltverträgliche Alternative zum Erdöl geschaffen. Die Ergebnisse zeigen, wie NSF-Investitionen in kollaborative, interdisziplinäre Wissenschaft die Grenzen für die Entwicklung einer grünen chemischen Industrie verschieben können.“