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Nachhaltige Kohlenwasserstoffe für die petrochemische Industrie

26. November 2021 von Birgit Fischer

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.

Nachdem Forscher der UC Berkeley fünf neue Gene in E. coli-Bakterien eingefügt hatten, waren die Mikroben in der Lage, Fettsäuren (rechts) herzustellen und sie in 3-Hydroxy-Fettsäuren (links) umzuwandeln, die durch eine energiearme Lewis-Säure-Katalyse in Olefine umgewandelt werden konnten. Glukose, die aus Pflanzen gewonnen werden kann, war die wichtigste Energiequelle. | Grafik: Michelle Chang, Nature
Nachdem Forscher der UC Berkeley fünf neue Gene in E. coli-Bakterien eingefügt hatten, waren die Mikroben in der Lage, Fettsäuren (rechts) herzustellen und sie in 3-Hydroxy-Fettsäuren (links) umzuwandeln, die durch eine energiearme Lewis-Säure-Katalyse in Olefine umgewandelt werden konnten. Glukose, die aus Pflanzen gewonnen werden kann, war die wichtigste Energiequelle. | Grafik: Michelle Chang, Nature

„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.

Kohlenwasserstoff; Forscher der UC Berkeley und des NSF Center for Sustainable Polymers haben eine chemische Technologie entwickelt, die Fermentation und chemische Raffination (Mittelfelder) kombiniert, um erdölähnliche Flüssigkeiten (rechts) aus erneuerbaren Pflanzen (links) herzustellen. | Foto: John Beumer, NSF Center for Sustainable Polymers

„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.“

Kategorie: Forschung, News Stichworte: Katalysator, Kohlenwasserstoff, Petrochemie, Raffination

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