Brotkrümel ersetzen fossilen Wasserstoff in der chemischen Produktion
Eine mikrobielle Ein-Topf-Formel, die lebende Mikroben verwendet, macht fossile Brennstoffe bei der Hydrierung überflüssig
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Einer neuen Studie zufolge könnte der einfache Brotkrümel der Schlüssel dazu sein, fossile Brennstoffe aus einer der am häufigsten verwendeten Reaktionen in der chemischen Industrie zu verdrängen.
Wissenschaftler haben eine mikrobielle Ein-Topf-Formel gefunden, die Brotabfälle verwendet, um aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Wasserstoff bei der Hydrierung zu ersetzen - eine chemische Reaktion, die in großem Umfang zur Herstellung von Lebensmitteln, Arzneimitteln, Kunststoffen und anderen Alltagsprodukten verwendet wird.
Der neue Ansatz ist kohlenstoffnegativ und könnte neue Wege für die biobasierte Herstellung mit erneuerbaren und aus Abfällen gewonnenen Rohstoffen eröffnen, so die Forscher.
Die Hydrierung ist ein Eckpfeiler der modernen chemischen Produktion, hängt aber heute fast vollständig von Wasserstoffgas ab, das aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Sowohl die Herstellung als auch die Verwendung dieses Wasserstoffs sind sehr energieintensiv und erfordern oft Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius und einen Druck, der mit dem in den tiefsten Teilen des Ozeans vergleichbar ist.
In der Lebensmittelverarbeitung wird die Hydrierung eingesetzt, um flüssige Pflanzenöle in stabilere feste Fette umzuwandeln. In der Industrie ist sie ein wichtiger Schritt bei der Synthese von Arzneimitteln, Feinchemikalien, Kraftstoffen und Polymeren, wobei in der Regel Metallkatalysatoren wie Nickel, Palladium oder Platin verwendet werden.
Wissenschaftler des Wallace Labs der Universität Edinburgh haben nun gezeigt, dass die Hydrierung mit Wasserstoffgas durchgeführt werden kann, das auf natürliche Weise von lebenden Bakterien produziert wird.
In der Studie wurde ein üblicher Laborstamm von E. coli mit Zucker aus Brotabfällen gefüttert und ohne Sauerstoff gezüchtet. Unter diesen Bedingungen produzieren die Bakterien auf natürliche Weise Wasserstoffgas. Als eine kleine Menge Palladiumkatalysator und eine Zielchemikalie in denselben Reaktionstopf gegeben wurden, reichte der von den Mikroben erzeugte Wasserstoff aus, um die Hydrierung unter milden, energiearmen Bedingungen durchzuführen.
Der gesamte Prozess findet in einem einzigen versiegelten Kolben bei nahezu Raumtemperatur statt, ohne dass fossile Brennstoffe oder extern zugeführtes Wasserstoffgas benötigt werden.
Eine detaillierte Analyse hat gezeigt, dass das Verfahren kohlenstoffnegativ sein kann, wenn als Ausgangsmaterial Altbrot verwendet wird. Durch den Verzicht auf Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen und die Vermeidung von Lebensmittelabfällen auf Deponien oder in Verbrennungsanlagen entfernt das System mehr Treibhausgase als es erzeugt.
Das Team plant, diesen Ansatz auf eine breitere Palette wertvoller Alltagsprodukte auszudehnen und verschiedene mikrobielle Wirte zu untersuchen, um Stämme zu entwickeln, die keinen metallischen Katalysator benötigen.
Die Studie, die in Nature Chemistry veröffentlicht wurde , wurde von UK Research and Innovation (UKRI), dem Europäischen Forschungsrat (ERC), dem Industrial Biotechnology Innovation Centre (IBioIC) und dem High-Value Biorenewables Network finanziert.
Die Universität Edinburgh engagiert sich für die Schaffung einer nachhaltigeren Welt durch ihre weltweit führende Forschung, Lehre, Partnerschaften und Innovationen.
Sie gilt als eine der besten Universitäten der Welt, wenn es um ökologische und soziale Auswirkungen geht, und die Bewältigung von Klima- und Umweltproblemen ist ein wesentlicher Bestandteil des Ziels der Universität, bis 2040 klimaneutral zu werden.
Professor Stephen Wallace, Inhaber des Lehrstuhls für Chemische Biotechnologie an der School of Biological Sciences der Universität Edinburgh, sagte: "Die Hydrierung ist die Grundlage für große Teile der modernen Produktion, aber sie beruht immer noch fast vollständig auf Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. Wir haben gezeigt, dass lebende Zellen diesen Wasserstoff direkt liefern können, indem sie Abfälle als Ausgangsmaterial verwenden, und zwar auf eine Weise, die sogar kohlenstoffnegativ sein kann.
"Dieser Ansatz ist auch nicht auf die Lebensmittelchemie beschränkt. Die Hydrierung wird in der Pharmazie, der Feinchemie und der Werkstoffindustrie eingesetzt. Die Möglichkeit, diese Reaktionen mit mikrobiellem Wasserstoff durchzuführen, eröffnet neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Produktion in großem Maßstab."
Dr. Susan Bodie, Direktorin für Innovationsentwicklung und Lizenzvergabe bei Edinburgh Innovations, sagte: "Professor Wallace ist einer von mehreren Forschern an der Universität Edinburgh, die innovative und nachhaltige ingenieurbiologische Techniken zur Aufwertung von Abfällen anwenden. Diese Techniken könnten zu einer grünen Revolution in der industriellen Fertigung im Vereinigten Königreich und darüber hinaus beitragen, und wir möchten Unternehmen, die an einer Zusammenarbeit mit uns interessiert sind, dringend bitten, sich mit uns in Verbindung zu setzen."
Douglas Martin, Gründer und CEO von MiAlgae, sagte: "MiAlgae setzt fortschrittliche biotechnologische Techniken ein, um nachhaltig Omega-3-Fettsäuren für die Aquakultur- und Tierfutterindustrie zu produzieren. Nachdem wir kürzlich den Grundstein für unsere neue Anlage in Grangemouth gelegt haben, sind wir überzeugt, dass die Biotechnologie industrielle Prozesse verändern und eine nachhaltigere Zukunft schaffen kann."
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Originalveröffentlichung
Native H2 pathways enable biocompatible hydrogenation of metabolic alkenes in bacteria; Nature Chemistry, 2026
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