Dreck zu Gold: Mit Hilfe von Bakterien lässt sich aus Zucker-Abfällen ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie herstellen – bislang war dafür noch Erdöl nötig. Materialien von Windeln bis Verbandszeug entstehen aus dem Rohstoff, den Wissenschaftler aus Österreich so im Bioreaktor gewonnen haben. Einer Anwendung des Verfahrens im industriellen Maßstab stehe nichts im Wege, schreiben die Forscher im Fachjournal „Chemical Communications“.
Fossile Brennstoffe wie Erdöl sind nicht nur eine Grundlage für Benzin und Elektrizität. Erdöl ist auch ein wichtiger Ausgangsstoff für wichtige Chemikalien, wie etwa 3-Hydroxypropionsäure (3-HPA). 3-HPA ist eine sogenannte Plattformchemikalie: Sie selbst ist ein sehr einfacher chemischer Baustein, dient aber in zahlreichen Synthesewegen als Rohstoff für andere Materialien. „Man erzeugt daraus beispielsweise Natriumpolyacrylat, das für Babywindeln oder auch für Verbandsmaterial eingesetzt wird“, erklärt Michael Fink von der Technischen Universität Wien.
Um solche Plattformchemikalien auch unabhängig von schwindenden Erdölvorräten herstellen zu können, sind Wissenschaftler wie Fink und seine Kollegen auf der Suche nach anderen Quellen, vorzugsweise aus billigen und leicht verfügbaren Rohstoffen.
Bakterien als Umbauhelfer
Im Falle von 3-HPA existiert so ein Rohstoff in Hülle und Fülle: Lävulinsäure fällt als Nebenprodukt in der Zuckerindustrie an, und aus diesem Abfall lässt sich 3-HPA gewinnen. Allerdings war dies bisher nur mit großem technischem Aufwand möglich: Man benötigte hohe Temperaturen und 90-prozentiges, explosives Wasserstoffperoxid.
Aus diesem Grund wählten die Forscher um Fink einen anderen Weg: Sie lassen Bakterien die Arbeit machen. Dazu identifizierten sie zunächst eine Reihe von Enzymen, von denen sie glaubten, dass sie Lävulinsäure weiter verarbeiten könnten. Mit Hilfe von Genmanipulation brachten sie Escherichia coli-Bakterien dazu, diese Enzyme herzustellen. „Wenn die Bakterien die in Frage kommenden Enzyme produzieren, kann man direkt im Bioreaktor ausprobieren, welche für unseren gewünschten Prozess am besten geeignet sind“, erklärt Fink.
Plattformchemikalie aus dem Bioreaktor
Die Methode zeigte Erfolg: Unter normalen atmosphärischen Bedingungen und ganz ohne toxische oder explosive Substanzen lässt sich mit Hilfe der E.coli-Bakterien 3-HPA aus Lävulinsäure herstellen. Entweder setzt man dazu die Bakterien direkt im Bioreaktor ein, oder man lässt sie in einer Kultur zunächst das Enzym erzeugen und verwendet dieses weiter. Auf beiden Wegen entsteht zunächst Ethyl-3-HPA, eine Substanz, die sich problemlos in 3-HPA umwandeln lässt.
„Beides funktioniert, beides hat Vor- und Nachteile“, sagt Fink. Verwendet man lebende Bakterien, bekommt man einen ständigen Nachschub der nötigen Enzyme, allerdings besteht dann die Gefahr, dass die Bakterienkultur irgendwann nicht mehr in ausreichendem Maß weiterwächst oder gar stirbt. Das Isolieren des Enzyms ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt, macht das Verfahren danach aber einfacher.
Fink schaut bereits in die Zukunft, zur industriellen Anwendung der Methode. „Allerdings muss das Verfahren erst auf eine großtechnische Dimension skaliert werden – die Mengen, die man in solchen Versuchen im Labor herstellt, sind natürlich noch gering.“ Allerdings erwartet Fink keinerlei Probleme dabei, den Prozess auf größere Maßstäbe zu erweitern. (Chemical Communications, 2015; doi: 10.1039/C4CC08734H)
(Technische Universität Wien, 23.02.2015 – AKR)
