Der neue Liebling der erneuerbaren Energien? Chinesische Wissenschaftler „verwandeln Abfall in Schätze“ und könnten damit ein jahrhundertealtes Problem lösen

Seit mehr als einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler, bestimmte Substanzen in „Schätze“ zu verwandeln.

Bei dieser Substanz handelt es sich um Lignin, eines der am häufigsten vorkommenden organischen Polymere auf der Erde, das in seinem Gehalt nur von Zellulose übertroffen wird.

Ihre Bemühungen scheiterten jedoch größtenteils.

Dieses frustrierende Gefühl des Versagens könnte sich nun ändern.

Kürzlich haben ein Forschungsteam der Washington State University, des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und seine Mitarbeiter ein künstliches Enzym synthetisiert, das Lignin effektiv zersetzen kann.

Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Durchbruch auf diesem Gebiet dar und es wird erwartet, dass die Wissenschaftler einen neuen Katalysatortyp entwickeln, der die Einschränkungen biologischer und chemischer Katalysatoren wirklich überwinden kann.

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Hochstabile und abstimmbare Peptoid-/Hämin-Enzymmimetika mit natürlichen Peroxidase-ähnlichen Aktivitäten“ wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

(Quelle: Nature Communications)

Das Forschungsteam sagte, dass dieses neue künstliche Enzym das Potenzial für eine Produktion im größeren Maßstab habe, wenn es in nachfolgenden Forschungsarbeiten weiter verbessert werden könne, um die Gesamtumwandlungsrate zu erhöhen und selektivere Produkte zu erzeugen.

Was ist Lignin?

Um die Auswirkungen von Lignin auf unser Leben zu verstehen, müssen wir zunächst wissen, um welche Substanz (Ding) es sich handelt.

Eine sehr akademische Antwort ist das Bild unten.

(Quelle: Wikipedia)

Wenn Sie es nicht verstehen, ist das in Ordnung, tatsächlich können es nicht viele Leute verstehen.

Einfach ausgedrückt ist Lignin eines der am häufigsten vorkommenden organischen Polymere auf der Erde und hat sehr wichtige biologische Funktionen für das Wachstum, die Entwicklung und die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen.

Während des Verholzungsprozesses der Zellwände von Pflanzen dringt Lignin in die Zellwände ein und füllt die Zellwandstruktur aus, wodurch die Härte der Zellwände erhöht, die mechanische Unterstützung der Zellen verbessert, die Bildung von mechanischem Gewebe gefördert und zur Festigung und Unterstützung des Pflanzenkörpers sowie zur Wasserleitung und anderen Funktionen beigetragen werden kann.

Da Lignin ein vernetztes Phenolpolymer ist und zu den aromatischen hochmolekularen Polymeren gehört, verleihen seine Pyrolyseprodukte geräucherten Lebensmitteln wie Grillgut zudem ein einzigartiges Aroma und einen einzigartigen Geschmack.

Und was noch wichtiger ist: Lignin hat das Potenzial, eine riesige erneuerbare Energiequelle zu werden.

Der Schüler ist besser als der Meister

Obwohl Lignin so nützlich erscheint, wird es bei tatsächlichen Produktionsaktivitäten als „Abfallprodukt“ behandelt.

Da Lignin beispielsweise bei der Papierherstellung an der Luft gelb wird, werden zig Millionen Tonnen Lignin als „Verunreinigungen“ behandelt und entweder direkt in natürliche Gewässer eingeleitet oder ineffizient verbrannt, um Kraftstoff und Strom zu erzeugen. Tatsächlich werden weniger als 20 % des Lignins effektiv genutzt und sogar noch weniger als Ressource verwendet, was als ziemliche Verschwendung bezeichnet werden kann.

Als zweithäufigstes organisches Polymer auf der Erde und einzige nicht auf Erdöl basierende Ressource in der Natur, die erneuerbare aromatische Verbindungen liefern kann, hat Lignin jedoch theoretisch das Potenzial, „Abfall in einen Schatz zu verwandeln“.

In der Natur sind Pilze und Bakterien in der Lage, mithilfe ihrer Enzyme Lignin abzubauen und in verschiedene Produkte umzuwandeln. Beispielsweise können auf Bäumen wachsende Weißfäulepilze Lignin abbauen, sodass es von Bodenorganismen wiederverwendet werden kann.

Abbildung ｜ Auf Bäumen wachsende Weißfäulepilze. (Quelle: PNNL)

Darüber hinaus ist der Abbauprozess mit natürlichen Enzymen umweltfreundlicher als der chemische Abbau, da dieser hohe Temperaturen erfordert und mehr Energie verbraucht, als er produziert.

Allerdings bauen sich natürliche Enzyme mit der Zeit ab, was ihren Einsatz in der großindustriellen Produktion erschwert und zudem sehr teuer macht.

Neue Erkenntnisse über die Funktionsweise natürlicher Enzyme haben den Forschern in den letzten Jahrzehnten neue Erkenntnisse über die Entwicklung dieser neuen Klasse künstlicher Enzyme geliefert.

In dieser von natürlichen Enzymen inspirierten Studie ersetzte das Forschungsteam die Polypeptide rund um die aktiven Stellen natürlicher Enzyme durch ein proteinähnliches Molekül (d. h. ein Peptoid).

Diese Peptoide setzen sich dann automatisch zu Nanotransistoren (kristallinen Röhren) und Schichten zusammen.

Peptoide wurden erstmals in den 1990er Jahren entwickelt, um die Funktionen von Proteinen nachzuahmen. Sie verfügen über Eigenschaften wie beispielsweise eine hohe Stabilität und haben Wissenschaftlern geholfen, die Mängel natürlicher Enzyme zu beheben.

In diesem Fall bieten sie eine hohe Dichte an aktiven Stellen, die in natürlichen Enzymen nicht vorhanden ist.

Abbildung | Die korrespondierenden Autoren des Artikels, Xiao Zhang und Chun-long Chen, untersuchen die Produkte des Ligninabbaus durch einen neuen biomimetischen Peptidkatalysator. (Quelle: PNNL)

Die Forscher sagen, dass sie dieses künstliche Enzym verwenden können, um diese aktiven Stellen präzise zu organisieren und ihre lokale Umgebung so abzustimmen, dass die katalytische Aktivität gefördert wird. „Auf diese Weise haben wir eine höhere Dichte an aktiven Stellen statt nur einer einzigen aktiven Stelle.“

Wie erwartet waren die künstlichen Enzyme auch stabiler als natürliche Enzyme und konnten bei Temperaturen von bis zu 60 Grad Celsius arbeiten, einer Temperatur, die die Aktivität natürlicher Enzyme zerstören würde.

Experimente haben gezeigt, dass dieses künstliche Enzym Lignin effektiv abbauen und Verbindungen produzieren kann, die bei der Herstellung von Biokraftstoffen und Chemikalien verwendet werden können.

Darüber hinaus bietet die Technologie neue Möglichkeiten für die Nutzung erneuerbarer Materialien, unter anderem für Biokraftstoffe für die Luftfahrt und biobasierte Materialien.

Forscher versuchen derzeit, diese Reaktion zu beschleunigen, um diese ungenutzte Ressource zu erschließen.

Insgesamt eröffnet diese Arbeit neue Möglichkeiten, Lignin mit umweltfreundlichen Methoden in wertvolle Produkte umzuwandeln.

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30285-9

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cctc.201901480

https://www.pnnl.gov/news-media/synthesizing-nanomaterials-natures-blueprints

https://www.pnnl.gov/news-media/new-artificial-enzyme-breaks-down-tough-woody-lignin

https://en.wikipedia.org/wiki/Lignin