Neue grüne Chemie extrahiert wertvolle Verbindungen aus Pflanzenabfällen
Rund 98 Prozent des Lignins, das als forstwirtschaftliches Nebenprodukt von Pflanzen entsteht, wird weggeworfen. Ein neues Enzym könnte jedoch der Schlüssel zur Gewinnung hochwertiger Moleküle aus diesem Abfall mit Hilfe eines Ansatzes der grünen Chemie sein.
Das neu identifizierte Enzym ist rosa hervorgehoben.
University of Adelaide
Diese Moleküle sind die Bausteine für Verbindungen wie Duft- und Aromastoffe, Kraftstoffe und Therapeutika und verwandeln einen Abfallstrom in eine wertvolle Ressource.
"Herkömmliche chemische Verfahren zur Synthese dieser Art von Chemikalien sind auf erdölbasierte Ausgangsverbindungen und Schwermetallkatalysatoren angewiesen, was sie zu nicht erneuerbaren und inhärent toxischen Prozessen macht", sagt Dr. Fiona Whelan, Kryo-Elektronenmikroskopikerin von Adelaide Microscopy an der University of Adelaide, deren Studie in Nature Communications veröffentlicht wurde.
"Diese neue katalytische Verarbeitungsmethode wird die Entwicklung anderer neuer 'Enzymfabriken' der grünen Chemie oder Bioraffinerien unterstützen, um Lignin und andere biologische Abfallströme in ein wertvolles Reservoir von Feinchemikalien zu verwandeln."
Lignin ist die Bezeichnung für die harten Polymere, die als mechanische Stütze in Hart- und Weichhölzern dienen, und ist eines der am häufigsten vorkommenden Polymere auf der Erde.
In der Land- und Forstwirtschaft fallen jährlich rund 100 Millionen Tonnen Ligninabfälle an, die jedoch zu einem vielversprechenden erneuerbaren und nachhaltigen Ausgangsstoff für Chemikalien werden könnten, die derzeit aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden.
"Strategien zur Nutzung von Lignin beinhalten eine Kombination aus chemischen und biologischen Prozessen", sagt Associate Professor Stephen Bell von der School of Physics, Chemistry and Earth Sciences der Universität.
"Hohe Temperaturen, hoher Druck, starke Säuren und giftige Lösungsmittel werden eingesetzt, um die Polymere im Abfallstrom aufzubrechen.
Die wertvollen Verbindungen, die in den Abfällen eingeschlossen sind, werden dann extrahiert und einer weiteren chemischen Verarbeitung bei Temperaturen von über 400 °C unterzogen, um das Lignin zu "verwerten". Diese Verfahren sind teuer und umweltschädlich".
Lignin aus Laubholz besteht aus zwei chemischen Schlüsselkomponenten, die verarbeitet werden müssen, um nützliche Verbindungen herzustellen.
Forscher hatten zuvor ein Enzym entdeckt, das zum Abbau einer dieser Verbindungen verwendet werden konnte, die auch in Nadelholz vorkommt, aber es war noch kein biologischer Abbauprozess gefunden worden, der die zweite, komplexere Laubholzverbindung nutzen konnte, die etwa 50 Prozent des Abfalls ausmacht.
"Der biologische Abbau von Lignin erfolgt in einem komplexen mikrobiellen Quorum, wobei Pilzenzyme wahrscheinlich die harten Polymere aufspalten und Bakterien die nicht reaktiven kleineren Verbindungen zur Gewinnung von Stoffwechselenergie verarbeiten", so Dr. Whelan.
"Wir haben im Reich der Mikroben festgestellt, dass ein Bodenbakterium, Amycolatopsis thermoflava, Enzyme enthält, die Moleküle aus Lignin kostengünstig verarbeiten können, indem sie Wasserstoffperoxid als Antrieb für die Reaktion verwenden, wodurch die Aufwertung viel weniger umweltschädlich ist.
Das Forschungsteam hat dieses neue Enzym als Modell für die Nachrüstung anderer Enzyme mit der Wasserstoffperoxid-getriebenen Aktivität verwendet, um Ansätze der grünen Chemie der Zukunft für die Erzeugung hochwertiger Chemikalien zu entwickeln, die in der Aromen-, Duftstoff- und medizinischen Chemieindustrie verwendet werden.
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