CO2 ist vorrangig als Klimagas bekannt. Allerdings kann das Gas auch als Ausgangsstoff für viele nützliche Chemikalien sein. Das Problem dabei: Die entsprechenden Reaktionen haben einen relativ großen Energiebedarf. Um Kohlenstoffdioxid zu anderen Stoffen zu veredeln, müssen raffinierte Katalysatorsysteme entwickelt werden. Dann kann CO2 aber sogar als Grundlage für die Gewinnung wertvoller Aminosäuren dienen.


Erderwärmung
Foto: Global Warming. The Earth became the newest Waterworld., Andrea Della Adriano, Flickr, CC BY-SA 2.0

CO2 als Rohstoff für die Produktion von Aminosäuren

Die Nutzung von CO2 als Grundstoff für Reaktionen, an deren Ende ein nützliches Endprodukt steht, ist ein alter Traum der Chemie. Ein Beispiel ist die Reaktion von Methan und CO2, deren Endprodukt Essigsäure ist. Solche Reaktionen können aber nur mit ausgeklügelten Kalalysatorsystemen realisiert werden. Weltweit wird an solchen Systemen geforscht, und die als „dream reactions“ bezeichneten Reaktionen sind näher gerückt. So kann mit Hilfe von CO2 in großindustriellen Maßstäben inzwischen Polyurethan hergestellt werden, ein Grundstoff für Matratzenschaum. Einer Gruppe Chemiker rund um Arne Skerra von der TU München ist nun ein weiterer Coup gelungen: Sie stellten mit mit Hilfe von Enzymen die Aminosäure Methionin her.

Als Ausgangsstoff für ihre Reaktion nutzten die Forscher Methional, was ein natürliches Abbauprodukt von Methionin ist. Unter normalen Umständen entsteht Methional durch den Abbau von Methionin, wobei CO2 abgegeben wird. Bisher war die Annahme, dass diese Reaktion nicht einfach umgekehrt werden kann – außer unter Verwendung von hohem Druck und hohen Temperaturen. Die Münchner Forscher jedoch fanden zwei Enzyme, die bereits bei einem Druck von zwei Bar die Aminosäure aus Methional und gasförmigem Kohlendioxid synthetisieren können. Durch Optimierung der Reaktion konnten die Forscher Ausbeuten von bis zu 40 Prozent erzielen.


Die Entwicklung der Reaktion ging eine Ausschreibung des Chemie-Konzerns Evonik voraus, der einer der größten Methionin-Hersteller ist. Methionin gehört zu den acht für Menschen essentielle Aminosäuren und wird vor allem in großen Mengen für die industrielle Tiermast verwendet. Jährlich werden etwa 10 Millionen Tonnen der Aminosäure produziert, und zwar in einem sechsstufigen Verfahren unter der Verwendung hochgiftiger Blausäure. Um ein sichereres Produktionsverfahren zu finden, wandte Evonik sich bereits vor fünf Jahren an deutsche Universitäten. Skerra und seine Kollegen konnten für ihr Projekt frühzeitig eine Förderung sichern.

Gebundenes CO2 wirkt sich nicht auf das Klima aus

Die Entwicklung ist nicht nur deshalb interessant, weil die Forscher ein neues Verfahren für die Herstellung von Methionin gefunden haben, sondern auch, weil sich so größere Mengen CO2 fixieren ließen. Hierfür ist die Natur ein hervorragendes Vorbild. Bei der Photosynthese wird CO2 von Pflanzen zu organischen Verbindungen aufgebaut. Dabei kommen 14 Enzyme zum Einsatz, und die Ausbeute beträgt etwa 20 Prozent.

Versuche, Kohlendioxid biokatalytisch zu fixieren, gab es in der Vergangenheit mehrfach. Allerdings wurde bei diesen Projekten meist überkritisches CO2 verwendet, was nur unter extrem hohen Druck weiter verarbeitet werden kann. Die Reaktion der Münchner Chemiker dagegen kann unter relativ milden Bedingungen stattfinden. Außerdem könnten über das Verfahren auch andere Aminosäuren biokatalytisch hergestellt werden. Im Moment arbeiten die Forscher daran, ihre Enzyme so zu verfeinern, dass das Verfahren in der industriellen Produktion verwendet werden kann.

Projekte wie das der Chemiker aus München könnte in Zukunft dabei helfen, die Wirkung von CO2 auf das Klima abzuschwächen. Denn in derartigen Reaktionen fixiertes Kohlenstoffdioxid steht nicht mehr als Klimagas zur Verfügung. Wenn das fixierte CO2 noch zur Herstellung wichtiger Aminosäuren beitragen kann – umso besser.

via TUM

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