Kohlendioxid, der Hauptverursacher der globalen Erwärmung, wird als antioxidative Substanz wiedergeboren

Einem Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Lee Soo Youn am Gwangju Clean Energy Research Center des Korea Institute of Energy Research (KIER) ist es gelungen, Kohlendioxid, den Hauptverursacher der globalen Erwärmung, in Carotinoide umzuwandeln, die antioxidative und krebshemmende Wirkungen besitzen. Ergebnisse erschienen in ChemSusChem.

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur erreichten die weltweiten energiebedingten Kohlendioxidemissionen im Jahr 2023 einen Rekordwert von 37,4 Milliarden Tonnen, ein Anstieg von 1,1 % gegenüber dem Vorjahr. Das Land ist auch aufgrund der Kohlendioxidemissionen mit dem Klimawandel konfrontiert, wie der heißeste April seit Beginn der Wetteraufzeichnungen in diesem Jahr zeigt.

Um dieses Problem anzugehen, werden weltweit Technologien zur Kohlendioxidumwandlung entwickelt. Die Technologie zur Umwandlung von Kohlendioxid in hochwertige Chemikalien wie Ethylen und Propylen entwickelt sich zu einer Schlüsseltechnologie zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität, da sie nicht nur die Kohlenstoffemissionen reduziert, sondern auch Produkte erzeugt, die in verschiedenen Branchen eingesetzt werden können.

In jüngster Zeit hat die mikrobielle Elektrosynthese (MES) zur Herstellung von Chemikalien als vielversprechende Methode zur Kohlendioxidumwandlung an Aufmerksamkeit gewonnen. Bei der MES wird typischerweise eine Elektrolytlösung mit Mikroorganismen enthaltendem Wasser hergestellt und Kohlendioxid in dem Elektrolyt gelöst, das die Mikroorganismen dann als Nährstoffe nutzen.

Bei Raumtemperatur und Normaldruck, also unter den Wachstumsbedingungen von Mikroorganismen, ist die Menge an Kohlendioxid, die sich in Wasser löst, jedoch sehr gering. Dies führt zu einem Nährstoffmangel für die Mikroorganismen und hat eine geringe Produktivität der endgültigen umgewandelten Substanzen zur Folge.

Um dieses Problem zu lösen, löste das Forschungsteam den Kohlendioxidabsorber Monoethanolamin (C2H7NO) im Elektrolyten auf, um die für die Mikroorganismen (Rhodobacter sphaeroides) verfügbare Kohlendioxidmenge zu erhöhen. Dieser Ansatz erhöhte den Kohlendioxidverbrauch der Mikroorganismen und steigerte dadurch ihre Energieproduktion, ihr Wachstum und ihre Stoffwechselaktivitäten, was wiederum die Produktionseffizienz der umgewandelten Substanzen verbesserte.

Das Forschungsteam erweiterte zudem die Palette der Umwandlungsprodukte. Während bei der herkömmlichen mikrobiellen Elektrosynthese aufgrund der geringen Kohlendioxidkonzentration Stoffe mit niedriger Kohlenstoffzahl wie Butanol und Ethanol entstehen, können mit der Technologie des Teams Carotinoide mit höherer Kohlenstoffzahl hergestellt werden.

Carotinoide, die für ihre Anti-Aging-Wirkung auf Zellen bekannt sind und in Kosmetika und Nahrungsergänzungsmitteln verwendet werden, werden traditionell durch mikrobielle Fermentation hergestellt. Probleme mit der Sicherheit und der Rohstoffversorgung haben die Produktion jedoch eingeschränkt. Da Carotinoide aus 40 Kohlenstoffatomen bestehen, müssen Mikroorganismen außerdem große Mengen Kohlendioxid verbrauchen, um sie herzustellen.

Durch die Verwendung einer hohen Kohlendioxidkonzentration verbesserte das Forschungsteam die Produktivität im Vergleich zu bestehenden Technologien um etwa das Vierfache und ermöglichte so die Herstellung von Carotinoiden durch mikrobielle Elektrosynthese.

Dr. Lee Soo Youn, der leitende Forscher, erklärte: „Diese Forschung stellt einen neuen Ansatz zur Umwandlung von Kohlendioxid in hochwertige Substanzen durch mikrobielle Elektrosynthese dar. Als umweltfreundliche und vielversprechende „Plattformchemie“-Technologie in den Bereichen Bioenergie und Biochemie wird sie durch die Reduzierung und Wiederverwertung von Treibhausgasen dazu beitragen, Kohlenstoffneutralität zu erreichen.“