Ein Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ist Teil eines Forschungsteams, das neue Erkenntnisse darüber wirft, wie man auf die in Pflanzenmaterialien eingeschlossenen Zucker zugreifen kann, um Nebenprodukte in neue Rohstoffe für die Produktion von Kraftstoffen, Materialien und Chemikalien umzuwandeln.
Die Umwandlung von Gräsern, Unkräutern, Holz und anderen Pflanzenresten in nachhaltige Produkte, die normalerweise aus Erdölprodukten hergestellt werden, könnte einer der Schlüssel zur Erreichung der CO2-Neutralität sein.
„Der inhärente Wert von Bioabfällen spielt eine entscheidende Rolle bei der Förderung einer zirkulären Bioökonomie, indem organische Abfälle effizient genutzt werden, um wertvolle Produkte oder Energie zu erzeugen und die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren“, sagte Sankar Raju Narayanasamy, ein LLNL-Physikchemiker.
Narayanasamy arbeitete bei der Forschung mit Kollegen von der University of California, dem Davis College of Agricultural and Environmental Sciences, dem UC Davis College of Engineering und dem Berkeley Synchrotron Infrared Structural Biology (BSISB) Imaging Program am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) zusammen lief von 2018 bis 2023.
Ihre Arbeit, veröffentlicht im Grüne Chemie Zeitschrift soll dazu beitragen, die technologischen Hürden abzubauen und die nachhaltige Umwandlung von Pflanzenmaterial, einschließlich landwirtschaftlicher Nebenprodukte, zu erleichtern.
„Wir wollen Pflanzenreste nutzen, und da draußen gibt es jede Menge Pflanzenabfälle“, sagte Tina Jeoh, Professorin für Bio- und Agrartechnik an der UC Davis.
Narayanasamy, Jeoh und zwei BSISB-Forscher am LBNL verwendeten in Lawrence Berkeley ein Spektromikroskopie-Tool – das sogenannte Synchrotron Fourier Transform Infrarot-Instrument –, um Enzymreaktionen auf Veränderungen in der Umgebung in Echtzeit zu messen. Die Technologie ermöglicht die gleichzeitige Bildgebung und chemische Analyse.
Zucker freisetzen
Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, benötigen für bestimmte Umwandlungen, beispielsweise die Fermentation, Zucker. Günstiger, erneuerbarer und nachhaltiger Zucker, der nicht mit der Lebensmittelnachfrage konkurriert, ist der Schlüssel zu diesem Wandel.
„Diese Zucker sind der Schlüssel zum Aufbau einer Bioökonomie, die auf dem Kreislauf erneuerbaren Kohlenstoffs für Biokraftstoffe, Biochemikalien und Biomaterialien als Alternativen zu Versionen aus fossilen Brennstoffen basiert“, sagte Jeoh.
Die Suche nach einem besseren Weg, Zucker freizusetzen, könnte die Technologie für nachhaltige Produktionsabläufe voranbringen.
„Funktionale biologische Systeme beruhen darauf, dass die Chemie zur richtigen Zeit und am richtigen Ort stattfindet“, sagte Narayanasamy. „Die Verfolgung des Standorts und der Konzentration von Molekülen im Zeitverlauf ist der entscheidende Charakterisierungsschritt für diese biologischen Untersuchungen.
„Die Bestimmung von Ort und Konzentration ist relativ einfach, wenn das interessierende Molekül in hohen Konzentrationen produziert oder über große Gebiete verteilt wird, aber die genaue Charakterisierung einer kleinen Anzahl von Molekülen, die in nativer Biomasse produziert werden, bleibt für viele Forscher eine Herausforderung. Und das wird noch komplizierter.“ wenn es in einer offenen Umgebung ausgeführt werden muss“, sagte er.
Eine Technologieentwicklung und -demonstration durch LLNL- und LBNL-Forscher kombinierte fortschrittliche Fertigungstechniken, Bildgebung, Big-Data-Analyse und hochdichte Mikrofluidik. Es ebnet den Weg für zukünftige Studien am LLNL für bionationale Sicherheitsanwendungen, die eine Hochdurchsatzcharakterisierung von Biomolekülen wie Geweben, Bodenproben und Biomasse in ihrem ursprünglichen Zustand beinhalten.
Die Technologie der BSISB-Bildgebungsressource des Berkeley Lab ermöglicht es Forschern, Infrarotwellenlängen zu analysieren und biochemische Prozesse sowohl örtlich als auch zeitlich zu charakterisieren.
„Es hat tatsächlich vieles von dem bestätigt, was wir zu sehen glaubten, was sehr aufregend ist“, sagte Jeoh.
Mehr Informationen:
Tina Jeoh et al., Raumzeitliche Dynamik von Cellulose während der enzymatischen Hydrolyse, untersucht durch Infrarotspektromikroskopie, Grüne Chemie (2023). DOI: 10.1039/D3GC03279E