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News: Überkritisch und umweltfreundlich

Will man den Stoffwechsel lebender Bakterien industriell nutzen, so scheitert dies oft daran, dass die Reaktionspartner nur in organischen Substanzen löslich sind. Jetzt fanden Forscher in überkritischem Kohlendioxid eine Alternative zu den giftigen Lösungsmitteln und dazu ein Bakterium, dass unter diesen Umständen eine der bedeutsamsten Reaktionen katalysiert: die Carboxylierung.
Ohne organische Lösungsmittel sind viele chemische Prozesse unvorstellbar, doch gerade wegen ihres massenhaften Einsatzes in der Industrie sind diese Substanzen zum Teil stark umweltgefährdend. Doch viele Grundstoffe der chemischen Industrie, wie beispielsweise das Pyrrol, lösen sich nur in organischen – und häufig giftigen – Verbindungen.

Nun haben Tomoko Matsuda von der Ryukoku University und seine Kollegen womöglich eine Alternative zu den lebensfeindlichen organischen Lösungsmitteln gefunden: überkritisches Kohlendioxid.

Zu einer überkritischen Phase wird Kohlendioxid, wenn das Gas zunächst verflüssigt und dann bei Drücken über 100 bar auf 31 Grad Celsius erwärmt wird. Unter diesen Umständen zeigt CO2 weder die Eigenschaften einer Flüssigkeit noch die eines Gases. Überkritisches Kohlendioxid findet schon seit langem in vielen industriellen Prozessen Verwendung, beispielsweise bei der Entkoffeinierung oder der Hopfenextraktion.

In vielen solcher chemischen Prozesse kommen biologische Katalysatoren zum Einsatz, die ihren künstlichen Verwandten in der Regel weit überlegen sind. Da solche Enzyme aus bakteriellen Zellen gewonnen werden müssen, streben Chemiker immer mehr danach, die Bakterien selbst die Arbeit machen zu lassen – ähnlich wie lebende Hefezellen Zucker in Alkohol wandeln.

Doch zurück zum Pyrrol, das sich gut in überkritischem Kohlendioxid löst. Pyrrol reagiert im Zuge der Carboxylierung mit Kohlendioxid zu komplexen Verbindungen. Derlei Carboxylierungen – oder CO2-Fixierungen – finden in der Natur beispielsweise im Zuge der Photosynthese statt. Zahlreiche Bakterien sind in der Lage Carboxylierungen im Wasser zu bewerkstelligen, nicht aber in organischen Lösungsmitteln. Die Forscher unter der Leitung von Matsuda stießen nun auch auf ein Bakterium, das eben unter jenen Umständen Pyrrol zu carboxylieren vermag. Bacillus megaterium erträgt in einer überkritischen CO2-Umgebung Drücke von 100 bar und Temperaturen von bis zu 40 Grad Celsius.

Prinzipiell funktioniert dies auch im Wasser, allerdings steigen die Reaktionsraten in überkritischem Kohlendioxid rapide an, was bei der industriellen Nutzung natürlich besonders wichtig ist. Allerdings sind damit noch nicht alle Probleme des umweltfreundlichen Verfahrens ausgeräumt, denn womöglich ist der Einsatz überkritischen Kohlendioxids schlichtweg zu teuer.

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