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Warum haben Wissenschaftler anaerobe Bakterien ausgewählt, um diese drei wichtigen Lösungsmittel herzustellen?
Mit dem Aufkommen erneuerbarer Energien und grüner Technologien sind Wissenschaftler zunehmend daran interessiert, Mikroorganismen zur Herstellung wichtiger Chemikalien zu nutzen. Unter ihnen haben anaerobe Bakterien großes Potenzial bei der Herstellung von Lösungsmitteln wie Aceton, Butanol und Ethanol gezeigt. Dieser als ABE-Fermentation (Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation) bekannte Prozess hat anaerobe Bakterien heute zu wichtigen Produzenten nachhaltiger Chemikalien gemacht.
Dieser Fermentationsprozess wurde erstmals im Ersten Weltkrieg vom Chemiker Chaim Weitzman entwickelt, als große Mengen Aceton für die Herstellung von Militärgütern benötigt wurden.
Ein einzigartiger Aspekt des ABE-Fermentationsprozesses ist die Herkunft seiner Rohstoffe. Bei diesem Verfahren werden häufig Kohlenhydrate wie Stärke und Glukose verwendet, die aus Lebensmittelabfällen und landwirtschaftlichen Nebenprodukten stammen können, wodurch der Produktionsprozess umweltfreundlicher wird.
Wie der Prozess funktioniert
Die ABE-Fermentation wird von einem anaeroben Bakterium aus der Familie der Bacillaceae durchgeführt, insbesondere von Clostridium acetobutylicum als dem am häufigsten verwendeten Versuchsstamm. Der Fermentationsprozess kann grob in zwei Phasen unterteilt werden: Säuregärung und Lösungsmittelgärung. In der ersten Phase wachsen die Zellen schnell und reichern Zwischenprodukte wie Acetat und Butyrat an. Mit sinkendem pH-Wert wechseln die Bakterien in die Lösungsmittelproduktionsstufe. Zu den Produkten dieser Stufe gehören Aceton, Butanol und Ethanol im Verhältnis 3:6:1.
Viele der ersten eingesetzten Technologien wie Gasentfernung, Membranfiltration und Flüssig-Flüssig-Extraktion können die Produktausbeute und -reinheit erheblich verbessern und sind wichtige Schritte zur weiteren Optimierung der Produktion.
Anaerobe Fermentation produziert nicht nur Chemikalien, sondern trägt auch dazu bei, die Abfallerzeugung zu reduzieren und so eine nachhaltige Entwicklung zu fördern.
Historischer Rückblick
Die Geschichte der ABE-Fermentation lässt sich bis zur ersten biologischen Produktion von Butanol durch Louis Pasteur im Jahr 1861 zurückverfolgen. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie sowie den Erfordernissen des Weltkriegs wurde diese Technologie weit verbreitet und in den 1910er Jahren in die Großserienproduktion überführt. Es ist erwähnenswert, dass dieses Verfahren zwar nach dem Krieg durch Petrochemikalien ersetzt wurde, die ABE-Fermentation jedoch wieder an Bedeutung gewinnt, da die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt.
Aktuelle Forschung und Marktaussichten
Angesichts der Nachfrage nach nachhaltigen Kraftstoffen und Chemikalien haben viele Forschungseinrichtungen und Unternehmen begonnen, der ABE-Fermentationstechnologie unter Verwendung anaerober Bakterien Aufmerksamkeit zu schenken. Insbesondere Butanol wird von Wissenschaftlern wegen seines Potenzials als erneuerbarer Kraftstoff bevorzugt. Daten zeigen, dass Biobutanol in Benzinmotoren effizienter genutzt werden kann und ein gutes Transportpotenzial hat.
Die Marktnachfrage nach Butanol steigt von Tag zu Tag und Biobutanol wird voraussichtlich bis 2025 zu einer wichtigen Biokraftstoffalternative werden.
Im Zuge der Entwicklung der Bioenergie beschränkt sich der Einsatz anaerober Bakterien derzeit nicht mehr nur auf ein einzelnes Produkt, sondern strukturiert auch das Produktionssystem einer Vielzahl von Chemikalien und Kraftstoffen neu. Der ABI-Fermentationsprozess könnte einen größeren Beitrag zur künftigen Umweltpolitik leisten.
Innovation und Herausforderungen
Obwohl die ABE-Fermentation viele Potenziale aufweist, steht ihr Produktionsprozess noch vor vielen Herausforderungen. Das Problem der Produkthemmung bedeutet beispielsweise, dass die Aktivität anaerober Bakterien beeinträchtigt wird, wenn die Produktkonzentration ein bestimmtes Niveau erreicht. Daher werden Wissenschaftler weiterhin hart daran arbeiten, die Produktivität zu verbessern, die Kosteneffizienz zu steigern und neue Mikroorganismen zu entwickeln.
Wissenschaftler erforschen Möglichkeiten zur Verbesserung des Produktionsprozesses durch Optimierung des Reaktordesigns, Verbesserung der Rohstoffquellen und Verbesserung der Produktrückgewinnungstechnologie. Experimente zeigen, dass der Einsatz verschiedener Technologien und pflanzenorientierter Ressourcen zur Verbesserung der Produktionseffizienz und Produktreinheit aktuelle Herausforderungen effektiv bewältigen kann.
Schlussfolgerung
Der dringende Bedarf der Gesellschaft an nachhaltiger Entwicklung und sauberer Energie veranlasst Wissenschaftler derzeit dazu, inhärente Technologien neu zu bewerten und zu entwickeln. Der Einsatz anaerober Bakterien für die ABE-Fermentation entspricht nicht nur der Marktnachfrage, sondern ist auch vorteilhaft für die Umwelt. Unter solchen Umständen müssen wir uns fragen: Wie viele andere unentdeckte Biotechnologien werden unsere Lebens- und Produktionsweise in Zukunft verändern können?
