Zukunftscluster
Syntheseplattform unter Verwendung von Wasserstoff, Hydrogenasen und HydrogelenProjektvolumen
1,182 Mio. €Projektlaufzeit
09/2021 – 09/2024Projektkoordinator
Prof. Nicolas Plumeré
Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit
Technische Universität München (TUM)ESy-Labs Projektleitung
Dr. Tobias Gärtner, ESy
E-Mail: synhydro@esy-labs.de
Motivation
Hydrogenasen sind natürliche Katalysatoren (Enzyme) für die H2-Oxidation zu Protonen und Elektronen. Das grundsätzliche Interesse an Enzymen kann mit deren Verwendung als potenzielle biotechnologische Werkzeuge und als Inspiration für den Bau von effektiveren molekularen Katalysatoren begründet werden. Stand der Technik sind derzeit enzymatische Systeme zur Regenerierung im industriellen Maßstab, wobei z.B. Formiat- oder Glukose-Dehydrogenasen verwendet werden. Allerdings werden bei diesem Prozess kohlenstoffreiche Chemikalien verbraucht und unerwünschte Nebenprodukte erzeugt. Eine alleinig mit H2 als Reduktionsmittel getriebene Cofaktor-Regenerierung könnte eine ideale Lösung darstellen, da sie kohlenstoffhaltige Elektronendonoren, wie Alkohole und Zucker, in der Biotechnologie ersetzt. Somit können ebenfalls die hohen Kosten, die Bildung von Nebenprodukten und die CO2-Emissionen, die mit der Herstellung und Verwendung dieser Elektronendonoren verbunden sind, vermieden und eine einfachere Aufarbeitung der gewünschten Produkte gesichert werden. Technischer Wasserstoff, der als Nebenprodukt verschiedener industrieller Prozesse oder aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt wird, könnte als kostengünstiger und nachhaltiger Elektronendonor verwendet werden.
Ziele und Vorgehen
SynHydro3 verfügt über zwei Hauptziele. Einerseits liegt der Fokus auf der Etablierung einer einzigartigen Biohybridmaterial-Plattform für die nachhaltige Synthese, wobei die katalytisch aktiven Biohybridmaterialien durch technischen Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen, der als Elektronendonor dient, angetrieben und zur nachhaltigen Synthese von Fein- und Spezialchemikalien im industriellen Maßstab genutzt werden. Andererseits wird die Entwicklung biohybrider Systeme angestrebt, die die intrinsischen Vorteile des biologischen Katalysators ausnutzen. Durch maßgeschneiderte Materialien können zusätzliche Eigenschaften verliehen werden, um eine vollständige Kompatibilität mit der industriellen Synthese zu erreichen und dadurch einen Technologiesprung zu ermöglichen. Der Kern des Konzeptes ist es, gleichzeitig O2-sensitive und O2-abhängige Biokatalysatoren in der Synthese von Fein- und Bulkchemikalien einzusetzen und somit kohlestoffreiche (nicht sehr atomökonomische) Elektronendonoren durch Wasserstoff ersetzen zu können. Diese skalierbare Biohybridmaterial-Plattform mit einem definierten modularen Aufbau und einer robusten Leistungsfähigkeit unter Prozessbedingungen stellt somit eine Schlüsseltechnologie für die Nutzung von Wasserstoff als Elektronendonor für die Bioelektrokatalyse dar. Somit besteht sein einzigartiger Mehrwert aus der Skalierbarkeit, Robustheit, Katalysatorausnutzung und Universalität der Anwendungen sowie eine leichte Weiterentwicklung für spezifische Anwendungen aufgrund ihres modularen Aufbaus. ESy-Labs wird sich dabei um die Skalierung aus dem Labor kümmern und einen Prozess für den sicheren Betrieb von H2/O2-Mischungen aufbauen.
Innovationen und Perspektiven
Die Innovation von SynHydro3 besteht in der Skalierbarkeit des Biohybrid-Systems. Das Ziel ist es, die elektrochemische H2-Erzeugung und die Redox-Biokatalyse zu entkoppeln und die H2-getriebene Erzeugung von komplexen Feinchemikalien oder sogar Bulkchemikalien in großem Maßstab zu ermöglichen. Das modulare Biohybrid-System bietet eine universelle Plattform, die die Anwendung jeder Art von H2-getriebenen biokatalytischen Kaskaden in großtechnischen Reaktoren ermöglicht. Die Hydrogel-Matrix bietet eine definierbare zell-ähnliche Umgebung. Die produzierten Mikrodisks sind vielseitig einsetzbar, da jede beliebige Kombination von Enzymen eingebunden werden kann. Die allgemeine Anwendbarkeit und der Mehrwert des Biohybrid-Systems wird anhand von zwei biokatalytischen Modellreaktionen, der anaeroben und aeroben Anwendung, demonstriert. Darüber hinaus werden in SynHydro3 im Rahmen der aeroben Anwendung die biotechnologische Herstellung von Laurinlactam und anderen anspruchsvollen Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen (Fettsäuren auf Pflanzenbasis) als neuartige und technisch relevante Mehrstufensynthese etabliert. Der Mehrwert dieser Innovation für die industrielle Anwendbarkeit ist ausschlaggebend, da sie die Lagerung und Handhabung des Biohybrid-Systems an der Luft ermöglicht ohne weiterhin Inertgas zu benötigen.