DOI: 10.13140/RG.2.2.12412.71044
Ectoin ist wertvoller Rohstoff für die Kosmetikindustrie und wird in Hauptcremes und zum UV-Schutz verwendet.Seine Synthese folgt mehreren chemischen Umwandlungen basierend auf komplexen Rohstoffen. Das macht seine Herstellung teuer. Bei der Suche nach einfacheren Rohstoffen ist CO₂ besonders interessant.
Unter den aufkommenden Strategien zur Nutzung von CO₂ als Rohstoff hat seine elektrochemische Reduktion zu Brenn- und anderen Rohstoffen erheblich an Aufmerksamkeit gewonnen. In einem älteren Artikel hatten wir bereits über unsere eigenen Versuche berichtet. Zu den einfach herzustellenden Produkten gehört Ameisensäure, die als Zwischenprodukt für mikrobielle Synthese dienen kann. Dies liegt zum einen an der hohen Löslichkeit von Ameisensäure in Wasser seiner reltic hohen Reinheit ohne viele Nebenprodukte und der niedrigen Überspannung bei der CO₂-Reduktion.
Die mikrobielle Synthese von höherwertigen Produkten aus Ameisensäure hat zunehmendes Interesse geweckt. Dies kann man beispielsweise durch geneitsche Veränderungen von Escherichia coli erreichen. Um die elektrochemische CO₂-Reduktion mit der mikrobiellen Synthese zu kombinieren, auch andere Mikroorganismen wie Cupriavidus necator, Methylobacterium extorquens und Essigsäurebakterien untersucht. Als nutzbare Produkte sind Biokunststoffe, langkettige Karbonsäuren, Aminosäuren und Alkohole hergestellt worden.
Diese Bemühungen haben sich jedoch größtenteils auf Massenprodukte oder Vorstufen wie Essigsäure, Ethanol, Butanol, Polyhydroxyalkanoate usw. konzentriert. Das Potenzial für die Synthese von hochwertigen Produkten ist immernoch viel zu wenig erforscht.
Forscher am Umweltforschungszentrum in Leipzig (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung) haben nun einen Machbarkeitsnachweis für die Produktion von Ectoin aus Ameisensäure erbracht und im Fachblatt Engineering in Life Sciences publiziert.
Dazu benutzten sie Methyloligella halotolerans, das die Fähigkeit besitzt mit Ameisensäure als einziger Energiequelle zu wachsen. Die Forscher verglichen die Ectoinproduktion mit vier verschiedenen Substraten: Methanol, Ameisensäure und elektrochemisch hergestellter Ameisensäure aus CO₂.
Die elektrochemische Reduktion von CO₂ an zinnbasierten Gasdiffusionselektroden wurde der biologischen Weiterverarbeitung also vorgeschaltet. Dadurch enstad eine Methanol-Ameisensäure-Mischung. CO₂ wurde in einer Flußzelle mit einer zinnbasierten Gasdiffusionskathode einer Platinanode reduziert. Eine Nafion 117-Protonenaustauschmembran trennte die Kammern. Beide Seiten wurden mit Salzmedium gefüllt, um den ionischen Übergang vor der direkten Einspeisung der Katholyte in die Kultur zu minimieren.
Zudem zeigten die Forscher, daß salzhaltige mikrobiologische Medien als Elektrolytlösung für die kombinierte elektrochemisch-mikrobiologische Synthese verwendet werden konnte. Das ist wichtig, da Salzlösungen eine bessere Leitfähigkeit besitzen.
Diese Studie etabliert Formiat als eine geeignete Kohlenstoffquelle für die Ectoinsynthese im halophilen methylotrophen Bakterium Methyloligella halotolerans. Durch die Verwendung von elektrochemischer Ameisensäure zur Ectoinsynthese zeigten die Forscher, daß salzhaltige Elektrolyte für die kombinierte elektrochemische-mikrobielle Synthese von wertvollen Verbindungen in Elektro-Biorefinieren genutzt werden können.
Substratspezifische Ectoinerträge waren mit Methanol stets höher. Eine Substratmischung aus Ameisensäure und Methanol verbesserte die Aufnahme der Ameisensäure, blieb jedoch hinter reinem Methanol zurück. Das unterstreicht die Bedeutung von zukünftigen Optimierungen der Aufnahme der Ameisensäure durch Mikroorganismen.
Die Optimierung elektrochemischer Parameter, einschließlich verbesserter Pufferung, Elektrolytzusammensetzung und Elektrodenselektivität in salzhaltigen Lösungen, könnte die Ausbeuten weiter steigern. Weitere Fortschritte durch Stammenzüchtung oder genetischen Modifikation, bessere Substratmischungen und die Gewinnung von Ectoin durch schonendere Methoden anstelle von Zellyse könnten die Produktivität erheblich steigern.
Bei Frontis Energy sind wir wie immer gespannt, wie sich die vorgestellte Lösung industriell Skalieren läßt und Produkte wie mikrobielles Ectoin auf Märkten wie den Pharma- und Kosmetikmärkten etablieren.
Kas et al., 2026, Exploring ectoine production from methanol, formate, and electrochemically produced formate by Methyloligella halotolerans, Engineering in Life Sciences, 26:e70063, DOI: 10.1002/elsc.70063
Bild: Pixabay
