Die Bernsteinsäure, oder Butandisäure, ist eine Dicarbonsäure, die für viele Industrien unerlässlich ist, einschließlich der Pharmazie, Kosmetik, Biotechnologie sowie der Herstellung von Kunststoffen, Lösungsmitteln und Lebensmittelzusatzstoffen. In diesem Artikel laden wir Sie ein, zu entdecken, wie Bernsteinsäure durch verschiedene Verfahren hergestellt wird, einschließlich traditioneller chemischer Produktionsmethoden und den neuesten biotechnologischen Fortschritten, die auf mikrobielle Fermentation fokussieren.
Wie wird Bernsteinsäure gewonnen?
Zusammenfassung
Veröffentlicht am 3. Dezember 2024, von Jamal, Doktor der Humanpathologie und Infektionskrankheiten — 8 Minuten Lesezeit
Themen:
Die Bernsteinsäure kann durch chemische Synthese gewonnen werden.
Die Succinsäure wurde lange Zeit über petrochemische Verfahren aus fossilen Ressourcen gewonnen. Zu den gängigsten Methoden gehören die katalytische Hydrierung, die Oxidation von Maleinsäure oder Maleinsäureanhydrid sowie die elektrolytische Reduktion. Beispielsweise ermöglicht die Oxidation von Butan oder Benzol die Bildung von Maleinsäureanhydrid, das dann hydriert wird, um Succinsäure zu erhalten, mit einer weltweiten Produktion von etwa 30.000 Tonnen pro Jahr.
Jedoch haben die Schwankungen der Ölpreise und die mit der Erschöpfung fossiler Ressourcen verbundenen Umweltprobleme dazu geführt, nach nachhaltigeren Alternativen zu suchen. Als Antwort auf diese Herausforderungen liegt der Fokus auf der Produktion von Bernsteinsäure aus erneuerbaren Ressourcen, wie Biomasse.
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Zoom auf die Gewinnung von Bernsteinsäure durch biochemische Synthese.
Die biochemische Synthese von Bernsteinsäure basiert auf einem Fermentationsprozess, der den Krebs-Zyklus nutzt, ein wesentlicher zellulärer Mechanismus. Dieser Prozess verwendet verschiedene Mikroorganismen, darunter Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniciproducens, sowie modifizierte Stämme von Escherichia coli, um Substrate in Bernsteinsäure umzuwandeln.
Die Produktion von Bernsteinsäure durch Fermentation wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel die Art des verwendeten Substrats und die Umweltbedingungen, einschließlich des pH-Werts und der Temperatur, die direkt die Produktionsausbeute beeinflussen. Bedeutende Fortschritte in der genetischen Modifikation von Mikroorganismen haben es ebenfalls ermöglicht, diese Ausbeuten signifikant zu erhöhen. Zum Beispiel, Corynebacterium glutamicum S071 hat eine Produktion von 152,2 g/L Bernsteinsäure unter optimierten anaeroben Bedingungen gezeigt.
Ein jüngster Fortschritt in der Biosynthese der Bernsteinsäure ist die Nutzung von Hefen, wie zum Beispiel Saccharomyces cerevisiae. Im Vergleich zu Bakterien zeigen Hefen eine bessere Toleranz gegenüber niedrigen pH-Werten, nutzen Transporter, um Bernsteinsäure aus den Zellen zu extrahieren und produzieren weniger unerwünschte Nebenprodukte. Darüber hinaus nutzen diese Hefen zelluläre Kompartimente, um die Produktion zu optimieren, insbesondere über den reduktiven Weg des Krebszyklus.
Die verschiedenen Stoffwechselwege, wie die reduzierenden Zweige des Krebs-Zyklus und der Glyoxylat-Zyklus, spielen eine grundlegende Rolle in der Biosynthese der Bernsteinsäure. Diese Wege werden durch Schlüsselenzyme vermittelt, insbesondere die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase, die Pyruvat-Carboxylase und die Acetyl-CoA-Carboxylase. Die Optimierung dieser Prozesse, kombiniert mit der Auswahl neuer mikrobieller Stämme und der Reduzierung der Substratkosten, stellt einen vielversprechenden Ansatz für eine umweltfreundlichere Produktion von Bernsteinsäure dar, die in der Kosmetik verwendet werden kann.
Was sollten wir aus den Methoden zur Gewinnung von Bernsteinsäure behalten?
Hier sind die Schlüsselpunkte zur Produktion von Bernsteinsäure zu beachten:
Vielfalt der Methoden: Bernsteinsäure kann entweder durch chemische Verfahren aus fossilen Ressourcen gewonnen werden oder durch mikrobielle Fermentationsmethoden.
Traditionelle chemische Verfahren: Obwohl die chemische Synthese gut etabliert ist, hat sie Umweltnachteile, insbesondere in Bezug auf fossile Ressourcen.
Biotechnologische Fortschritte: Die mikrobielle Fermentation, insbesondere durch die Verwendung von Hefen, erweist sich als eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Lösung mit erhöhten Erträgen.
Optimierung der Stämme: Die aktuellen Forschungen konzentrieren sich auf die Verbesserung der mikrobiellen Stämme, um die Effizienz der Prozesse zu erhöhen und die Kosten zu senken.
Verminderter Umweltauswirkungen: Die Verwendung von erneuerbaren Substraten, wie Biomasse, trägt zu einer umweltfreundlicheren Produktion bei.
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