13 Oktober 2005

Wenn Autos Stroh und Äste tanken könnten…

Mit der Steigleiter heutiger Treibstoffkosten steigt auch das Interesse der mobilitätsabhängigen Industriegesellschaft an Erdöl-unabhängigen Alternativen. Der in etlichen Variationen geschaffene Sprit aus Pflanzen verspricht in absehbarer Zeit das ökonomische Wunder.

Allerdings verhält sich die Biomasse sperrig, wenn ihre Energie anders als durch Verbrennung genutzt werden soll. Eine Möglichkeit, Pflanzenkraft in Motortreibstoff zu verwandeln, ist die Erzeugung von Bioethanol, welchem eine bessere Energiebilanz als dem Methanol nachgesagt wird. Momentan ist die Gewinnung von Bioethanol als Sprit-Zumischung aus ökonomischer und ökologischer Sicht aber noch sehr optimierungsbedürftig.

Einer jener Forscher, die eine Optimierung auf biologischer Basis vorantreiben, ist Eckhard Boles vom Institut für Mikrobiologie der Universität Frankfurt am Main. In enger Zusammenarbeit mit dem Team von Bärbel Hahn-Hägerdal an der Universität Lund (Schweden) hat seine Arbeitsgruppe einen hoffnungsträchtigen Hefestamm entwickelt. Mit diesem können sogar bislang unbrauchbare Pflanzenteile zu Ethanol gewandelt werden.

Zucker – eine vielschichtige Molekülwelt

Hefen brauchen für eine alkoholische Gärung so genannte Hexosen, dies sind aus sechs Kohlenstoffatomen aufgebaute Zucker wie z.B. Glukose, wie sie auch für den Aufbau von Stärke und Cellulose bekannt sind. Zur Gewinnung von Bioethanol benötigt man üblicherweise pflanzliches Material mit hohem Zucker- oder Stärkegehalt, etwa aus Zuckerrüben und Getreide. Dieser Bioalkohol stammt in diesen Fällen also letztlich vom Acker.

Mehr und mehr wird aber auch auf Rohstoffe gesetzt, welche nicht extra angebaut werden müssen, wie Stroh, Äste, Holz, Altpapier, Kartonagen und häuslichen Bioabfall. Dieses Material enthält neben Lignocellulose und Cellulose auch nennenswerte Anteile von Hemicellulose, welche nicht nur aus Hexosen, sondern auch aus Pentosen aufgebaut ist, Zuckerarten mit fünf Kohlenstoffatomen.

Cellulose kann mittels Enzymen (Cellulasen) in ihre Bestandteile zerlegt und anschließend von Hefen zu Ethanol umgewandelt werden. Leider steht die Hemicellulose einer ökonomischen Umwandlung solcher Rohstoffe in Alkohol im Wege, was an den bei der Spaltung frei gesetzen Pentosen liegt. Der größte Teil hiervon ist Xylose, gefolgt von Arabinose. Diese Zuckerarten kann die für die Ethanolproduktion verwendete Bäcker- bzw. Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae) nicht vergären.

Modifizierte Hefe

Die Mikrobiologen aus Frankfurt und Lund haben daher nach einer Möglichkeit gesucht, die Hefe beim Stoffwechsel genetisch aufzurüsten. Bei einer anderen Hefeart (Pichia stipitis) wurden sie fündig, denn diese enthält Enzyme, die zur Umsetzung von Xylose benötigt werden. Die Wissenschaftler übertrugen die Gene für zwei dieser Enzyme auf Bäckerhefe, welche außerdem zu höherem Wachstum eigener Enzyme modifiziert wurde. Tatsächlich konnte die so veränderte Bäckerhefe daraufhin ohne Weiteres Xylose vergären.

Boles fand heraus, dass der Bäckerhefe auf ähnlichem Wege auch die Fähigkeit zur Verwertung von Arabinose verliehen werden kann. Ein in die Hefe eingesetzter bakterieller Stoffwechselweg mit einem Gen aus Bacillus subtilis und zwei Genen aus Kolibakterien macht dies möglich. Warum nicht gleich Bakterien zur Ethanolgewinnung aus Pentosen nutzen? Leider reagieren Bakterien empfindlich auf diverse Hemmstoffe, welche bei der Umsetzung des Pflanzenmaterials freigesetzt werden, darunter Phenole und Aldehyde. Auch die zugesetzte Säure, die der Auflösung der Hemicellulose dient, schadet den Bakterien, nicht indes der Hefe.

Zwei Hefen – ein Stoffwechsel

Je ein Hefestamm zur Xylosespaltung und einer für die Verwertung von Arabinose wäre unter den Bedingungen im Bioreaktor kritisch gewesen – könnte doch möglicherweise einer der Stämme sich als dominant erweisen, was sich nachteilig auf den Ethanolertrag auswirken würde. Die Forscher versuchten daher, beide Stoffwechselwege in einen einzelnen Hefestamm zu integrieren. Dies Unterfangen ist ihnen jüngst geglückt.

Diese nun mit fünf fremden Genen ausgestattete Hefe ist ein Wunderwerk. Sie erzeugt Alkohol nicht nur aus Hexosen, wie bei der Bäckerhefe üblich, sondern auch aus Xylose und Arabinose. Der Ethanolertrag aus diesen Pentosen beträgt somit etwa 30 bis 40 Prozent und bleibt noch steigerungsfähig, ist Boles überzeugt.

Das Lignin, ein weiterer Bestandteil der Lignocellulose, bleibt indes nicht vergärungsfähig. Dieser abfallende Sekundärrohstoff kann aber über seine Verbrennung einen Teil der Wärme zum Destillieren des Alkohols und zum Heizen des Bioreaktors stellen.

Boles Verfahren zur Ethanolgewinnung aus Lignocellulose ist in den USA bereits viel beachtet, europäische und speziell deutsche Firmen ignorieren dies derzeit noch geflissentlich.

Glücklicherweise sind die für europäische Forschungsförderung zuständigen Stellen in Brüssel dahin gehend zugänglicher. Erst kürzlich startete ein Projekt mit zwanzig Forschergruppen, darunter die um Boles, welche das Potenzial der Ethanolerzeugung aus Lignocellulose weiter ausarbeiten sollen.

Source: FAZ.net vom 2005-10-12.

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