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Biokraftstoff der nächsten Generation – wirtschaftlich und klimafreundlich

Wie von Fachleuten geschätzt wird, reichen unsere Energiereserven in Form von fossilen Brennstoffen nur noch maximal 200 Jahre. Nach Alternativen wird daher mit Nachdruck gesucht. Beispielsweise ist es heute schon möglich, Biokraftstoffe herzustellen, die einmal bis zu 20 Prozent unseres Treibstoffbedarfs decken könnten. Solche Treibstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sind zwar grundsätzlich eine gute Alternative zum Erdöl, allerdings sprechen Kritiker von einer Konkurrenz zwischen „Tank“ und „Teller“ – also zwischen Biokraftstoffen und Nahrungsmitteln, wenn Ausgangsstoffe wie Getreide oder Zuckerrüben verwendet werden. Die Produktion aus anderem Ausgangsmaterial, das nicht zum Verzehr geeignet ist, ist derzeit noch teuer und unwirtschaftlich. Der Biotechnologe Prof. Dr. Ralf Kölling forscht mit seinem Wissenschaftlerteam an der Universität Hohenheim an einem neuen kontinuierlichen Verfahren zur effizienten Bioethanol-Herstellung, das die bisherigen Schwächen der Biokraftstoff-Produktion beheben soll.

Prof. Dr. Ralf Kölling entwickelt an der Universität Hohenheim ein neues kontinuierliches Verfahren zur effizienten Herstellung von Bioethanol einer neuen Generation. © Universität Hohenheim

Bioethanol, ein Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen, gilt als klimafreundlich und damit als gute Alternative zu fossilen Brennstoffen. Trotzdem ist die Produktion des alternativen Kraftstoffs bislang noch sehr umstritten. Der Grund dafür ist, dass für die Herstellung von Bioethanol der sogenannten ersten Generation stärkehaltige Ausgangsstoffe aus Getreide oder Zuckerrüben verwendet werden und damit eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion entstehen kann, was auch oft als „Teller-Trog-Tank-Konflikt“ bezeichnet wird. Verwendet man jedoch andere als die bislang üblichen Rohstoffe, wird die Produktion teuer und damit unwirtschaftlich.

Um die Probleme, die aktuell noch mit der Bioethanol-Herstellung verbunden sind, bald lösen zu können, arbeitet Prof. Dr. Ralf Kölling mit seinem Forscherteam am Fachgebiet Hefegenetik und Gärungstechnologie der Universität Hohenheim an Biokraftstoffen einer zweiten Generation. Das Ziel der Biotechnologen dabei ist es, ein kontinuierliches Verfahren mit genveränderten Hefen zu entwickeln, mit dem Bioethanol erheblich kostengünstiger hergestellt werden kann, und das zudem Cellulose als Ausgangsstoff verwendet und damit keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion darstellt. Biokraftstoffe der zweiten Generation werden aus anderen Rohstoffen hergestellt als die Treibstoffe aus stärkehaltigem Ausgangsmaterial der ersten Generation, nämlich aus cellulosehaltigen Reststoffen aus Stroh, Grünpflanzen, Holz oder anderen Pflanzenabfällen.

Cellulose aufschließen – schwierig und teuer

Pflanzenabfälle (Lignocellulose-Material), aus denen Biokraftstoff gewonnen werden kann, vor der Behandlung durch hohe Temperatur, hohen Druck oder mit Säure. © Universität Hohenheim

In der Bioethanol-Forschung kann das Hohenheimer Fachgebiet bereits auf eine lange Tradition aus über 30 Jahren wissenschaftlicher Expertise zurückgreifen. Zunächst verwendete man Stärke aus Getreide- oder Maiskörnern, die im Gegensatz zur Cellulose sehr leicht zugänglich ist und anschließend durch Hefepilze zu Bioethanol vergoren wird. „Aber diese Inhaltsstoffe essen wir, wir wollen sie nicht zur Kraftstoffherstellung verwenden“, erklärt Kölling. „Deshalb versuchen wir jetzt, den Rest der Pflanzen zu nutzen, den Menschen und Tiere nicht als Nahrungsmittel verwerten können. Zum Beispiel enthalten Pflanzenstängel ja auch Zucker, nur ist dieser anders verknüpft.“ In den Pflanzen ist Cellulose in den Zellwänden zu finden, dazwischen ist Lignin eingelagert, das für die Bioethanol-Produktion zwar wertlos ist, aber als Brennstoff verwendet werden kann. Diese Konstruktion gibt der Pflanze Festigkeit und erfordert daher auch ganz andere Verfahren, um den Zucker für die Ethanol-Vergärung zu gewinnen. „Hierzu brauchen wir spezielle Enzyme, die sehr teuer sind, sodass das Verfahren noch nicht konkurrenzfähig mit der Ethanol-Herstellung der ersten Generation ist“, so der Biotechnologe.

Bei den derzeit gängigen Standardverfahren zur Herstellung von Cellulose-Ethanol wird das Pflanzenmaterial in einem sogenannten Pretreatment zunächst mit Hilfe von hohem Druck, hohen Temperaturen oder Säure hart bearbeitet, um dann in einem zweiten Schritt durch enzymatische Hydrolyse mit Hilfe von Cellulasen die Glucose zu gewinnen. „Dieser zweite Schritt ist ein zentraler Punkt für die Herstellungskosten des Biokraftstoffs“, sagt Kölling. „Die dafür benötigten Enzyme sind teuer – dahinter stehen große Konzerne, die diese vermarkten.“ Die gewonnene Glucose wird dann mit Hilfe von Hefen zum Bioethanol vergoren.

Enzyme werden von Hefen selbst produziert

Lignocellulose-Material nach dem Pretreatment. © Universität Hohenheim

Mit einem ganz neuen Ansatz wollen die Hohenheimer Wissenschaftler nun ein kontinuierliches Verfahren zur effizienten Bioethanol-Herstellung entwickeln. Unterstützt wird das Projekt, das zunächst auf drei Jahre angelegt ist, unter anderem von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR). „Für die neue, alternative Kraftstoffproduktion wollen wir versuchen, eine Methode zu etablieren, bei der der zweite und der dritte Schritt des Standardverfahrens gleichzeitig ablaufen“, berichtet der Biotechnologe. Die erforderlichen Enzyme sollen von den Hefen selbst produziert werden. Hierfür wollen die Forscher die Hefezellen mit Hilfe von gentechnischen Methoden so verändern, dass diese die Enzyme dann in Form eines Proteinkomplexes auf ihrer Oberfläche präsentieren: Cellulosomen nennt man solche Anhänge auf der Zelloberfläche, die alle zum Celluloseabbau nötigen Enzyme enthalten. „Man kann sich das vorstellen wie die Steckerleiste einer Steckdose, in die die Enzyme nach Bedarf eingesteckt werden können“, erklärt der Professor. „Die Hefen können dann an die Cellulose andocken und sie in parallelen Prozessen sowohl zur Glucose abbauen als auch gleichzeitig mit der Bioethanolproduktion beginnen. Das hat den großen Vorteil, dass viele Enzyme an einem Ort sind und wir die Synergieeffekte für unser Verfahren nutzen können.“

Großes Ziel: kontinuierlich arbeitender Bioreaktor

Lignocellulose-Material nach der enzymatischen Hydrolyse © Universität Hohenheim

Derzeit sind die Biotechnologen damit beschäftigt, Cellulasen aus verschiedenen Zellen in den Hefen zu exprimieren. Parallel zu diesen molekularbiologischen Forschungsarbeiten sind die Institutskollegen um PD Dr. Thomas Senn dabei, das Verfahren technisch umzusetzen. Sie bauen den passenden Reaktor, der ein kontinuierlich arbeitendes System sein soll: „Consolidated Bioprocessing“ nennt man diese Technologie, wenn mehrere biologische Ereignisse in einem einzigen Bioreaktor stattfinden können. Ein solcher kontinuierlich arbeitender Bioethanol-Reaktor, der die verschiedenen Arbeitsschritte der Bioethanol-Produktion in einen einzigen zusammenzufassen soll, ist auch in Hohenheim das große Ziel. „Wir stellen uns den Bioethanol-Reaktor als möglichst einfaches System vor, in das die Ausgangsstoffe auf der einen Seite hineingegeben werden und auf der anderen Seite Bioethanol herauskommt“, so Kölling. Ziel der Forscher ist es, am Ende der drei Förderjahre einen Prototyp der kontinuierlich arbeitenden Anlage fertiggestellt zu haben.

Weltweit werden derzeit auch schon andernorts Versuche unternommen, Biokraftstoff der zweiten Generation in größerem Maßstab herzustellen. „Gerade in den USA hat sich auf diesem Gebiet schon viel getan, hier wurden riesige Anlagen gebaut“, sagt der Professor. „Aber diese laufen noch nicht, nur sehr wenig Cellulose-Ethanol wird produziert. Es muss massive Probleme gegeben haben, die aber nicht im Detail bekannt sind.“ Und er fügt hinzu: „Das liegt eben daran, dass der Prozess sehr schwierig und im Moment ökonomisch grenzwertig ist. Daher wollen wir mit unseren Forschungsarbeiten einen Prozess schaffen, der sich auch wirtschaftlich rechnet.“

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/biokraftstoff-der-naechsten-generation-wirtschaftlich-und-klimafreundlich