Dossier
Neue Technologien zur Energiegewinnung
Nach dem prognostizierten Ende des Erdöl-Zeitalters noch in diesem Jahrhundert drängen fast täglich Meldungen über neue Ansätze alternativer Technologien zur Energiegewinnung an die Öffentlichkeit. Weltweit wird an der industriellen Umsetzung innovativer Konzepte zu erneuerbaren Energien gearbeitet, die eine Sicherung des weltweiten Energiebedarfs angesichts hoher Ölpreise, wachsender Energiebedürfnisse bei gleichzeitig sinkenden Reserven gewährleisten sowie eine Bremsung des Klimawandels beschleunigen soll. Die Biotechnologie ist dabei ein Weg, zur Entwicklung optimierter Verfahren der Gewinnung von Biokraftstoffen beizutragen.
Lignocellulose als Energielieferant
Lignozellulose besteht im wesentlichen aus Cellulose, Hemicellulosen und dem nicht-fermentierbaren Holzstoff Lignin. Während Cellulosen Polymere aus Zuckermolekülen bilden, die mit sechs Kohlenstoffatomen denen der Glukose entsprechen, bestehen Hemicellulosen aus verzweigten Polymeren aus so genannten Pentosen (C5-Zuckern), wie Xylose und Arabinose.
Mit der Gewinnung von Ethanol aus Cellulose ließe sich die doppelte Energiemenge aus der gleichen Anbaufläche erwirtschaften, und zugleich das Spektrum der nutzbaren Biomasse auf wertlose Pflanzen und Pflanzenreste, wie Stroh, Chinaschilf (Switchgrass) und Landwirtschaftsabfälle erweitern. Dadurch könnte die Kraftstoffproduktivität pro landwirtschaftlicher Flächeneinheit enorm gesteigert und in Bezug auf Rapsdiesel sogar mehr als verdoppelt werden.
Die Nutzung von Lignocellulose als Treibstoff ist allerdings kompliziert und erfordert prinzipiell zwei Umwandlungsschritte, nämlich die Aufspaltung der langen Zellulosemolekülketten in die einzelnen Zuckermoleküle und die darauf folgende Fermentation des Gemisches aus Glukose, Xylose und Arabinose zu Ethanol.
Gewinnung von Bioethanol aus der Lignozellulose von Pflanzenabfällen. Die Lignozellulose wird über eine Säurebad und Enzyme aufgeschlossen und durch Hefen zu Ethanol fermentiert Der nicht-fermentierbare Holzstoff Lignin kann als Brennstoff verwendet werden.Quelle: FAZ
Gewinnung von Bioethanol aus der Lignozellulose von Pflanzenabfällen. Die Lignozellulose wird über eine Säurebad und Enzyme aufgeschlossen und durch Hefen zu Ethanol fermentiert Der nicht-fermentierbare Holzstoff Lignin kann als Brennstoff verwendet werden. Quelle: FAZ
Die Herausforderung für die Biotechnologen besteht bislang darin, die dafür notwendigen Produktionsschritte zu vereinfachen, denn trotz der Ähnlichkeiten zur herkömmlichen Stärkefermentation, erfordert die Lignocellulose-Fermentation einige komplexe Aufbereitungsschritte und den Einsatz verschiedener Mikroorganismen. So wird Lignozellulose zunächst thermisch und chemisch vorbehandelt, bevor die Verzuckerung mit Hilfe von speziellen Enzymen stattfinden kann. In der Natur übernehmen vor allem Pilze und Bakterien die enzymatische Freisetzung der Zuckermoleküle in der Zellulose, während vor allem Hefearten die Fermentation von Zucker in Alkohol erledigen. Allerdings reagieren Bakterien empfindlich auf die Säure, die zum Zersetzen der Hemizellulose bei industriellen Prozessen hinzugefügt wird, und werden durch die bei der Zersetzung des Pflanzenmaterials freigesetzten Hemmstoffe zusätzlich in ihrer Aktivität gebremst. Die bisher industriell eingesetzte Cellulasen besitzen nur eine geringe Spezifität und sind daher wenig effektiv. Zudem müssen sie in großen Mengen und mit langen Inkubationszeiten eingesetzt werden, was den Prozess unrentabel macht. Gleichzeitig ist die für die Produktion von Ethanol seit Jahrhunderten genutzte und optimierte Bier- und Weinhefe nicht für die vollständige Nutzung aller Zuckermoleküle aus Lignozellulose geeignet. So können diese Hefen Glukose, nicht aber die C5-Zucker Arabinose und Xylose umsetzen, eine wichtige Voraussetzung für einen wirtschaftlich ausgereiften Prozess.
