Bakterien als Biokonverter der Kraftstoffherstellung

Der Erfolg von Cellulose-Ethanol wird von den Kosten und der Leistungsfähigkeit der benötigten Enzyme und Enzymsysteme bestimmt werden. Um Bioethanol auf Basis von Lignocellulose kostengünstig herzustellen, sind daher also noch diverse technologische Durchbrüche nötig. Und an denen wird überall in der Welt gearbeitet - auch in Deutschland. Biotechnologen bedienen sich dabei der Methode des Metabolic Engineering, mit der gezielt durch gentechnische Veränderungen der Stoffwechsel mit entsprechenden Enzymen in Mikroorganismen aufgerüstet oder optimiert werden soll, während unerwünschte Eigenschaften abgeschaltet werden. Daneben versuchen die Wissenschaftler durch funktionelle metagenomische Ansätze, Gene von verschiedenen Mikroorganismen zu entschlüsseln, die sich auf einen bestimmten Lebensraum spezialisiert haben. Diese spezialisierten Organismen, beispielsweise aus Öl- und Gasvorkommen, besitzen natürlicherweise einen auf die Bedingungen angepassten Stoffwechsel mit entsprechenden Enzymen, die für biotechnologischen Optimierungszwecken genutzt und in bekannte Mirkoorganismen eingeschleust werden könnten.

In Deutschland arbeitet unter anderem Ekhard Boles von der Universität Franfurt a.M. an optimierten Hefen. Diese Hefen sollen bei der Herstellung von Bioethanol der zweiten Generation eine zentrale Rolle spielen, in dem sie die genetischen Eigenschaften von verschiedenen Hefe- und Bakterienstämmen in einem Hefe-Organismus vereinigen. Die so ausgerüstete Hefe erzeugt damit Alkohol aus Glucose, Arabinose und Xylose. Ein erster Schritt, um die Umwandlung von Biomasse in Ethanol wirtschaftlich zu machen.

Die Initiative GenoMik bündelt die in Deutschland vorhandene Expertise auf dem Gebiet der Genomforschung an Bakterien in drei Kompentenzzentren in Bielefeld, Göttingen und Würzburg. Von den dortigen Universitäten aus werden jeweils rund 20 Kooperationspartner aus Wissenschaft und Forschung koordiniert. Seit 2006 dient die Folgeinitiative GenoMikPlus dazu, kommerziell interessante Ergebnisse für den Markt weiterzuentwickeln. Mehr

Der Mikrobiologe Wolfgang Schwarz von der Technischen Universität München untersucht hingegen das sogenannte Cellulosom, einen Enzymkomplex des anaeroben Bakteriums Clostridium thermocellum, das zu den effektivsten Cellulose-Zersetzern zählt. Das Enzymsystem dieser Bakterien kann bisher nicht industriell hergestellt werden kann. Unterstützt durch eine Förderung des FNR und in Kooperation mit der Merck KGaA will Schwarz im Labor die Wirkung dieser Enzyme mit molekularbiologischen und chemischen Methoden nachahmen und industriell nutzbar machen. Die Arbeiten werden in enger Kooperation mit der Georg-August-Universität Göttingen und der Universität Hamburg durchgeführt.
Ansätze im Auslang: Kanada, Niederlande und USA
Das kanadische Biotech-Unternehmen Iogen verkauft bereits seit 2004 kleinere Mengen Ethanol aus Cellulose, das mit Hilfe genetisch verbesserter Pilze aus Weizenstroh gewonnen wird. Damit ist Iogen weltweit bislang das einzige Unternehmen mit einer Demonstrationsanlage zur Bioethanolproduktion aus Lignocellulose.

Einen Schritt weiter sind amerikanischen Wissenschaftlern um Lee Lynd von der Dartmouth University, denen bereits 2006 die Herstellung eines Hefe-Organismus gelang, der Cellulose in Ethanol umwandelt und offenbar den Bedingungen, die in Fermentationstanks herrschen, standhält. Das daraufhin gegründete Start-Up Unternehmen Mascoma gilt mittlerweile als das Unternehmen mit dem meist versprechenden Ansatz im Bereich der Lignocellulose-Ethanol-Konversion. Bei der Kommerzialisierung wird mit dem niederländischen Unternehmen NEDALCO zusammengearbeitet, dass in den Niederlanden gerade 150 Mio € in den Bau einer Ethanolanlage investierte, die schrittweise auf lignozellulosehaltige Rohstoffe umsteigen soll.

Ausgehend von den Vereinigten Staaten ist weltweit mit enormen Investitionen in Celluloseethanol zu rechnen, falls es gelingt, effektive Verfahren zur Vorbehandlung und Aufschluss der Cellulose für kommerzielle Anwendungen zu entwickeln. Amerika will bis 2030 30% seines Treibstoffverbrauchs durch Ethanol ersetzen. Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) investiert 375 Mio. US Dollar in sechs Cellulose-Ethanolprojekte, die im Rahmen des "Biomass Programms" des US-Department of Energy (DOE) vor allem eine effektive biochemische Konversion von Biomasse in einer Bioraffinerie vorantreiben sollen. In Kooperation mit den großen Enzymherstellern Genencor International und Novozyme Biotech sollen neuartige Aufschlussverfahren, Enzyme und maßgeschneiderte Mikroorganismen für die industrielle Nutzung entwickelt werden.
Lignocellulose in Europa: Projekt NILE
Auch in Europa wird der Lignocellulose zunehmend mehr Beachtung geschenkt. Das Projekt NILE (New Improvement for Lignocellulosic Ethanol) konzentriert sich auf die Entwicklung von Biokraftstoffn der zweiten Generation und wird im Rahmen des 6. Rahmenforschungsprogramms der Europäischen Kommission für vier Jahre mit knapp acht Mio Euro unterstützt. Es vereint 22 Partner aus zwölf Ländern, darunter auch die Arbeitsgruppe um Eckhard Boles an der Universität Frankfurt a.M. sowie das Kölner Biotech-Unternehmen Direvo Biotech AG, und verfolgt das Ziel, die Effizienz der biochemischen Konversion von Lignozellulose in Alkohol zu verbessern. Ziel ist der Bau einer voll integrierten Pilotfabrik, die einen ersten Schritt zu einer künftigen Demonstrationsanlage bilden soll.

In den kommenden Jahren sollen derartige Projekte von der Europäischen Kommission noch stärker gefördert werden. Im siebten Rahmenprogramm ist ein Bioraffinerie-Schwerpunkt mit einem Fördervolumen von 100 Mio Euro vorgesehen.