Cellulose-Ethanol
Kein Artikel, sondern redundantes Essay. Codeispoetry 19:34, 19. Apr. 2007 (CEST)
Ethanol, der aus pflanzlichen Abfällen hergestellt wird, wird als Zellulose-Ethanol oder Lignozellulose-Ethanol bezeichnet. Wie der herkömmliche Ethanol-Kraftstoff ist er ein hervorragender Autotreibstoff, der durch Vergärung von pflanzlichen Abfallstoffen gewonnen werden kann. Im Gegensatz zum herkömmlichen Ethanol-Kraftstoff besitzt Zellulose-Ethanol eine deutlich bessere CO2-Bilanz und konkurriert nicht mit der Lebensmittelindustrie. Allerdings befindet sich die Herstellung von Lignozellulose-Ethanol Prozessen noch in der Entwicklung.
Ethanol aus lignocellulosischer Biomasse
Bioethanol ist Alkohol, der durch Fermentation aus Zuckern mit Hilfe von Mikroorganismen gewonnen wird. Im Allgemeinen wird dazu die Hefe mit dem wissenschaftlichen Namen Saccharomyces cerevisiae eingesetzt. Die Zucker stammen aus Pflanzen, die durch den Prozess der Photosynthese die Energie des Sonnenlichtes ausnutzen, um aus Kohlendioxid (CO2) ihre organischen Bestandteile aufzu-bauen. Die Zucker können in Form von Stärke (z.B. Getreidekorn, Kartoffel) oder Saccharose (z.B. Zuckerrübe, Zuckerrohr) gespeichert werden, oder sie werden in Strukturbestandteile (z.B. Zellulose) umgewandelt, die der Pflanze ihre Form und Stabilität verleihen. Heutzutage wird Bioethanol vornehmlich durch Vergärung von Saccharose (brasilianisches Zuckerrohr) oder Stärkehydrolysaten (Mais, Getreide) gewonnen. Nach Destillation und Trocknung kann Ethanol dann als Autokraftstoff eingesetzt werden.
Bioethanol aus Getreide kann nur eine Übergangslösung darstellen. Zum einen ergibt sich dabei eine Konkurrenz zum Lebensmittelmarkt. Zum anderen stehen die nur begrenzten Anbauflächen und die ökologischen Probleme bei der notwendigen Intensivierung der Landwirtschaft einer großflächigen Produktion von auf Stärke basierendem Ethanol entgegen. Der einzige Ausweg aus diesem Dilemma ergibt sich bei der Nutzung von pflanzlichen Reststoffen, wie Stroh, Holzresten oder Landschaftspflegegut, die zudem noch äußerst billig zu haben sind, oder aus dem Anbau von Energiepflanzen wie Switchgras oder Miscanthus, die keiner intensiven landwirtschaftlichen Bewirtschaftung bedürfen und auch auf minderwertigen Böden wachsen.
Pflanzenreste oder Energiepflanzen besitzen nur wenig Stärke oder Saccharose sondern enthalten Zucker in Form von Lignocellulosen in ihren Zellwänden eingelagert. Lignocellulosen bestehen aus Cellulose, Hemicellulosen und dem nicht fermentierbaren Lignin („Holzstoff“). Cellulose ist wie die Stärke ein Polymer aus Zuckermolekülen mit sechs Kohlenstoff-atomen, der Glucose, die zu langen Ketten miteinander verknüpft sind. Beide unterscheiden sich nur in der Art der Verknüpfungen. Hemicellulosen bestehen zum größten Teil aus Zuckern mit fünf Kohlenstoff-atomen, Xylose und Arabinose, die in verzweigten Ketten aneinandergelagert werden. Um aus Lignocellulose Bioethanol herstellen zu können, müssen zunächst die Cellulose und die Hemicellulosen in die einzelnen Zucker gespalten werden. Das geschieht mit Säuren und speziellen Enzymen. Danach müssen die Hefen das Gemisch aus Glucose, Xylose und Arabinose zu Ethanol fermentieren. Die Fermentation, Destillation und Trocknung geschieht analog zum klassischen Ethanol-Kraftstoff Prozess.
Trotz der großen Ähnlichkeiten in der Stärke- und Lignocellulose-Fermentation galt es bei der letzteren zunächst einige Probleme in den Griff zu bekommen. Zunächst muss die Lignocellulose verflüssigt und verzuckert werden. Dieses ist deutlich schwieriger als bei der Stärke, da die Zuckerketten nur schwer zugänglich sind. Das Pflanzenmaterial muss deshalb zunächst chemisch oder thermisch vorbehandelt werden. Erst dann kann die Verzuckerung mit Hilfe von speziellen Enzymen (Cellulasen, Xylanasen, Glucosidasen) geschehen, die analog den Amylasen bei der Stärke die Celluloseketten in Glucose spalten. Diese Enzyme werden aus Pilzen gewonnen, die in der Natur an der Verrottung von Pflanzenresten beteiligt sind. Da wesentlich mehr Enzyme als bei der Stärkeverzuckerung benötigt werden, führt dies zu erhöhten Kosten. Forschungsanstrengungen haben hier in den letzten Jahren jedoch zu einer deutlichen Kostenreduzierung geführt. Der zweite wesentliche Unterschied liegt darin, dass in der Lignocellulose nicht wie in der Stärke nur Glucose als Zuckerbaustein vorhanden ist, sondern auch andere Zucker wie Xylose und Arabinose. Diese können jedoch von den zur Ethanolproduktion verwendeten Hefen nicht genutzt werden. Es müssen also speziell gezüchtete Hefen eingesetzt werden, die neben der Glukose auch die anderen Zucker zu Ethanol vergären können. Dies wird unten noch im Detail beschrieben.
Ein dritter Unterschied sind toxische Stoffe, die bei der chemischen Vorbehandlung des Pflanzenmaterials entstehen (z.B. Furfurale). Diese Inhibitoren schädigen die bei der Fermentation eingesetzten Mikroorganismen und sollten vorher entfernt werden. Dies verursacht zusätzliche Kosten. Ein Ausweg ist es, Inhibitor-tolerante Hefen einzusetzen. Ein vierter wesentlicher Unterschied ist das niedrigere Raumgewicht von Pflanzenabfällen, d.h. die niedrigere Energiedichte gegenüber Getreide- oder Maiskörnern. Dieses bedeutet erhöhte Transportkosten und einen erhöhten Lagerraumbedarf. Dieses Problem könnte jedoch durch effizientere Presstechniken, den Transport von bereits zerkleinertem Material und kleineren, dezentralen Produktionsanlagen gelöst werden.
Vergärung der C5-Zucker Xylose und Arabinose
Wie bereits oben angeführt, besteht die pflanzliche Biomasse zu einem Großteil aus Zuckern mit sechs und solchen mit fünf Kohlenstoffatomen (C6- und C5-Zucker). In der Natur gibt es nun jedoch keine geeigneten Organismen, die alle diese Zucker vollständig zu Ethanol vergären könnten. Aus diesem Grunde bedurfte es einiger Anstrengungen, um einen Mikroorganismus zu züchten, der alle Zucker mit hoher Ausbeute zu Ethanol vergären kann.
Wie wichtig die Umsetzung aller Zucker für eine wirtschaftliche Vergärung von pflanzlicher Biomasse ist, sei hier am Beispiel von pflanzlichen Abfällen wie z.B. Stroh gezeigt. Stroh enthält etwa 32 % Glucose, 19 % Xylose und 2,4% Arabinose. In 1 t Stroh sind also 320 kg Glucose enthalten. Bei einer vollständigen Vergärung entstehen daraus etwa 160 kg Ethanol, was einem Volumen von 200 l entspricht. Die vollständige Vergärung des Pentosezuckers Xylose ergibt entsprechend zusätzliche 124 l Ethanol pro Tonne Stroh. In der Praxis kann man in Deutschland von einem Netto-Strohertrag von 2,8 t Trockenmasse pro Hektar und Jahr ausgehen. Insgesamt werden in Deutschland z.Z. etwa 12 Mio. Hektar Land als Ackerfläche genutzt. Würde nun etwa die Hälfte der vorhandenen Abfälle in Ethanol vergoren, so könnten pro Jahr aus der gebundenen Glucose etwa 3 Mrd. Liter Ethanol gewonnen werden. Die Vergärung der in den Pflanzenabfällen vorhandenen Xylose ergäbe zusätzliche 2 Mrd. Liter Ethanol. Selbst die prozentual gesehen recht kleine Menge an Arabinose lieferte immerhin noch 250 Mio. Liter Ethanol. Da die Margen in einem Markt wie den Biokraftstoffen recht eng sind, ist es für einen wirtschaftlich sinnvollen Prozess essentiell, möglichst alle vorhandenen Zuckerarten in Ethanol umzuwandeln.
In der traditionellen Ethanol-Kraftstoff Produktion werden ausschließlich Hefen vom Typ Saccharomyces eingesetzt. Das sind die gleichen Hefen, die auch zur Herstellung von Brot, Bier und Wein dienen. Hefen haben gegenüber Bakterien den Vorteil, dass ihre Handhabung in industriellen Prozessen schon seit Jahrhunderten etabliert ist. Darüber hinaus sind sie auch wesentlich widerstandsfähiger und robuster. Aus diesem Grunde bieten sie sich hervorragend für die Produktion von Ethanol aus Lignocellulose an. Ihr großer Nachteil ist jedoch, dass sie nur die C6-Zucker aber nicht die C5-Zucker vergären können.
Verschiedene Forschergruppen aus Europa und den USA haben in den letzten Jahren Hefestämme züchten können, die auch C5-Zucker zu Ethanol vergären. Aus dem Erbmaterial der Hefe lässt sich ablesen, dass diese früher einmal in der Lage war, C5-Zucker zu verwerten. Sie hat diese Eigenschaft allerdings im Laufe ihrer Evolution wieder verloren. Mit Hilfe moderner biologischer Verfahren gelang es nun jedoch, den Hefezellen diese Eigenschaft wieder zu verleihen bzw. sie sogar deutlich zu verbessern. Dazu wurde ihnen gezielt das entsprechende Erbmaterial aus anderen Hefen, Pilzen und Bakterien angeboten. Solch ein so genannter horizontaler Gentransfer ist in der Natur ein normaler Prozess, und hat über die Jahrmillionen zu der Vielfalt an Organismen geführt, die wir heute kennen. Auch die Hefezellen besitzen von Natur aus Erbmaterial, das sie im Laufe ihrer Entwicklung von anderen Organismen erworben haben. Im Falle der C5-Zucker vergärenden Hefen konnte dieser Prozess nun in einer deutlich verkürzten Zeit nachgestellt werden. Dabei sind Hefezellen entstanden, die sowohl C6- als auch C5-Zucker vergären können.
Im Falle des C5-Zuckers Xylose wurden dazu zwei verschiedene Strategien angewandt. Wissenschaftler der Universität Lund in Schweden nutzten einen zweischrittigen Mechanismus (Xylose-Reductase/Xylitol-Dehydrogenase aus Pichia stipitis) aus, um Xylose in den Stoffwechsel der Hefe einzuschleusen. Die selben Wissenschaftler und solche der Technischen Universität Delft aus den Niederlanden konnten kürzlich aber auch erfolgreich Hefen züchten, die Xylose direkt in einem Schritt mit Hilfe des Enzyms Xylose-Isomerase in ihren Stoffwechsel integrieren und zu Ethanol vergären können.
Im Falle des C5-Zuckers Arabinose stellte sich der häufig in Pilzen zu findende 5-stufige Abbauweg in den Saccharomyces-Hefen als wenig geeignet heraus. Dagegen konnte an der Universität Frankfurt erfolgreich ein 3-stufiger Stoffwechselweg etabliert werden, der sonst nur in Bakterien zu finden ist. Integrierte man diesen Stoffwechselweg in die Hefen und zwang sie dann mehrere Monate lang, Arabinose als einzige Energiequelle zu nutzen, dann entwickelten sich tatsächlich Hefestämme, die neben der Glucose auch Arabinose vergären konnten. Zusammen mit den Forschern der Universität Lund wurde dann eine Hefe gezüchtet, die alle Zucker, also Glucose, Xylose und Arabinose zu Ethanol vergären kann.
Als nächstem Schritt gilt es nun, die im Labor erzielten Erfolge für den industriellen Einsatz weiterzuentwickeln. Die im Laboralltag benutzten Hefestämme sind zwar sehr gut geeignet, die verschiedenen Vergärungsstrategien zu erforschen, sie sind jedoch meist für industrielle Anwendungen weniger brauchbar. Zum einen sind die Laborhefen nicht stabil genug und verlieren ihre erworbenen Fähigkeiten sehr schnell wieder, zum anderen sind sie zu empfindlich gegenüber toxischen Substanzen (Furfuralen), die bei der chemischen Vorbehandlung des Pflanzenmaterials entstehen. Die Weiterentwicklung in den industriellen Maßstab geht jedoch an den Aufgaben der Universitäten und Forschungseinrichtungen vorbei. Hier bedarf es privatwirtschaftlicher Anstrengungen.
Ausblick
Insgesamt bleibt also festzuhalten, dass alle wesentlichen Voraussetzungen für einen Lignocellulose-Ethanol Prozess vorhanden sind. Nun gilt es nur noch, diesen in die Wirklichkeit zu überführen. Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) hat in einer Studie die Kosten für Lignocellulose-Ethanol aus Abfallstroh auf etwa 60 Cent pro Liter geschätzt. Das ist nur wenig mehr als die Kosten für Stärke-Ethanol. Außerdem sind es nur Schätzungen, da es noch keine industrielle Produktion gibt. Ebenso sind darin keine steuerlichen Vergünstigungen, Fördermittel und sonstigen Subventionen berücksichtigt. Die wahren Kosten wird erst die erste kommerziell betriebene Anlage zeigen. Die größten Kosten sind immer noch die Enzymkosten zur Celluloseverzuckerung. Enzymhersteller verweisen jedoch darauf, dass es bereits kostengünstige Prozesse für effektivere Enzyme gibt, es aber nicht lohnt, sie zu produzieren, weil keine Nachfrage da ist. Erst wenn die ersten kommerziellen Anlagen laufen, wird die Nachfrage steigen und die Enzyme werden billiger werden. Erst dann wird man auch sehen, wie sich die neu gezüchteten Hefen unter diesen Bedingungen verhalten. Auch wenn vielleicht die C5-Zuckervergärung zunächst noch nicht optimal verläuft, so können alle Hefen die C6-Zucker bereits vollständig vergären. Und sobald verbesserte, kostengünstige Enzyme und Hefen da sind, lassen sich diese in jeder Anlage jederzeit problemlos austauschen. Die Frage scheint also nicht länger zu sein, ob sondern wann die erste im kommerziellen Maßstab betriebene Lignocellulose-Ethanolanlage in Betrieb gehen wird.
Die oben gemachten Berechnungen zur Produktion von Lignocellulose-Ethanol aus Reststroh bedeuten faktisch, dass allein aus der Hälfte des Reststrohs von deutschen Äckern etwa 15% des in Deutschland verbrauchten Benzins in Form von Lignocellulose-Ethanol substitutiert werden könnten.