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http://www.faz.net/s/Rub163D8A6908014952B0FB3DB178F372D4/Doc~E506BB0DD400E4D3285F62EEC4FFA765B~ATpl~Ecommon~Scontent.htmlKraftstoff
Wenn Autos mit Stroh und ?sten fahren
Von Reinhard Wandtner
12. Oktober 2005
Pflanzen sind Energieb?ndel. In ihnen steckt die durch die Photosynthese geb?ndigte Kraft des Sonnenlichts.
Jedesmal, wenn die Treibstoffpreise hochschnellen, ger?t daher pflanzliches Material wieder st?rker ins Blickfeld der auf Mobilit?t angewiesenen Industriegesellschaft.
Leider gibt sich die Biomasse st?rrisch, wenn man ihr die Energie anders entziehen will als durch blo?es Verheizen im Ofen. Eine der Strategien, Biomasse in Kraftstoff f?r Ottomotoren zu verwandeln, ist die Gewinnung von Bioalkohol. Dabei wird dem Ethanol allgemein eine bessere Tauglichkeit zugeschrieben als dem Methanol. Gegenw?rtig ist die Herstellung von Bioethanol als Benzinzusatz aus ?konomischer und ?kologischer Sicht noch stark verbesserungsw?rdig. Zu den Forschern, die von der biologischen Seite her die Optimierung vorantreiben, z?hlt Eckhard Boles vom Institut f?r Mikrobiologie der Universit?t Frankfurt am Main. Seine Arbeitsgruppe hat in enger Zusammenarbeit mit derjenigen von B?rbel Hahn-H?gerdal an der Universit?t Lund (Schweden) einen vielversprechenden Hefestamm entwickelt. Dieser kann auch jene Bestandteile pflanzlichen Materials zu Ethanol verg?ren, die sich bislang einer solchen Verwertung praktisch entzogen haben.
N?tzliche Zuckermolek?le
Hefen nutzen f?r die alkoholische G?rung sogenannte Hexosen, aus sechs Kohlenstoffatomen aufgebaute Zucker wie die Glukose. Solche Zuckermolek?le sind auch die Bausteine von St?rke und Zellulose. F?r die Herstellung von Bioethanol als Treibstoff setzt man ?blicherweise auf pflanzliches Material mit hohem Zucker- oder St?rkegehalt, etwa auf Zuckerr?ben und Getreide. Der Bioalkohol stammt in diesen F?llen also letztlich vom Acker. Zunehmend richtet sich das Interesse aber auch auf Material, das nicht eigens vom Landwirt erzeugt wird und bei dem es sich nicht um Nahrungsmittel handelt. Es geht dabei um Rohstoffe wie Stroh, ?ste, Holz, Altpapier, Kartonagen und h?uslichen Bioabfall. Solches als Lignozellulose bezeichnetes Material enth?lt neben Zellulose einen betr?chtlichen Anteil sogenannter Hemizellulose. Diese ist nicht nur aus Hexosen aufgebaut, sondern auch aus Pentosen, Zuckerarten mit f?nf Kohlenstoffatomen.
Die Zellulose kann mit Enzymen (Cellulasen) in ihre Zuckerbestandteile zerlegt und somit von Hefen zu Ethanol umgesetzt werden. Als ein gro?es Hindernis, das der ?konomischen Umwandlung solcher Rohstoffe in Alkohol im Wege steht, hat sich aber die Hemizellulose erwiesen. Das liegt an den Pentosen, die bei ihrer Spaltung freigesetzt werden. Der gr??te Teil ist Xylose, gefolgt von Arabinose. Diese Zuckerarten kann die f?r die Ethanolproduktion verwendete B?cker- oder Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae) nicht verg?ren.
Aufger?stete Hefe
Die Mikrobiologen aus Frankfurt und Lund haben daher nach einer M?glichkeit gesucht, die Hefe beim Stoffwechsel genetisch aufzur?sten. F?ndig wurden sie bei einer anderen Hefeart (Pichia stipitis). Diese verf?gt ?ber Enzyme, die f?r die mehrstufige Umsetzung von Xylose erforderlich sind. Sie selbst wandelt die Xylose jedoch nicht in Ethanol um. Die Gene f?r zwei dieser Enzyme ?bertrug man auf die B?ckerhefe und sorgte zudem daf?r, da? deren eigene Enzyme in gr??erer Menge gebildet werden. Tats?chlich vermochte die ver?nderte B?ckerhefe nunmehr Xylose zu verg?ren.
Auf ?hnliche Weise kann man der B?ckerhefe auch die F?higkeit zur Verwertung von Arabinose verleihen, wie Boles herausgefunden hat. Dazu wird in der Hefe ein bakterieller Stoffwechselweg etabliert, indem man sie mit einem Gen aus Bacillus subtilis und zwei Genen aus Kolibakterien ausstattet. Prinzipiell k?nnte man anstelle der Hefe zwar gleich Bakterien zur Ethanolgewinnung aus Pentosen nutzen. Aber hierbei t?rmen sich andere H?rden auf. Bakterien reagieren zum Beispiel empfindlich auf verschiedene Hemmstoffe, die bei der Umsetzung des Pflanzenmaterials freigesetzt werden, darunter Phenole und Aldehyde. Auch die S?ure, die zum Zersetzen der Hemizellulose hinzugef?gt wird, bekommt den Bakterien schlecht. Der Hefe macht die S?ure indessen nichts aus - andernfalls g?be es auch keinen Wein.
Zwei Stoffwechselwege vereint
Mit je einem Hefestamm f?r die Verwertung von Xylose und einem f?r die Verwertung von Arabinose wollten sich die Forscher indes nicht zufriedengeben. Unter den Bedingungen im Bioreaktor k?nnte einer der St?mme schnell die Oberhand gewinnen, was sich nachteilig auf die Ausbeute an Ethanol auswirken w?rde. Daher haben die Forscher versucht, die beiden Stoffwechselwege in ein und demselben Hefestamm zu integrieren. K?rzlich ist ihnen das tats?chlich gelungen. Die mit f?nf fremden Genen - drei stammen aus Bakterien und zwei aus Pichia stipitis - und drei optimierten eigenen Genen ausger?stete Hefe ist ein Multitalent. Sie erzeugt Alkohol nicht nur aus Hexosen, wie das bei der B?ckerhefe ?blich ist, sondern auch aus Xylose und Arabinose. Der Wirkungsgrad von etwa 30 bis 40 Prozent bei der Produktion von Ethanol aus Pentosen ist nach ?berzeugung von Boles noch steigerungsf?hig. Nicht verg?ren l??t sich das Lignin, ein weiterer Bestandteil der Lignozellulose. Dieser beim Erzeugen von Bioethanol ?brigbleibende "Holzstoff" kann aber verbrannt werden und dabei einen Teil der W?rme liefern, die zum Destillieren des Alkohols und zum Heizen des Bioreaktors beim Zerlegen der Hemizellulose ben?tigt wird.
W?hrend in Amerika die M?glichkeiten der industriellen Ethanolerzeugung aus Lignozellulose intensiv erforscht werden, beachten Firmen in Europa und speziell Deutschland das Verfahren nach ?berzeugung von Boles noch zuwenig. Die f?r europ?ische Forschungsf?rderung zust?ndigen Stellen in Br?ssel scheinen mehr Zutrauen zu haben. Gerade ist ein Projekt angelaufen, bei dem zwanzig Forschergruppen, darunter die um Boles, das Potential der Ethanolerzeugung aus Lignozellulose weiter ausloten werden.
