Ethanol als Benzinersatz: Wie Treibstoff effizient aus Holz gewonnen werden kann

Der Einsatz von Bioethanol als Treibstoff reduziert den Ausstoss von Treibhausgasen wie CO2. Heute wird Bioethanol grosstechnisch fast ausschliesslich aus Zuckerrohr oder Maisstärke hergestellt und steht somit in Konkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion. Ethanol kann aber auch aus Lignocellulose wie Holz gewonnen werden, eine Biomasse, die in der Schweiz in potenziell grossen Mengen vorhanden ist.

Technisch ist dieses Verfahren allerdings deutlich schwieriger und darum bisher im grossen Massstab nicht wirtschaftlich. Das Projekt zeigt, dass das bisher bekannte biotechnologische Verfahren verbessert werden kann. Im Zentrum steht dabei die Aufgabe, das reich vorhandene Lignin abzubauen, das die Verzuckerung der Kohlenhydratketten im Holz erschwert. Das gelingt, indem zusätzlich ein Lignin abbauender Pilz in dem Reaktor wächst.

Die Produktion von Biotreibstoffen aus Pflanzen, die potenziell auch als Futter- oder Nahrungsmittel verwendet werden können, ist hierzulande aus politischen Gründen unerwünscht. In relativ grossen Mengen verfügbar ist in der Schweiz aber Holz, das als Rohstoff für sogenannte Biotreibstoffe der zweiten Generation dienen könnte. Allerdings enthält Holz Lignin, einen Stoff, der die enzymatische Spaltung der Cellulose und Hemicellulose in Einfachzucker erschwert. Soll dereinst in der Schweiz in industriellem Massstab Bioethanol aus Holzabfällen produziert werden, muss die Verzuckerung der Cellulose stark vereinfacht und damit günstiger werden.

Ligninreiches Holz wie Buche lässt sich biotechnologisch jedoch schlecht in Ethanol umwandeln. Deswegen erweiterten die Forschenden die bisher eingesetzten Mikroben mit Pilzstämmen, die Lignin besonders effizient abbauen. Diese erlauben es, Ausbeute und Reaktionsrate zu verbessern und den Energieverbrauch im Vorbehandlungsschritt zu reduzieren.

Um das Klima zu schonen und die inländische Ressource Holz besser zu nutzen, macht es Sinn, Benzin und Diesel durch Ethanol aus Holz zu ersetzen. Das untersuchte Verfahren hat das Potenzial, Ethanol nachhaltig und dezentral zu produzieren. Das hat zudem den Vorteil, dass die Transportwege für die benötigte Biomasse kurz bleiben.

Es gelang, aus dem Prozess mit einem möglichst geringen Energieeintrag möglichst viel Zucker und damit Ethanol zu gewinnen. Der Prozess erfolgt zweistufig, um die Ausbeute der Hemicellulose zu maximieren und die Produktion von Inhibitoren zu minimieren.

Schliesslich zeigte ein neu konstruierter 3,6 Liter-Reaktor, dass der Prozess auch in einem Rührkesselreaktor funktioniert und somit in einem Massstab umsetzbar ist, wie ihn die Industrie bevorzugt.

Das Projekt erreichte nicht nur eine höhere Ausbeute, sondern reduzierte auch den Energieinput. Ausserdem führte die Prozessintegration zu einer besseren Wirtschaftlichkeit.

Enhanced direct fermentative production of chemicals from forestry residues in a membrane biofilm reactor by enzymatic in situ delignification