20.08.2008 · Amerikanische Chemiker haben ein kostengünstiges Verfahren entwickelt, mit dem sich aus Cellulose ohne zwischengeschaltete Spaltung und Fermentation direkt Biotreibstoff gewinnen lässt.
Von Uta Bilow
© Markus Hagenlocher
Eine der möglichen Zellulosequellen: Chinaschilf (Miscanthus sinensis)
Biokraftstoffe gelten als umweltfreundliche Energiequelle. In der Tat scheint Ethanol, das durch die Vergärung von Getreide, Zucker oder Mais gewonnen wird, auf den ersten Blick ein guter Ersatz für fossile Treibstoffe zu sein, die beim Verbrennen zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen. Doch der Biosprit verringert zwar die Abhängigkeit von Erdöl, aber andererseits verbraucht er Ackerfläche und lässt die Lebensmittelpreise steigen. Zudem muss seine Energiebilanz, wie eingehende Untersuchungen gezeigt haben, durchaus kritisch betrachtet werden. Daher suchen die Forscher nach anderen Quellen für eine nachhaltige Treibstoffproduktion.
Wenig genutzt wird bislang noch die Cellulose in pflanzlichem Abfall, weil das Umwege erfordert und mit beträchtlichem Aufwand verbunden ist. Einen möglichen Ausweg aus dieser Misere zeigen nun Mark Mascal und Edward Nikitin von der University of California in Davis auf. In der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (doi: 10.1002/ange.200801594) stellen sie ein Verfahren vor, mit dem Cellulose direkt in Biokraftstoffe umgesetzt werden kann. Wie die Forscher berichten, liefert das einfache, kostengünstige Verfahren als Biosprit verwendbare Furanverbindungen in recht hoher Ausbeute.
Ohne Spaltung und Fermentation
Cellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden und damit das mit Abstand häufigste Polysaccharid. Wegen der speziellen Verknüpfung der Zuckerbausteine kann der Mensch Cellulose jedoch nicht verdauen. Insofern ist der Rohstoff für die Nahrungsmittelproduktion belanglos. Allerdings ist auch die technische Spaltung von Cellulose in ihre einzelnen Zuckerbausteine, die dann zu Ethanol fermentiert werden können, ein langsamer und kostenintensiver Prozess. Die amerikanischen Forscher haben nun ein einfaches Verfahren entwickelt, das auf Spaltung und Fermentation verzichtet und stattdessen Cellulose direkt in furanbasierte Flüssigkeiten umwandelt. Diese können direkt als Treibstoff verwendet werden, stellen aber auch einen interessanten Rohstoff für die chemische Industrie dar.
Die beiden Chemiker gaben Cellulose zu einer Lösung von Lithiumchlorid in Salzsäure und mischten das organische Lösungsmittel Dichlorethan dazu. Diese Mischung wurde mehrere Stunden lang auf 65 Grad erhitzt, anschließend wurden die organischen Bestandteile abgetrennt. In der Lösung fanden sich furanbasierte Substanzen, darunter vor allem Chlormethylfurfural. Insgesamt betrug die Ausbeute an umgesetzter Cellulose beachtliche 85 Prozent. Das gewonnene Chlormethylfurfural lässt sich anschließend mit Ethanol zu Ethoxymethylfurfural (EMF) verknüpfen oder mit Wasserstoff zu 5-Methylfurfural umsetzen. Beide Verbindungen weisen eine hohe Energiedichte auf und eignen sich als Kraftstoffe. EMF wurde bereits früher in Mischungen mit Diesel industriell erprobt und als interessant eingestuft.
Zweite Generation von Biotreibstoffen
Chlormethylfurfural kann außerdem ohne großen Aufwand in Hydroxymethylfurfural (HMF) umgewandelt werden. Dieser Verbindung kommt in der chemischen Industrie unter den aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Substanzen eine besondere Bedeutung zu, da sie sich in vielfältiger Weise weiterverarbeiten lässt. Zu den Endprodukten zählen zum Beispiel Kunststoffe wie Polyamide oder Polyester. Bislang wurde zur Herstellung von HMF vorwiegend Glukose verwendet.
Der von Mascal und Nikitin erzeugte Biosprit gehört zur sogenannten zweiten Generation von Biotreibstoffen. Anstatt potentielle Nahrungsmittel wie Mais oder Zuckerrüben zu verarbeiten, nutzt man dabei biogene Rest- und Abfallstoffe wie Cellulose oder Lignin. Diese Kraftstoffe gelten bei Fachleuten wie Edward Rubin vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien als Hoffnungsträger, was die künftige Versorgung mit Biotreibstoffen betrifft. In einem Aufsatz in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 454, S. 841) benennt der Forscher die Faktoren, die zum Erfolg dieser Kraftstoffe beitragen könnten.
Gentechnische Optimierungen der Biomasse
Es gilt unter anderem, diejenigen Pflanzen zu identifizieren, die auch auf kargen Böden in kurzer Zeit viel Biomasse produzieren. Dazu zählen etwa die auch als Präriegras bekannte Rutenhirse sowie Chinaschilf und Pappeln. Eine weitere mögliche Quelle sind Algen. Rubin verweist auf die Fortschritte bei der Entzifferung des Genoms solcher Energiepflanzen, wodurch neben klassischen Züchtungen auch gentechnische Eingriffe zur Optimierung möglich werden. So hat man bereits einzelne Erbanlagen gefunden, die für die Celluloseproduktion verantwortlich sind.
Einer ähnlichen Betrachtung unterzieht Rubin verschiedene Mikroorganismen, die bei der Spaltung der Biomasse und der Umwandlung in Treibstoff hilfreich erscheinen. Der kalifornische Forscher ist davon überzeugt, dass die Fortschritte in der Genomik helfen werden, die wachsende Nachfrage nach Biotreibstoffen einerseits und die Belange von Umweltschutz und Nahrungsmittelproduktion andererseits unter einen Hut zu bringen.
Zukunftsträchtig
Marvin Parsons (mapar)
- 20.08.2008, 13:38 Uhr
Nur durch die gestiegenen Energiekosten möglich
Paul Rabe (heidelpaul)
- 20.08.2008, 16:13 Uhr
Geringe Zukunftsausperspektiven
Horst Trummler (Vandale6906)
- 27.08.2008, 00:20 Uhr
