Kraftstoff Wenn Autos mit Stroh und Ästen fahren

Pflanzen sind Energiebündel. In ihnen steckt die durch die Photosynthese gebändigte Kraft des Sonnenlichts. Jedesmal, wenn die Treibstoffpreise hochschnellen, gerät daher pflanzliches Material wieder stärker ins Blickfeld der auf Mobilität angewiesenen Industriegesellschaft.

Leider gibt sich die Biomasse störrisch, wenn man ihr die Energie anders entziehen will als durch bloßes Verheizen im Ofen. Eine der Strategien, Biomasse in Kraftstoff für Ottomotoren zu verwandeln, ist die Gewinnung von Bioalkohol. Dabei wird dem Ethanol allgemein eine bessere Tauglichkeit zugeschrieben als dem Methanol. Gegenwärtig ist die Herstellung von Bioethanol als Benzinzusatz aus ökonomischer und ökologischer Sicht noch stark verbesserungswürdig. Zu den Forschern, die von der biologischen Seite her die Optimierung vorantreiben, zählt Eckhard Boles vom Institut für Mikrobiologie der Universität Frankfurt am Main. Seine Arbeitsgruppe hat in enger Zusammenarbeit mit derjenigen von Bärbel Hahn-Hägerdal an der Universität Lund (Schweden) einen vielversprechenden Hefestamm entwickelt. Dieser kann auch jene Bestandteile pflanzlichen Materials zu Ethanol vergären, die sich bislang einer solchen Verwertung praktisch entzogen haben.

Nützliche Zuckermoleküle

Hefen nutzen für die alkoholische Gärung sogenannte Hexosen, aus sechs Kohlenstoffatomen aufgebaute Zucker wie die Glukose. Solche Zuckermoleküle sind auch die Bausteine von Stärke und Zellulose. Für die Herstellung von Bioethanol als Treibstoff setzt man üblicherweise auf pflanzliches Material mit hohem Zucker- oder Stärkegehalt, etwa auf Zuckerrüben und Getreide. Der Bioalkohol stammt in diesen Fällen 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, Äste, Holz, Altpapier, Kartonagen und häuslichen Bioabfall. Solches als Lignozellulose bezeichnetes Material enthält neben Zellulose einen beträchtlichen Anteil sogenannter Hemizellulose. Diese ist nicht nur aus Hexosen aufgebaut, sondern auch aus Pentosen, Zuckerarten mit fünf Kohlenstoffatomen.

Die Zellulose kann mit Enzymen (Cellulasen) in ihre Zuckerbestandteile zerlegt und somit von Hefen zu Ethanol umgesetzt werden. Als ein großes Hindernis, das der ökonomischen 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 größte Teil ist Xylose, gefolgt von Arabinose. Diese Zuckerarten kann die für die Ethanolproduktion verwendete Bäcker- oder Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae) nicht vergären.

Aufgerüstete Hefe

Die Mikrobiologen aus Frankfurt und Lund haben daher nach einer Möglichkeit gesucht, die Hefe beim Stoffwechsel genetisch aufzurüsten. Fündig wurden sie bei einer anderen Hefeart (Pichia stipitis). Diese verfügt über Enzyme, die für die mehrstufige Umsetzung von Xylose erforderlich sind. Sie selbst wandelt die Xylose jedoch nicht in Ethanol um. Die Gene für zwei dieser Enzyme übertrug man auf die Bäckerhefe und sorgte zudem dafür, daß deren eigene Enzyme in größerer Menge gebildet werden. Tatsächlich vermochte die veränderte Bäckerhefe nunmehr Xylose zu vergären.

Auf ähnliche Weise kann man der Bäckerhefe auch die Fähigkeit 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 könnte man anstelle der Hefe zwar gleich Bakterien zur Ethanolgewinnung aus Pentosen nutzen. Aber hierbei türmen sich andere Hürden auf. Bakterien reagieren zum Beispiel empfindlich auf verschiedene Hemmstoffe, die bei der Umsetzung des Pflanzenmaterials freigesetzt werden, darunter Phenole und Aldehyde. Auch die Säure, die zum Zersetzen der Hemizellulose hinzugefügt wird, bekommt den Bakterien schlecht. Der Hefe macht die Säure indessen nichts aus - andernfalls gäbe es auch keinen Wein.

Zwei Stoffwechselwege vereint

Mit je einem Hefestamm für die Verwertung von Xylose und einem für die Verwertung von Arabinose wollten sich die Forscher indes nicht zufriedengeben. Unter den Bedingungen im Bioreaktor könnte einer der Stämme schnell die Oberhand gewinnen, was sich nachteilig auf die Ausbeute an Ethanol auswirken würde. Daher haben die Forscher versucht, die beiden Stoffwechselwege in ein und demselben Hefestamm zu integrieren. Kürzlich ist ihnen das tatsächlich gelungen. Die mit fünf fremden Genen - drei stammen aus Bakterien und zwei aus Pichia stipitis - und drei optimierten eigenen Genen ausgerüstete Hefe ist ein Multitalent. Sie erzeugt Alkohol nicht nur aus Hexosen, wie das bei der Bäckerhefe üblich ist, sondern auch aus Xylose und Arabinose. Der Wirkungsgrad von etwa 30 bis 40 Prozent bei der Produktion von Ethanol aus Pentosen ist nach Überzeugung von Boles noch steigerungsfähig. Nicht vergären läßt sich das Lignin, ein weiterer Bestandteil der Lignozellulose. Dieser beim Erzeugen von Bioethanol übrigbleibende "Holzstoff" kann aber verbrannt werden und dabei einen Teil der Wärme liefern, die zum Destillieren des Alkohols und zum Heizen des Bioreaktors beim Zerlegen der Hemizellulose benötigt wird.

Während in Amerika die Möglichkeiten der industriellen Ethanolerzeugung aus Lignozellulose intensiv erforscht werden, beachten Firmen in Europa und speziell Deutschland das Verfahren nach Überzeugung von Boles noch zuwenig. Die für europäische Forschungsförderung zuständigen Stellen in Brüssel 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.