Vom Gras zum Sprit in einem Schritt

Bakterien vereinfachen die Umwandlung von Lignozellulose zu Biosprit

16.06.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Rutenhirse wächst auch auf landwirtschaftlich unattraktiven Flächen. Das gentechnisch veränderte Bakterium Caldicellulosiruptor bescii verwandelt die Pflanze effektiv zu Biosprit. (Bildquelle: © SEWilco_wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)
Die Rutenhirse wächst auch auf landwirtschaftlich unattraktiven Flächen. Das gentechnisch veränderte Bakterium Caldicellulosiruptor bescii verwandelt die Pflanze effektiv zu Biosprit. (Bildquelle: © SEWilco_wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)

Flüssiger Biokraftstoff wird bisher vor allem aus den essbaren Teilen einer Pflanze gewonnen. Es ist einfach zu aufwändig und bedarf mehrerer Prozessschritte, die Energie aus den nichtessbaren pflanzlichen Zellwänden zu nutzen. Ein Bakterium kann diesen Prozess jetzt im Alleingang bewältigen. Das könnte den Biosprit der 2. Generation endlich zur Marktreife bringen.

Ein Bakterium soll es richten, die Klimabilanz des Biosprits verbessern und die Kritiker besänftigen. Denn anstatt nur die essbaren Fettsäuren und Kohlenhydrate zu Diesel beziehungsweise Ethanol zu vergären, können modifizierte Bakterien der Art Caldicellulosiruptor bescii nahezu die gesamte Pflanze zu Biosprit verarbeiten. Teure Vorbehandlungen mit Chemikalien und Enzymen entfallen. Das berichteten Wissenschaftler vor kurzem im Journal PNAS.

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Bakterien der Art Caldicellulosiruptor bescii wurden im Tal der Geysire auf der russischen Halbinsel Kamtschatka entdeckt.

Bakterien der Art Caldicellulosiruptor bescii wurden im Tal der Geysire auf der russischen Halbinsel Kamtschatka entdeckt.

Bildquelle: Robert Nunn/wikimedia.org; CC BY-SA 2.0

C. bescii heißt der Wunderknabe und wurde erstmals im Tal der Geysire auf der russischen Halbinsel Kamtschatka isoliert. Das Bakterium liebt hohe Temperaturen, es vermehrt sich am besten bei 80 Grad Celsius. Seine Ernährung basiert auf Zellulose, Hemizellulose und Lignin – was auch die drei Hauptbestandteile der pflanzlichen Zellwand sind. „Wir haben uns dazu entschlossen, einen Organismus zu verwenden, der den schwierigen Teil – also die Verdauung von lignozelluloser Biomasse – bereits kann, und haben dann einen Stoffwechselweg für die Ethanolproduktion eingefügt“, erklärte Autorin Janet Westpheling gegenüber der Zeitschrift The Scientist.

Das Bakterium verfügt jetzt über alle nötigen Enzyme für die ganze Prozesskette

Normalerweise produzieren die kleinen stäbchenförmigen Bakterien Acetat, Laktat und Wasserstoff. Indem die Wissenschaftler das Enzym für die Laktat-Produktion ausschalteten und ein anderes Enzym für die Produktion von Ethanol einfügten, gelang es ihnen, C. bescii zu einer Biospritfabrik umzubauen. Zwischen 70 und 73 Prozent der Gärungsprodukte war Ethanol. Damit sich der Prozess rechnet, muss diese Ausbeute auf 80 bis 85 Prozent gesteigert werden.

Die Wissenschaftler fütterten die gentechnisch veränderten Bakterien unter anderem mit Rutenhirse (Panicum virgatum). Dieses anspruchslose Gras aus Nordamerika wächst auf kargen Böden, die landwirtschaftlich nicht nutzbar sind. Während die heutigen Energiepflanzen bei ihrer Produktion fast genauso viel Energie verbrauchen, wie sie am Ende bereitstellen, kann Rutenhirse auf Grund dieser Anspruchslosigkeit 540% mehr Energie produzieren als bei der Pflege eingesetzt wird. Diese Eigenschaften machen die Rutenhirse zu einer ausgezeichneten Energiepflanze, die den Konflikt zwischen Nahrungsmittel- und Energieproduktion entschärfen sowie die bei der Produktion freigesetzten Treibhausgase verringern kann.

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Auf eines möchten wir nicht verzichten: den fahrbaren Untersatz. Biokraftstoffen der zweiten Generation stellen eine nachhaltige Alternative zum Erdöl dar, allerdings sind sie noch nicht wirtschaftlich. Aber das könnte sich durch die neuen Erkenntnisse der Forschung bald ändern.

Auf eines möchten wir nicht verzichten: den fahrbaren Untersatz. Biokraftstoffen der zweiten Generation stellen eine nachhaltige Alternative zum Erdöl dar, allerdings sind sie noch nicht wirtschaftlich. Aber das könnte sich durch die neuen Erkenntnisse der Forschung bald ändern.

Bildquelle: pictureimpressions/istock/Thinkstock

Der Markt für Biosprit wächst beständig

Denn Biosprit ist nichts anders als Ethanol, der in Europa zu zehn Prozent dem Benzin beigemischt wird. Obwohl der Benzinmarkt dank verbrauchsarmer Autos schrumpft, steigt der Bioethanolverbrauch kontinuierlich an. Laut dem Bundesverband der Deutschen Bioethanolwirtschaft (BDBe) wurden im Jahr 2012 ganze 613.381 Tonnen Bioethanol hergestellt. Ausgangsstoff waren hauptsächlich Industriezuckerrüben und Futtergetreide wie Roggen, Weizen und Triticale. Nicht einmal ein Prozent entstand aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie.

Die effiziente Herstellung von Biosprit aus nichtessbaren Pflanzenteilen ist schon lange der heilige Gral der Bioenergieforschung. Denn zurzeit ist der Prozess noch hoch kompliziert, energieintensiv und wenig vorteilhaft für die Umwelt. Lignin und Zellulose, die einen Großteil der pflanzlichen Biomasse ausmachen, lassen sich nur unter großem Aufwand verarbeiten. Erst muss die Biomasse mit Hitze und Säure vorbehandelt werden, damit die langkettigen und sehr stabilen Moleküle  auseinanderbrechen. Dann befreien Enzyme die Zuckermoleküle aus dem Gewirr von Lignozellulose und schließlich beginnen Mikroorganismen mit der Fermentierung, der Umwandung von Zucker zu Alkohol. Doch die Vorbehandlung und die speziellen Enzyme sind teuer und daher ist der gesamte Prozess unwirtschaftlich.

Die Nutzung von anspruchslosen Gräsern und begabten Bakterien soll jetzt der Produktion von Biokraftstoffen der zweiten Generation neuen Auftrieb verleihen. Als nächstes wollen die Forscher weitere Enzyme in C. bescii ausschalten, die für die Produktion von Sauerstoff und Acetat verantwortlich sind. Dadurch soll die Ethanolproduktion gesteigert und der ökonomische Wirkungsgrad erhöht werden.

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