Besonderer Enzym-Cocktail

Synergien für die Biokraftstoffproduktion nutzen

14.05.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Cellulose ist nicht nur ein Rohstoff zur Herstellung von Papier, er kann auch für die Biokraftstoffproduktion genutzt werden. (Quelle: © istockphoto.com / pertusinas)
Cellulose ist nicht nur ein Rohstoff zur Herstellung von Papier, er kann auch für die Biokraftstoffproduktion genutzt werden. (Quelle: © istockphoto.com / pertusinas)

Mikroorganismen, die Cellulose in Zucker aufspalten können, benötigen hierfür spezielle Enzyme. Es gibt dabei allerdings zwei Mechanismen: Entweder werden einzelne Enzyme ausgesondert oder große Multi-Enzym-Komplexe. Sie machen die gleiche Arbeit, nur auf unterschiedliche Weise. Forscher untersuchten nun die beiden Wege und entdeckten, dass sie sich ergänzen können, um Cellulose noch schneller abzubauen. Dies könnte die Produktion von Biokraftstoffen verbessern.

Pflanzliche Biomasse kann als fester, flüssiger oder gasförmiger Energieträger genutzt werden. So auch zur Erzeugung von Kraftstoffen für Antriebsmotoren. Biokraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen spielen eine wichtige Rolle dabei, unabhängiger von fossilen und somit endlichen Rohstoffen zu werden. Sie haben den Vorteil, dass sie sich einfach in die bestehende Infrastruktur eingliedern lassen. Ein Ziel der Europäischen Union ist es, bis zum Jahr 2020 mindestens einen Anteil von 10 Prozent der Energie des Verkehrssektors durch erneuerbare Energien abzudecken (EU-Richtlinie Erneuerbare Energien).

Biomasse wird zu Biokraftstoff

Die wichtigsten Biokraftstoffe derzeit sind Biodiesel, Pflanzenöl und Bioethanol. Wird bei der Produktion des Kraftstoffes nur ein Teil der Pflanzen (Öl, Stärke oder Zucker) verwendet, bezeichnet man diese auch als Biokraftstoffe der ersten Generation. Man spricht dagegen von Biokraftstoffen der zweiten Generation, wenn die Pflanze vollständig beim Produktionsprozess genutzt wird. Dabei werden auch pflanzliche Reststoffe (wie z.B. Stroh oder Holzreste) als Rohstoffe eingesetzt. Eine Herausforderung ist hierbei, die schwer zugängliche Cellulose nutzbar zu machen.

Cellulose als pflanzlicher Schutzmechanismus

Cellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden. Die Zellwände stabilisieren und schützen die Zellen. Daher haben die Pflanzen im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, die einen Abbau dieser Strukturen erschweren. Einige Mikroorganismen sind jedoch in der Lage die Cellulose freizulegen und mit speziellen Enzymen in Einfachzucker aufzuspalten. Dies macht man sich bei der Herstellung des Biokraftstoffs Bioethanol zunutze: Man behandelt die Biomasse mithilfe von Mikroorganismen (z.B. Bakterien) vor. Der dabei entstehende Zucker wird in einem zweiten Schritt zu Ethanol (C2H5OH) vergärt werden. Dieser Vorgang ist allerdings sehr kostenintensiv und derzeit noch nicht wirtschaftlich.

Alternativen zur enzymatischen Zerlegung der Biomasse, sind die Vorbehandlung mit Wärme (thermochemisch) oder Säuren. Kostengünstiger und schneller wäre es natürlich, wenn man die Biomasse nicht erst vorbehandeln müsste, um die Cellulose darin aufzuspalten. Könnte man diesen Zwischenschritt überspringen und die Biomasse direkt in weiter verarbeitbare Zucker zerlegen, wäre eine bedarfsgerechte kommerzielle Produktion in den benötigten großen Mengen vorstellbar.

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Biokrafstoffe der ersten Generation: Zur Produktion von Bioethanol wird beispielsweise Mais verwendet.

Biokrafstoffe der ersten Generation: Zur Produktion von Bioethanol wird beispielsweise Mais verwendet.

Quelle: © Karina Baumgart / Fotolia.com

Derzeit forscht man an technologischen Lösungen, um den Produktionsprozess zu optimieren. Ein Forscherteam entdeckte nun einen Weg die Arbeit der Cellulose-abbauenden Enzyme zu beschleunigen.

Zwei Wege ein Ziel

Die Wissenschaftler untersuchten zwei enzymatische Wege, um Cellulose abzubauen: Einige Mikroorganismen sondern eine Mischung von einzelnen Enzymen aus, andere hingegen große Multi-Enzym-Komplexe. Auf beiden Wegen wird Cellulose in seine Einzelteile zerlegt. Allerdings entdeckten die Forscher, dass es Unterschiede zwischen den beiden Strategien gibt. Dafür beobachteten sie zum einen den Abbauprozess des Pilzes Hypocrea jecorina (einzelne Enzyme) und zum anderen den des Bakteriums Clostridium thermocellum (Multi-Enzym-Komplexe).

Effizienz steigern durch Enzym-Cocktail

Generell beschleunigt ein Enzym eine biochemische Reaktion. Dazu benötigt es ein Substrat. In diesem Falle ist das Substrat Cellulose, das durch das Enzym in Zucker umgewandelt wird. Die Forscher verglichen die beiden Enzym-Systeme beim Abbau des Substrats im Nanometerbereich. Dabei nutzten sie ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Sie stellten fest, dass die einzelnen Enzyme des Pilzes bei thermochemisch vorbehandelter Biomasse signifikant aktiver waren als die Enzym-Komplexe des Bakteriums. Dagegen hatten die Enzyme-Komplexe einen klaren Vorteil beim Abbau reiner Cellulose. Dabei suchen sich die einzelnen Enzyme Lücken in den Zellwänden und zerlegen dann schrittweise die Cellulose-Fasern, die aus einer Vielzahl von Fibrillen bestehen. Große Enzym-Komplexe  greifen die einzelnen Fibrillen an, lösen sie vom Rest und zerteilen so die großen Cellulose-Strukturen.

Daraufhin mischten die Wissenschaftler die beiden Enzym-Systeme und testeten, ob eine Kombination den Abbau von Cellulose verbessert. Nach einem Tag (24 Stunden) war die Cellulose zu 100 Prozent zersetzt. Zum Vergleich: Die Enzym-Komplexe allein schafften dies erst nach 48 Stunden; Und die einzelnen Enzyme konnten in dieser Zeit lediglich 70 Prozent der Cellulose aufspalten.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es eine optimale Strategie zur Zerlegung von Cellulose gibt, die  zwischen den beiden existierenden Mechanismen liegt. Sie machen die gleiche Arbeit, nur auf unterschiedliche Weise und können sich so ergänzen. Weitere Forschung könnte sich nun darauf konzentrieren, die optimale Enzym-Kombination zu finden. Diese Ergebnisse könnten helfen, Biomasse künftig schneller zu Biokraftstoffen zu verarbeiten.

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