Krabbelnde Raffinerien

Aus den stabilen Stielen und Stängeln von Pflanzen lassen sich die energiereichen Zuckermoleküle für die Biospritproduktion nur extrem schwer herauslösen. Kleine Tierchen könnten bei diesem Kraftakt helfen.

Kaum ein Wissenschaftler würde sich damit brüsten, dass es in seinem Labor von Asseln nur so wimmelt. Doch diese winzigen Krabbeltiere – genau genommen die Holzbohrassel Limnoria quadripunctata – haben es dem Pflanzenzellbiologen Simon McQueen-Mason von der britischen Universität York angetan. Der nur wenige Millimeter kleine Bewohner von Küstengewässern soll ihm zeigen, wie sich künftig aus Bäumen oder Sträuchern Ethanol gewinnen lässt, das sich als Kraftstoff für Autos, Mopeds oder Lastwagen eignet. Denn die Assel verdaut Holz. Schiffsplanken mag sie genauso wie Molen oder Stege, weswegen Bootsbesitzer und Hafenverwalter den Heißhunger dieses Tieres fürchten.

Für McQueen-Mason aber ist die Assel der ideale Forschungsgegenstand: Ihre Fähigkeit, äußerst widerstandsfähige Holzfasern in kleine, leicht zu verarbeitende Moleküle aufzubrechen, gilt als eine der Schlüsselfertigkeiten für die künftige Biokraftstoff-Herstellung. "Im Gegensatz zu anderen holzfressenden Arten benötigt sie dafür keine Mikroben", weiß McQueen-Mason.

Die Quelle birgt ein gewaltiges Potenzial: Aus Stroh gewonnenes Ethanol hat eine deutlich bessere Klimabilanz als herkömmliches Benzin. Zudem ist der Rohstoff reichlich vorhanden. Denn Biomasse ist der natürliche Speicher für Sonnenenergie. Zwar wird nur etwa ein Prozent des Sonnenlichts in Biomasse umgewandelt, doch Wissenschaftler schätzen, dass pro Jahr weltweit etwa zehn Billionen Tonnen Zellulose entstehen.

Auch Deutschland hat beachtliche Möglichkeiten: Eine Studie des Bundesumweltministeriums zeigte kürzlich, dass sich mehr als 30 Prozent der Ottokraftstoffe in Deutschland durch Ethanol aus Holzfasern ersetzen ließen – gewonnen beispielsweise aus Bioabfällen.

Die Substanz birgt allerdings eine große Schwierigkeit: Sie ist extrem schwer zu knacken. Holz besteht größtenteils aus Zuckermolekülen, sogenannter Lignozellulose. Im Gegensatz zum einfachen weißen Haushaltszucker, der sich leicht in Kaffee oder Tee auflösen lässt, widerstehen diese Zuckerverbindungen selbst Hagelschauern oder Gewittergüssen. Diese Festigkeit erreichen die Moleküle, indem sie sich zu langen Ketten verbinden, die sich wie- derum zu zähen Fasern zusammenlagern. Wissenschaftler schätzen die durchschnittliche Haltbarkeit von Zellulose auf mehrere Millionen Jahre. Das ist auch der Grund, weswegen sich unsere Baumwollkleidung in der Waschmaschine problemlos reinigen lässt, ohne in ihre Bestandteile zu zerfallen.

Anders als bei Fruchtzucker oder Stärke – den weiteren Hauptbestandteilen von Pflanzen – tun sich Forscher daher schwer damit, das faserige Lignin und seine verwandten Stoffe chemisch zu knacken, um daraus Biokraftstoffe herzustellen. Aufspalten lässt sich das widerspenstige Material oft nur mit roher Gewalt, Gluthitze oder starken Chemikalien, was die Prozesse meist ineffizient oder sogar umweltschädlich macht.

Den Wissenschaftlern geht es damit nicht besser als den meisten anderen Lebewesen, die ebenfalls ihre liebe Not haben, genug Energie aus dem schwer verdaulichen Material zu ziehen. Wiederkäuer wie Kühe schaffen das einigermaßen; ebenso Kaninchen und Termiten, die einen Teil ihres Kots wieder zu sich nehmen, um ihn dann erneut zu verdauen. Ihnen helfen spezifische Bakterien oder andere Mikroorganismen, die sich in deren Verdauungstrakten befinden. Nur wenige Lebewesen – überwiegend Pilze oder Insekten – können Zellulose direkt verwerten; unter ihnen eben die Holzbohrassel Limnoria quadripunctata.

Der Pflanzenzellbiologe McQueen-Mason identifizierte nun 60 Gene, die es der Assel erlauben, Enzyme herzustellen, die für die direkte Zelluloseverwertung nötig sind. Um herauszufin-den, welche dieser biologischen Wirkstoffe für die industrielle Nutzung am besten geeignet sind, arbeitet er mit der dänischen Firma Novozymes zusammen. "Uns ist es relativ egal, woher die Enzyme stammen", sagt der verantwortliche Abteilungsdirektor Claus Fuglsang, "Hauptsache sie sind nicht zu teuer." Schließlich benötigt man für die industrielle Produktion Hunderte Tonnen davon.

Der Weg vom Labor in die Massenproduktion ist allerdings weit. Die Enzyme müssen der robusten industriellen Umgebung gewachsen sein. Und die Wissenschaftler müssen jedes in Kombination mit den anderen testen, um deren optimales Zusammenspiel herauszufinden. McQueen-Mason und sein Team rechnen damit, dass sie noch Jahre benötigen werden, um die Verdauung der Holzbohrassel vollständig aufzuklären. "Doch mit jedem Schritt sparen wir dann viel Chemie ein", meint Fuglsang.

Andere Wissenschaftler untersuchen derweil Enzyme aus Mikroben, die sie in den Därmen von Termiten gefunden haben, oder von holzzersetzenden Pilzen. Die in Florida ansässige Biotechnologiefirma Dyadic hat beispielsweise einen Pilz gezüchtet, der relativ preisgünstig entsprechende Eiweiße produziert. Mit ihm stellt das spanische Energieunternehmen Abengoa in einer Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von fünf Millionen Litern pro Jahr bereits Ethanol aus Stroh und aus Ernteresten vom Maisanbau her. Auf ähnliche Weise soll eine Demonstrationsgroßanlage der Süd-Chemie im bayerischen Straubing ab Mitte des Jahres jährlich bis zu 2000 Tonnen Bioethanol aus Agrarreststoffen gewinnen.

Wieder andere setzen auf neue chemische Verfahren: Roberto Rinaldi vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr sowie eine Arbeitsgruppe um den Chemiker Ronald Raines von der Universität Wisconsin-Madison durchtränken Lignin beispielsweise mit sogenannten ionischen Flüssigkeiten. Das sind Salze, die bei Raumtemperatur oder kurz darü-ber flüssig sind. Diese Stoffgruppe, die erst seit wenigen Jahren intensiv erforscht wird, zerlegt Zellulose mühelos in ihre Bestandteile. "Es klingt fast wie ein Zaubertrick", sagt Raines: "Aber über 90 Prozent werden damit in einfache Zuckermoleküle zersetzt."

Als schwierig erweist sich jedoch, den Zucker aus der ionischen Flüssigkeit wieder herauszulösen. Stets geht eine kleine Menge des teuren Stoffs verloren, was einen Großteil der Kosten ausmacht. Zudem hindern selbst kleinste Mengen der Flüssigkeit Enzyme oder Hefen daran, den entstandenen Zucker zu Ethanol zu verarbeiten. Raines will die Reaktion nun durch Zugabe einer exakt dosierten Menge an Wasser zur rechten Zeit in den Griff bekommen haben. Vor Kurzem gründete er ein Start-up, um eine kommerzielle Anlage aufzubauen. An Ideen mangelt es also nicht. Doch eignen sich die meisten Verfahren derzeit noch nicht für den großtechnischen Einsatz. Vielfach überleben die Enzyme die raue Umgebung in den Reaktorgefäßen nicht lange genug, oder die Prozesse verbrauchen mehr Energie, als sie erbringen.

Dennoch: Alle wesentlichen Voraussetzungen für einen Lignozellulose-Ethanol-Prozess sind vorhanden. Ob und wann der Durchbruch kommt, lässt sich nicht genau vorhersagen. Aber wenn die Entwicklung weiterhin so rasant voranschreitet, dürften wohl in einigen Jahren die ersten Tankstellen Ethanol aus Lignozellulose anbieten. ()