Wie von Fachleuten gesch\u00e4tzt wird, reichen unsere Energiereserven in Form von fossilen Brennstoffen nur noch maximal 200 Jahre. Nach Alternativen wird daher mit Nachdruck gesucht. Beispielsweise ist es heute schon m\u00f6glich, Biokraftstoffe herzustellen, die einmal bis zu 20 Prozent unseres Treibstoffbedarfs decken k\u00f6nnten. Solche Treibstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sind zwar grunds\u00e4tzlich eine gute Alternative zum Erd\u00f6l, allerdings sprechen Kritiker von einer Konkurrenz zwischen \u201eTank\u201c und \u201eTeller\u201c \u2013 also zwischen Biokraftstoffen und Nahrungsmitteln, wenn Ausgangsstoffe wie Getreide oder Zuckerr\u00fcben verwendet werden. Die Produktion aus anderem Ausgangsmaterial, das nicht zum Verzehr geeignet ist, ist derzeit noch teuer und unwirtschaftlich. Der Biotechnologe Prof. Dr. Ralf K\u00f6lling forscht mit seinem Wissenschaftlerteam an der Universit\u00e4t Hohenheim an einem neuen kontinuierlichen Verfahren zur effizienten Bioethanol-Herstellung, das die bisherigen Schw\u00e4chen der Biokraftstoff-Produktion beheben soll.<\/p>\n
Bioethanol, ein Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen, gilt als klimafreundlich und damit als gute Alternative zu fossilen Brennstoffen. Trotzdem ist die Produktion des alternativen Kraftstoffs bislang noch sehr umstritten. Der Grund daf\u00fcr ist, dass f\u00fcr die Herstellung von Bioethanol der sogenannten ersten Generation st\u00e4rkehaltige Ausgangsstoffe aus Getreide oder Zuckerr\u00fcben verwendet werden und damit eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion entstehen kann, was auch oft als \u201eTeller-Trog-Tank-Konflikt\u201c bezeichnet wird. Verwendet man jedoch andere als die bislang \u00fcblichen Rohstoffe, wird die Produktion teuer und damit unwirtschaftlich.<\/p>\n
Um die Probleme, die aktuell noch mit der Bioethanol-Herstellung verbunden sind, bald l\u00f6sen zu k\u00f6nnen, arbeitet Prof. Dr. Ralf K\u00f6lling mit seinem Forscherteam am Fachgebiet Hefegenetik und G\u00e4rungstechnologie der Universit\u00e4t Hohenheim an Biokraftstoffen einer zweiten Generation. Das Ziel der Biotechnologen dabei ist es, ein kontinuierliches Verfahren mit genver\u00e4nderten Hefen zu entwickeln, mit dem Bioethanol erheblich kosteng\u00fcnstiger hergestellt werden kann, und das zudem Cellulose als Ausgangsstoff verwendet und damit keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion darstellt. Biokraftstoffe der zweiten Generation werden aus anderen Rohstoffen hergestellt als die Treibstoffe aus st\u00e4rkehaltigem Ausgangsmaterial der ersten Generation, n\u00e4mlich aus cellulosehaltigen Reststoffen aus Stroh, Gr\u00fcnpflanzen, Holz oder anderen Pflanzenabf\u00e4llen.<\/p>\n
Glossar
\nBiotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
\nEnzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie erm\u00f6glichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei K\u00f6rpertemperatur.
\nEin Gen ist ein Teil der Erbinformation, der f\u00fcr die Auspr\u00e4gung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z.B. tRNA) enth\u00e4lt.
\nGentechnik ist ein Sammelbegriff f\u00fcr verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie erm\u00f6glicht, DNA-St\u00fccke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
\nProteine (oder auch Eiwei\u00dfe) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminos\u00e4uren. Sie \u00fcbernehmen vielf\u00e4ltige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
\nEin Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden k\u00f6nnen.
\nDie Molekularbiologie besch\u00e4ftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel m\u00f6glich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
\nDie Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschlie\u00dfender Translation von mRNA zu Protein.
\nLignin ist ein hochmolekularer, aromatischer Stoff aus verschiedenen monomeren Bausteinen, der sich in die Zellwand von Pflanzen einlagern kann und dadurch zur Verholzung f\u00fchrt.
\nCellulose ist ein wasserunl\u00f6sliches Polysaccharid, das den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand bildet. Die Grundeinheit der Cellulose ist die Glucose.
\nGlucose ist ein Monosaccharid (Einfachzucker). Sie kommt als D-Glucose in fast allen s\u00fc\u00dfen Fr\u00fcchten vor und tr\u00e4gt den Trivialnamen Traubenzucker. Glucose bildet den Mittelpunkt des Kohlenhydrat-Stoffwechsels.
\nCellulasen sind Enzyme, die am Abbau von Cellulose beteiligt sind.
\nFossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende \u00dcberreste von Tieren oder Pflanzen.
\nBioethanol (Ethylalkohol) geh\u00f6rt zu den Biokraftstoffen. Es handelt sich dabei um Ethanol, das ausschlie\u00dflich aus nachwachsenden Kohlenstofftr\u00e4gern, n\u00e4mlich auf Basis zucker- oder st\u00e4rkehaltiger Feldfr\u00fcchte oder aus zellulosehaltigen Pflanzenbestandteilen (Zuckerr\u00fcbe, Rohrzucker, Getreide) hergestellt wurde. Die St\u00e4rke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und diese anschlie\u00dfend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren.<\/p>\n
Cellulose aufschlie\u00dfen \u2013 schwierig und teuer<\/p>\n
In der Bioethanol-Forschung kann das Hohenheimer Fachgebiet bereits auf eine lange Tradition aus \u00fcber 30 Jahren wissenschaftlicher Expertise zur\u00fcckgreifen. Zun\u00e4chst verwendete man St\u00e4rke aus Getreide- oder Maisk\u00f6rnern, die im Gegensatz zur Cellulose sehr leicht zug\u00e4nglich ist und anschlie\u00dfend durch Hefepilze zu Bioethanol vergoren wird. \u201eAber diese Inhaltsstoffe essen wir, wir wollen sie nicht zur Kraftstoffherstellung verwenden\u201c, erkl\u00e4rt K\u00f6lling. \u201eDeshalb versuchen wir jetzt, den Rest der Pflanzen zu nutzen, den Menschen und Tiere nicht als Nahrungsmittel verwerten k\u00f6nnen. Zum Beispiel enthalten Pflanzenst\u00e4ngel ja auch Zucker, nur ist dieser anders verkn\u00fcpft.\u201c In den Pflanzen ist Cellulose in den Zellw\u00e4nden zu finden, dazwischen ist Lignin eingelagert, das f\u00fcr die Bioethanol-Produktion zwar wertlos ist, aber als Brennstoff verwendet werden kann. Diese Konstruktion gibt der Pflanze Festigkeit und erfordert daher auch ganz andere Verfahren, um den Zucker f\u00fcr die Ethanol-Verg\u00e4rung zu gewinnen. \u201eHierzu brauchen wir spezielle Enzyme, die sehr teuer sind, sodass das Verfahren noch nicht konkurrenzf\u00e4hig mit der Ethanol-Herstellung der ersten Generation ist\u201c, so der Biotechnologe.<\/p>\n
Bei den derzeit g\u00e4ngigen Standardverfahren zur Herstellung von Cellulose-Ethanol wird das Pflanzenmaterial in einem sogenannten Pretreatment zun\u00e4chst mit Hilfe von hohem Druck, hohen Temperaturen oder S\u00e4ure hart bearbeitet, um dann in einem zweiten Schritt durch enzymatische Hydrolyse mit Hilfe von Cellulasen die Glucose zu gewinnen. \u201eDieser zweite Schritt ist ein zentraler Punkt f\u00fcr die Herstellungskosten des Biokraftstoffs\u201c, sagt K\u00f6lling. \u201eDie daf\u00fcr ben\u00f6tigten Enzyme sind teuer \u2013 dahinter stehen gro\u00dfe Konzerne, die diese vermarkten.\u201c Die gewonnene Glucose wird dann mit Hilfe von Hefen zum Bioethanol vergoren.<\/p>\n
Enzyme werden von Hefen selbst produziert<\/p>\n
Mit einem ganz neuen Ansatz wollen die Hohenheimer Wissenschaftler nun ein kontinuierliches Verfahren zur effizienten Bioethanol-Herstellung entwickeln. Unterst\u00fctzt wird das Projekt, das zun\u00e4chst auf drei Jahre angelegt ist, unter anderem von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR). \u201eF\u00fcr die neue, alternative Kraftstoffproduktion wollen wir versuchen, eine Methode zu etablieren, bei der der zweite und der dritte Schritt des Standardverfahrens gleichzeitig ablaufen\u201c, berichtet der Biotechnologe. Die erforderlichen Enzyme sollen von den Hefen selbst produziert werden. Hierf\u00fcr wollen die Forscher die Hefezellen mit Hilfe von gentechnischen Methoden so ver\u00e4ndern, dass diese die Enzyme dann in Form eines Proteinkomplexes auf ihrer Oberfl\u00e4che pr\u00e4sentieren: Cellulosomen nennt man solche Anh\u00e4nge auf der Zelloberfl\u00e4che, die alle zum Celluloseabbau n\u00f6tigen Enzyme enthalten. \u201eMan kann sich das vorstellen wie die Steckerleiste einer Steckdose, in die die Enzyme nach Bedarf eingesteckt werden k\u00f6nnen\u201c, erkl\u00e4rt der Professor. \u201eDie Hefen k\u00f6nnen dann an die Cellulose andocken und sie in parallelen Prozessen sowohl zur Glucose abbauen als auch gleichzeitig mit der Bioethanolproduktion beginnen. Das hat den gro\u00dfen Vorteil, dass viele Enzyme an einem Ort sind und wir die Synergieeffekte f\u00fcr unser Verfahren nutzen k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n
Gro\u00dfes Ziel: kontinuierlich arbeitender Bioreaktor<\/p>\n
Derzeit sind die Biotechnologen damit besch\u00e4ftigt, Cellulasen aus verschiedenen Zellen in den Hefen zu exprimieren. Parallel zu diesen molekularbiologischen Forschungsarbeiten sind die Institutskollegen um PD Dr. Thomas Senn dabei, das Verfahren technisch umzusetzen. Sie bauen den passenden Reaktor, der ein kontinuierlich arbeitendes System sein soll: \u201eConsolidated Bioprocessing\u201c nennt man diese Technologie, wenn mehrere biologische Ereignisse in einem einzigen Bioreaktor stattfinden k\u00f6nnen. Ein solcher kontinuierlich arbeitender Bioethanol-Reaktor, der die verschiedenen Arbeitsschritte der Bioethanol-Produktion in einen einzigen zusammenzufassen soll, ist auch in Hohenheim das gro\u00dfe Ziel. \u201eWir stellen uns den Bioethanol-Reaktor als m\u00f6glichst einfaches System vor, in das die Ausgangsstoffe auf der einen Seite hineingegeben werden und auf der anderen Seite Bioethanol herauskommt\u201c, so K\u00f6lling. Ziel der Forscher ist es, am Ende der drei F\u00f6rderjahre einen Prototyp der kontinuierlich arbeitenden Anlage fertiggestellt zu haben.<\/p>\n
Weltweit werden derzeit auch schon andernorts Versuche unternommen, Biokraftstoff der zweiten Generation in gr\u00f6\u00dferem Ma\u00dfstab herzustellen. \u201eGerade in den USA hat sich auf diesem Gebiet schon viel getan, hier wurden riesige Anlagen gebaut\u201c, sagt der Professor. \u201eAber diese laufen noch nicht, nur sehr wenig Cellulose-Ethanol wird produziert. Es muss massive Probleme gegeben haben, die aber nicht im Detail bekannt sind.\u201c Und er f\u00fcgt hinzu: \u201eDas liegt eben daran, dass der Prozess sehr schwierig und im Moment \u00f6konomisch grenzwertig ist. Daher wollen wir mit unseren Forschungsarbeiten einen Prozess schaffen, der sich auch wirtschaftlich rechnet.\u201c<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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