Mehr Zucker aus Holz

Holz, Stroh oder Gras ¨C das sind bereits heute die Zutaten f¨¹r die Herstellung von Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen. Sie gelten als sinnvolle Alternativen zu Mais und Zuckerrohr, aus denen teilweise im grossen Stil Kraftstoff produziert wird, was ethisch aber umstritten ist. Aus holzhaltiger Pflanzenbiomasse Ethanol herzustellen, hat wirtschaftliche, ?kologische und nicht zuletzt energetische Vorteile, da sich daraus mehr Energie gewinnen l?sst.

Die Geschichte hat allerdings einen Haken. Holz besteht zwar zu einem Grossteil aus verwertbaren Zuckern, die in Form des Bauelements Cellulose und des Energiespeichers Hemicellulose gebunden sind. Es enth?lt aber auch bis zu 30 Prozent Lignin, welches die Bauelemente stabil vernetzt. Lignine sind reich verzweigte Grossmolek¨¹le, welche dem Holz seine charakteristische Steifigkeit verleihen und es vor dem Abbau (durch Mikroorganismen) sch¨¹tzen.

Mit Wasserdampf Holz kochen

Um holzhaltige Pflanzen f¨¹r die Treibstoffgewinnung zu nutzen, m¨¹ssen bei ihnen die Ligninverstrebungen zuerst mit einer entsprechenden Vorbehandlung gel?st werden. An einer solchen Vorbehandlung f¨¹r Holz arbeitet Thomas Pielhop, Doktorand bei Philipp Rudolf von Rohr, Professor f¨¹r Verfahrenstechnik.

?Methode der Wahl f¨¹r die Vorbehandlung von holziger Biomasse ist Wasserdampf?, sagt er. ?Das ist das denkbar einfachste und umweltfreundlichste Verfahren.? Um Struktur und Ligninverkn¨¹pfungen von Fichtenholz aufzubrechen, setzt der Forscher im wahrsten Sinn des Wortes Dampf auf: Er gibt feine Sp?ne in eine Druckkammer und leitet 220 Grad heissen Wasserdampf ein. Damit wird das Holz bis zu 20 Minuten lang gekocht, was die Ligninbindungen teilweise l?st. Obwohl sich dabei Cellulose und Lignin nicht vollst?ndig trennen, schaffen es die danach zugegebenen Enzyme, die Cellulose zu zerlegen.

Holzstruktur sprengen

Damit die Enzyme eine gr?ssere Angriffsfl?che erhalten, senkt Pielhop den Druck in der Kammer durch ?ffnen einer Klappe schlagartig. Dadurch verdampft explosionsartig Wasser, das zuvor auf und vor allem in den Holzsp?nen kondensierte. Wenn das Wasser verdampft, braucht es ¨¹ber 1000 Mal mehr Platz. Die Holzteile werden regelrecht gesprengt und f¨¹r den enzymatischen Abbau weiter aufgeschlossen.

Die Methode hat allerdings einen Nachteil: Die entstandenen Ligninbruchst¨¹cke neigen dazu, sich sofort ein anderes Ligninfragment als neuen Bindungspartner zu angeln. Die Molek¨¹lbruchst¨¹cke k?nnen sich so stark vernetzen, dass sich aus der entstehenden Biomasse kaum noch Zucker gewinnen l?sst.

Um das Verklumpen zu verhindern, setzt Pielhop dem Wasserdampf eine Substanz zu, welche die reaktionsfreudigen Ligninfragmente ?einf?ngt?. Die Chemiker nennen solche Stoffe Scavenger, also Radikalf?nger. Konkret benutzte der ETH-Wissenschaftler 2-Naphtol, eine kosteng¨¹nstige Verbindung, die in der Asche von Kohle aus Kraftwerken vorhanden ist. Sie erf¨¹llt die Anforderungen an einen Scavenger: Sie reagiert nur einmal und hat eine Affinit?t zu den Ligninbruchst¨¹cken.Vorbehandlung steigert Zuckerausbeute

Erste Versuche zeigten Pielhop, dass er auf dem richtigen Weg ist: Durch die Vorbehandlung stieg die Wirksamkeit der Enzyme und die Zuckerausbeute verdoppelte sich gegen¨¹ber der Dampfvorbehandlung ohne Naphtholzusatz. ?Dank dieser Vorbehandlung k?nnen wir fast 100 Prozent des im Fichtenholz enthaltenen Zuckers f¨¹r die Ethanolproduktion verf¨¹gbar machen. Das ist aussergew?hnlich?, betont der Chemieingenieur.

Pielhop hat sein Verfahren vorerst an Fichtenholz in einem kleinen Laborreaktor sowie in einer gr?sseren Pilotanlage, einer ?Steam Gun?, entwickelt und getestet. Michael Studer, ein fr¨¹herer Mitarbeiter der Gruppe Rudolf von Rohr, hat diese Anlage entworfen. Heute steht die ?Steam Gun? an der Berner Fachhochschule. Diese Tests sind vielversprechend verlaufen. ?ber die Technologietransferstelle der ETH Z¨¹rich, ETH transfer, haben die Forscher das Verfahren denn auch patentieren lassen.

?ber den Umstand, dass er mit 2-Naphthol einen fossilen Rohstoff als Radikalf?nger einsetzt, ist der Forscher noch nicht ganz gl¨¹cklich. So suche er derzeit nach einem Scavenger, der aus nachwachsenden Rohstoffen stamme, sagt Pielhop. Doch Voraussetzung f¨¹r einen kommerziellen Erfolg ist, dass dieser g¨¹nstig zu haben und einfach verf¨¹gbar ist.

Implementation in den USA und Skandinavien?

Pielhops Vorbehandlungsverfahren d¨¹rfte vor allem in den USA und in Skandinavien auf Interesse stossen. Dort wird bereits eifrig erforscht, wie aus Holz Ethanol gemacht werden kann. Eine Pilotanlage, die holzhaltige Pflanzen verarbeitet, steht ausserdem in der N?he von Mailand. Dort wird neben Stroh von Weizen und Reis auch Riesenschilf (Arundo donax) verarbeitet. Dieses wird eigens f¨¹r die Ethanolproduktion auf den Fl?chen angebaut, welche die Landwirtschaft nicht (mehr) nutzen kann. Riesenschilf hat sich aber in den USA als invasive Pflanze entpuppt, welche einheimische Gew?chse verdr?ngt.