Bioethanol Production from Two-Stage Hydrothermally Pretreated Sugarcane Bagasse: Enzymatic Saccharification, Fermentation Optimization and Mass Balance Analysis

Der Hunger der Welt nach Energie übertrifft das Angebot an fossilen Brennstoffen, jenen uralten, endlichen Überresten von Pflanzen und Tieren, die die Zivilisation seit Jahrhunderten antreiben. Das Verbrennen dieser Brennstoffe setzt Kohlendioxid frei, das seit Äonen unter der Erde gefangen war, was den Klimawandel beschleunigt und den Planeten erwärmt. Wissenschaftler suchen dringend nach einer anderen Art von Brennstoff, der aus Lebewesen stammt und Kohlenstoff zurück in die Atmosphäre kreist, ohne die Gesamtbelastung zu erhöhen. Dies ist das Versprechen von Biokraftstoffen. Die abundanteste Quelle eines solchen Brennstoffs sind nicht Nahrungsmittelpflanzen wie Mais oder Zuckerrohrsaft, sondern die faserigen, holzigen Abfälle, die nach der Ernte dieser Pflanzen übrig bleiben. Dieses Material, bekannt als lignozellulosehaltige Biomasse, ist von Natur aus zäh und widerstandsfähig; es ist das strukturelle Skelett von Pflanzen, das darauf ausgelegt ist, den Elementen zu trotzen. Um diese zähe Faser in flüssigen Kraftstoff umzuwandeln, müssen Forscher sie zuerst in einfache Zucker zerlegen, die Hefe „essen“ kann – ein Prozess, der historisch gesehen harte Chemikalien oder immense Mengen an Energie erforderte.

In einer kürzlich durchgeführten Studie widmete sich ein Team von Forschern in Indien dieser Herausforderung unter Verwendung von Zuckerrohrbagasse, dem trockenen, faserigen Rückstand, der nach dem Pressen von Zuckerrohr zur Herstellung von Saft übrig bleibt. Dieses Material wird in riesigen Mengen erzeugt, doch vieles davon wird verbrannt oder entsorgt. Die Forscher zielten darauf ab, diesen Abfall unter Vermeidung toxischer Chemikalien in Bioethanol umzuwandeln, einen sauber brennenden Alkoholkraftstoff. Sie konzentrierten sich auf einen zweistufigen physikalischen Prozess, um die in den Pflanzenfasern verborgenen Zucker freizulegen. Zuerst unterzogen sie die Bagasse einer hydrothermalen Behandlung mit intensiver Hitze und Druck, was im Wesentlichen einem „Kochen“ in Wasser entspricht, um ihre Struktur aufzuweichen. Unmittelbar danach, ohne das Material zu waschen oder zu neutralisieren, leiteten sie es durch einen mechanischen Grinder. Diese Kombination aus Hitze und physischer Kraft entfernte mehr als die Hälfte des Lignins, des klebrigen, kleberartigen Polymers, das die Pflanzenfasern zusammenhält und den Zugang zu den Zuckern blockiert. Das Ergebnis war eine Biomasse, die signifikant reicher an fermentierbaren Kohlenhydraten war, die für den Kraftstoff benötigt werden, und dies alles, ohne die typischen chemischen Abfallströme anderer Methoden zu erzeugen.

Nachdem die harte äußere Schale der Pflanze aufgebrochen war, wandte das Team die Werkzeuge der Natur an, um die Arbeit zu vollenden: Enzyme. Anstatt teure kommerzielle Enzyme zu kaufen, züchteten sie ihre eigenen im Labor, indem sie Weizenkleie als Nahrungsquelle für bestimmte Pilzarten verwendeten. Sie kultivierten zwei Stämme, Trichoderma viride und Trichoderma harzianum, die natürlich Enzyme produzieren, die in der Lage sind, Pflanzenzellwände zu verdauen. Nach einigen Tagen des Wachstums ernteten sie die Flüssigkeit, die diese Enzyme enthielt, und reinigten sie leicht, um ihre Kraft zu konzentrieren. Als sie diese Pilzentzyme auf die vorbehandelte Bagasse anwandten, wirkten die Enzyme wie biologische Scheren, die die langen Ketten von Cellulose und Hemicellulose in einzelne Zuckermoleküle zerschnitten. Der Prozess war hocheffektiv; innerhalb von vierzig Stunden setzten die Enzyme eine massive Menge an Zucker aus dem Pflanzenmaterial frei. Das Team stellte fest, dass die Enzyme von Trichoderma viride besonders potent waren und fast zwei Drittel der verfügbaren Kohlenhydrate in Zucker umwandelten. Wenn sie die Enzyme beider Pilzstämme mischten, war die Kombination noch leistungsfähiger und setzte etwas mehr Zucker frei, was auf die komplementären Arten zurückzuführen war, mit denen die beiden Enzyme die Pflanzenstruktur angriffen.

Der letzte Schritt bestand darin, diese zuckerreichen Flüssigkeiten in Kraftstoff umzuwandeln. Die Forscher führten eine gewöhnliche Hefe, Saccharomyces, der Zuckerlösung zu. Dieser Mikroorganismus konsumiert natürlich Zucker und scheidet Ethanol als Nebenprodukt aus. In einer kontrollierten Umgebung arbeitete die Hefe effizient und verbrauchte fast den gesamten verfügbaren Zucker innerhalb eines Tages. Das Ergebnis war eine klare Flüssigkeit, die Bioethanol in einer Konzentration von 6,39 Gramm pro Liter enthielt. Entscheidend war, dass die Forscher bestätigten, dass dieser Ertrag nicht nur eine theoretische Möglichkeit, sondern eine gemessene Realität war, die 86 Prozent der maximalen Menge an Kraftstoff erreichte, die aus dieser spezifischen Menge an Zucker theoretisch produziert werden könnte. Da die anfängliche Vorbehandlung auf harte Chemikalien verzichtete, enthielt die Zuckerlösung keine toxischen Nebenprodukte, die bei anderen Prozessen die Hefe töten oder die Fermentation stoppen würden, was es der Hefe ermöglichte, mit maximaler Effizienz zu arbeiten.

Um zu verstehen, was dies für die reale Welt bedeutet, berechneten die Forscher den potenziellen Output im großen Maßstab. Sie schätzten, dass für jeden Hektar in Indien angebauten Zuckerrohrs die produzierte Bagasse in etwa 3.263 Liter Bioethanol umgewandelt werden kann. Diese Zahl deutet darauf hin, dass der Prozess nicht nur eine Laborerscheinung ist, sondern ein gangbarer Weg zur industriellen Produktion. Die Studie zeigt, dass es möglich ist, eine vollständige, umweltfreundliche Pipeline für die Kraftstoffproduktion zu schaffen: beginnend mit landwirtschaftlichem Abfall, unter Verwendung von Hitze und mechanischer Kraft, um die Pflanzenfasern zu öffnen, unter Einsatz von Pilzen, die auf billigen Getreide-Nebenprodukten gezüchtet wurden, um die Zucker freizusetzen, und schließlich unter Verwendung von Hefe, um diese Zucker in Kraftstoff zu fermentieren. Indem sie bewiesen, dass ein chemiefreier Ansatz hohe Erträge erzielen kann, bietet die Forschung einen überzeugenden Entwurf für eine zirkuläre Bioökonomie, in der landwirtschaftlicher Abfall in eine nachhaltige Energiequelle verwandelt wird, ohne die Umweltkosten einer chemischen Verarbeitung.