Ziel: effizientere Bioethanolherstellung
Die EU steht an der Spitze der technologischen Entwicklung und der Realisierung des Einsatzes von lignozellulosehaltiger Biomasse zur Brennstoffherstellung. Haupthindernis für eine flächendeckende Umsetzung sind die hohen Kosten, die bei der Nutzung von Enzymen zur Umwandlung von Zucker aus Nutzpflanzen wie Mais in Ethanol entstehen. Wissenschaftler initiierten deshalb das von der EU finanzierte Projekt "High efficiency consolidated bioprocess technology for lignocellulose ethanol" (HYPE), um sich mit diesem Problem auseinanderzusetzen. Sie untersuchten Prozessverbesserungen und -verdichtungen, um den Enzymeinsatz und den Energieverbrauch zu senken. Man suchte Enzyme, die höhere Ausbeuten der wichtigen Pentosen (5-Kohlenstoff-Zucker) und Hexosen (6-Kohlenstoff-Zucker) aus der Biomasse sowie eine effiziente Hydrolyse und Fermentation ergeben. Zu Zwecken der Fallstudie wählte man Stroh aus, ein wichtiges und überall verfügbares Ausgangsmaterial, das nicht mit der Lebensmittelproduktion konkurriert. Die Forscher entwickelten ein Dampf-Vorbehandlungsverfahren, bei dem lediglich Dampf zum Einsatz kommt, einige Abbau-Nebenprodukte und eine Kohlenhydratmischung erzeugt werden, die gut für den nächsten Hydrolyseschritt geeignet sind. Man wandte verschiedene Verfahren zum Screening und zur Charakterisierung von geeigneten Enzymen für eine Verflüssigung von viskoser Biomasse (geringer Wassergehalt, hoher Biomassegehalt) an. Konventionelle verdünnte Systeme sind bislang nicht kostengünstig, waren aber in der Vergangenheit aufgrund von Problemen mit der Verarbeitbarkeit, der Enzymineffizienz und dem Entstehen von Abbauprodukten erforderlich. Das Team optimierte im Folgenden die Bedingungen für die simultane Verzuckerung und Fermentation (simultaneous saccharification and fermentation, SSF), um den Enzymeinsatz mittels geeigneter Betriebsbedingungen sowie Rückgewinnung und Recycling zu reduzieren. Zum Abschluss vereinte das Team die SSF mit der Produktrückgewinnung durch einen neuartigen Destillationsprozess auf Basis der mechanischen Brüdenverdichtung (mechanical vapour recompression, MVR). Bei diesem Verfahren werden der Energieverbrauch und die damit verbundenen Produktionskosten deutlich gesenkt. In einer Demonstrationsanlage wird derzeit der von HYPE entwickelte integrierte oder verdichtete Prozess umgesetzt, wobei der erwartete Anstieg der Ethanolausbeute ungefähr 50 % beträgt. Ist der Prozess vollends verdichtetet, wird derselbe Organismus (die Produzenten der Enzyme) die Biomasse hydrolysieren und die daraus resultierenden Zucker fermentieren. Bis dahin sollten die von den HYPE-Modernisierungen zu erwartenden beeindruckenden Zuwächse in der Ethanolproduktion mehr als ausreichend sein, um einen Wandel im Verkehr anzukurbeln.