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Neue Wege zum Aufschluss der Lignozellulose

24.03.2015

„Non-Food“-Pflanzen gelten als attraktive Alternative zu immer knapper werdenden und die Umwelt belastenden fossilen Rohstoffen. Eine der auf der Erde am häufigsten vorkommenden Substanzen ist Lignin. Allerdings ist Lignin auch ein Stoff der es in sich hat. Der schwere Aufschluss des Makromoleküls macht die Nutzung von Lignin als universellen Rohstoff noch wenig wirtschaftlich. Unter Hochdruck suchen Forscher weltweit nach neuen Wegen. Zwei interessante neue Ansätze wurden kürzlich in Fachzeitschriften diskutiert, ein chemisches und ein mikrobiologisches Verfahren. Fossile Rohstoffe werden immer knapper, denn ihr Vorrat auf der Erde ist begrenzt. Eine interessante Alternative dazu sind nachwachsende Rohstoffe, wie beispielsweise Holz. Doch bisher ist diese nachhaltige und klimaneutrale Rohstoffquelle nur bedingt nutzbar. Schuld daran ist der Holzbestandteil Lignin, der Pflanzen ihre Stabilität verleiht. Die sogenannte Lignozellulose bildet die Zellwand verholzter Pflanzen. Lignin lagert sich dabei in das Gerüst aus Cellulose und Hemizellulose ein und sorgt dafür, dass die pflanzlichen Zellen eine feste Struktur ausbilden. Daher wird der Aufbau dieses festen Gerüstes auch als „Verholzung“ bezeichnet. Lignin stabilisiert die Pflanze, schützt sie vor dem Umknicken bei starkem Wind und vor dem Angriff von Schädlingen.

Schwierig zu knacken

Chemisch betrachtet stellt der Stoff keine einheitliche Substanz dar, sondern beschreibt eine Gruppe von phenolischen Makromolekülen, die sich aus verschiedenen Monomerbausteinen zusammensetzen. Die Kombination ähnlicher Grundmoleküle erzeugt eine dicht vernetzte Substanz mit einem unregelmäßigen Muster. Lignine sind hydrophob und damit in Wasser und vielen Lösungsmitteln nicht löslich. Im Gegensatz zu anderen organischen Verbindungen sind sie biologisch und chemisch nur schwer abbaubar. Bei der Aufarbeitung von „Non-Food“ Biomasse wird Lignozellulose zunächst in Zellulose, Hemizellulose und Lignin aufgetrennt. Diese sind die Basis für die Herstellung von Chemikalien, Biogas, Kraftstoffen und Energieträgern. Neben Kohle und Erdöl dient Lignin beispielsweise als alternative Quelle zur Herstellung von Aromaten. Bei der industriellen Biosprit-Gewinnung muss die Biomasse zunächst mit Hitze und Säure vorbehandelt werden, damit die langkettigen und sehr stabilen Moleküle auseinanderbrechen. Dann befreien Enzyme die Zuckermoleküle aus dem Gewirr von Lignozellulose und schließlich beginnen Mikroorganismen mit der Fermentierung, der Umwandung von Zucker zu Alkohol. Doch die Vorbehandlung und die speziellen Enzyme sind teuer und daher ist der gesamte Prozess bisher unwirtschaftlich.

Der chemische Weg

Wissenschaftler rund um den Globus arbeiten daran, den Aufschluss von Lignin zu optimieren, um „Non-Food“-Pflanzen als nachwachsende Rohstoffe besser nutzbar zu machen. Dazu haben sie einen chemischen Katalysator aus Zink und Palladium entwickelt, mit dessen Hilfe sich Lignin zur weiteren Verarbeitung aufspalten lässt. Das bimetallische Katalysatoren-System besteht aus einem Zn^II- Teil und Nanopartikeln aus Palladium mit 3 bis 4 nm Durchmesser, die auf einem Kohlenstoffträger aufgebracht sind. Vorherige Studien hatten bereits gezeigt, dass diese Kombination besonders erfolgreich β‑O-4 – Bindungen, wie sie in Lignin vorkommen, spalten kann. Bei diesem Prozess entstehen hauptsächlich zwei Phenolderivate (Methoxypropylphenole), die sich wiederum für die Herstellung von aromatischen Verbindungen für die Industrie nutzbar machen lassen. In dieser Studie gelang es den Forschern, 40 bis 54 Prozent des verfügbaren Lignins umzuwandeln. Der neue Katalysator bietet dabei gleich mehrere Vorteile: Lignin muss vor der Behandlung nicht isoliert werden – das spart Zeit und Kosten. Außerdem muss die gesamte Biomasse für den chemischen Aufschluss nur minimal vorbehandelt werden. Am Ende des Prozesses entsteht eine Zellulose-Verbindung, die chemisch sehr einfach in fermentierbare Zuckermoleküle für die Biospritgewinnung umgewandelt werden kann. Mit dem Katalysator aus Zink und Palladium ließe sich also die Wirtschaftlichkeit der Lignin-Aufspaltung deutlich steigern. Palladium getriebene Reaktionen sind in der organischen Chemie nichts Neues. Solche durch das Übergangsmetall vermittelten Kohlenstoff-Kopplungen wurden bereits im Jahr 2010 mit Nobelpreisen bedacht. Wurde Palladium bisher genutzt, um mit geringem Aufwand und in hoher Präzision organische Moleküle zu synthetisieren, folgt der nun vorgestellte Ansatz dem umgekehrten Weg. Die Zink-Palladium Katalysatoren dienen dem effizienten Abbau komplexer organischer Strukturen.

Der biologische Weg

Auch für die biologische Produktion von Biokraftstoffen und erneuerbaren Chemikalien aus pflanzlicher Biomasse ist ein ökonomisches Verfahren unumgänglich, mit dem sich die komplexen Kohlenhydratpolymere aus der pflanzlichen Zellwand in einfache Zucker umwandeln lassen. Denn diese Einfachzucker dienen den Mikroorganismen als Ausgangsstoff zur Ethanol-Gewinnung. Manche Zucker, wie beispielsweise Xylodextrin, sind für Mikroorganismen nicht so einfach in Ethanol umwandelbar und machen den gesamten Prozess der Biosprit-Herstellung weniger effizient. Um das zu verhindern, haben Wissenschaftler bei der Natur abgeschaut. Denn dort baut der Pilz Neurospora crassa Xylodextrin sehr effizient aus Hemizellulose ab. Diesen Stoffwechselweg haben Wissenschaftler nun auf die Hefe Saccharomyces cerevisiae übertragen, die ungenießbare Pflanzenteile zu Alkohol umwandelt. Dabei entdeckten sie zwei bisher unbekannte Zwischenprodukte (Xylosyl-Xylitol) beim Abbau von Xylodextrin, die wiederum zu Xylose und Xylitol aufgespalten werden, aus denen schließlich Ethanol entsteht. Momentan nutzt die Bioethanol-Industrie die Hefe Saccharomyces cerevisiae, um Zucker aus Maisstärke oder Zuckerrohr zu Ethanol umzuwandeln. Bei Zuckern aus den pflanzlichen Zellwänden kapituliert die Bäckerhefe jedoch, da sie diese nicht aufschließen kann. Mit einer eigens dafür ausgestatteten Hefe lässt sich die Herstellung von Biosprit aus Zuckern aus der pflanzlichen Zellwand wesentlich wirtschaftlicher gestalten als bisher. Was beide Ansätze verdeutlichen ist, dass auf sehr unterschiedlichen Wegen an der besseren Nutzung nachwachsender Rohstoffe geforscht wird. Vielleicht müssen diese sogar stärker miteinander kombiniert werden, damit die Zukunft der Wirtschaft eine erneuerbare und auch nachhaltigere wird.

Literatur:

Parsell, T. et al. (2014): A synergistic biorefinery based on catalytic conversion of lignin prior to cellulose starting from lignocellulosic biomass. In: Green Chemistry, 17 (1492), (10. Dezember 2014), DOI: 10.1039/c4gc01911c.
Li, X. et al. (2015): Expanding xylose metabolism in yeast for plant cell wall conversion to biofuels. In: eLife, 4 (e05896), (3. Februar 2015), DOI: 10.7554/eLife.05896.

Quelle: Pflanzenforschung.de