Mehr Zucker aus Holz

Holz, Stroh oder Gras – das sind bereits heute die Zutaten für 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, ökologische und nicht zuletzt energetische Vorteile, da sich daraus mehr Energie gewinnen lässt.

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 enthält aber auch bis zu 30 Prozent Lignin, welches die Bauelemente stabil vernetzt. Lignine sind reich verzweigte Grossmoleküle, welche dem Holz seine charakteristische Steifigkeit verleihen und es vor dem Abbau (durch Mikroorganismen) schützen.

Mit Wasserdampf Holz kochen

Um holzhaltige Pflanzen für die Treibstoffgewinnung zu nutzen, müssen bei ihnen die Ligninverstrebungen zuerst mit einer entsprechenden Vorbehandlung gelöst werden. An einer solchen Vorbehandlung für Holz arbeitet Thomas Pielhop, Doktorand bei Philipp Rudolf von Rohr, Professor für Verfahrenstechnik.

«Methode der Wahl für die Vorbehandlung von holziger Biomasse ist Wasserdampf», sagt er. «Das ist das denkbar einfachste und umweltfreundlichste Verfahren.» Um Struktur und Ligninverknüpfungen von Fichtenholz aufzubrechen, setzt der Forscher im wahrsten Sinn des Wortes Dampf auf: Er gibt feine Späne in eine Druckkammer und leitet 220 Grad heissen Wasserdampf ein. Damit wird das Holz bis zu 20 Minuten lang gekocht, was die Ligninbindungen teilweise löst. Obwohl sich dabei Cellulose und Lignin nicht vollständig trennen, schaffen es die danach zugegebenen Enzyme, die Cellulose zu zerlegen.

Holzstruktur sprengen

Damit die Enzyme eine grössere Angriffsfläche erhalten, senkt Pielhop den Druck in der Kammer durch Öffnen einer Klappe schlagartig. Dadurch verdampft explosionsartig Wasser, das zuvor auf und vor allem in den Holzspänen kondensierte. Wenn das Wasser verdampft, braucht es über 1000 Mal mehr Platz. Die Holzteile werden regelrecht gesprengt und für den enzymatischen Abbau weiter aufgeschlossen.

Die Methode hat allerdings einen Nachteil: Die entstandenen Ligninbruchstücke neigen dazu, sich sofort ein anderes Ligninfragment als neuen Bindungspartner zu angeln. Die Molekülbruchstücke können sich so stark vernetzen, dass sich aus der entstehenden Biomasse kaum noch Zucker gewinnen lässt.

Um das Verklumpen zu verhindern, setzt Pielhop dem Wasserdampf eine Substanz zu, welche die reaktionsfreudigen Ligninfragmente «einfängt». Die Chemiker nennen solche Stoffe Scavenger, also Radikalfänger. Konkret benutzte der ETH-Wissenschaftler 2-Naphtol, eine kostengünstige Verbindung, die in der Asche von Kohle aus Kraftwerken vorhanden ist. Sie erfüllt die Anforderungen an einen Scavenger: Sie reagiert nur einmal und hat eine Affinität zu den Ligninbruchstücken.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 gegenüber der Dampfvorbehandlung ohne Naphtholzusatz. «Dank dieser Vorbehandlung können wir fast 100 Prozent des im Fichtenholz enthaltenen Zuckers für die Ethanolproduktion verfügbar machen. Das ist aussergewöhnlich», betont der Chemieingenieur.

Pielhop hat sein Verfahren vorerst an Fichtenholz in einem kleinen Laborreaktor sowie in einer grösseren Pilotanlage, einer «Steam Gun», entwickelt und getestet. Michael Studer, ein früherer Mitarbeiter der Gruppe Rudolf von Rohr, hat diese Anlage entworfen. Heute steht die «Steam Gun» an der Berner Fachhochschule. Diese Tests sind vielversprechend verlaufen. Über die Technologietransferstelle der ETH Zürich, ETH transfer, haben die Forscher das Verfahren denn auch patentieren lassen.

Über den Umstand, dass er mit 2-Naphthol einen fossilen Rohstoff als Radikalfänger einsetzt, ist der Forscher noch nicht ganz glücklich. So suche er derzeit nach einem Scavenger, der aus nachwachsenden Rohstoffen stamme, sagt Pielhop. Doch Voraussetzung für einen kommerziellen Erfolg ist, dass dieser günstig zu haben und einfach verfügbar ist.

Implementation in den USA und Skandinavien?

Pielhops Vorbehandlungsverfahren dürfte 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 Nähe von Mailand. Dort wird neben Stroh von Weizen und Reis auch Riesenschilf (Arundo donax) verarbeitet. Dieses wird eigens für die Ethanolproduktion auf den Flächen angebaut, welche die Landwirtschaft nicht (mehr) nutzen kann. Riesenschilf hat sich aber in den USA als invasive Pflanze entpuppt, welche einheimische Gewächse verdrängt.