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Ökologie & Natur
Holz im Tank
Wissenschaftler entwickeln ein neues Verfahren,
mit dem sich Cellulose in kleine Zuckermoleküle spalten lässt
Pflanzenabfälle sind alles andere als Müll. Schon bald könnten
sie zu Biotreibstoff verarbeitet werden. Denn Pflanzenzellen
bestehen aus Cellulose und diese steckt voller Energie. Mehrere
tausend Zuckereinheiten sind über besonders stabile Verknüpfungen
verbunden und machten es bislang technisch kaum möglich, die
Cellulose aufzuspalten. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut
für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr haben nun ein Verfahren
entwickelt, mit dem sich die Cellulose relativ einfach in
ihre kleinsten Bestandteile spalten lässt. Erneuerbare Rohstoffe
und regenerative Biokraftstoffe könnten so demnächst aus Biomasse
hergestellt werden. (Angewandte Chemie, Online-Veröffentlichung
23. September 2008)
Papier besteht hauptsächlich aus Cellulose,
dem Hauptbestandteil aller Pflanzenzellen. Biomasse, die aus
Stroh- und Holzresten gewonnen werden kann, ist allerdings
nicht nur für die Papierindustrie interessant, sondern auch
für die Produktion erneuerbarer Roh- und Treibstoffe. Der
Haken: Da Cellulose sehr stabil ist, war es der Industrie
bislang kaum möglich, sie in ihre einzelnen Bausteine, die
Zuckermoleküle, zu spalten. Dabei ist Cellulose die häufigste
organische Verbindung der Erde. Reichlich vorhandene Energie
bleibt so ungenutzt.
Keine Nebenprodukte
Roberto Rinaldi,
Regina Palkovits und Ferdi Schüth vom Max-Planck-Institut
für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr haben nun eine
Methode entwickelt, mit der sich Cellulose in kleinere Bestandteile
zerlegen lässt. Alles, was die Wissenschaftler dazu benötigen,
sind ein fester saurer Katalysator und ein ionisches Medium.
Hiermit gelingt es, die langen Celluloseketten in wenigen
Stunden oder sogar noch schneller selektiv in kürzere Stücke
aufzuspalten, die dann mit anderen Verfahren weiterverarbeitet
werden können. Ein Vorteil: Es entstehen kaum Nebenprodukte,
die in weiteren Prozess-Schritten zu Problemen führen könnten.
Der feste Katalysator ist nach der Reaktion einfach abtrennbar
und kann wiederverwendet werden. Zunächst lösten die Wissenschaftler
die Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit. Dies ist ein
Salz, das bei Raumtemperatur flüssig ist und positiv und negativ
geladene Teilchen enthält. "Dieser Schritt macht die langen
Glucoseketten für weitere chemische Reaktionen zugänglich
und die Cellulose ist nun durch feste Katalysatoren angreifbar",
sagt Schüth. Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen
beschleunigen, dabei aber selbst nicht verbraucht werden.
Mit Harzen zum Erfolg
Die Max-Planck-Forscher haben nun
herausgefunden, wie ein Katalysator beschaffen sein muss,
um die Cellulose aufzuspalten. Das Material sollte sauer sein,
also positiv geladene Wasserstoffteilchen abgeben können.
Auch eine große Oberfläche und Poren in der richtigen Größe
sind wichtig, da die gelöste Cellulose in ionischer Lösung
sehr zähflüssig ist und dies den Transport der Ketten zum
Katalysator erschwert. "Wir haben entdeckt, dass sich chemisch
verändertes Harz hervorragend eignet, um die stabilen Zucker-Verbindungen
der Cellulose aufzubrechen", so Ferdi Schüth.
Durch die
Zugabe von Wasser setzen sich die nun verkürzten Glucoseketten
am Boden ab, sodass die Max-Planck-Forscher das Produkt leicht
aus der Flüssigkeit abtrennen konnten. Danach filtrierten
die Wissenschaftler die Lösung und gewannen so auch den festen
Katalysator zurück. "Um dann letztendlich an die kleinsten
Bausteine der Cellulose zu gelangen, muss man einen weiteren
Schritt anschließen, etwa unter Nutzung von Enzymen", sagt
Schüth. Diese Eiweiße spalten die kurzen Ketten zu einzelnen
Zuckermolekülen. Diesen Abbauprozess - von Cellulose zu einzelnen
Glucosemolekülen - bezeichnen die Forscher auch als Depolymerisation.
Lange Ketten werden gezielt zu ihren Einzelbausteinen abgebaut.
Von Holz zu Zucker
Durch das Verfahren der Max-Planck-Forscher
lassen sich auch sehr stabile Pflanzenteile, wie etwa mikrokristalline
Cellulose, abbauen. Normalerweise bleiben diese bei der Celluloseverarbeitung
als unlöslicher Bestandteil zurück. "Mit dieser Methode können
wir am Anfang des Prozesses sogar Holz einsetzen", erklärt
der Wissenschaftler. "Deshalb kann man tatsächlich sagen,
dass mit diesem Verfahren der direkte Abbau von Holz zu Zucker
möglich ist."
Die Aufbereitung der Cellulose nach dem Verfahren
der Forscher bietet viele Einsatzmöglichkeiten. Das Polymer
könnte beispielsweise als erneuerbarer Rohstoff für die Produktion
von Chemikalien genutzt werden. Die neue Methode des Max-Planck-Instituts
für Kohlenforschung schließt zudem eine bisherige Technologielücke,
denn wenn die Glucose erst einmal erzeugt ist, können zahlreiche
Prozesse ansetzen: "Die Zuckermoleküle der Cellulose lassen
sich zum Beispiel alkoholisch vergären. Das dabei entstehende
Ethanol ist dann wiederum als regenerativer Biokraftstoff
nutzbar." Dieser Treibstoff würde, anders als Kraftstoff aus
Getreide und Mais, nicht mit der Lebensmittelindustrie konkurrieren.
Pflanzenabfälle wie beispielsweise Holzreste und Stroh, die
anderweitig keine Verwendung mehr finden, könnten demnächst
durch das Verfahren der Max-Planck-Forscher zu Biotreibstoff
umgewandelt werden. Allerdings ist auf dem Weg dahin noch
umfangreiche Entwicklungsarbeit zu leisten. So sind etwa die
ionischen Flüssigkeiten sehr teuer und müssten in einem technischen
Prozess vollständig im Kreis geführt werden.
Hintergrund:
Cellulose ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Pflanzen produzieren
aus Kohlendioxid und Wasser in komplexen chemischen Reaktionen
etwa 10 12 Tonnen Cellulose pro Jahr. Die ß-1,4-glycosidischen
Bindungen, über die die einzelnen Bausteine des Polymers miteinander
verknüpft sind, machen die Cellulose zu einem stabilen Baustein
der Pflanzenzelle. Bei Raumtemperatur und ohne das Zutun von
Mikroorganismen würde Cellulose erst in Millionen von Jahren
zerfallen.
Nicht nur die Industrie tat sich bislang schwer, diese Verknüpfungen
aufzuspalten. Auch viele Verdauungssysteme, beispielweise
von Mensch oder Schwein, können diese Ballaststoffe nicht
verwerten. Nur Bakterien, die beispielsweise im Pansen von
Kühen vorhanden sind, einige Pilze und Silberfischchen sind
in der Lage, die Zuckermolekül-Ketten der Cellulose zu spalten.
[CK / PH/ Max-Planck-Gesellschaft]
Originalveröffentlichung:
Roberto Rinaldi, Regina Palkovits, Ferdi Schüth
"Depolymerization of cellulose by solid catalysts in ionic
liquids"
Angewandte Chemie, 23. September 2008
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