Chemie

Neues Verfahren, um Cellulose in kleine Zuckermoleküle zu spalten

Chemie

20. Februar 2009

Biomasse aus Stroh- und Holzresten könnte für die Herstellung erneuerbarer Biotreibstoffe interessant sein. Bild vergrößern
Biomasse aus Stroh- und Holzresten könnte für die Herstellung erneuerbarer Biotreibstoffe interessant sein.

Cellulose ist nahezu unbegrenzt verfügbar; Pflanzen produzieren aus Kohlendioxid und Wasser in komplexen chemischen Reaktionen etwa 10 12 Tonnen Cellulose pro Jahr. Die Bindungen, über die die einzelnen Bausteine des Polymers miteinander verknüpft sind (β-1,4-glycosidische Bindungen), 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.

Bakterien, die beispielsweise im Pansen von Kühen vorhanden sind, einige Pilze und Silberfischchen sowie Termiten sind in der Lage, die Zuckermolekül-Ketten der Cellulose zu spalten. Viele Verdauungssysteme, beispielweise von Mensch oder Schwein, können die Ballaststoffe dagegen nicht verwerten. Und auch die Industrie tat sich bislang schwer, diese Verknüpfungen aufzuspalten. Dabei ist Biomasse, die aus Stroh- und Holzresten gewonnen werden kann, nicht nur für die Papierindustrie interessant, sondern auch für die Produktion erneuerbarer Roh- und Treibstoffe.

Wissenschaftler 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 sie 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. Das ist ein Salz, das bei Raumtemperatur flüssig ist und positiv sowie negativ geladene Teilchen enthält. "Dieser Schritt macht die langen Glucoseketten für weitere chemische Reaktionen zugänglich und die Cellulose ist nun durch feste Katalysatoren, also Reaktionsbeschleuniger, angreifbar", sagt Ferdi Schüth.

Um die Cellulose aufzuspalten, muss der Katalysator 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 Schüth.

Durch die Zugabe von Wasser setzten sich die nun verkürzten Glucoseketten am Boden ab, sodass die Chemiker das Produkt leicht aus der Flüssigkeit abtrennen konnten. Danach filtrierten sie die Lösung und gewannen so auch den festen Katalysator zurück. "Um letztendlich an die kleinsten Bausteine der Cellulose, die Zuckermoleküle, zu gelangen, muss man einen weiteren Schritt anschließen", erläutert der Max-Planck-Forscher. Enzyme spalten die kurzen Ketten zu einzelnen Zuckermolekülen. Einen solchen Abbauprozess - von Cellulose zu einzelnen Glucosemolekülen - bezeichnen die Forscher als Depolymerisation: Lange Ketten werden gezielt zu ihren Einzelbausteinen abgebaut.

Durch das Verfahren der Max-Planck-Forscher lassen sich auch sehr stabile Pflanzenteile abbauen, wie etwa mikrokristalline Cellulose. Normalerweise bleiben diese bei der Celluloseverarbeitung als unlöslicher Bestandteil zurück. "Mit dieser Methode können wir am Anfang des Prozesses sogar Holz einsetzen", sagt Schüth. "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 Mülheimer Forscher bietet viele Einsatzmöglichkeiten. Das Polymer könnte beispielsweise als erneuerbarer Rohstoff für die Produktion von Chemikalien genutzt werden. Die neue Methode 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.

Max-Planck-Gesellschaft (2008)

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