Mit getunter Hefe sprudelt der Biosprit

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In Deutschland ist Ethanol an der Zapfsäule noch relativ selten zu haben. Eckhard Boles Entdeckung macht die Herstellung effizienter. Quelle: Morehead State University

27.02.2009  - 

Ethanol ist als Biotreibstoff in den vergangenen Jahren in Misskredit geraten. Der zunehmende Anbau von Energiepflanzen wie Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Mais für die Ethanolproduktion verdrängt dringend benötigte Lebensmittel, so der Vorwurf. Der Frankfurter Biologe Eckhard Boles will die Ethanol-Produktion mit biotechnologischem Know-How so effizient machen,  dass auch Pflanzenabfälle genutzt werden können. Dabei ist ihm jetzt ein großer Schritt gelungen, wie er im Fachjournal Applied and Environmental Microbiology (Online-Vorabveröffentlichung, 13. Februar 2009) berichtet. Boles hat Hefen beigebracht, nicht nur den Zucker Glukose zu Ethanol zu machen, sondern dafür auch Xylose zu vergären, die zweithäufigste Zuckerart in Pflanzen. 

Ethanol (C₂H₅OH) ist ein Alkohol, der durch Vergärung von Zucker entsteht. Mit ihm lassen sich Verbrennungsmotoren antreiben. In Deutschland hat Bioethanol jedoch einen vergleichsweise geringen Anteil an der Biokraftstoffnutzung. Die größten Bioethanol-Hersteller sind die USA und Brasilien. Seit einiger Zeit ist Ethanol als Variante eines nachwachsenden Kraftstoffs in die Diskussion geraten. Der Anbau von Energiepflanzen verbrauche zuviel landwirtschaftliche Fläche und verknappe das Lebensmittelangebot, so der Vorwurf.

Tatsächlich kommen für die Ethanolproduktion nur einige wenige Pflanzen in Frage, die gleichzeitig hochwertige Lebensmittel darstellen: Dazu gehören Zuckerrüben, Zuckerrohr, Mais oder Getreide. Nur sie enthalten genug Glukose.

Bisher wird Ethanol nämlich ausschließlich aus Glukose gewonnen. Nur diese Zuckerart kann in Form von Stärke und Sacharose von den Hefen zu Alkohol vergärt werden - ähnlich wie bei der Bierherstellung. In Pflanzen kommen noch eine ganze Reihe anderer Zuckervarianten vor. Doch für die in der industriellen Produktion eingesetzte Bierhefe Saccharomyces cerevisiae sind die anderen Zuckerarten, die sogenannten Lignocellulosen (die sich wiederum in Cellulosen und Hemicellulosen aufteilen), schwer verdaulich werden deshalb links liegen gelassen.  Das führt dazu, dass bei der Ethanolproduktion derzeit große Teile des Energiepotenzials des pflanzlichen Rohstoffs ungenutzt bleiben. Das wird sich jetzt ändern, hoffen die Frankfurter Forscher um Eckhard Boles.

Mit einem Gen hat Eckhard Boles die Bierhefe Saccharomyces cerevisiae dazu gebracht, auch aus Pflanzenteilen, die bisher als Abfall galten, Ethanol zu produzieren.Quelle: Boles

Umwandlung der Xylose macht deutlichen Unterschied

Boles' Arbeitsgruppe am Institut für Molekulare Biowissenschaften der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität ist es nämlich gelungen, die Hefe dazu zu  bringen, auch die am zweithäufigsten vorkommende Zuckerart Xylose in Ethanol umzuwandeln. Dazu setzten sie der Hefe einen Genabschnitt aus dem Bakterium Clostridium phytofermentans ein.

Mit der gentechnisch veränderten Hefe könnte nicht nur die Ausbeute bei der Ethanol-Poduktion aus Mais oder Weizen erhöht werden, so die Forscher. Nun kommen auch ganz neue Pflanzen als Energielieferanten in Frage, die bisher wegen des geringen Glukose-Anteils außen vor blieben.

Bereits vor einiger Zeit konnten die Frankfurter Forscher die Hefen schon so verändern, dass sie die Zuckerart Arabinose verarbeiten können. Aber erst die Umwandlung der weiter verbreiteten Xylose mache nun bei der Ethanol-Herstellung einen deutlichen Unterschied, so die Forscher in der Veröffentlichung.

„Bisher galt es unter Genetikern als aussichtslos, Bierhefe mit einem bestimmten bakteriellen Enzym auszustatten, dass sie befähigt, Xylose zu fermentieren“, sagt Boles, „weil alle Versuche dazu fehlgeschlagen waren“. Der Frankfurter Forscher ließ sich jedoch nicht abschrecken. Dawid Brat und Beate Wiedemann aus seiner Gruppe bauten nach und nach 12 in einer Gendatenbank verzeichnete Gene von Bakterien, die für die Herstellung des gewünschten Enzyms (Xylose Isomerase) zuständig sind, in Hefezellen ein – und wurden schließlich bei Clostridium phytofermentans fündig.

Ethanol aus Pflanzenabfällen

Damit konnten die Forscher nicht nur eine Alternative zu anderen bereits patentierten Verfahren finden. Ein Vorteil des neuen Verfahrens ist auch, dass die Herstellung von Ethanol nicht durch anfallende Nebenprodukte (Xylitol) gehemmt wird, die üblicherweise die Effizienz von Industriehefen reduzieren. „Das ist ein wirklicher Durchbruch für die industrielle Herstellung von Ethanol aus Pflanzenabfällen“, sagt Boles, der das Verfahren nun kommerzialisieren möchte. Zum Patent angemeldet ist es schon.

Boles will seine Erkenntnisse aber auch kommerziell vermarkten. Er nutzte dabei den Auftrieb, den die industrielle Biotechnologie im Raum Frankfurt am Main durch den Clusterwettbewerb BioIndustrie 2021 im Jahr 2007 erhielt (mehr...). Unter den fünf Siegerkonsortien befand sich nämlich auch der Cluster "Integrierte BioIndustrie: Umsetzungskonzept für den Aufbau eines Clusters der industriellen Biotechnologie". Insgesamt 5 Millionen Euro stehen dem Cluster bis 2012 zur Verfügung. Boles Institut für Molekulare Biowissenschaften der Universität Frankfurt ist einer der Partner des Clusterkoordinators, der Frankfurt Biotech Alliance. Im Sommer 2007 gründete Boles zusammen mit dem Schweizer Unternehmensberater und Investor Gunter Festel das Unternehmen Butalco mit Sitz im schweizerischen Kanton Zug. Ziel des Start-ups ist ein verbessertes Verfahren der Zuckervergärung und Biokraftstoffproduktion.

Gras und Holz als Rohstoff

Mit dem Durchbruch bei der Xylose-Vergärung ist dieses Ziel jetzt in Sichtweite gekommen. Auch Holzabfälle oder extra gezüchtete Energiepflanzen wie Elefantengras eignen sich nun zur Ethanol-Produktion, sagt Boles. Die gentechnisch veränderte Hefe  schafft es zwar immer noch nicht, alles von der Pflanze zu verwerten, doch die Effizienz steigt durch die Xylose-Vergärung merklich an: bei Maispflanzen sind nach Angaben von Boles 30 Prozent drin. Wenn er seine Laborhefen einmal widerstandsfähig genug für die industrielle Produktion gemacht hat - in drei Jahren soll es soweit sein - will Boles dann aber nicht Ethanol, sondern Butanol herstellen, eine energiereichere Biosprit-Variante. Zudem greift Ethanol in den Fahrzeugen Schläuche an, die aus bestimmten Gummi- und Kunststoffmischungen hergestellt werden. Für die im Ausland gebräuchlichen Kraftstoffe mit mehr als 5% Ethanolgehalt müssen Fahrzeuge und Tankstellen speziell ausgerüstet werden. Butanol ist deshalb auch für andere Unternehmen der Treibstoff der Träume.

Auch der Chemiegigant Dupont sowie das Biotech-Unternehmen Gevo arbeiten an Butanol aus Pflanzenrohstoffen, die kalifornischen Konkurrenten LS9 und Amyris wollen mit modifizierten Hefen synthetisches Benzin herstellen. Mit seiner Entdeckung kann Boles seinen Spitzenplatz im internationalen Rennen um den Treibstoff der Zukunft aufs Erste halten.