Forscher machen zwei Schritte in Richtung grüner Treibstoff
Zweistufige Verzuckerung von Reisstroh mit festen Säurekatalysatoren
Eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung von Wissenschaftlern der Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT), Japan, hat eine zweistufige Methode entwickelt, um Kohlenhydrate effizienter in ihre einzelnen Zuckerbausteine zu zerlegen, was einen kritischen Prozess bei der Herstellung von grünem Kraftstoff darstellt.
Die Forscher entwickelten ein zweistufiges Verfahren, um Reishalme in Zucker für den Kraftstoff zu zerlegen.
Figure adapted from Ind. Eng. Chem. Res. 2019 58 (14), 5686-5697. Copyright © 2019 American Chemical Society
Der Abbauprozess wird als Verzuckerung bezeichnet. Die erzeugten Einzelzuckerkomponenten, die sogenannten Monosaccharide, können zu Bioethanol oder Biobutanol fermentiert werden, Alkoholen, die als Kraftstoff verwendet werden können.
"Seit langem wird der Verwendung von homogenen Säuren und Enzymen für die Verzuckerung große Aufmerksamkeit geschenkt", sagt Eika W. Qian, Papierautor und Professor an der Graduate School of Bio-Applications and Systems Engineering an der Tokyo University of Agriculture and Technology in Japan. "Enzymatische Verzuckerung wird als vernünftige Perspektive angesehen, da sie das Potenzial für höhere Erträge, niedrigere Energiekosten und eine bessere Umweltverträglichkeit bietet."
Der Einsatz von Enzymen zum Abbau der Kohlenhydrate könnte sogar behindert werden, insbesondere in der praktischen Biomasse wie Reisstroh. Reisstroh ist ein Nebenprodukt der Reisernte und besteht aus drei komplizierten Kohlenhydraten: Stärke, Hemicellulose und Cellulose. Enzyme können sich Hemicellulose oder Cellulose nicht nähern, unter anderem aufgrund ihrer Zellwandstruktur und Oberfläche. Sie müssen vorbehandelt werden, um für die enzymatische Aktivität empfänglich zu werden, die kostspielig sein kann.
Eine Antwort auf die Kosten und die Ineffizienz von Enzymen ist die Verwendung von festen sauren Katalysatoren, d.h. Säuren, die chemische Reaktionen verursachen, ohne sich aufzulösen und zu einem festen Bestandteil der Reaktion zu werden. Sie sind besonders attraktiv, weil sie nach der Verzuckerung zurück gewonnen und wiederverwendet werden können.
Dennoch ist es nicht so einfach, den Austausch der Enzyme gegen die Säuren durchzuführen, so Qian, da die Kohlenhydrate ungleichmäßig sind. Hemicellulose und Stärke bauen sich bei 180 Grad Celsius und darunter ab, und wenn die resultierenden Komponenten weiter erwärmt werden, verliert sich der produzierte Zucker und wird in andere Nebenprodukte umgewandelt. Andererseits findet der Abbau von Cellulose erst bei Temperaturen von 200 Grad Celsius und darüber statt.
Um die daraus resultierende Zuckerausbeute aus Reisstroh zu maximieren, entwickelten die Forscher daher ein zweistufiges Verfahren - einen Schritt für die Hemicellulose und einen weiteren für die Cellulose. Der erste Schritt erfordert eine sanfte feste Säure bei niedrigen Temperaturen (150 Grad Celsius und darunter), während der zweite Schritt aus raueren Bedingungen besteht, mit einer stärkeren festen Säure und höheren Temperaturen (210 Grad Celsius und darüber).
Insgesamt erwies sich das zweistufige Verfahren nicht nur als effektiv, es produzierte auch rund 30 Prozent mehr Zucker als herkömmliche einstufige Verfahren.
"Wir suchen nun einen Partner, der die Machbarkeit unseres zweistufigen Verzuckerungsprozesses in Reisstroh und anderen verschiedenen Materialien wie Weizenstroh und Maiskeller etc. in einer Pilotanlage evaluiert", sagte Qian. "Unser oberstes Ziel ist es, unseren Prozess zur Herstellung von Monosacchariden aus dieser Art von Material in Zukunft zu kommerzialisieren."
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