Quelltext der Seite Cellulose-Ethanol

{{Infobox Brennstoff
 | Name                   = 
 | Bild                   = 
 | Andere Namen           = Bio-Ethanol zweiter Generation
 | Handelsnamen           = 
 | Beschreibung           = Ottokraftstoff für angepasste Motoren
 | Herkunft               = biosynthetisch
 | Bestandteile           = Ethanol (wasserhaltig)
 | CAS                    = 
 | Aggregat               = flüssig
 | Viskosität             = 
 | Dichte                 = 
 | Heizwert               = 
 | Brennwert              = 
 | Wobbe-Index            = 
 | Oktanzahl              = ca. 104 ROZ
 | Cetanzahl              = 
 | Hypergol               = 
 | Schmelzbereich         = 
 | Siedebereich           = 
 | Flammpunkt             = 
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 | Explosionsklasse       = 
 | Mindestluftbedarf      = 
 | Kohlendioxidemissionen = 
 | Quelle GHS-Kz          = NV
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 | Quelle P               = <!-- <ref name="Quellname" /> -->
 | ToxDaten               = 
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 | Gefahrnummer           = 
}}

[[Ethanol]], das aus pflanzlichen Abfällen hergestellt wird, wird als '''Cellulose-Ethanol''' oder '''Lignocellulose-Ethanol''' bezeichnet. Wie der herkömmliche [[Ethanol-Kraftstoff]] ist es ein [[Ottokraftstoff]], der durch Vergärung von Pflanzen gewonnen werden kann ([[Bio-Ethanol]]). Anders als herkömmliches Bioethanol, welches fast ausschließlich aus den zucker- oder stärkereichen Teilen von [[Kulturpflanze]]n wie [[Mais]] und [[Weizen]] hergestellt wird, kann zur Herstellung von Cellulose-Ethanol jeder cellulosehaltige Teil einer Pflanze verwertet werden. Vor allem [[Gras|Gräser]], [[Alge]]n und [[Bioabfall|pflanzliche Abfallstoffe]] gelten als mögliche Rohstoffe für die Herstellung von Cellulose-Ethanol.

Die Vorteile von Cellulose-Ethanol sind einerseits, dass seine Herstellung aus ökologischer Sicht effizienter und klimaneutraler ist, und andererseits dass er einen geringeren [[Biokraftstoff#Konkurrenz zur Bereitstellung von Nahrungsmitteln|Wettbewerb zum Anbau von Nahrungsmittelpflanzen]] darstellt. Trotz intensiver staatlicher Förderung ist die großtechnische Herstellung von Cellulose-Ethanol aktuell aufgrund hoher Produktionskosten nicht wettbewerbsfähig gegenüber herkömmlichem Bioethanol und [[Fossile Energie|fossilen Brennstoffen]].<ref>{{Literatur |Autor=Juan J. Cadillo-Benalcazar, Sandra G.F. Bukkens, Maddalena Ripa, Mario Giampietro |Titel=Why does the European Union produce biofuels? Examining consistency and plausibility in prevailing narratives with quantitative storytelling |Sammelwerk=Energy Research & Social Science |Band=71 |Datum=2021-01 |Seiten=101810 |DOI=10.1016/j.erss.2020.101810 |Sprache=en}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Monica Padella, Adrian O’Connell, Matteo Prussi |Titel=What is still Limiting the Deployment of Cellulosic Ethanol? Analysis of the Current Status of the Sector |Sammelwerk=Applied Sciences |Band=9 |Nummer=21 |Datum=2019-10-24 |Seiten=4523 |DOI=10.3390/app9214523 |Sprache=en}}</ref>

== Bioethanol aus pflanzlicher Biomasse ==
Bioethanol ist Alkohol, der durch Fermentation aus Zuckern mit Hilfe von Mikroorganismen gewonnen wird. Im Allgemeinen wird dazu die [[Backhefe|Hefe]] mit dem wissenschaftlichen Namen ''[[Saccharomyces cerevisiae]]'' eingesetzt. Die Zucker stammen aus Pflanzen, die durch den Prozess der [[Photosynthese]] die Energie des Sonnenlichtes ausnutzen, um aus [[Kohlendioxid]] (CO<sub>2</sub>) ihre organischen Bestandteile aufzubauen. Die Zucker können in Form von [[Stärke]] (z.&nbsp;B. Getreidekorn, Kartoffel) oder [[Saccharose]] (z.&nbsp;B. Zuckerrübe, Zuckerrohr) gespeichert werden, oder sie werden in Strukturbestandteile (z.&nbsp;B. [[Cellulose]]) umgewandelt, die der Pflanze ihre Form und Stabilität verleihen. Gegenwärtig wird Bioethanol vornehmlich durch Vergärung von Saccharose (brasilianisches Zuckerrohr) oder [[Hydrolysat]]en von Stärke (Mais, Getreide) gewonnen. Nach Destillation und Trocknung kann das Ethanol als Kraftstoff eingesetzt werden. Diese Art der Herstellung erzeugt jedoch eine Konkurrenzsituation zum Lebensmittelmarkt. Darüber hinaus stehen die nur begrenzten Anbauflächen und die ökologischen Probleme bei der notwendigen Intensivierung der Landwirtschaft einer großflächigen Produktion von auf Stärke basierendem Ethanol entgegen. Angestrebt wird daher zunehmend die Nutzung von kostengünstigen pflanzlichen Reststoffen wie Stroh, Holzresten und Landschaftspflegegut oder von Energiepflanzen wie [[Rutenhirse]]<ref>{{cite journal |author=M. R. Schmer, K. P. Vogel, R. B. Mitchell, and R. K. Perrin |year=2008 |title=Net energy of cellulosic ethanol from switchgrass |journal=[[PNAS]] |volume=105 |issue=2 |pages=464–469 |doi=10.1073/pnas.0704767105 |language=en}} und {{Internetquelle |url=https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/viel-bioethanol-fuer-wenig-einsatz/ |titel=Viel Bioethanol für wenig Einsatz |werk=wissenschaft.de |datum=2008-01-08 |abruf=2019-09-08 |kommentar=deutsche Zusammenfassung |sprache=de}}</ref> (auch Switchgrass, ''[[Panicum virgatum]]'') oder ''[[Miscanthus]]'', die keiner intensiven landwirtschaftlichen Bewirtschaftung bedürfen und auch auf minderwertigen Böden wachsen.

Pflanzenreste oder Energiepflanzen besitzen nur wenig [[Stärke]] oder [[Saccharose]], sondern enthalten Kohlenhydrate in Form von [[Lignocellulose]]n in ihren Zellwänden eingelagert. Lignocellulosen bestehen aus [[Cellulose]], [[Hemicellulose]]n und dem nicht fermentierbaren [[Lignin]] („Holzstoff“). Cellulose ist wie die Stärke ein Polymer aus Zuckermolekülen mit sechs Kohlenstoffatomen, der [[Glucose]], die zu langen Ketten miteinander verknüpft sind. Beide unterscheiden sich nur in der Art der Verknüpfungen. Hemicellulosen bestehen zum größten Teil aus Zuckern mit fünf Kohlenstoffatomen, [[Xylose]] und [[Arabinose]], die in verzweigten Ketten aneinandergelagert werden.

== Cellulose-Ethanol-Produktionsprozess ==
Um aus Lignocellulose Bioethanol herstellen zu können, müssen zunächst die Cellulose und die Hemicellulosen in die einzelnen Zucker gespalten werden. Das geschieht mit Säuren und speziellen Enzymen. Danach müssen die Hefen das Gemisch aus Glucose, Xylose und Arabinose zu Ethanol fermentieren. Die Fermentation, Destillation und Trocknung geschieht analog zum klassischen [[Ethanol-Kraftstoff]]-Prozess. Seit Ende 2013 wurde Cellulose-Ethanol mit mehr als 75 Millionen Liter jährlich in einer von einer von der Firma „Beta Renewables“ betriebenen Anlage in Norditalien, auch kommerziell hergestellt. Das Unternehmen wurde jedoch 2017 restrukturiert.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2017/10/30/beta-renewables-in-cellulosic-ethanol-crisis-as-grupo-mg-parent-files-for-restructuring/ |titel=Beta Renewables in cellulosic ethanol crisis, as Grupo M&G parent files for restructuring : Biofuels Digest |sprache=en-US |abruf=2020-05-13}}</ref> Aktuelle Unternehmen mit entsprechenden Verfahren sind z.&nbsp;B. Ineos Bio,<ref>{{Internetquelle |url=https://www.ineos.com/news/ineos-group/ineos-bio-produces-cellulosic-ethanol-at-commercial-scale/ |titel=Ineos Bio |abruf=2021-05-02 |sprache=en}}</ref> Iogen,<ref>{{Internetquelle |url=http://www.iogen.ca/ |titel=Iogen Corporation |abruf=2020-05-13 |sprache=en}}</ref> POET<ref>{{Internetquelle |url=https://poet.com/biofuel |titel=Biofuel - POET |sprache=en |abruf=2020-05-13}}</ref> und Verbio<ref>{{Internetquelle |autor=Deutscher Tele Markt GmbH-Internet- und Werbeagentur |url=https://www.verbio.de/investor-relations/aktuelles-publikationen/ad-hoc/verbio-erwirbt-eine-zellulose-ethanolanlage-von-dupont-in-nevadaiowa-usa/ |titel=VERBIO erwirbt eine Zellulose-Ethanolanlage von DuPont in Nevada/IOWA, USA |sprache=de |abruf=2020-05-13}}</ref>. Weitere Unternehmen in Deutschland und Österreich finden sich in der Übersicht des Bundesverbandes der deutschen Bioethanolwirtschaft e.&nbsp;V.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.bdbe.de/biokraftstoff-bioethanol/zellulose-ethanol |titel=Hersteller |sprache=de |abruf=2020-05-13}}</ref>

=== Vorbehandlung und Verzuckerung des Pflanzenmaterials ===
Trotz der großen Ähnlichkeiten in der Stärke- und Lignocellulose-Fermentation weist die letztere einige Schwierigkeiten auf. Zunächst muss die Lignocellulose verflüssigt und verzuckert werden. Dieses ist deutlich schwieriger als bei der Stärke, da die Zuckerketten nur schwer zugänglich sind. Das Pflanzenmaterial muss deshalb zunächst chemisch oder thermisch vorbehandelt werden. Erst dann kann die Verzuckerung mit Hilfe von speziellen Enzymen ([[Cellulasen]], [[Xylanase]]n, [[Glucosidase]]n) geschehen, die analog den [[Amylasen]] bei der Stärke die Celluloseketten in Glucose spalten. Diese Enzyme werden aus Pilzen gewonnen, die in der Natur an der [[Verrottung]] von Pflanzenresten beteiligt sind. Da wesentlich mehr Enzyme als bei der Stärkeverzuckerung benötigt werden, führt dies zu erhöhten Kosten. Forschungsanstrengungen haben hier in den letzten Jahren jedoch zu einer Kostenreduzierung geführt.

=== Vergärung des Zuckergemisches aus Hexosen und Pentosen ===
Der zweite wesentliche Unterschied liegt darin, dass in der Lignocellulose nicht wie in der Stärke nur Glucose als Zuckerbaustein vorhanden ist, sondern auch andere Zucker wie [[Xylose]] und [[Arabinose]] (= C5-Zucker oder Pentosen). Diese können jedoch von den zur Ethanolproduktion verwendeten Hefen nicht genutzt werden. Es müssen also speziell gezüchtete Hefen eingesetzt werden, die neben der Glucose auch die anderen Zucker zu Ethanol vergären können.

In der traditionellen [[Ethanol-Kraftstoff]]-Produktion werden ausschließlich Hefen vom Typ ''[[Saccharomyces]]'' eingesetzt. Das sind die gleichen Hefen, die auch zur Herstellung von [[Brot]], [[Bier]] und [[Wein]] dienen. Hefen haben gegenüber [[Bakterien]] den Vorteil, dass ihre Handhabung in industriellen Prozessen schon seit Jahrhunderten etabliert ist. Aus diesem Grunde bieten sie sich hervorragend für die Produktion von Ethanol aus Lignocellulose an. Ihr großer Nachteil ist jedoch, dass sie nur die C6-Zucker (=Hexosen) aber nicht die C5-Zucker (=Pentosen) vergären können.

Verschiedene Forschergruppen aus Europa und den USA haben in den letzten Jahren Hefestämme erzeugen können, die auch C5-Zucker zu Ethanol vergären. Aus dem [[Genom|Erbmaterial]] der Hefen lässt sich ablesen, dass diese früher einmal in der Lage war, C5-Zucker zu verwerten. Sie haben diese Eigenschaft allerdings im Laufe ihrer [[Evolution]] wieder verloren. Mit Hilfe [[gentechnisch]]er Verfahren gelang es, den Hefezellen diese Eigenschaft wieder zu verleihen bzw. sie sogar deutlich zu verbessern. Dazu wurde ihnen gezielt das entsprechende Erbmaterial aus anderen Hefen, [[Pilze]]n und Bakterien eingeschleust. Dabei sind Hefezellen entstanden, die sowohl C6- als auch C5-Zucker vergären können.

Im Falle des C5-Zuckers [[Xylose]] wurden dazu zwei verschiedene Strategien angewandt. Wissenschaftler der [[Universität Lund]] in Schweden nutzten einen Zweischritt-Mechanismus ([[Xylose-Reductase]]/[[Xylitol-Dehydrogenase]] aus der Hefe ''[[Pichia stipitis]]'') aus, um Xylose in den [[Stoffwechsel]] der ''Saccharomyces''-Hefen einzuschleusen. Wissenschaftler der [[Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main|Universität Frankfurt]] und solche der [[Technische Universität Delft|Technischen Universität Delft]] aus den [[Niederlande]]n konnten kürzlich aber auch erfolgreich Hefen züchten, die Xylose direkt in einem Schritt mit Hilfe des Enzyms [[Xylose-Isomerase]] in ihren Stoffwechsel integrieren und zu Ethanol vergären können. Dabei nutzen die Delfter Wissenschaftler eine eukaryotische Xylose-Isomerase, wohingegen die Frankfurter Wissenschaftler eine bakterielle Xylose-Isomerase verwenden, die den Vorteil hat, weniger stark durch den Inhibitor Xylitol gehemmt zu werden.

Im Falle des C5-Zuckers [[Arabinose]] stellte sich der häufig in Pilzen zu findende 5-stufige Abbauweg in den ''[[Saccharomyces]]''-Hefen als wenig geeignet heraus. Dagegen konnte an der [[Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main|Universität Frankfurt]] erfolgreich ein 3-stufiger Stoffwechselweg etabliert werden, der sonst nur in Bakterien zu finden ist. Integrierte man diesen Stoffwechselweg in die Hefen und zwang sie dann mehrere Monate lang, Arabinose als einzige Energiequelle zu nutzen, dann entwickelten sich tatsächlich Hefestämme, die neben der Glucose auch Arabinose vergären konnten. Zusammen mit den Forschern der Universität Lund wurde dann eine Hefe gezüchtet, die alle Zucker, also Glucose, Xylose und Arabinose zu Ethanol vergären kann.

=== Fermentationsinhibitoren ===
Ein dritter Unterschied zwischen dem klassischen [[Ethanol-Kraftstoff]]-Prozess und Cellulose-Ethanol sind [[Gift|toxische Stoffe]], die bei der chemischen und thermischen Vorbehandlung des Pflanzenmaterials entstehen (z.&nbsp;B. [[Furfural]]e). Diese Inhibitoren schädigen die bei der Fermentation eingesetzten Mikroorganismen. Sie müssen deshalb vor der Fermentation entfernt werden, was jedoch zusätzliche Kosten verursacht.

=== Logistik ===
Ein vierter wesentlicher Unterschied ist das niedrigere [[Dichte|Raumgewicht]] von Pflanzenabfällen, d.&nbsp;h. die niedrigere Energiedichte gegenüber Getreide- oder [[Mais]]körnern. Dieses bedeutet erhöhte Transportkosten und einen erhöhten Lagerraumbedarf. Daher werden effizientere [[Presse (Maschine)|Presstechniken]], der Transport von bereits zerkleinertem Material und kleinere, [[Zentralisation (Wirtschaftswissenschaften)|dezentralen]] Produktionsanlagen untersucht.

== Wirtschaftliche Betrachtung ==
Die Umsetzung aller Zucker kann die Wirtschaftlichkeit der Vergärung von pflanzlicher Biomasse erheblich verbessern. [[Stroh]] enthält etwa 32 % Glucose, 19 % Xylose und 2,4 % Arabinose. In 1&nbsp;[[Tonne (Einheit)|t]] Stroh sind also 320&nbsp;[[Kilogramm|kg]] Glucose enthalten. Bei einer vollständigen Vergärung entstehen daraus etwa 160&nbsp;kg Ethanol, was einem Volumen von 200&nbsp;[[Liter|l]] entspricht. Die vollständige Vergärung des Pentosezuckers Xylose ergibt entsprechend zusätzliche 124&nbsp;l Ethanol pro Tonne Stroh.

Die [[Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe]] (FNR) hat in einer 2009 publizierten Studie (''Biokraftstoffe – Eine vergleichende Analyse'') die Kosten für Lignocellulose-Ethanol aus Abfallstroh für 2020 auf etwa 24&nbsp;€/GJ geschätzt, während dieser Wert 2007 noch bei 30&nbsp;€/GJ lag. Dies entspricht bei einem [[Brennwert]] von 23,5&nbsp;MJ/l für Bioethanol also etwa 56&nbsp;cent/l (2020) bzw. etwa 70&nbsp;cent/l (2007). Damit liegen die Kosten aber über den Kosten für [[Stärke]]-Ethanol. Vor diesem Hintergrund kommt die Studie zur Einschätzung, dass Bioethanol aus Lignocellulose ohne Förderung voraussichtlich nicht wettbewerbsfähig ist.<ref name="FNR Biokraftstoffe Vergleich">Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.: [http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_236-biokraftstoffvergleich_2009.pdf ''Biokraftstoffe - Eine vergleichende Analyse''] (PDF; 2,0&nbsp;MB), Gülzow 2009, S. 64/65, abgerufen am 5. März 2010.</ref> Allerdings ist zu berücksichtigen, dass erst eine kommerziell betriebene Anlage die wahren Kosten zeigt. Die größten Kosten werden durch die Enzyme zur Celluloseverzuckerung verursacht. Enzymhersteller verweisen jedoch darauf, dass es bereits kostengünstige Prozesse für effektivere Enzyme gibt, es aber nicht lohnt, sie zu produzieren, weil keine Nachfrage da ist. Langfristig wird vermutlich Cellulose-Ethanol nur eine Übergangslösung darstellen. Die Biokraftstoffe der dritten Generation, wie z.&nbsp;B. [[Biobutanol]] zeigen bessere Eigenschaften, allerdings aber auch nur dann, wenn sie aus Lignocellulose gewonnen werden.<ref>{{Internetquelle |autor=Jens Lubbadeh |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/sprit-aus-stroh-mit-superhefe-treibstoff-brauen-a-572186.html |titel=Sprit aus Stroh: Mit Superhefe Treibstoff brauen |werk=[[Spiegel Online]] |datum=2008-08-18 |abruf=2010-03-05 |sprache=de}}</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Jessica Becker, Eckhard Boles |Titel=A Modified Saccharomyces cerevisiae Strain That Consumes l-Arabinose and Produces Ethanol |Sammelwerk=[[Applied and Environmental Microbiology]] |Band=69 |Nummer=7 |Datum=2003 |Seiten=4144–4150 |DOI=10.1128/AEM.69.7.4144-4150.2003 |PMID=12839792 |Sprache=en}}
* {{Literatur |Autor=Reinhard Wandtner |Titel=Kraftstoff: Wenn Autos mit Stroh und Ästen fahren |Sammelwerk=[[Frankfurter Allgemeine Zeitung]] |Datum=2005-10-12 |Online=[http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/kraftstoff-wenn-autos-mit-stroh-und-aesten-fahren-1279109.html faz.net] |Abruf=2017-02-08 |Sprache=de}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Flüssigbrennstoff]]
[[Kategorie:Biokraftstoff]]
[[Kategorie:Cellulose]]