Weiter Cellulose zu kleinen Zuckermolekülen

Ein Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Instituts für Kohlenstoffforschung (MPI-KoFo) in Mühlheim-sur-la-Ruhr hat eine neue Methode entwickelt, mit der Cellulose relativ leicht in ihre Bausteine ​​Zucker zerlegt werden kann. Dies könnte die Tür zur Herstellung von Rohstoffen und Biokraftstoffen aus Biomasse aus Holz oder Pflanzenabfällen öffnen, daher ohne Konkurrenz zu Lebensmitteln.

Cellulose, das häufigste organische Molekül auf der Erde, ist der Hauptbestandteil von Pflanzenzellen. Da es besonders stabil ist, war es für die Industrie bisher schwierig, es in seine elementaren Bestandteile zu spalten. Eine signifikante Energiemenge blieb somit ungenutzt.

Roberto Rinaldi, Regina Palkovits und Ferdi Schüth von MPI-KoFo haben es nun geschafft, dieses Hindernis mit einem festen Säurekatalysator und einem ionischen Medium zu überwinden. Der resultierende Prozess ermöglicht es, lange Zelluloseketten innerhalb von Stunden oder weniger selektiv in kleine Stücke zu spalten. Ein Vorteil ist außerdem, dass nur wenige Nebenprodukte auftreten, was das Risiko von Komplikationen nach der Behandlung verringert. Der Katalysator kann gewonnen und am Ende der Reaktion wiederverwendet werden.

Zunächst platzieren die Forscher das Cellulosemolekül in einer ionischen Lösung. Es ist ein bei Raumtemperatur flüssiges Salz, das positiv und negativ geladene Elemente enthält. "Dieser Schritt macht die langen Celluloseketten für die folgenden chemischen Reaktionen zugänglich und die Cellulose ist somit durch feste Katalysatoren angreifbar", erklärt F. Schüth.

Das MPI-KoFo-Team hat inzwischen festgelegt, welche Eigenschaften ein Katalysator haben muss, um Cellulose zu spalten. Das Material muss sauer sein, dh H + Protonen ergeben können. Es muss auch eine große Oberfläche und Poren der richtigen Größe haben, da die in der ionischen Lösung gelöste Cellulose sehr viskos ist, was den Transport der Ketten zum Katalysator erschwert. "Wir haben festgestellt, dass das chemisch modifizierte Harz besonders gut zur Spaltung der Zuckerbindungen von Cellulose geeignet ist", fährt Ferdi Schüth fort.

Durch die Zugabe von Wasser sinken die so verkürzten Zuckerketten auf den Boden, so dass sie leicht von der Lösung getrennt werden können. Die Forscher filtrieren dann die Lösung und gewinnen den Katalysator zurück. "Um endlich die kleinsten Bausteine ​​aus Cellulose zu erhalten, ist ein zusätzlicher Schritt erforderlich, beispielsweise durch den Einsatz von Enzymen." Diese schneiden die kurzen Ketten in isolierte Zuckermoleküle. Dieser Prozess des "Abbaus" - von Cellulose zu Glucosemolekülen - wird als Depolymerisation bezeichnet.

Mit der neuen Methode können unter anderem sehr stabile Pflanzenbestandteile wie mikrokristalline Cellulose oder sogar Holz geschnitten werden. "Wir können also sagen, dass dank dieser Methode der Abbau von Holz zu Zucker möglich ist", kommentiert F. Schüth.

Diese Cellulosebehandlung eröffnet viele Anwendungsmöglichkeiten. Die so erhaltenen Zuckermoleküle könnten einer alkoholischen Fermentation unterzogen und das Ethanol dann als Biokraftstoff hergestellt werden, ohne mit Nahrungsmitteln zu konkurrieren. Holz- oder Strohreste könnten als Grundmaterial verwendet werden. Es sind jedoch noch erhebliche Entwicklungsarbeiten erforderlich, bevor diese Methode in großem Maßstab angewendet werden kann. Insbesondere ionische Lösungen sind sehr teuer, was ihre Wiederverwendung im Produktionszyklus und damit die Entwicklung eines Recyclingansatzes erforderlich macht.

Ferdi Schüth - Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mühlheim an der Ruhr - Tel.: +49 208 306 2373 - E-Mail: schueth@mpi-muehlheim.mpg.de

Quelle: BE Deutschland