EnzyBioDeg

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Maßgeschneiderte Enzyme für die effiziente Biodegradation von Zellulose

Nachhaltiges ökonomisches und industrielles Wachstum erfordert nachhaltige Energiequellen, die sozial verträglich und umweltfreundlich sind. Daher ist eine der wichtigsten Herausforderungen der Wirtschaft im 21. Jahrhunderts von fossilen Brennstoffen unabhängig zu werden. Die Alternative zu fossilen Brennstoffen sind Biokraftstoffe. Leider hat sich vor allem die erste Generation der Biokraftstoffe als gesellschaftlich problematisch herausgestellt, da diese aus Maisstärke hergestellt werden, durch den Anbau von Mais jedoch wichtige Nutzpflanzen von den Feldern verdrängt werden.

Biokraftstoffe aus Pflanzenabfällen - Biokraftstoffe der nächsten Generation?

Eine Lösung für dieses Dilemma ist die zweite Generation der Biokraftstoffe, welche aus Lignocellulose hergestellt werden und für die Produktion neuartiger Intermediate für die chemische Industrie optimiert werden. Die Umwandlung von Lignocellulose-Biomasse benötigt in der Regel eine auflösende Vorbehandlung gefolgt von einer enzymatischen Hydrolyse der Cellulose und Hemicellulosen zu fermentierbaren Zuckern. Von entscheidender Bedeutung für die Ausbeute an Zuckern aus diesem Prozess ist insbesondere die Vorbehandlung der Cellulose. Während der Vorbehandlung wird die Löslichkeit der Cellulose erhöht, was eine hohe enzymatische Verzuckerungsrate sicherstellt. Bei dieser Vorbehandlung handelt sich in der Regel um Zerkleinerungs-, Dampfexplosions- sowie Hydrothermolyseverfahren oder chemische Vorbehandlungen, z.B. mittels organischen Lösungsmitteln, Säuren oder Basen.

Welche Nachteile haben Biokraftstoffe der 2. Generation derzeit?

Ein weiterer Nachteil der Biomassekonversion von Lignocellulose ist der hohe Verbrauch an Trinkwasser. Eine naheliegende Lösung dieses Problems könnte die Nutzung von Salz-, Meer- oder Brauchwasser sein, welche bis zu 97% der Wasservorräte des Planeten ausmachen. Hierbei ist es für das Verfahren der Lignocellulose-Biomassekonversion eher von Vorteil Salzwasser einzusetzen, da Cellulose und Hemicellulose leichter in Salzwasser löslich sind. Durch die Verwendung von Salzwasser könnte eine Bioraffinerie, die jährlich 400 Millionen Liter Bioethanol herstellt, zwischen 800 und 2400 Millionen Liter Trinkwasser einsparen.

Wie trägt EnzyBioDeg zur Lösung dieses Problems bei?

Das Hauptziel des Projektes EnzyBioDeg ist die Entwicklung eines innovativen und nachhaltigen Biomasse-Depolymerisationsprozesses, bei dem Trinkwasser durch den Einsatz speziell angepasster Mischungen von Enzymen – so genannter Enzymcocktails, durch Salzwasser ersetzt werden kann. Darüber hinaus wird das Projekt überprüfen ob auch Abwasser aus der Papierherstellung für diesen Prozess verwendet werden kann. Die angepassten Cellulase-Cocktails werden außerdem auf ihre Resistenz gegenüber ionischen Flüssigkeiten, die von unseren Industriepartnern im Großmaßstab speziell für die Biomassekonversion hergestellt werden, überprüft.

Die Vorgehensweise im Projekt EnzBioDeg

Das Projekt EnzyBioDeg ist insbesondere auf die Entwicklung und Produktion von Cellulase-Cocktails für die effiziente Verzuckerung in Meerwasser und der Bewertung von Alternativen, z.B. Abwasser aus der Papierherstellung oder ionischen Flüssigkeiten. Unsere russischen Projektpartner von der Moscow State University – FRC untersuchen parallel hierzu die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens anhand von aktiven Produktionsanlagen, die derzeit noch mit Trinkwasser betrieben werden. Cellulase-Cocktails, die von unseren Partnern aus Moskau bereitgestellt werden, werden in unserer Arbeitsgruppe mittels Protein Engineering in verschiedenen Parametern verbessert, die sich direkt auf die Biomassekonversion auswirken. Zwei definierte Parameter werden hierbei unabhängig voneinander mittels unserer bewährten KnowVolution-Strategie bearbeitet. Beide Eigenschaften werden schließlich kombiniert um einen signifikant verbesserten Cellulase-Cocktail zu produzieren. Dieser Cellulase-Cocktail wird abschließend auf seine Anwendbarkeit in Abwasser der Papierindustrie und ionischen Flüssigkeiten untersucht.

Ein Fazit

Zurzeit werden weltweit jährlich 90 Milliarden Liter Bioethanol hergestellt, die primär als Zusatz für Kraftstoffe dienen. Ihre Produktion belastet jedoch unsere Trinkwasserreserven in zunehmendem Maße. Für jeden Liter Bioethanol werden zwei bis sechs Liter Trinkwasser benötigt. Mit der Möglichkeit, Salz- oder Abwasser für diesen Prozess zu benutzen werden aber nicht nur unsere Trinkwasserreserven geschont. Vielmehr bietet dieser Prozess die Möglichkeit, nachhaltig produziertes Bioethanol als Baustein oder Ausgangsstoff in einer Vielzahl von Prozessen der chemischen Industrie zu benutzen und damit einen wichtigen Schritt hin zu Bioökonomie zu tun.