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Schnellere Produktion von Bioethanol aus Abfällen

Hefen schmeckt der hochwertige Zucker Glucose besser als die aus Pflanzenresten gewonnene Xylose. Deshalb vergären sie den Abfallzucker erst dann zu Bioethanol, wenn es keine Glukose mehr gibt. Das verlängert die Produktionszeiten und verursacht dadurch höhere Kosten. In der renommierten Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Science“ berichten Frankfurter Forscher um Prof. Eckhard Boles, wie es ihnen gelungen ist, dieses Problem zu umgehen: Sie konnten ein Glucosetransportsystem in der Zellmembran der Hefen in ein spezifisches Xylosetransportsystem umwandeln. Die Studie wurde unter anderem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft finanziert.

In Biokraftstoffe der zweiten Generation werden große Hoffnungen gesetzt, weil sie aus Abfallstoffen gewonnen werden können und somit nicht die ethischen Probleme der „Teller-Tank Debatte“ aufwerfen. Zudem spart ihre Herstellung deutlich mehr Treibhausgase ein, als dies bei den Biokraftstoffen der Fall ist, die aus Nahrungs- oder Futtermitteln hergestellt werden. Bisher standen aber technische und finanzielle Gründe der Produktion dieser Abfallkraftstoffe entgegen.

„Das Problem ist, dass die verschiedenen Zucker durch dasselbe Transportsystem in die Hefen aufgenommen werden müssen. Dieses System bevorzugt die Aufnahme von Glucose und erst wenn diese verbraucht ist, kann auch die Xylose aufgenommen und in Bioethanol umgewandelt werden“, erläutert Prof. Eckhard Boles vom Institut für Molekulare Biowissenschaften der Goethe-Universität. Schon seit mehr als 15 Jahren wird daher vergeblich nach Transportsystemen gesucht, die bevorzugt Xylose aufnehmen.

Alexander Farwick und Dr. Mislav Oreb aus der Arbeitsgruppe von Boles ist es nun gelungen, auf einem ganz anderen Wege ein Xylose-spezifisches Aufnahmesystem für die Hefen zu finden. Es gelang ihnen durch einen Trick, ein Glucosetransportsystem in ein spezifisches Xylosetransportsystem umzuwandeln. Solch ein System ist bisher in der Natur nicht bekannt. Verändert man nun die Hefen so, dass sie beide Transportsysteme besitzen, dann können sie in Zukunft die beiden Zucker Glucose und Xylose gleichzeitig und damit deutlich schneller zu Bioethanol umsetzen. „Damit ist ein weiterer Meilenstein bei der kostengünstigen Produktion von Bioethanol aus Abfallstoffen erreicht“, so Boles.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Boles hat in den vergangenen Jahren grundlegende Technologien entwickelt, um mit Hilfe von Hefen Abfallzucker zu Bioethanol umzusetzen. Die Produktion dieses sogenannten Cellulose-Ethanols ist inzwischen marktfähig geworden. Ende 2013 hat die Firma Beta Renewables in Norditalien die weltweit erste kommerzielle Produktion von jährlich etwa 75 Millionen Liter Bioethanol aus landwirtschaftlichen Reststoffen in Betrieb genommen. Die Inbetriebnahme weiterer Großanlagen in den USA soll im Laufe dieses Jahres folgen.

Publikation
Alexander Farwick, Stefan Bruder, Virginia Schadeweg, Mislav Oreb, und Eckhard Boles: Engineering of yeast hexose transporters to transport D-xylose without inhibition by D-glucose, in PNAS, doi: 10.1073/pnas.1323464111 http://www.pnas.org/content/early/2014/03/19/1323464111.abstract (Uni frankfurt)