Grüner tanken: Wie Bioethanol nachhaltiger wird

Bioethanol wird nachhaltiger: Forscher verbessern die Produktion durch Bioabfälle und effiziente Hefegärung. Erfahren Sie mehr über den neuen Ansatz.

Viele Menschen sind wahrscheinlich schon einmal mit Bioethanol in Kontakt gekommen. Jedes Mal, wenn man an der Tankstelle das Benzingemisch E10 tankt, kommt man damit in Berührung. Der Kraftstoff wird aus Biomasse gewonnen und gilt als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichem Benzin.

Bioethanol Benzin: Eine umweltfreundliche Alternative?

Ob er diesen Ruf verdient, ist allerdings umstritten. Denn die Pflanzen wie Zuckerrohr oder Mais, aus denen er oft gewonnen wird, könnten auch als Nahrungsmittel dienen. Wasserverbrauch, Einsatz von Pestiziden, Dünger und Energie in der Landwirtschaft belasten die Ökobilanz.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben nun ein Verfahren entwickelt, um die Produktion von Bioethanol nachhaltiger zu gestalten. Statt landwirtschaftlicher Produkte werden Bioabfälle zur Herstellung des Alkohols verwendet. Das Verfahren wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift "Nature Communications" vorgestellt.

Effizienzsteigerung durch innovative Hefegärung

Grundlage für die Produktion von Bioethanol ist die Gärung von Hefe. Wissenschaftler haben jetzt einen Weg gefunden, deren Effizienz zu steigern. Sie setzen dabei auf ein präzises Timing und eine spezialisierte Arbeitsteilung zwischen verschiedenen Hefestämmen. So lässt sich aus der gleichen Menge Biomasse mehr Ethanol gewinnen.

Zucker als Energiequelle: Glukose und Xylose im Fokus

"Wir haben eine künstliche mikrobielle Gemeinschaft aus zwei künstlich hergestellten Hefestämmen konstruiert: einem Glukose- und einem Xylose-Spezialisten", erklärt Yong-Su Jin, Professor für Lebensmittelwissenschaft und Humanernährung an der University of Illinois Urbana-Champaign.

Glukose und Xylose sind die beiden häufigsten Zucker, die aus dem Abbau pflanzlicher Biomasse gewonnen werden. Glucose ist als Traubenzucker allgemein bekannt. Xylose ist ebenfalls ein Einfachzucker, der in den Zellwänden vorkommt. Der Hefestamm Saccharomyces cerevisiae bevorzugt in der Natur jedoch Glukose und ist nicht in der Lage, Xylose in Ethanol umzuwandeln.

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Biotechnologie im Dienste der Nachhaltigkeit

Andere Wissenschaftler hatten den Hefestamm zuvor gentechnisch so verändert, dass er auch Xylose verwertet. Doch wenn man dem veränderten Stamm die Wahl lässt, bevorzugt er immer noch Glukose. Das schmälert die Effizienz der Ethanolproduktion.

Der innovative Ansatz der Forscher um Yong-Su Jin besteht nun darin, den optimalen Zeitpunkt und das perfekte Mischungsverhältnis der Xylose- und Glukose-spaltenden Hefestämme zu finden. Sie veränderten die Reihenfolge, in der die verschiedenen Stämme der Zuckermischung zugesetzt wurden, und den Zeitpunkt der jeweiligen Zugabe.

Optimierung der Ethanolproduktion: Einblicke in die Forschung

Durch die gezielte Mischung der Stämme zu strategisch gewählten Zeitpunkten konnte die Ethanolproduktion deutlich gesteigert werden. Die Forschungsergebnisse zeigten, dass die frühe Zugabe des Xylose-verarbeitenden Stammes, gefolgt von der Zugabe des Glukose-spezialisierten Stammes nach 14 bis 29 Stunden, die Ethanol-Ausbeute mehr als verdoppelte.

Diese Entdeckung ist nicht nur ein Beweis für die Effizienz der Arbeitsteilung in der mikrobiellen Biotechnologie, sondern bietet auch wertvolle Einblicke in das Design technischer Ökosysteme für eine Vielzahl von Anwendungen.

Das Team entwickelte auch ein mathematisches Modell, mit dem sich die Leistung der Hefen und die Ethanolausbeute genau vorhersagen lassen, was für die Optimierung der Fermentationsbedingungen von entscheidender Bedeutung ist.