Projekt „HydroProCellu“

Wertvolle Enzyme aus Stroh für eine nachhaltige Energieversorgung

Die Produktion von Cellulasen (Enzyme für den Abbau von Lignocellulose) auf Basis von landwirtschaftlichen Reststoffen ist seit vielen Jahren ein zentraler Forschungsschwerpunkt der PFI Biotechnologie. Mit dem neuen Forschungsprojekt „Verfahrensentwicklung zur Produktion von hochaktiven Cellulasen in xylosehaltigen Hydrolysaten auf Basis agrarischer Reststoffe“ (Kurztitel: HydroProCellu, Projektnummer 49VF180029) können wir unsere Expertise in diesem wichtigen Bereich der Bioökonomie weiter stärken. Ziel ist die Produktion von Cellulasen in Stroh-Hydrolysaten aus der thermo-chemischen Vorbehandlung von Weizenstroh. Diese Cellulasen können eingesetzt werden, um die restliche Cellulose im vorbehandelten Stroh zu spalten und mit den gewonnenen Zuckerlösungen Biokraftstoffe oder andere höherwertige biobasierte Produkte herzustellen.

Hintergrund: Notwendigkeit der wirtschaftlichen Produktion von Cellulasen

Der fortschreitende Klimawandel macht es notwendig, fossile Brennstoffe wie Erdöl oder Erdgas so schnell wie möglich durch erneuerbare nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. In dieser Hinsicht wurden schon beachtliche Erfolge erzielt. Beispielsweise ist es gelungen, einen Anteil von konventionellem Benzin durch Bioethanol zu ersetzen (als E10-Kraftstoff mit einem Bioethanol-Anteil von zehn Prozent). Allerdings wird der Großteil des Bioethanols immer noch auf Basis von Stärkelieferanten wie Mais produziert. Mais gehört zu den nachwachsenden Rohstoffen der so genannten ersten Generation, die mit dem Nachteil behaftet sind, in Konkurrenz zur Nahrungsmittel-Produktion zu stehen. Daher konzentriert sich die Forschung seit einigen Jahren auf die Substitution von Stärke durch Lignocellulose, ein nachwachsender Rohstoff der so genannten zweiten Generation, die nicht in Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion steht. Allerdings ist die Verarbeitung von Lignocellulose im Gegensatz zu Maisstärke deutlich schwieriger, denn sie erfordert eine thermische Vorbehandlung in Kombination mit einer enzymatischen Aufspaltung durch Cellulasen. Zudem macht der Preis der Cellulasen aufgrund der teuren Cellulase-Produktion einen nicht unerheblichen Anteil an den Gesamtkosten für die Lignocellulose-Nutzung aus. Daher gilt es, die Kosten für die Cellulase-Produktion zu senken, um langfristig ökonomisch mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können.  

Ansatz: Nutzung günstiger Substrate in Kombination mit neuartigen Produktionsverfahren

Ein großer wirtschaftlicher Faktor bei der Cellulase-Produktion sind die Kosten für die Substrate. Daher beschäftigen sich zahlreiche Forschungsansätze mit der Identifizierung von neuen, günstigen Substraten. Hier setzt auch das neue PFI-Forschungsvorhaben an. Bei der thermo-chemischen Vorbehandlung von Stroh fällt neben der festen Cellulosefraktion auch eine xylosehaltige Zuckerfraktion an. Aufgrund zahlreicher und zum Teil wachstumshemmender Nebenprodukte ist eine fermentative Nutzung dieser Fraktion bislang nur eingeschränkt möglich. Verschiedene Cellulase-Produzenten wie zum Beispiel die filamentösen Pilze der Gattung Trichoderma reesei sind allerdings in der Lage, in diesen Hydrolysaten ohne Probleme zu wachsen. Um eine effiziente Cellulase-Produktion

auf Basis von Xylose zu gewährleisten, sind allerdings umfangreiche genetische Modifizierungen erforderlich. Die Produktion der Enzyme mit den genetisch optimierten Stämmen erfolgt in einem Festbettreaktor im Tropfkörperverfahren.  Dies ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Fermentationsverfahren nicht nur verfahrenstechnische Vorteile, sondern auch höhere Enzymausbeuten. Das Tropfkörperverfahren soll hierbei in unterschiedlichen Maßstäben getestet und bis zu einem technischen Maßstab hochskaliert werden (300 l Festbettreaktor, Abb. 1).

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