Biokraftstoffe gelten seit Jahren als Option, um fossile Energieträger zu ersetzen. Pflanzen wachsen nach, binden CO₂ und lassen sich theoretisch vielseitig nutzen. In der Praxis scheitert vieles an einem unscheinbaren Bestandteil: Lignin. Es steckt in Stängeln, Halmen und Holz und macht Pflanzen stabil – blockiert aber bis heute viele effiziente Umwandlungsprozesse.
Forschende des vom US-Energieministerium geförderten Center for Advanced Biofuel and Bioproduct Innovation (CABBI) auf dem Campus der University of Illinois haben nun einen Weg gefunden, genau dieses Problem anzugehen. Ihr Ansatz: Lignin nicht zerstören, sondern gezielt erhalten. Das könnte die Wirtschaftlichkeit von Biosprit deutlich verbessern.
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Warum Lignin bislang als Problemstoff gilt
Pflanzen bestehen im Kern aus drei Hauptbausteinen: Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Zellulose lässt sich vergleichsweise leicht in Zucker zerlegen und anschließend vergären. Lignin dagegen ist chemisch komplex. Es besteht aus verzweigten, stark vernetzten Strukturen, die Wasser abweisen und andere Fasern zusammenhalten.
In klassischen Verfahren wird diese Struktur mit Hitze und Druck aufgebrochen. Die sogenannte hydrothermale Vorbehandlung arbeitet mit Wasser bei hohen Temperaturen und hohem Druck. Das setzt zwar die Zucker frei, zerstört aber das Lignin gleich mit.
„Wenn man Lignin mit Wasser bei sehr hoher Temperatur und hohem Druck behandelt, beginnt sich diese widerspenstige Struktur aufzulösen“, sagte Vijay Singh. „Dabei wird jedoch auch das Lignin aufgebrochen.“ Das hat zwei Folgen. Erstens kostet der Prozess viel Energie. Zweitens geht ein Teil der pflanzlichen Biomasse verloren oder wird chemisch so verändert, dass sie kaum noch nutzbar ist.
Ein sanfterer Ansatz für die Vorbehandlung
Genau hier setzt die neue Methode an. Das Team um Postdoktorand Tirath Raj und Vijay Singh hat eine alternative Vorbehandlung entwickelt, die ohne extreme Temperaturen und Drücke auskommt. Stattdessen kommen sogenannte natürliche tief eutektische Lösungsmittel zum Einsatz, kurz NADES.
Dabei handelt es sich um Mischungen aus natürlich vorkommenden Stoffen, etwa organischen Säuren und Zuckern. Diese Lösungen sind bei Raumtemperatur aktiv, vergleichsweise ungiftig und lassen sich wiederverwenden. Die NADES lösen die Bindungen des Lignins, ohne dessen innere Struktur zu zerstören. Zellulose und Hemizellulose bleiben zugänglich, das Lignin behält seine ursprüngliche chemische Form.
„Nach der Verarbeitung haben wir das Lignin abgetrennt, es charakterisiert und versucht, die gesamte chemische Struktur zu ermitteln“, sagte Raj. „Wir haben nachgewiesen, dass die aus diesem Prozess hervorgehenden Lignine ihre ursprüngliche Struktur beibehalten haben.“
Warum intaktes Lignin so wertvoll ist
Erhaltenes Lignin ist mehr als nur ein Nebenprodukt. Seine phenolischen Bausteine eignen sich als Ausgangsstoffe für aromatische und aliphatische Chemikalien. Daraus lassen sich Kunststoffe, Harze oder Additive herstellen. Auch für nachhaltige Treibstoffe spielt das eine Rolle.
Parallel dazu profitieren die Zuckerfraktionen. Sie sind reiner und besser zugänglich. Spezielle Hefestämme können sie nicht nur zu Ethanol vergären, sondern auch zu Ölen, die sich für Biodiesel oder nachhaltigen Flugkraftstoff eignen.
Ein weiterer Vorteil: Die NADES-Lösungen lassen sich mehrfach einsetzen. Laut Team können sie bis zu fünf Mal recycelt werden, ohne nennenswert an Wirkung zu verlieren. Das senkt Kosten und reduziert den Chemikalienverbrauch.
Ein Beitrag zur gemeinsamen DOE-Strategie
Die Arbeit ist Teil einer größeren Forschungsstrategie des U.S. Department of Energy. Alle vier vom DOE geförderten Bioenergie-Forschungszentren verfolgen das Ziel, Lignin besser nutzbar zu machen.
„Andere BRCs nehmen dieses native Lignin, bauen es katalytisch ab und füttern es Mikroorganismen“, sagte Singh. „Unsere NADES-Vorbehandlung konserviert dieses Lignin. Das ist unser Beitrag zum gemeinsamen Ziel.“
Flexibel einsetzbar – nicht nur für ein Gras
Getestet wurde das Verfahren zunächst an Miscanthus, einem schnell wachsenden Energiegras. Der Ansatz ist jedoch rohstoffunabhängig. Er lässt sich auf andere Energiepflanzen, landwirtschaftliche Reststoffe oder Holz übertragen.
Auch pflanzliche Öle, etwa aus Wildtypen oder gentechnisch veränderten Pflanzen, bleiben erhalten und können zusätzlich genutzt werden. „Das Ziel ist die Entwicklung einer Bioraffinerie, in der wir einen Rohstoff einsetzen und viele verschiedene Produkte herstellen können“, sagte Singh.
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