Erneuerbare Energien 17.07.2020, 07:00 Uhr

Biokraftstoffe: Forschern gelingt wichtiger Durchbruch

Pflanzenreste sind ein wichtiges Ausgangsmaterial für erneuerbare Energien. Wie sich daraus Biokraftstoffe noch effizienter herstellen lassen, zeigen Forscher am Oak Ridge National Laboratory.

Ein organisches Lösungsmittel (gelb) und Wasser (blau) trennen sich. Sie bilden Nanocluster mit hydrophoben und hydrophilen Abschnitten von grün gefärbtem Pflanzenmaterial.
Foto: Michelle Lehman / ORNL

Ein organisches Lösungsmittel (gelb) und Wasser (blau) trennen sich. Sie bilden Nanocluster mit hydrophoben und hydrophilen Abschnitten von grün gefärbtem Pflanzenmaterial.

Foto: Michelle Lehman / ORNL

Um Biokraftstoffe aus Pflanzenmaterial zu produzieren, müssen die polymeren Cellulose- und Hemicellulose-Komponenten in fermentierbare Zucker zerlegt werden, während man das intakte Lignin, ein Strukturpolymer, das auch in Pflanzenzellwänden vorkommt, entfernt. Es kann in anderen Prozessen genutzt werden, um etwa Biopolymere daraus zu produzieren. Bei diesem Verfahren werden neben Wasser auch Lösungsmittel eingesetzt, um die Ausbeute zu steigern.

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums verwendeten Neutronenstreuung und Supercomputing, um besser zu verstehen, wie ein organisches Lösungsmittel und Wasser wechselwirken, um pflanzliche Biomasse zu zersetzen. Ihr Ziel war, die Ausbeute in diesem Produktionsschritt zu verbessern. Dabei fanden sie nicht nur bislang unbekannte Strukturen auf Nanoebene, sondern konnten auch optimale Temperaturen für den Teilschritt identifizieren.

Verfahren mit Lösungsmittel gibt Rätsel auf

Zum Hintergrund: Beim Abbau von Biomasse ist neben Wasser ein Lösungsmittel namens Tetrahydrofuran oder THF besonders wirksam. Das Tetrahydrofuran-Wasser-Gemisch wurde von Charles Wyman und Charles Cai, zwei Forschern an der University of California, Riverside, während einer früheren Studie entdeckt. Es liefert hohe Ausbeuten an Zuckern, während die strukturelle Integrität von Lignin für die Verwendung in Bioprodukten erhalten bleibt. Der Erfolg dieses Gemischs faszinierte Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory.

„Die Verwendung von Tetrahydrofuran und Wasser zur Vorbehandlung von Biomasse war ein sehr wichtiger technologischer Fortschritt“, kommentiert Loukas Petridis vom Oak Ridge National Laboratory die zentralen Ergebnisse. „Aber die zugrunde liegenden Mechanismen waren nicht bekannt.“

Simulation: Nanostrukturen beschreiben die Wechselwirkung

Deshalb führten Petridis und seine Kollegen zunächst eine Reihe von Simulationen auf den Supercomputern Titan und Summit durch. Terrahydrofuran und Wasser lassen sich in weiten Bereichen mischen. Dir Forscher fanden aber heraus, dass sie sich im Nanobereich trennen, und Cluster zusammen mit der Biomasse entstehen.

Dabei gibt es Unterschiede: THF bildet selektiv Nanocluster um die hydrophoben, sprich wasserabweisenden Teile von Lignin und Cellulose, während sich wasserreiche Nanocluster auf den hydrophilen oder wasserliebenden Teilen bilden. Diese doppelte Wirkung treibt den Abbau von Biomasse voran, da jedes der Lösungsmittel Teile der Cellulose auflöst. Gleichzeitig wird verhindert, dass Lignin Klumpen bildet, welche den Zugang zur Cellulose verringern würden – ein häufiges Problem, wenn Biomasse nur mit Wasser gemischt wird. Dieses Phänomen tritt im winzigen Maßstab von drei bis vier Nanometern auf.

„Das war ein interessanter Befund“, sagte Petridis. „Es ist jedoch wichtig, Simulationen mit Experimenten zu validieren, um sicherzustellen, dass sie auch der Realität entsprechen.“ Die Theorie musste überprüft werden.

Messungen mit Neutronenstrahlung bestätigen Hypothesen

Wissenschaftler am High Flux Isotope Reactor, einem Forschungsreaktor des Oak Ridge National Laboratory, haben diese Herausforderung mithilfe von Neutronenstreuung und einer eigens entwickelten Messtechnik gemeistert. Sie ersetzen selektiv Wasserstoffatome durch Deuterium, einem schwereren Wasserstoff-Isotop, um bestimmte Komponenten des komplexen Gemisches im Experiment für Neutronen besser sichtbar zu machen. Tatsächlich gelang es so, Nanocluster aus Tetrahydrofuran darzustellen. Die Cellulose enthielt kein Deuterium und störte alle Messungen nicht; sie wurde quasi „unsichtbar“.

Versuchsaufbau für die Industrie

Vom Labor in die Praxis: Um Prozesse in Bioraffinerien nachzuahmen, entwickelten die Forscher anschließend einen Versuchsaufbau. Sie erhitzten das Gemisch aus Biomasse und Lösungsmitteln. Dabei konnten alle Änderungen in Echtzeit beobachtet werden.

Das Team stellte fest, dass das Tetrahydrofuran-Wasser-Gemisch mit der Biomasse wie erwartet in Wechselwirkung trat. So wurde das Verklumpen von Lignin bei allen Temperaturen verhindert, und Cellulose konnte gut abgebaut werden. Erhöhte man die Temperatur auf 150 Grad Celsius, kam es zum Abbau von Cellulose-Mikrofibrillen.

Diese Daten liefern neue Einblicke in die ideale Verarbeitungstemperatur für Lösungsmittel-Mischungen zum Abbau von Biomasse. Ob sie sich auf andere Lösungsmittel übertragen lassen, soll jetzt untersucht werden. Ziel ist, Prozesse effizienter zu machen, um der Bioökonomie neuen Auftrieb zu verleihen. 

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