Bessere Umwandlung von Pflanzenabfällen in Biokraftstoffe

Innovatives Verfahren zur schnellen Auflösung von Pflanzenfasern entwickelt

16.01.2020 - USA

Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, das die Herstellung von Biokraftstoffen wie Ethanol aus Pflanzenabfällen wesentlich kostengünstiger machen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduzieren könnte.

Shih-Hsien Liu/ORNL and Shishir Chundawat/Rutgers University-New Brunswick

Vorbehandlungsverfahren der nächsten Generation auf der Basis von Ammoniaksalz erleichtern den effizienten Abbau von Abfallbiomasse wie Maisstengel, Blätter und andere Rückstände.

Ihr Ansatz mit einem Lösungsmittel auf Ammoniak-Salz-Basis, das Pflanzenfasern schnell in Zucker verwandelt, der zur Herstellung von Ethanol benötigt wird, funktioniert im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren gut bei Raumtemperatur, so eine von Rutgers geführte Studie in der Zeitschrift Green Chemistry.

"Unsere Vorbehandlungsanlage kann den Einsatz von Enzymen zur Umwandlung von lösemittelbehandelter Cellulose (Pflanzenfaser) in Glucose (einen Zucker), der zur Herstellung von Bioprodukten wie Ethanol verwendet wird, um das bis zu 50-fache reduzieren", sagt der Hauptautor Shishir P. S. Chundawat, ein Assistenzprofessor in der Abteilung für Chemie- und Bioverfahrenstechnik an der School of Engineering der Rutgers University-New Brunswick. "Ähnliche Verfahren könnten die Kosten für die Herstellung von Biokraftstoffen aus Biomasseabfällen wie Maisstengeln und -blättern erheblich senken.

Das Lösungsmittel kann auch mehr als 80 Prozent des Lignins aus Pflanzenabfällen extrahieren. Das Lignin, das an Pflanzenfasern bindet und diese verstärkt, könnte in Zukunft helfen, wertvolle aromatische Chemikalien aufzuwerten, so Chundawat. Die Forschung profitierte von den gemeinsamen Anstrengungen und dem Zugang zu einem High-Tech Bio-SANS-Instrument am Oak Ridge National Laboratory zur Analyse, wie komplexe biologische Systeme wie Pflanzenabfälle während der Verarbeitung reagieren, um besser zu verstehen, wie Cellulose auf molekularer Ebene gelöst wird.

Maisstängel, -blätter und andere Rückstände und Rutenhirse haben zum Beispiel dicht gepackte Zellulose-Mikrofibrillen, die winzige Stränge haben, die dünner als Fasern sind. Mikrofibrillen sind mit Hilfe von Enzymen oder Mikroben nur schwer abbaubar, so dass es schwierig ist, viele pflanzliche Stoffe in der Biomasse in Biokraftstoffe oder Biochemikalien zu verwandeln. Biomasse umfasst mikrobielle, pflanzliche oder tierische Materialien, die für die Erzeugung erneuerbarer Energie und für industrielle Prozesse verwendet werden.

Um die Umwandlung von Cellulose in Zucker wie Glukose mit Hilfe von Enzymen zu beschleunigen, sind geeignete Lösungsmittel oder wärme- und/oder chemikalienbasierte Vorbehandlungen erforderlich. In den letzten 150 Jahren wurden mehrere Lösungsmittel erforscht, die Zellulosefasern abbauen können. Die meisten Lösungsmittel sind jedoch nach wie vor kostspielig oder erfordern extreme Betriebsdruck- oder Temperaturbereiche, um wirksam zu sein.

Das auf Ammoniak-Salz basierende Lösungsmittelsystem beschleunigt die Umwandlung von Cellulose in Zucker mit Hilfe von Enzymen. Sie kann die Kosten der Biokraftstoffproduktion erheblich senken, da Enzyme etwa 15 bis 20 Prozent der Kosten für die Herstellung von Biokraftstoffen wie Ethanol aus Biomasse ausmachen können.

Die nächsten Schritte werden darin bestehen, den Vorbehandlungsprozess für Biomasse wie Maisstroh, Siedlungsabfälle und Bioenergiepflanzen wie Rutenhirse und Pappel, die zu Treibstoffen verarbeitet werden könnten, zu optimieren und gleichzeitig robustere Enzyme zu entwickeln, um die Kosten weiter zu senken, so Chundawat.

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