Der nächste Anlauf für Bio-Ethanol

Ethanol, vulgo Trinkalkohol, ist eigentlich der ideale erneuerbare Kraftstoff für die Ära nach den fossilen Brennstoffen: Flüssig, lagerfähig und vergleichsweise ungiftig passt er in die bereits vorhandene Infrastruktur, und wie man ihn aus nachwachsenden Rohstoffen herstellt, weiß die Menschheit seit Jahrtausenden. Inzwischen wissen wir allerdings auch, dass der Schein trügt – auf diese Weise kann man die Welt zwar mit geistigen Getränken versorgen, aber nicht den Durst von hunderten Millionen Autos stillen.

Der Grund ist, dass man Ethanol aus energiereichen Pflanzenteilen wie Wurzeln, Knollen oder Körnern gewinnt, also genau den Pflanzenteilen, die auch menschliche Nahrung sind – jeder Liter bedeutet direkt oder indirekt, dass irgendwo Essen eben nicht auf dem Teller liegt.

Ethanol jetzt völlig abzuschreiben wäre aber voreilig. Es gibt eine andere reichlich vorhandene Zuckerquelle, aus der wir Millionen und Abermillionen Tonnen Ethanol gewinnen könnten, ohne jemandem das Brot aus dem Mund zu stehlen. Holz nämlich.

 

Kathy Hodge, CC BY-NC-SA

Das besteht zu einem beträchtlichen Teil aus Zellulose, die wir nicht verdauen können. Da aber die Bausteine der Zellulose ganz normale Zucker sind und sich durch saure Hydrolyse ohne größeren Aufwand voneinander trennen lassen, ist Holz eigentlich ein ganz großartiger Rohstoff für Bioethanol. Eigentlich. Es gibt dabei ein Problem, und das heißt Lignin.

Lignin ist ein widerstandsfähiges Polymer aus Phenolkörpern, die untereinander und mit der Zellulose zu einem stabilen Netzwerk verknüpft sind. Einerseits ist das eine gute Sache, denn chemisch sind diese Phenole vergleichbar mit Benzol, Toluol und Xylol, die heute am Anfang der chemischen Wertschöpfungskette stehen. Andererseits ist Lignin ziemlich stabil und schirmt die Zucker effektiv ab.

Eine Reihe spezieller Organismen ist zwar in der Lage, diese Bindungen enzymatisch zu brechen, das aber dauert allerdings wesentlich länger als andere biotechnisch bedeutsamen Prozesse: In der Zeit in der ein Baum verrottet, kann man sehr, sehr, sehr viel Bier brauen. Da man so lange nicht warten will, rückt man der Lignozellulose erst einmal mit rabiaten Methoden zu Leibe. Und das bedeutet hohe Temperatur, hohen Druck, aggressive Katalysatoren. Nebenreaktionen, Verluste und hohe Kosten. Wirtschaftlich ist das bis heute nicht.

 

Ausschnitt aus der Struktur von Lignin

An dieser Front gibt es nun erfreuliches zu vermelden – Chemiker haben das widerspenstige Polymer mit spezialisierten Katalysatoren aufs Korn genommen und dabei erste Erfolge erzielt. Verantwortlich für die Widerstandsfähigkeit des Lignins sind in erster Linie die Bindungen zwischen den Phenolen selbst. Die sind miteinander über ein täuschend simples Strukturelement verknüpft, eine Etherbindung. Sie besteht aus einem Sauerstoffatom, das zwischen einem Benzolring und dem Rest des Moleküls sitzt. Eigentlich sind Ether chemisch leicht auseinanderzunehmen, aber der elektronenreiche Benzolring direkt nebenan macht diese spezifische Bindung ausgesprochen renitent.

Aber da es kaum etwas gibt, was mit hinreichend anspruchsvoller Chemie nicht geht, haben zwei Wissenschaftler aus Illinois kürzlich eine Methode vorgestellt, die eben solche Arylether selektiv und unter milden Bedingungen knackt. Mild heißt hier bei Atmosphärendruck und 80 bis 120 Grad – man könnte die Reaktion quasi im Kochtopf durchführen, wenn einem nicht der ebenfalls benötigte Wasserstoff um die Ohren fliegen würde.

Das entscheidende Element ist ein Katalysator auf Nickelbasis, ohne den das Ganze nicht laufen würde. Hier hat man endlich mal eine “grüne” Technologie, die keine Lanthanide aus China oder seltene Sondermetalle wie Ruthenium braucht. Der Katalysator von Sergeev und Hartwig bewirkt, dass der eigentlich nicht hinreichend reaktive Wasserstoff die problematische Bindung in zwei Schritten spaltet. Zuerst schiebt sich das Metall zwischen Aromat und Sauerstoff und bildet ein deutlich reaktiveres Zwischenprodukt, das an der gewünschten Stelle bereitwillig mit Wasserstoff reagiert.

Das Ganze ist, wohlgemerkt, erst einmal ein Modell – Lignin kam in den Versuchen noch gar nicht vor – und ein faseriges Kompositmaterial dürfte noch einmal deutlich anders reagieren als die löslichen Ersatzsubstanzen in diesem Experiment. Ich rechne mit Komplikationen auf dem Weg zur großtechnischen Anwendung: Der Wasserstoff neigt zum Beispiel dazu, in so einem System mit den Benzolringen zu reagieren und der Katalysator selbst mit seinem oxidierten Metallatom im Zentrum sammelt auch leicht mal ein Elektron ein, das man dort nicht haben möchte. Ein paar Jährchen Forschung dürften da noch anfallen, bevor das ganze serienreif ist.

Aber das ist vielleicht auch ganz gut so. Wir sollten erst einmal Gras über das letzte Ethanol-Desaster wachsen lassen, bevor das Zeug wieder an den Tankstellen auftaucht.

Lars Fischer

Lars Fischer
Lars Fischer ist studierter Chemiker und Chemielaborant. Nach dem Diplom wandte er sich dem Bloggen zu und arbeitete als freier Wissenschaftsjournalist für verschiedene Publikationen. Seine Spezialgebiete sind neben Chemie und Materialwissenschaft unter anderem scheußliche Tropenkrankheiten, chemische Evolution und Geowissenschaften. Seit 2008 betreut er für Spektrum der Wissenschaft die Blogplattform SciLogs.de und ist seit 2010 Redakteur bei spektrumdirekt. Trotzdem findet er gelegentlich noch die Zeit, für andere Publikationen zu schreiben und zu verschiedenen Anlässen als Social-Media-Experte aufzutreten. http://www.wissenslogs.de/wblogs/blog/fischblog http://www.spektrumdirekt.de/

2 Antworten

  1. Johannes

    Rezension in einem Wort… Danke!
    Wirklich ein großartiger Artikel, der wieder einmal zeigt, was mit guter Forschung erreicht werden kann.

  2. Zwar schon ein paar Jahre alt der Artikel, aber trotzdem sehr gelungen. Besten Dank!