Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen

Im Rahmen des Verbundvorhabens „Intensivierung des anaeroben Biomasseabbaus zur Methanproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen“ hat das Bundesministerium für Ernährung Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) Wissenschaftlern des Wissenschaftszentrums Weihenstephan der TU München Fördermittel in Höhe von rund 790.000 Euro für ein 3-jähriges Forschungsprojekt zugesprochen.

Gefördert werden die Lehrstühle für Mikrobiologie (Dr. Wolfgang Schwarz und Prof. Walter L. Staudenbauer: Fördersumme 238.250 Euro), für Bodenökologie (Dr. Michael Schloter und Prof. Charles Munch: Fördersumme 128.260 Euro) und für Siedlungswasserwirtschaft (Dr.-Ing. Marc Wichern und Prof. Harald Horn, Projektbearbeiter Dipl.-Ing. Manfred Lübken; Fördersumme 424.905 Euro). Am Projekt beteiligt sind außerdem die Landesanstalt für Landwirtschaft (Institut für Landtechnik, Bauwesen und Umwelttechnik), die die Koordination innehat, sowie die Firma Schmack-Biogas AG.

Die zunehmende Bedeutung der Biogaserzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen für eine nachhaltige, umweltfreundliche Energieerzeugung ist Ausgangspunkt des Projektverbundes. Die steigende Nachfrage nach solchen Anlagen und der stark zunehmende Investitionsbedarf machen eine Effizienzsteigerung der Prozesse notwendig. Der energieertragreiche und stabile Betrieb von Anlagen, die mit Silage aus Mais oder Grünland-Schnittgut ohne Zugabe von Rindergülle betrieben werden, steht dabei im Focus des Interesses. In diesem Zusammenhang ist es von übergeordnetem Interesse, schwer abbaubare Biomasse von marginalen Standorten (z.B. Dauergrünland) möglichst effektiv für die Methangasproduktion zugänglich zu machen.

Fragestellungen ergeben sich dabei aus der Verzahnung der unterschiedlichen mikrobiologischen Prozesse bei der Hydrolyse, der Acidogenese und der Methangasbildung: hierbei sind verschiedene Mikroorganismengruppen beteiligt, deren Zusammenspiel aufeinander abgestimmt sein muss. Geschwindigkeits-limitierend für den Abbau faserstoffreicher Biomasse sind die Hydrolyse der schwer abbaubaren Fasern, insbesondere der Cellulose, und die langsame so genannte acetoclastische Methanogenese. Über ein besseres Verständnis der dabei beteiligten Prozesse hofft die Forschergruppe, den Gesamtprozess optimieren und die Erkenntnisse zusammen mit der beteiligten Firma in die Praxis umsetzen zu können. Dadurch würde es möglich, die in großen Mengen und mit relativ wenig Aufwand zur Verfügung stehende pflanzliche Biomasse für eine saubere Energiegewinnung besser zu nutzen.

Die Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) fördert ein 27-monatiges Forschungsprojekt von Dr. Wolfgang Schwarz am Lehrstuhl für Mikrobiologie mit 83.693 Euro, das einen interessanten Enzymkomplex zum Abbau kristalliner Cellulose halbsynthetisch nachahmen soll. Das Projekt ist in ein Verbundvorhaben eingegliedert, das von der DECHEMA (Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie) koordiniert wird: „Neue Enzyme und Enzymsysteme für den Abbau von Lignocellulose-Komponenten und die nachhaltige Produktion von Feinchemikalien“. Die Arbeiten werden in enger Kooperation mit der Georg-August-Universität Göttingen und der Universität Hamburg, sowie mit der Merck KGaA durchgeführt.

Dr. Schwarz untersucht das so genannte Cellulosom, einen Enzymkomplex des anaeroben Bakteriums Clostridium thermocellum, das kristalline Cellulose am besten von allen Mikroorganismen abbauen kann. Die Cellulose in Pflanzenfasern spielt als Zuckerquelle für die Biotechnologie eine herausragende Rolle, da sie leicht und relativ billig in großen Mengen hergestellt werden kann. Allerdings ist Cellulose in der Zellwand der Pflanzen in andere Polymere eingebettet und stellt darüber hinaus mit ihrer strikt kristallinen Struktur die hydrolysierenden Enzyme beim Abbau zu Zuckern vor große Probleme.

Die bisherigen industriellen Cellulasen sind an Pflanzenfasern recht wenig aktiv und müssen mit langen Inkubationszeiten in großen Mengen eingesetzt werden, was den Prozess unrentabel macht. Daher soll das sehr viel effektivere Enzymsystem der anaeroben Bakterien, das bisher nicht industriell hergestellt werden kann, im Labor mit molekularbiologischen und chemischen Methoden nachgeahmt werden. Dies soll durch Immobilisierung der Enzyme an Nanopartikeln versucht werden. Diese Untersuchungen bieten zudem die Möglichkeit, eine Reihe von bisher ungelösten Fragen des Synergismus von Enzymen mit identischem chemischem Hydrolysemechanismus aber unterschiedlicher Strukturpräferenz am Substrat aufzuklären. Dadurch soll eine Anordnung von definierten Enzymen erreicht werden, die optimal bei der Hydrolyse der kristallinen Cellulose zusammenarbeiten. Die einzelnen Komponenten können dann durch rekombinante Gentechnologie in technischem Maßstab hergestellt und eingesetzt werden, damit die durch die Projektpartner zur Verfügung gestellten Cellulose-Präparationen optimal zu Zuckern abgebaut werden können, die dann für die biotechnische Industrie zur Verfügung gestellt werden können.

Kontakt:
Dr. Wolfgang Schwarz
Technische Universität München
Institut für Mikrobiologie
Am Hochanger 4
D-85350 Freising-Weihenstephan
Tel. 08161-71-5445
Fax. 08161-71-5475
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