Nachwachsende Rohstoffe: Zucker in den Tank
Erdöl als Basis für Mobilität und Industrieprodukte ist so teuer wie nie zuvor. Somit sind Alternativen zur Petrochemie alleine aus wirtschaftlichen Gründen gefragter denn je. Eine Möglichkeit zum Ölersatz: Kohlenhydrate lassen sich zu neuen Treibstoffen und Bausteinen für die Kunststoffindustrie veredeln.
© (Ausschnitt)
Bei der Planung für seine "Tin Lizzy", dem ersten in Serie hergestellten Automobil, schwebte Henry Ford Anfang des 20. Jahrhunderts zunächst Ethanol als Treibstoff vor. Da zur Herstellung des Alkohols stärkereiche Pflanzen wie Mais oder Getreide nötig waren, versprach sich der Autotycoon vom Agrartreibstoff neue Wachstumsimpulse für die amerikanische Landwirtschaft. Jedoch hatte dieses Konzept nie eine Chance auf Verwirklichung: Benzin aus Erdöl war billiger und setzte sich rasch als der dominierende Kraftstoff für Verbrennungsmotoren durch.
Heute, 100 Jahre später, erlebt Fords Idee vom Agrartreibstoff ein weltweites Comeback. Denn Erdöl und die aus ihm gewonnenen fossilen Brennstoffe werden zunehmend knapp. Um sie zu ersetzen, bauen Staaten wie die USA, Brasilien und Schweden nun vor allem auf Ethanol. Industrielle Anlagen wandeln pflanzliche Kohlenhydrate in den Alkohol um, der als Benzinzusatz – in Brasilien sogar pur – in die Tanks von Kraftfahrzeugen wandert.
Jedoch weist das Konzept von Ethanol als dem alternativen Treibstoff der Zukunft einige Schönheitsfehler auf: Wenn Hefekulturen Zucker aus Pflanzen verstoffwechseln, entsteht recht wenig Ethanol aus der eingesetzten Biomasse. Denn die Mikroorganismen vertragen maximal 20 Prozent Alkoholgehalt in ihrer wässrigen Umgebung. Der Ethylalkohol muss daher unter hohem Energieaufwand abdestilliert werden, und die zurückbleibenden Abfälle sind nur schwer weiter nutzbar. Zudem besitzt Ethanol eine geringere Energiedichte als Ottokraftstoff, was zu Mehrverbrauch führt. Zwei Forschergruppen aus den USA sehen daher Verbesserungsbedarf. Sie setzen auf chemische Methoden, um Kohlenhydrate in industriell nutzbare Grundstoffe umzuwandeln.
Aus Sicht von James Dumesic von der Universität Wisconsin-Madison steht dabei einem größeren Anwendungspotenzial von Kohlenhydraten vor allem eines im Weg [1]: Sie enthalten im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen des Erdöls schlichtweg zu viel Sauerstoff. Je mehr von diesem Element eine chemische Verbindung in sich trägt, desto weniger Energie wird bei ihrer Verbrennung frei. Also entwickelte der Chemiker mit seinem Team ein neues Verfahren, um zu energiereichen Treibstoffen für Ottomotoren zu kommen.
Für ihre Versuche gingen die Forscher von den einfachen Zuckerbausteinen Glukose und Fruktose aus, die sich leicht aus Pflanzen gewinnen lassen und auch zur Ethanolherstellung eingesetzt werden. In einem mehrstufigen Verfahren konnten die Prozesschemiker die beiden Ausgangsstoffe in 2,5-Dimethylfuran (DMF) umwandeln. Die DMF-Moleküle enthalten alle sechs Kohlenstoffatome aus dem Zucker, aber nur noch eines der Sauerstoffatome. Somit weist die Verbindung eine im Vergleich zu Ethanol um 40 Prozent höhere Energiedichte auf. Industriell produziert könnte das flüssige und damit gut zu transportierende DMF eine echte Alternative zum Benzin aus Erdöl darstellen. Allerdings müssen die Wissenschaftler ihr Laborverfahren noch im Detail optimieren, damit es sich in einer Großanlage umsetzen lässt.
Hierbei könnten die Forschungsergebnisse von Conrad Zhang aus dem Pacific Northwest National Laboratory helfen [2]. Dem Wissenschaftler gelang es, Hydroxymethylfurfural (HMF), die erste Zwischenstufe im Verfahren von Dumesic, in hoher Ausbeute aus Glukose und Fruktose herzustellen. Vorteilhaft bei der von Zhang entwickelten Methode ist, dass sich die Verbindung besonders leicht reinigen lässt, eine wichtige Voraussetzung für seine wirtschaftliche Produktion. Denn HMF könnte zusätzlich als ein möglicher Ausgangsstoff zur Kunststoffproduktion für Getränkeflaschen und Kunstfasern dienen. Bisher werden diese Materialien vor allem aus Polyethylenterephtalat (PET) hergestellt, einem Kunststoff auf Basis von Rohöl.
Heute, 100 Jahre später, erlebt Fords Idee vom Agrartreibstoff ein weltweites Comeback. Denn Erdöl und die aus ihm gewonnenen fossilen Brennstoffe werden zunehmend knapp. Um sie zu ersetzen, bauen Staaten wie die USA, Brasilien und Schweden nun vor allem auf Ethanol. Industrielle Anlagen wandeln pflanzliche Kohlenhydrate in den Alkohol um, der als Benzinzusatz – in Brasilien sogar pur – in die Tanks von Kraftfahrzeugen wandert.
Jedoch weist das Konzept von Ethanol als dem alternativen Treibstoff der Zukunft einige Schönheitsfehler auf: Wenn Hefekulturen Zucker aus Pflanzen verstoffwechseln, entsteht recht wenig Ethanol aus der eingesetzten Biomasse. Denn die Mikroorganismen vertragen maximal 20 Prozent Alkoholgehalt in ihrer wässrigen Umgebung. Der Ethylalkohol muss daher unter hohem Energieaufwand abdestilliert werden, und die zurückbleibenden Abfälle sind nur schwer weiter nutzbar. Zudem besitzt Ethanol eine geringere Energiedichte als Ottokraftstoff, was zu Mehrverbrauch führt. Zwei Forschergruppen aus den USA sehen daher Verbesserungsbedarf. Sie setzen auf chemische Methoden, um Kohlenhydrate in industriell nutzbare Grundstoffe umzuwandeln.
Aus Sicht von James Dumesic von der Universität Wisconsin-Madison steht dabei einem größeren Anwendungspotenzial von Kohlenhydraten vor allem eines im Weg [1]: Sie enthalten im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen des Erdöls schlichtweg zu viel Sauerstoff. Je mehr von diesem Element eine chemische Verbindung in sich trägt, desto weniger Energie wird bei ihrer Verbrennung frei. Also entwickelte der Chemiker mit seinem Team ein neues Verfahren, um zu energiereichen Treibstoffen für Ottomotoren zu kommen.
Für ihre Versuche gingen die Forscher von den einfachen Zuckerbausteinen Glukose und Fruktose aus, die sich leicht aus Pflanzen gewinnen lassen und auch zur Ethanolherstellung eingesetzt werden. In einem mehrstufigen Verfahren konnten die Prozesschemiker die beiden Ausgangsstoffe in 2,5-Dimethylfuran (DMF) umwandeln. Die DMF-Moleküle enthalten alle sechs Kohlenstoffatome aus dem Zucker, aber nur noch eines der Sauerstoffatome. Somit weist die Verbindung eine im Vergleich zu Ethanol um 40 Prozent höhere Energiedichte auf. Industriell produziert könnte das flüssige und damit gut zu transportierende DMF eine echte Alternative zum Benzin aus Erdöl darstellen. Allerdings müssen die Wissenschaftler ihr Laborverfahren noch im Detail optimieren, damit es sich in einer Großanlage umsetzen lässt.
Hierbei könnten die Forschungsergebnisse von Conrad Zhang aus dem Pacific Northwest National Laboratory helfen [2]. Dem Wissenschaftler gelang es, Hydroxymethylfurfural (HMF), die erste Zwischenstufe im Verfahren von Dumesic, in hoher Ausbeute aus Glukose und Fruktose herzustellen. Vorteilhaft bei der von Zhang entwickelten Methode ist, dass sich die Verbindung besonders leicht reinigen lässt, eine wichtige Voraussetzung für seine wirtschaftliche Produktion. Denn HMF könnte zusätzlich als ein möglicher Ausgangsstoff zur Kunststoffproduktion für Getränkeflaschen und Kunstfasern dienen. Bisher werden diese Materialien vor allem aus Polyethylenterephtalat (PET) hergestellt, einem Kunststoff auf Basis von Rohöl.
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