Silica-Matrix - Bordeaux

SchillingsEcke
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Die Glykolyse
Alkoholische
Gärung & mehr
Menschen verfügen schon seit Jahrtausenden über das Know-how zur
Herstellung von Alkohol und so hat sich im Laufe der Zeit eine Kultur des
Bierbrauens, der Weinherstellung und anderer alkoholischer Getränke
etabliert. Heute heißt aber die Herausforderung, Ethanol als Treibstoff in
großen Mengen aus allen zur Verfügung stehenden Pflanzenmaterialien und
Pflanzenteilen herzustellen. Wir wissen inzwischen, dass die Gewinnung
von Alkohol aus Stärke und Saccharose in Konkurrenz zur Nahrungsmittel-
gewinnung steht und außerdem keine günstige Energieausbeute besitzt.
Dazu gesellen sich ökologische Probleme, die sich aus der notwendigen
Intensivierung der Landwirtschaft ergeben. Ein Ausweg stellt die Verwen-
dung von Holz, Stroh oder anderer land- oder forstwirtschaftlicher Abfälle
dar. Sie sind billig oder können aus dem Anbau von Energiepflanzen
(z.B. Switchgras, Miscanthus) preisgünstig gewonnen werden, da sie nicht
intensiv bewirtschaftet werden müssen und auch auf minderwertigen Böden
gedeihen.
Dreh- und Angelpunkt aller fermentativen Prozesse ist
die Glucose. Alle hochmolekularen Substanzen – Stärke,
Cellulose, Hemicellulosen – müssen entweder zu Glucose
oder zu Substanzen führen, die über die Glykolyse
weiter abgebaut werden können. Glucose kann sowohl
unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen unter
Energiegewinn abgebaut werden. Der vollständige Abbau
und damit der maximale Energiegewinn für die Zelle
ist nur in Anwesenheit von genügend Sauerstoff möglich.
Die Glykolyse selbst verläuft anaerob über neun Stufen
(Abb. 1) und findet sich in allen lebenden Zellen
sowohl bei Prokaryonten als auch bei Eukaryonten. Biologisch
gesehen ist es ein sehr alter Prozess, der wahrscheinlich
bereits etabliert war, noch ehe die Atmosphäre
Sauerstoff enthielt und Zellorganellen entstanden
waren. Endprodukt der Glykolyse ist das Pyruvat, das
bei genügend vorhandenem Sauerstoff, also unter aeroben
Bedingungen, in den Citrat-Zyklus und die Atmungskette
einmündet. Dort dient die bei der Oxidation der
Kohlenstoffatome freigesetzte Energie zur Bildung von
ATP aus ADP und von NADH aus NAD + .
Ist kein Sauerstoff vorhanden, kann das Pyruvat nicht
in diesen Reaktionspfad eingeschleust und das bei der
Glykolyse entstandene NADH in der Atmungskette nicht
oxidiert werden. Der Zelle würde bald kein NAD + mehr
als Elektronenakzeptor zur Verfügung stehen und die
Glykolyse würde zum Erliegen kommen. Bei vielen Bakterien,
Pilzen und in tierischen Zellen wird deshalb unter
anaeroben Bedingungen der Wasserstoff des NADH auf
Pyruvat unter Bildung von Lactat übertragen (Milchsäuregärung;
Abb. 2).
Hefen und Pflanzenzellen bauen Pyruvat unter anaeroben
Bedingungen zu Ethanol und CO 2 ab. Dabei wird
Pyruvat zunächst zu Acetaldehyd decarboxyliert und danach
mittels NADH zu Ethanol reduziert. Nach dem Endprodukt
nennt man diesen Vorgang alkoholische Gärung.
Energetisch unterscheiden sich Milchsäure- und alkoholische
Gärung nicht, denn in beiden Fällen wird lediglich
NADH in NAD + überführt. Die Energieausbeute bei
Abb. 1 An der Bildung von Pyruvat aus Glucose sind
insgesamt zehn Enzyme als Katalysatoren beteiligt:
a) Hexokinase b) Phosphoglucoisomerase c) Phosphofructokinase
d) Aldolase e) Isomerase f) Glycerinaldehyd-3-phosphatisomerase
g) 3-Phosphoglyceratkinase h) Phosphoglyceromutase
i) Enolase k) Pyruvatkinase
Abb. 2 Anaerober Abbau von Pyruvat zu Lactat oder Ethanol
Dr. Gerhard Schilling,
unser labor&more
Redakteur in der Praxis
der Glykolyse sind also zwei Moleküle ATP, das entspricht
nur etwa 7 % des gesamten Energieinhaltes der Glucose,
die restlichen 93 % sind in den beiden Ethanolmolekülen
gebunden.
Die Herausforderung: Vom Holz zur Glucose
Zurzeit wird Ethanol vor allem aus Saccharose (z.B. Zuckerrübe,
Zuckerrohr) oder Stärke (Getreide, Mais, Kartoffeln)
durch Fermentation unter dem Einsatz von Hefen gewonnen.
In Anbetracht der riesigen, erforderlichen Mengen an
Biokraftstoff kommt nur Holz als eine der wichtigsten Rohstoffquellen
in Frage. Cellulose ist die auf der Erde in größter
Menge vorkommende Substanz, jährlich synthetisiert die Natur
etwa 1012 Tonnen. In riesigen Mengen werden auch Lignin
(2 x1010 t) und Hemicellulosen produziert, sie stehen an
zweiter und dritter Stelle der natürlich vorkommenden organischen
Substanzen.
Der Abbau von Holz zu Glucose ist eine technische
(und wirtschaftliche) Herausforderung, denn neben der
problemlos verwertbaren Cellulose gilt es, auch die schwierig
fermentierbaren Hemicellulosen in den Abbauprozess
einzubeziehen. Außerdem muss das Lignin entfernt werden,
da seine Abbauprodukte den enzymatischen Abbau
erheblich behindern.
Wegen der kompakten Struktur des Holzes müssen die innere
und äußere Oberfläche des Materials zunächst für Enzyme
zugänglich gemacht werden. Dies kann mechanisch
und/oder chemisch geschehen. Die mechanische Vorbehandlung
ist mit hohem Energieaufwand verbunden und
deshalb bevorzugt man chemische Verfahren, etwa die alkalische
Quellung der Lignocellulose und die Vorhydrolyse
der Hemicellulosen. Das in der Zellstoffindustrie entwickelte
Organosolv-Verfahren erlaubt eine vollständige Trennung
der Bestandteile. Dabei gehen in einem Gemisch aus
Alkoholen und Wasser bei erhöhtem Druck und erhöhter
Temperatur sowohl Lignin als auch die Hemicellulosen in
Lösung, während die Cellulose als unlöslicher Rückstand
verbleibt. Nach Entfernen des Alkohols fällt Lignin aus,
während die Hemicellulosen in Lösung bleiben. Die so gewonnenen
Rohstofffraktionen aus Cellulose und Hemicellulosen
können nun durch enzymatische Hydrolyse weiterverarbeitet
werden.
■ 04/08
Foto: Gerda Schwebler