Getreidestroh stellt mit einer jährlichen Produktion von ca. 20 Mio. t allein in Deutschland ein enormes Potential für die Verwendung als nachwachsender Rohstoff dar 1. Auch wenn berücksichtigt werden muss, dass ein bestimmter Teil des Getreidestrohs zur Humusneubildung zurückgeführt werden muss, stehen doch ca.  1/3 dieser Menge als  nutzbarer Anteil für neue Anwendungen zur Verfügung 2. Der hohe Lignifizierungsgrad von Getreidestroh stellt aber nach wie vor eine erhebliche Herausforderung hinsichtlich einer der stofflichen und energtischen Nutzung dieser Biomassefraktion dar. In Zusammenarbeit mit den Enzymspezialisten ASA Spezialenzyme entwickelt das PFI ein neues Verfahren zum Strohaufschluss das auf die besonderen Fähigkeiten salztoleranter Bakterien setzt. Das Projekt mit dem Titel „Entwicklung und Prüfung der technischen Umsetzbarkeit eines kontinuierlichen mikrobiell-enzymatischen Hydrolyseverfahrens zum Strohaufschluss unter halophilen Bedingungen“ wird im Rahmen des Förderprogramms Nachwachsende Rohstoffe vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert.

Hintergrund – Behandlung und Aufschluss von Getreidestroh

Die Verwertung von Getreidestroh bzw. Weizenstroh setzt die Entwicklung adäquater Aufschlusstechnologien voraus, um aus der Lignocellulose die vergärbaren Mono- und Disaccharide freizusetzen. Unter den bisher untersuchten physikalischen, chemischen und biologischen Methoden ist der hydrothermale Aufschluss mittels Thermodruckhydrolyse (TDH) eine vielfach eingesetzte Technologie, die in verschiedenen Projekten am PFI etabliert und optimiert wurde. Der Hemicellulose-Anteil im Stroh kann hiermit nahezu vollständig hydrolysiert werden, wobei vorwiegend die Pentosen Xylose und Arabinose freigesetzt werden. Allerdings ist zur Generierung von Glukose aus der Cellulosefraktion ein nachfolgender Schritt – die enzymatische Hydrolyse– notwendig, die momentan noch einen kritischen Punkt darstellt. Zwar bewirkt die TDH-Vorbehandlung eine deutliche Verbesserung der enzymatischen Hydrolyse, jedoch sind die derzeitigen Enzymkosten für eine wirtschaftliche Nutzung noch relativ hoch. Darüber hinaus hat die TDH sowie vergleichbare physiko-chemische Aufschlussverfahren wirtschaftliche und verfahrenstechnische Nachteile. Einerseits ist der Bedarf an thermischer Energie erheblich, anderseits können sich bei den eingesetzten hohen Temperaturen Furfurale und andere Metabolite bilden, die die nachfolgenden Prozessschritte (enzymatische Hydrolyse, alkoholische Gärung, Biogasprozess) stark hemmen können.

Ansatzpunkt und Zielsetzung – Technische und mikrobielle Verfahrensentwicklung

Vor diesem Hintergrund prüfen die Projektpartner PFI und ASA Spezialenzyme die technische Machbarkeit eines neuartigen mikrobiell-enzymatischen Verfahrens zur Strohbehandlung.  Die Ergebnisse früherer FuE-Projekte haben Ansatzpunkte ergeben, dass ein effektiver Aufschluss von Strohbiomasse auch mit halophilen Mikroorganismen möglich ist. Hierbei wurde mittels eines Gradierwerkes, welches mit Stroh und einer Sole (12-14 %) betrieben wurde, eine mikrobielle Biozönose angereichert, die in der Lage war, das Stroh von drei verschiedenen Getreidesorten anzugreifen. Durch Behandlung dieses Strohs mit cellolytischen Enzymen konnte die Cellulose direkt zu freien Zuckern abgebaut werden. Somit könnte die Vorbehandlung von Getreidestroh mit halophilen Mikroorganismen in 12 – 25 % -iger Sole eine kostengünstige und energiesparende Alternative zu den bisher bekannten Aufschlussmethoden darstellen. Die notwendigen Behandlungszeiten von 12 -16 Wochen sind allerdings für einen technisch nutzbaren Prozess noch zu lang. Ziel des vorliegenden Projektes ist daher die Entwicklung und Optimierung des Sole-Prozesses im Labor und im technischen Maßstab. Hierbei gilt es insbesondere eine signifikante Verkürzung der Behandlungszeiten zu erreichen und den Nachweis einer Umsetzbarkeit unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu demonstrieren (Proof of Concept). Hierbei konzentriert sich das PFI auf die Entwicklung des technischen Verfahrens und auf die Optimierung der verfahrenstechnischen Parameter, während der Partner ASA die Charakterisierung der Mikroorganismen und die Entwicklung leistungsfähiger halophiler Mischkulturen übernimmt.

ASA Spezialenzyme GmbH (www.asa-enzyme.de)