Die Ethanolproduktion aus Mais ist in Brasilien noch relativ jung, doch diese Branche macht bereits rund 30 % der nationalen Ethanolproduktion aus. Brasilien gehört damit zu den weltweit größten Produzenten dieses Biokraftstoffs. Um mit diesem rasanten Wachstum Schritt zu halten, haben Forscher der Staatlichen Universität Campinas (Unicamp) eine gentechnisch veränderte Hefe entwickelt, die die Effizienz der Maisfermentation steigern kann.
Die Erfindung wurde von Forschern des Labors für Genomik und Bioenergie des Instituts für Biologie (IB) der Universität entwickelt und von Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, einem Professor am IB, koordiniert. Die Technologie wurde geschützt und an Unicamps Spin-off-Unternehmen Bioinfood im Rahmen einer Strategie der Unicamp Innovation Agency (Inova Unicamp) mit Unterstützung der Unicamp Development Foundation (Funcamp) lizenziert.
Maisethanol hat sich als ergänzende Alternative zu Zuckerrohrethanol etabliert, da Mais erhebliche logistische Vorteile bietet. Im Gegensatz zu Zuckerrohr, das innerhalb von 48 Stunden nach der Ernte verarbeitet werden muss, kann Mais monatelang in Silos gelagert werden, ohne an Qualität zu verlieren. Diese Eigenschaft ermöglicht es den Erzeugern, die Sojabohnen-Nebensaison für den Maisanbau zu nutzen, was die Fruchtfolge fördert und die Umweltbelastung reduziert. Darüber hinaus erzeugt die Maisproduktionskette hochwertige Nebenprodukte wie Öl und Tierfutter, wodurch Mais-Bioraffinerien wirtschaftlich noch attraktiver werden.
„Die Kosten für Maisethanol sind deutlich niedriger als die für Zuckerrohrethanol, und die Herstellung ist wesentlich einfacher, da der landwirtschaftliche Aspekt entfällt. Mais kann nach der Ernte gelagert werden, was bei Zuckerrohr nicht möglich ist“, betont Pereira.
Trotz ihrer Vorteile steht die Maisfermentation vor einer spezifischen technischen Herausforderung. Die traditionell in der Ethanolproduktion eingesetzte Hefe wandelt Zuckerrohrzucker problemlos in Ethanol um. Mais enthält jedoch nicht denselben Zucker. Sein Hauptbestandteil ist Stärke, eine lange Kette von Glukosemolekülen, die Hefe nicht direkt verarbeiten kann.
Um dieses Problem zu lösen, muss die Stärke vor der Gärung in kleinere Moleküle aufgespalten werden. Dieser Prozess nutzt zwei Enzyme, sogenannte Amylasen. Die erste, die Alpha-Amylase, wirkt bei hohen Temperaturen, in der Regel über 90 Grad Celsius, und spaltet die Stärke in mittelkettige Ballaststoffe. Die zweite, die Glucoamylase, wirkt während der Gärung und vervollständigt den Abbau, indem sie die Ballaststoffe in Glucosemoleküle umwandelt, die die Hefe vergären kann.
Das Problem besteht darin, dass herkömmliche Alpha-Amylase nur bei hohen Temperaturen wirkt, was mit der Fermentationsphase bei etwa 30 Grad Celsius unvereinbar ist. Daher muss sie in einem separaten Schritt vorab zugegeben werden, was die Prozesskosten erhöht. Selbst mit diesem Vorschritt wird zudem ein Teil der Stärke, schätzungsweise etwa zehn Prozent, nicht vollständig abgebaut und geht während der Fermentation verloren, wodurch die Ethanol-Ausbeute sinkt.
Die an der Unicamp entwickelte Technologie löst genau dieses Problem. Mithilfe bioinformatischer Werkzeuge und computergestützter Analysen großer Genomdatenbanken suchte das Team nach Enzymen, die bisher nicht in industriellen Hefen eingesetzt wurden. Die größte Herausforderung bestand darin, eine Alpha-Amylase zu finden, die bei niedrigen Temperaturen, nahe der Gärtemperatur, aktiv ist – eine Seltenheit unter den bekannten Enzymen, da fast alle nur bei hohen Temperaturen funktionieren.
„Es war eine enorme Anstrengung, in den Millionen öffentlich zugänglicher Proteindatensätze aller sequenzierten Organismen nach einer Alpha-Amylase zu suchen, die bei niedrigen Temperaturen funktioniert. 99,9 % der Alpha-Amylasen sind nur bei 80 Grad aktiv“, erklärt Marcelo Falsarella Carazzolle, einer der für die Technologie verantwortlichen Forscher.
Nachdem die vielversprechenden Enzyme identifiziert worden waren, schleuste das Team die entsprechenden Gene in eine Industriehefe ein und entwickelte so einen Stamm, der sowohl die neue Alpha-Amylase als auch eine neue Glucoamylase selbstständig produzieren kann, ohne dass diese Enzyme während des Prozesses extern zugegeben werden müssen. In Labortests, in denen die neue Hefe mit einem herkömmlichen Stamm verglichen wurde, bestätigten die Forscher, dass der neue Stamm die externe Zugabe von Glucoamylase vollständig überflüssig macht und sogar einen Teil der Reststärke abbauen kann, die normalerweise im traditionellen Verfahren verloren geht.
Diese doppelte Leistungsfähigkeit stellt einen direkten Vorteil für die Branche dar, da sie das Potenzial bietet, die Ethanolproduktion mit der gleichen Menge Mais zu steigern und gleichzeitig die Kosten für den Kauf von kommerziellen Enzymen zu senken.
Die Identifizierung der Enzyme wurde in gut zwei Jahren abgeschlossen – ein relativ kurzer Zeitraum, der durch die hohe Vermehrungsrate der in den Experimenten verwendeten Mikroorganismen ermöglicht wurde. Obwohl die Forschungsergebnisse noch jung sind, haben sie bereits ein ausreichendes Potenzial gezeigt, um Marktinteresse zu wecken.
Aktuell ist die Erfindung an Unicamps Spin-off-Unternehmen Bioinfood lizenziert, das die Technologie in größerem Maßstab validiert und Forschern Zugang zu hydrolysierter Stärke aus realen industriellen Prozessen ermöglicht, was unter Laborbedingungen nicht möglich war.
Den Forschern zufolge besteht das Ziel dieser neuen Phase darin, die im Labor erzielten Fortschritte, insbesondere die Reduzierung der im herkömmlichen Verfahren nicht genutzten Stärke, im industriellen Maßstab zu bestätigen. Sollten sich diese Ergebnisse bestätigen, könnte die Hefe zu einem relevanten kommerziellen Produkt für die gesamte Maisethanol-Produktionskette in Brasilien werden.
„Dies ist eine Technologie auf höchstem wissenschaftlichem Niveau. Unsere Aufgabe ist es, sie in ein relevantes kommerzielles Produkt umzuwandeln, mit all den strengen Validierungsverfahren, die der industrielle Maßstab erfordert“, kommentiert Gleidson Teixeira, Mitbegründer und wissenschaftlicher sowie kaufmännischer Leiter von Bioinfood.
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