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Dienstag, 23. Januar 2018

Elektrobiotechnologie

Mikroben als lebende Brennstoffzellen

Von Ulrich W. Schamari | 15. Mai 2015 | Ausgabe 20

Bringt man Elektrochemiker, Bioverfahrenstechniker, Materialwissenschaftler und Molekularbiologen an einen Tisch, kommen dabei oft verblüffende Verfahren heraus, mit denen sich jede Menge Energie und Chemikalien einsparen lassen. Dies war das Fazit eines Dechema-Kolloquiums kürzlich in Frankfurt am Main.

elektropinkel BU
Foto: imago

Strom aus Urin: In einem EU-Projekt wollen Forscher Mikroben dazu bringen, wertvolle Stoffe zu gewinnen und dabei gleichzeitig noch Energie zu erzeugen.

Mit stromfressenden und stromproduzierenden Kleinstlebewesen haben Forscher im Labor schon die unterschiedlichsten Innovationen hervorgebracht. Sie entfernen Schadstoffe aus dem Abwasser und gewinnen dabei Strom, sie reinigen kontaminiertes Erdreich und beschleunigen die Gewinnung von Proteinen, Enzymen und anderer Substanzen.

Die Kombination von elektrochemischen Verfahren und Biokatalyse liefert den Wissenschaftlern dabei Lösungsansätze für die vielfältigsten Anwendungen – für neue Synthesewege, für die Energiewandlung, für effektivere Sensoren und Sanierungsverfahren.

In all diesen Prozessen steckt Elektrobiotechnologie drin. Sie sorgt letztendlich für den Energietransfer – von Zelle zu Zelle oder aus organischer Materie hin zum Stromabnehmer. Den aktuellen Stand von Forschung und Entwicklung erörterten Experten kürzlich auf einem Kolloquium der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie (Dechema) in Frankfurt/Main.

Bioelektrochemische Energiewandler und -speicher sind seit Langem ein Steckenpferd von Sven Kerzenmacher an der Uni Freiburg. „Ein bekannter elektrochemischer Energiewandler ist die klassische Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle“, erläutert er. Eine ihrer modernen Spielarten, die mikrobielle Brennstoffzelle, wird derzeit als vielversprechende Technologie zur Elektrizitätserzeugung aus biogenen Rest- und Abfallstoffen diskutiert.

In einem solchen belebten System oxidieren sogenannte exoelektrogene Bakterien organische Kohlenstoffquellen zu Kohlendioxid. Solche Bakterien sind in der Lage, Elektronen außerhalb ihrer Zelle zu transferieren. Die freigesetzten Elektronen werden auf die Anode übertragen. An der Kathode wird Sauerstoff reduziert, aus dem resultierenden Elektronenfluss zwischen den Elektroden lässt sich direkt elektrische Energie erzeugen.

Legt man nun zwischen Anode und Kathode eine zusätzliche Spannung an, so erklärt es Verfahrenstechniker Kerzenmacher, könnten an der Kathode anstelle von Sauerstoff auch Protonen reduziert und Wasserstoff als speicherbarer Energieträger gewonnen werden. So entstehe eine mikrobielle Elektrolysezelle.

Mikroorganismen, zum Teil in gewaltigen Bioreaktoren aus Edelstahl kultiviert, wandeln zudem Rohstoffe in maßgeschneiderte Substanzen um. Ihr Stoffwechsel beschleunigt die Prozesse, die für das Chemieunternehmen zu unwirtschaftlich wären. Auch deshalb avancieren Kleinstlebewesen zu regelrechten Biokatalysatoren.

Die Natur stellt eine nahezu unerschöpfliche Zahl solcher Biokatalysatoren bereit, mit denen bestehende Produktionsverfahren optimiert oder gänzlich neue biotechnologische Prozesse und Produkte entwickelt werden können.

„Der größte Vorteil, den ein Biokatalysator hat, ist seine hohe Spezifität – sei es eine Repro- oder eine Reaktionsspezifität“, weiß auch Dirk Holtmann vom Dechema-Forschungsinstitut. Soll heißen, dass die Umsetzung der Stoffe durch Biokatalyse zweifelsfrei zuzuordnen und wiederholbar ist.

Auch als Umweltpolizisten tun Labormikroben übrigens ihren Dienst. „Man kann sie dazu nutzen, ein Signal aus der Umwelt abzugreifen und es in Strom umzusetzen“, berichtet Johannes Gescher von seiner Arbeit im Karlsruher Institut für Technologie (KIT). So können sie Informationen über die Konzentration einer bestimmten Substanz in unmittelbarer Umgebung der Zellen in ein elektrisches Signal übersetzen.

Schon lange werden Mikroorganismen erfolgreich zur Altlastensanierung eingesetzt. „Derzeit sind 317 000 Altlastenverdachtsfälle in Deutschland bekannt“, schätzt Klaus-Michael Mangold vom Dechema-Forschungsinstitut. Leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (LCKW) sind dort die häufigsten Schadstoffe.

Ein neues bioelektrochemisches Verfahren nutzt nun die Wasserelektrolyse zur Stimulation des biologischen Abbaus. Die Ergebnisse zeigen, dass der elektrolytisch produzierte Wasserstoff und Sauerstoff von den Mikroorganismen direkt für einen reduktiven bzw. oxidativen Schadstoffabbau genutzt werden kann.

 

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