Mikrobielle Brennstoffzellen haben Potential

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Sandwich-Konzept einer mikrobiellen Brennstoffzelle, © University of Rochester

Mikrobielle Brennstoffzellen unterscheiden sich von rein chemischen Energiewandlern, bei denen beispielsweise eine Polymer-Elektrolyt-Membran oder eine Oxidkeramik den Reaktionsablauf bestimmen, da in der Mikrobiologie Bakterien zum Einsatz kommen. Anstelle eines Katalysators stehen hierbei Mikroben, denen organische Substanzen quasi als „Futter“ (z. B. Abwasser, Milchsäure) zugeführt werden, im Mittelpunkt. Mikrobielle Brennstoffzellen nutzen somit den Stoffwechsel von Bakterien, um eine Spannung zu erzeugen.

Das Grundprinzip basiert darauf, dass durch Stoffwechselprozesse von Bakterien fortwährend Elektronen freigesetzt werden. Werden die Bakterien auf der Anode einer Brennstoffzelle angesiedelt, können die Elektronen von der Anode zur gegenüberliegenden Kathode geleitet werden, so dass ein Stromkreislauf entsteht. Liesa Pötschke von der RWTH Aachen erläuterte das so: „Die Bakterien sind Partikel in der Größenordnung von 1 µm, die sich in vielen Fällen als Biofilm zusammenschließen. Als Elektrolyt kann alles Mögliche dienen, worin sich Bakterien wohl fühlen – im Unterschied zur Elektrochemie sind das vor allem neutrale pH-Wert (6 bis 8), geringe Salzkonzentrationen, atmosphärische Drücke und Temperaturen zwischen 4 und 37 °C je nach Organismus. Kurz gesagt, sehr viel weniger harsche Bedingungen als in klassischen Brennstoffzellen. Die Bakterien fungieren aber niemals selbst als Elektrolyt.“

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Eine erste Veröffentlichung über die Vorläufer einer mikrobiellen Brennstoffzelle gab es bereits 1911: Wie Susanne Päch in dem Blog SciLogs von spektrum.de schrieb, hatte M.C. Potter damals beobachtet, dass Mikroorganismen in Biofilmen in der Lage sind, Strom zu erzeugen. 1962 wurde erstmals das moderne Konzept einer mikrobiellen Brennstoffzelle veröffentlicht, damals noch mit Methylenblau als Mediator, in dem unterschiedliche Bakterien auf ihre Fähigkeit, Kohlenwasserstoffe zu messbarem Strom umzuwandeln, getestet wurden. Mittlerweile sind die unterschiedlichen Elektronenübertragungsmechanismen von Bakterien auf eine Elektrode bekannt: entweder indirekt mittels Mediator oder direkt über redoxaktive Proteinkomplexe in der Zellmembran oder leitfähige Fortsätze der Zellmembran. Bestimmte Bakterien wachsen als Biofilm auf der Elektrode und können Elektronen direkt auf deren Oberfläche übertragen. Seit diesem Jahrtausend gibt es nun Forschungsbemühungen, das Wachstum der Biofilme nicht mehr der Natur – und damit dem Zufall – zu überlassen, sondern im Labor gezielt mit gezüchteten Biofilmen zu experimentieren.

Synthetischer Biofilm aus Bayreuth

Wissenschaftlern der Universität Bayreuth gelang es, die schleimige Matrix, in der diese Bakterien leben, im Labor gewissermaßen maßzuschneidern. Die Forschergruppe um Prof. Ruth Freitag und Prof. Andreas Greiner entwickelte ein Biokomposit (synthetisches Hydrogel), das aus einem Netzwerk winziger Polymerfasern besteht, in denen sich die Bakterien befinden. Dieses Biokomposit wurde durch das Elektrospinnen von Polymerfasern hergestellt, so dass ein Vliesstoff entstand – eine heute weit verbreitete Technologie.

 

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