Im Rahmen ihrer Professur in Kassel forscht sie weiter nach geeigneten Hydrogenasen. „Gerade untersuchen wir ein Enzym aus Knallgas-Bakterien. Es ist ziemlich resistent gegen Sauerstoff. Leider nimmt es eher H₂ auf, als ihn zu produzieren“, sagt Gutekunst. Deshalb arbeitet ihr Team parallel mit verschiedenen Mutationen – immer auf der Suche nach dem Alleskönner.

Auch die Arbeitsgruppe Photobiotechnologie um Prof. Thomas Happe an der RUB, zu der auch Marx gehört, sucht das perfekte Enzym für die Wasserstofferzeugung. Gemeinsam mit der Universität Osaka wollen die Forschenden der RUB die Strukturen und Mechanismen noch besser verstehen, indem sie tiefkalte Enzymproben und andere biologische Bausteine unter dem Elektronenmikroskop betrachten. Ihr Ziel ist es, die Enzyme nicht nur aktiver und stabiler zu machen, sondern auch einfachere Strukturen zu entwickeln, die sich technisch leichter nutzen lassen.

„Wir arbeiten an sogenannten Minienzymen. Diese haben die Funktion der Hydrogenase, sind aber kleiner und einfacher aufgebaut. Sie enthalten praktisch nur das aktive Zentrum und die nötige Struktur, damit sie sowohl Wasserstoff katalytisch herstellen als auch Wasserstoff spalten können. So wird es leichter, sie später auch kommerziell herstellen und nutzen zu können“, sagt Happe.

Eine Herausforderung ist weiterhin die Empfindlichkeit gegen Sauerstoff. Manche Enzyme, wie das an der RUB untersuchte CbA5H, können sich gegen Sauerstoff abschirmen. „Das ist ein wichtiger Schritt, weil so das aktive Zentrum intakt bleibt“, sagt Marx. „Doch sobald Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, wird bei dem Enzym sozusagen die Pause-Taste gedrückt und es produziert zwar keinen Wasserstoff mehr, wird aber wie praktisch alle anderen Enzyme nicht durch Sauerstoff zerstört. Unser Ziel ist es, ein Enzym zu entwickeln, das den Sauerstoff nicht ins aktive Zentrum vordringen lässt und gleichzeitig weiter Wasserstoff produziert.“

Damit sich diese Enzyme technisch nutzen lassen, müssen sie auf Oberflächen aufgebracht werden, und zwar so, dass sie lange halten und möglichst effizient arbeiten können. Diese Aufgabe will das Team der RUB in weiteren Projekten angehen.

Fermentierung: Bakterien erzeugen H₂ aus Biomasse

Der Vorteil der Fermentierung im Vergleich zu den Photosynthese-Prozessen ist, dass sie deutlich näher an der kommerziellen Nutzung ist. Während die Forschenden bei den Enzymen noch an den Grundlagen tüfteln, geht im Projekt HyPerFerment II bereits ein kleiner Pilotreaktor in Betrieb. Der Nachteil: Während Wasser und Sonnenlicht praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehen, braucht man für die Fermentation geeignete Substrate.

Dabei handelt es sich im Wesentlichen um dieselben Rohstoffe, aus denen auch Biogas erzeugt wird. „Unser Ziel ist es daher, die Wasserstofferzeugung vor der Biogaserzeugung stattfinden zu lassen. In dieser Vorfermentation bauen die Mikroorganismen die Substrate nur in geringem Maße ab. Die Biogasproduktion im nächsten Schritt kann dadurch unter Umständen sogar höher ausfallen“, sagt Fabian Giebner, wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Mikrobiologie-Unternehmen MicroPro GmbH und Projektleiter von HyPerFerment II. In den Laborversuchen mit Maissilage, Zuckerrübenschnitzeln und Melasse stieg die Methanproduktion um etwa ein Drittel. Das Konsortium, zu dem auch die Streicher Anlagenbau GmbH & Co. KG und das Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF gehören, hat gerade neben einer Biogasanlage in Magdeburg einen 10 m³ großen Testfermenter aufgebaut (s. Abb. 3). In diesem will es mit Parametern experimentieren, um die optimale Betriebsweise herauszufinden. Giebner rechnet damit, dass die