Strom aus Abwasser und Biokraftstoffe aus CO₂

Fachübergreifend wird seit über 10 Jahren am DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) durch die beiden Arbeitsgruppen Industrielle Biotechnologie und Elektrochemie an der Elektrifizierung biotechnologischer Prozesse geforscht.

Unter der Leitung von Dr. Dirk Holtmann und Dr. Klaus-Michael Mangold arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, mit sogenannten bioelektrochemischen Systemen Strom aus Abwässern zu gewinnen oder Biokraftstoffe und Basischemikalien aus CO₂ zu synthetisieren.

In mikrobiellen Brennstoffzellen kann Abwasser mit der Hilfe von Bakterien gereinigt werden, Strom produziert und so der Energiebedarf von Kläranlagen deutlich verringert werden (anodischer Prozess). In einem bereits abgeschlossenen Projekt konnte eine Mikrobielle Brennstoffzelle unter Realbedingungen in einer Kläranlage in Braunschweig getestet werden, wobei kommunales Abwasser gereinigt und Strom produziert wurde.

Darüber hinaus wird seit einigen Jahren an der Mikrobiellen Elektrosynthese von Biokraftstoffen und Basischemikalien in bioelektochemischen Systemen geforscht (kathodischer Prozess). Dabei wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen über eine Elektrode auf Bakterien übertragen, die dann vorzugsweise CO₂ katalytisch umsetzen. Zwei der am DFI hergestellten Produkte aus Strom und CO₂ sind Methan und Isopropanol.

Biofilme detektieren

Um Elektronen mit einer Elektrode auszutauschen, besiedeln viele der »elektroaktiven« Bakterien direkt die Elektrodenoberfläche und formen dort hydrierte polymere Zellaggregate, sogenannte »Biofilme«. Zur genaueren Beobachtung dieses Prozesses wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Kaiserslautern (Prof. Roland Ulber) eine Durchflusszelle entwickelt, in der Biofilme simultan mikroskopisch und elektrochemisch detektiert werden können [Stöckl et al. 2016].

Durch eine transparente Elektrode aus Indiumzinnoxid kann das bakterielle Anheften an dieser Elektrode mit einem Mikroskop visualisiert werden, ohne das Wachstum dabei zu beeinflussen. Parallel dazu werden mittels Impedanzspektroskopie die oberflächenassoziierten Prozesse, wie zum Beispiel der Transfer von Elektronen, elektrochemisch vermessen. Die entwickelte Analysenplattform bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl mikrobieller Prozesse an Oberflächen zu analysieren.

Die interdisziplinäre Zusammenarbeit ist das zentrale Merkmal des DECHEMA-Forschungsinstituts und Ausgangspunkt aller Entwicklungen im Bereich bioelektrochemischer Systeme. Mit dem Ziel, die Industrialisierung dieser Systeme voran zu bringen, forschen Biotechnologen und Elektrochemiker weiter gemeinsam an diesem zukunftsträchtigen Querschnittsthema.

Markus Stoeckl

Bildquelle(n):Fotolia, Werner