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Biobrennstoffzellen

Systeme ohne Mediatoren

Bei den heute üblichen Systemen zur Energieerzeugung mit Bakterien werden anstatt der Mediatoren ganz normale Substrate der Mikroorganismen verwendet. Diese Brennstoffzellen werden auch als MFCs bezeichnet - microbial fuel cells (mikrobielle Brennstoffzellen), im Gegensatz zu Brennstoffzellen auf rein enzymatischer Basis.

Alle Mikroorganismen haben ein grundsätzliches Problem: Die bei der Substratoxidation freiwerdenden Elektronen müssen irgendwie wieder aus der Zelle entfernt werden. Hefen übertragen die Elektronen z.B. bei der alkoholischen Gärung auf Acetaldehyd und bilden dabei Alkohol, während Milchsäurebakterien die Elektronen unter Lactat-Bildung auf Pyruvat übertragen (Substratkettenphosphorylierung).

Wenn die Bakterien mit einer geeigneten Elektrode in Kontakt stehen, können sie prinzipiell diese überschüssigen Elektronen auch an die Elektrode abgeben. Aber hier gibt es ein großes Problem - die wenigsten Bakterien haben eine leitende Oberfläche, über die sie direkt mit der Elektrode interagieren könnten.

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Abb.1
Direkte Elektronenübertragung auf die Elektrode
Abb.2
Schema einer Brennstoffzelle für Glucose

Eine weitere Möglichkeit der Elektronenübertragung ist in (Abb. 2) gezeigt. In Anwesenheit von Sauerstoff produzieren Bakterien wie z.B. Escherichia coli Kohlendioxid und Wasser. Ohne Sauerstoff kann Escherichia coli u.a. verschiedene Formen der Gärung durchführen. Aus Kohlenhydraten entstehen so energiereiche reduzierte Stoffwechselprodukte wie Wasserstoff, Formiat, Ethanol und Lactat, die ihre Elektronen an Elektroden wieder abgeben können.

Bei diesen Brennstoffzellen ist das Problem eher technischer Art, denn sehr robuste und gleichzeitig aktiv arbeitende (und damit teure) Elektrodenmaterialien sind erforderlich. Die derzeit beste mikrobielle Brennstoffzelle wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Greifswald entwickelt und basiert auf einer Wolframcarbid-Anode, mit der Stromdichten von über 3 mA/cm-2 erreicht werden konnten.

Direkte Interaktion der Bakterien mit der Elektrode

Abb.3
Bestimmte Membranproteine können Elektronen direkt auf eine Elektrode übertragen

Die Metall-reduzierenden Bakterien (z.B. Geobacter oder Shewanella-Arten) besitzen membrangebundene Proteine (Cytochrome), die die Elektronen direkt an die Anode abgeben. Das funktioniert allerdings nur, wenn die Bakterien in direktem Kontakt (als einzellige Schicht) auf der Elektrode aufgebracht sind.

Bei diesen geringen Zellzahlen, die zudem noch vom langsamen Wachstum dieser Bakterien begrenzt werden, können auch nur geringe Stromdichten dieser Brennstoffzellen erreicht werden. Eine derartige Brennstoffzelle auf der Basis des Metall-reduzierenden Bakteriums Rhodoferax ferrireducens, das normalerweise in Meeressedimenten vorkommt, erreicht nur ca. 3 μA/cm-2.

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