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Biobrennstoffzellen

Eine Biobrennstoffzelle mit Metall-reduzierenden Bakterien

Abb.1
Abb.2
Abb.3
Abb.4
Abb.5
Abb.6
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Abb.6

Eine herkömmliche Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle ist in den Bildern 1 bis 3 dargestellt. In Bild 4 ist diese Brennstoffzelle im Modell eines Elektroautos eingebaut. Die Bilder 5 bis 7 zeigen Biobrennstoffzellen.

Viele Biobrennstoffzellen mit sehr gutem Wirkungsgrad arbeiten mit Metall-reduzierenden Bakterien. Diese Bakterien können mit Glucose und einem breiten Spektrum anderer einfacher Substrate (Lactat, Acetat, Fructose, Saccharose, Xylose) wachsen und liefern 80 % oder mehr der Elektronen, die im Stoffwechsel generiert werden, an eine Graphit-Elektrode. Das ist sehr viel, vor allem, da ja auch der Aufbau der bakteriellen Biomasse einen gewissen Teil der entstehenden Elektronen beansprucht.

Dieser Typ einer Biobrennstoffzelle arbeitet mit einem Metall-reduzierenden gram-negativen Bakterium (Geobacter metallireductens), das eine Sauerstoff-freie (anaerobe) Umgebung benötigt. Geobacter metallireductens überträgt seine Elektronen daher nicht auf Sauerstoff, sondern auf Eisen. Die Elektronen werden von der inneren Zellmembran über mehrere Membranproteine bis zur äußeren Membran geleitet und gehen dann über Pili, eine Art langer Härchen, die manche Bakterien besitzen, direkt auf die Anode über.

Grundsätzlich erreichen aber auch diese Biobrennstoffzellen noch nicht die erforderliche Stromdichte, um daraus ein kommerziell profitables Produkt zu machen. Da die Bakterien den direkten Kontakt zur Elektrode benötigen, können sie prinzipiell nur als Monolayer aufgebacht sein und erreichen entsprechend nur geringe Zelldichten in der Brennstoffzelle. Wissenschaftler suchen daher nach neuen Ansätzen, z.B. mit Nanopartikeln in Lösung, alternativen Elektrodenmaterialien, dreidimensional angeordneten Systemen oder gentechnisch optimierten Bakterien.

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Abb.7
Metall-reduzierende Mikroorganismen

Die Elektronen aus dem Stoffwechsel der Bakterien werden von der membrangebundenen Dehydrogenase über verschiedene Proteine der inneren Membran (blaue Proteine) bzw. der äußeren Membran (Proteine in rosa) weitergeleitet, bevor sie an die Anode abgegeben werden.

Die Proteine im Detail: PpcB und PpcA: Cytochrome des c-Typs aus Geobacter, PpcA ist ein periplasmatisches Cytochrom. OmpB, OmpD und OmpE sind Cytochrome der äußeren Membran (Omp = engl. outer membrane protein), die für die Reduktion von Eisen benötigt werden.

Literatur

Finneran, K. T.; Johnsen, C. V.; Lovley, D. R. (2003): Rhodoferax ferrireducens sp. nov., a psychrotolerant, facultatively anaerobic bacterium that oxidizes acetate with the reduction of Fe(III).. In: Int. J. Syst. Evol. Microbiol.. 53 , 669-673
Du, Z.; Li, H.; Gu, T. (2007): A state of the art rewiev on microbial fuel cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy.. In: Biotechnol. Adv.. 25 , 464-482
Schröder, U. (2007): Anodic electron transfer mechanisms in microbial fuel cells and their energy efficiency.. In: Phys. Chem. Chem. Phys.. 9 , 2619-2629
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