Erneuerbare Energien

Biobrennstoffzelle: Enzyme ersetzen Edelmetalle, Abfälle den Wasserstoff, als Herzstück ein Holzpilz

Wissenschaftler der Universität Freiburg entwickeln einen Weg, wie enzymatische Brennstoffzellen eine längere Laufzeit erhalten können.

Die Suche nach neuen, regenerierbaren Energiequellen ist eine der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Eine wichtige Errungenschaft ist die Brennstoffzelle, die durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Energie erzeugt. Neuere „Biobrennstoffzellen“ nutzen als Brennstoff organische Abfälle sowie Enzyme als Katalysatoren, was im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffzellen, die Edelmetalle verwenden, preiswerter und umweltschonender ist. Allerdings haben enzymatische Brennstoffzellen bisher nur eine Lebensdauer von wenigen Tagen. Wissenschaftler haben jetzt herausgefunden, wie sie die Dauer solcher enzymkatalysierter Brennstoffzellen erhöhen können.

Die Brennstoffzelle als alternativer Energieerzeuger

Die klassische Brennstoffzelle besteht aus einer Kammer, die in zwei Kompartimente aufgeteilt ist. In einem Kompartiment werden Wasserstoffmoleküle an der Anode oxidiert (Elektronenabgabe), die abgegebenen Elektronen wandern über einen externen Stromkreis zur Kathode, während die entstandenen, positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Protonen) durch eine spezielle Membran in die zweite Kammer gelangen. An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle durch die ankommenden Elektronen reduziert (Elektronenaufnahme), wodurch sich negativ geladene Sauerstoff-Ionen bilden, die sofort mit den ankommenden Protonen zu Wasser reagieren. Anode und Kathode sind in der Regel mit einem Edelmetall (oftmals Platin) als Katalysator beschichtet. Brennstoffzellen können auch mit Methanol oder Methan als Brennstoff anstelle von Wasserstoff arbeiten.

Pilzenzyme in Lösung

Biobrennstoffzellen verwenden organische Abfälle als Ausgangsmaterial, aus denen der Brennstoff (zum Beispiel Ethanol) hergestellt wird. An den Elektroden werden Enzyme als Katalysatoren eingesetzt. Allerdings haben sie nur eine kurze Lebensdauer, bis sie inaktiv werden. Auch die Reinigung der Enzymlösung kostet Zeit und Geld.

Das häufig in Biobrennstoffzellen verwendete Enzym Laccase kommt im holzzersetzenden Pilz Trametes versicolor (Schmetterlings-Tramete) vor. Der Pilz wächst in der Natur hauptsächlich an Buchenholz und gehört zu den Verursachern der Weißfäule. Er sondert kontinuierlich die Lignin-auflösende Laccase zusammen mit anderen Enzymen ab, mit deren Hilfe er die Holzsubstanz zerlegt und Nährstoffe gewinnt. Für die Versuche wurden kleine Stücke des Pilzes in flüssiger Lösung angesetzt. Der Überstand der Lösung wurde für die Versuche genutzt.

Ein Enzym als Katalysator

Laccase katalysiert in der Brennstoffzelle die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Die in einer Biobrennstoffzelle verwendete Laccase hielt in bisherigen Versuchen maximal 14 Tage, bis sie zerfiel. Um die Lebensdauer der Zelle zu erhöhen, untersuchten die Forscher, ob nicht die direkt vom Pilz gewonnene Rohlösung ohne vorherige Aufbereitung in der Brennstoffzelle verwendet werden könnte. Sie stellten fest, dass die Elektroden mit der Rohlösung eine ebenso gute, bei einigen Messungen sogar eine leicht verbesserte Leistung zeigten. Eine zeitaufwändige und teure Enzymreinigung ist also für die Verwendung der Laccase in der Zelle gar nicht nötig. Um die Laufzeit der Zelle zu verlängern, tauschten sie die Rohlösung in der Zelle in Abständen von ein paar Tagen aus und konnten so die Lebensdauer der Brennstoffzelle auf 120 Tage erhöhen. Nach dieser Zeit fiel die Brennstoffzelle aus, weil das Innere der Zelle ausgetrocknet war. Ohne diesen „Zwischenfall“ hätte die Brennstoffzelle mit regelmäßig ausgetauschter Enzymlösung durchaus noch länger laufen können, vermuten die Forscher.

Pilz im Reaktor

Für die Zukunft könnten solche Brennstoffzellen parallel mit einem Pilz-Bioreaktor betrieben werden, von dem die laccasehaltige Rohlösung regelmäßig mit der in der Zelle befindlichen ausgetauscht wird. So wäre es möglich, die Lebensdauer der Zelle noch weiter auszudehnen. Für kleine Brennstoffzellen, etwa zum Betreiben von Robotern, könnte ein Pilz in Zukunft direkt innerhalb der Kammer wachsen und so für ausreichend Nachschub an Enzymen sorgen. Allerdings müsste für diese Vorhaben noch viel geforscht und verbessert werden.

Quelle:

Sané, S. et al (2013): Overcoming bottlenecks of enzymatic biofuel cell cathodes: Crude fungal culture supernatant can help to extend lifetime and reduce cost. In: ChemSusChem 6, 2013, S. 1209 – 1215, DOI: 10.1002/cssc.201300205.

Weiterführende Links

Erneuerbare Energien dank Pilzgenom
Biokraftstoff 2.0 – Pilz-Enzyme zersetzen Cellulose schneller
Pilzgenome enthüllen die Evolution des Ligninabbaus

(Pflanzenforschung.de)

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Marc Brümmer

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