Mikrobielle Brennstoffzellen sind der bekannteste Vertreter eines stetig wachsenden Forschungszweigs: der Bioelektrochemie. Die MBZ schlagen eine direkte Brücke zwischen den Bereichen Elektrochemie und Bioökonomie. So vielseitig und vielversprechend die Anwendungen auch sind, so herausfordernd ist auch ihre Etablierung bis zur Marktreife. Die beiden kürzlich abgeschlossenen Verbundprojekte TexKoMBZ und TextESys setzen auf systematische Entwicklungen von Einzelkomponenten dieser komplexen Systeme.
Mikrobielle Brennstoffzellen folgen denselben thermodynamischen Prinzipien wie konventionelle Brennstoffzellen, jedoch enthalten sie statt (edel-)metallbasierten Katalysatoren spezielle mikrobielle als Kernelement. Diese sind in der Lage, organisches Material zu oxidieren und dabei freiwerdende Elektronen auf eine feste Elektrodenoberfläche zu übertragen. Von der mikrobiologischen Seite aus gesehen „atmen“ diese Bakterienspezies mithilfe der BZ-Anode statt zum Beispiel mit gelöstem Sauerstoff oder Sulfat.
Diese besondere Fähigkeit eröffnet eine ganz neue Bandbreite an möglichen Brennstoffen, so dass praktisch alle mikrobiologisch verwertbaren Substanzen verwendet werden können. Der populärste Brennstoff ist Abwasser (Abb. 1).
Eine leistungsfähige „Biobatterie“ zu entwickeln ist aber gar nicht das Ziel, sondern vielmehr die direkte Kopplung der Energie(rück)gewinnung mit der Abwasserreinigung und damit die Entlastung kostenintensiver klassischer Belebtschlammverfahren. Mit den im Labormaßstab erzielten Leistungsdichten der MBZ könnte das Ziel eines ökonomischeren Abwasserreinigungsprozesses bereits erreicht werden. Bei ganzheitlichen Hochskalierungen dieser Systeme konnten die Leistungsdichten in vielen Fällen aber nicht gehalten werden. Die Lehre aus den Vorarbeiten ist, dass ein tiefgehendes Verständnis der Einzelkomponenten der MBZ essentiell für eine erfolgreiche Entwicklung ist. Dementsprechend liegt der Projektfokus von TexKoMBZ ausschließlich auf der Weiterentwicklung und Skalierung der Anode.
Aufbau einer Bioanode
Der Verbund aus mikrobiellem Katalysator und Elektrode wird als Bioanode bezeichnet. Die Mikroorganismen überziehen das Elektrodenmaterial mit einem 100 bis 200 µm dünnen, elektrisch leitfähigen Biofilm.
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Autoren: Liesa Pötschke, M. Sc., Institut für Angewandte Mikrobiologie, RWTH Aachen
Georg Stegschuster, M. Sc., Institut für Textiltechnik Augsburg gGmbH, An-Institut der Universität Augsburg