Effiziente H2-Produktion durch Algen

Publikation in ‚Energy and Evironmental Science‘

Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Chemische Energiekonversion und für Kohlenforschung haben in Kooperation mit der AG Photobiotechnologie an der Ruhr Universität Bochum herausgefunden, wie sich die Effizienz der Wasserstoff-Produktion von Mikroalgen steigern lässt. Diese Erkenntnisse können den Weg zu einer wettbewerbsfähigen, biologischen Wasserstofferzeugung und damit einer umweltfreundlichen und regenerativen Energieerzeugung ebnen.

Mikroalgen brauchen für die Produktion von Wasserstoff lediglich Licht und Wasser – letzteres spalten sie durch Photosynthese auf. Das kleine eisenhaltige Protein PETF transportiert dabei entstandene Elektronen vor allem an die Ferredoxin-NADP+-Oxidoreduktase (FNR), was schließlich zur Erzeugung von Kohlenhydraten aus CO2 führt. Zu den vielen weiteren Prozessen, für die PETF die Elektronen liefert, gehört auch die Wasserstoffproduktion durch Hydrogenasen. Diese Proteine sind sehr leistungsfähige Enzyme, die ein einzigartiges aktives Zentrum mit sechs Eisenatomen enthalten, an dem Elektronen (e-) auf Protonen (H+) übertragen werden und schließlich molekularer Wasserstoff entsteht (H2).

Effizienzsteigerung nötig

Die Effizienz der Mikroalgen ist allerdings gering und muss noch um 1-2 Größenordnungen gesteigert werden, bevor ein biotechnologisches Verfahren interessant werden könnte. Wissenschaftler der AG Photobiotechnologie an der Ruhr Universität Bochum und der Mülheimer Max-Planck-Institute,  Dr. Sigrun Rumpel, Judith Siebel, Dr. Edward Raijerse, Prof. Wolgang Lubitz und andere Forscher, zeigen jetzt in der aktuellen Ausgabe Energy and Environmental Science, wie eine Effizienzsteigerung erreicht werden kann.

Mit Hilfe der sogenannten kernmagnetischen Resonanzspektroskopie, auf der auch die medizinische Kernspintomografie beruht, untersuchten die Wissenschaftler um Sigrun Rumpel, Postdoktorandin am Mülheimer CEC, welche Bestandteile, genauer gesagt Aminosäuren, von PETF mit der Hydrogenase und welche mit FNR interagieren.  Es zeigte sich, dass zwei Aminosäuren von PETF nur für die Bindung an FNR wichtig sind. Indem die Forscher diese beiden Aminosäuren und das Enzym FNR gezielt genetisch veränderten, konnte das PETF nicht mehr so effizient an FNR binden. Das Enzym lieferte daher weniger Elektronen an FNR und übertrug sie stattdessen vermehrt an die Hydrogenase. Auf diese Weise steigerten die Wissenschaftler die Wasserstoff-Produktion um das Fünffache.

„Damit die Wasserstoffproduktion mithilfe von Algen technisch anwendbar wird, muss ihre Effizienz im Vergleich zum natürlichen Prozess insgesamt um das 10- bis 100-fache steigen“, sagt Sigrun Rumpel. „Wir haben mit der gezielten genetischen Veränderung von PETF und FNR jetzt bereits  einen großen Schritt in diese Richtung gemacht.“  Bisher wird für die Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energieträgern Wasser elektrolytisch gespalten. Dafür werden derzeit teure und seltene Edelmetalle wie Platin benötigt, sodass Wasserstoff noch nicht mit anderen Treibstoffen konkurrieren kann. Sigrun Rumpel und andere Forscher arbeiten daher daran, den Energieträger von Algen produzieren zu lassen. Natürlicherweise erzeugen die Mikroorganismen das Gas aber mit sehr geringer Ausbeute. Daher müssten immense Flächen mit Tanks voller Algenkulturen zugestellt werden, um annähernd den Bedarf Deutschlands zu decken, falls Fahrzeuge künftig einmal nicht mehr mit Benzin und Diesel, sondern mit Wasserstoff betrieben würden.

„Die Ergebnisse haben eine große Bedeutung auf dem Weg hin zu einer wettbewerbsfähigen, regenerativen Erzeugung von Treibstoffen mit Hilfe von Mikroalgen“, sagt Sigrun Rumpel. Die Veränderung der Elektronentransferwege könnte die Wasserstoffproduktion in Zukunft noch weiter verbessern. Daher wollen die Forscher nun verschiedene Modifikationen miteinander kombinieren.

Die wissensbasierte Veränderung der Elektronentransferwege könnte weitere Steigerungen der Wasserstoffproduktion ermöglichen. Durch Kombination verschiedener Modifikationen könnte eine wettbewerbsfähige, biologische Wasserstofferzeugung erreicht werden. Damit haben die Ergebnisse große Bedeutung auf dem Weg zu einer umweltfreundlichen, regenerativen Energieerzeugung ohne teure und seltene Edelmetalle als Katalysatoren.
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