Bakterien können Grünstrom speichern

Dopplung: Mikroorganismen wandeln Energie in Treibstoffe oder Biokunststoff um – Cornell und Colorado

Künstlich veränderte Bakterien könnten fehlende Glieder in der Energiespeicherung sein. Forscher der Cornell University (einer der renommiertesten der Welt) in Ithaca, New York, wollen Strom auf höchst ungewöhnliche Art speichern. Sie arbeiten mit elektroaktiven Bakterien, die Elektronen einfangen. Diese Energie nutzen sie, um CO2 aus der Luft aufzuspalten. Den dabei entstehenden Kohlenstoff wandeln sie in Isobutanol oder Propanol um, Flüssigkeiten, die in Motoren genutzt werden können, entweder in reiner Form oder als Beimischung zu Benzin und Diesel.

“Eines der großen Themen bei nachhaltigen Energiesystemen ist die Speicherung von Strom  aus Wind, Sonne und Wasserkraft. Derzeit gibt es noch keine Technologie, die eine groß angelegte Speicherung und Energiegewinnung für nachhaltige Energie zu niedrigen finanziellen und ökologischen Kosten ermöglicht”, so eine Mitteilung der Ivy League-Universität.

Entwickelte elektroaktive Mikroben könnten Teil der Lösung sein; diese Mikroben sind in der Lage, ein Elektron aus Sonnen- oder Windstrom zu leihen und die Energie zu nutzen, um Kohlendioxidmoleküle aus der Luft zu lösen. Aus den Kohlenstoffatomen können die Mikroben dann Biokraftstoffe wie Isobutanol oder Propanol herstellen, die in einem Generator verbrannt oder beispielsweise Benzin zugesetzt werden können.

“Wir glauben, dass die Biologie eine wichtige Rolle beim Aufbau einer nachhaltigen Energieinfrastruktur spielt”, sagt Buz Barstow, Assistenzprofessor für Bio- und Umwelttechnik. “Einige Rollen werden Nebenrollen sein und andere Hauptrollen, und wir versuchen, all die Orte zu finden, an denen die Biologie arbeiten kann.” Barstow ist Senior-Autor von “Electrical Energy Storage With Engineered Biological Systems”, der Text wurde am 03.05.2019 im Journal of Biological Engineering veröffentlicht.

Die zusätzliche Verwendung elektrisch entwickelter synthetischer Elemente könnte diesen Ansatz einerseits zwar noch produktiver und effizienter machen als Mikroben allein. Andererseits erfordert die Vielzahl der Optionen aber auch zu viele technische Entscheidungen. Die Studie liefert Informationen, um nach Bedarf das beste Design zu ermitteln. “Wir schlagen einen neuen Ansatz vor, bei dem wir biologische und nicht-biologische Elektrochemie zusammenfügen, um eine neue Methode zur Energiespeicherung zu entwickeln”, sagte Farshid Salimijazi, Absolvent im Labor von Barstow und Erstautor der Arbeit.

Beispiel Photosynthese

Die natürliche Photosynthese bietet bereits ein Beispiel dafür, wie Sonnenenergie in großem Umfang gespeichert und in einem geschlossenen Kohlenstoffkreislauf in Biokraftstoffe umgewandelt werden kann. Sie fängt etwa sechsmal so viel Sonnenenergie ein, wie die gesamte Zivilisation verbraucht. Aber die Photosynthese ist bei der Gewinnung von Sonnenlicht ineffizient und absorbiert weniger als ein Prozent der Energie, die auf die photosynthetisierenden Zellen trifft.

Elektroaktive Mikroben ermöglichen es nun, die biologische Lichternte durch Photovoltaik zu ersetzen. Diese Mikroben können Strom in ihren Stoffwechsel aufnehmen und diese Energie nutzen, um CO2 in Biokraftstoffe umzuwandeln. Der Ansatz verspricht viel, um Biokraftstoffe mit höherer Effizienz herzustellen. Elektroaktive Mikroben ermöglichen auch die Verwendung anderer Arten von Erneuerbarer Elektrizität, nicht nur von Solarstrom, um diese Umwandlungen zu betreiben. Außerdem können einige Arten von Mikroben Biokunststoffe erzeugen, die in der Erde vergraben werden könnten, wodurch CO2 aus der Luft entfernt und im Boden abgelagert wird. Bakterien könnten so konstruiert werden, dass der Prozess umgekehrt wird, indem ein Biokunststoff oder Biokraftstoff wieder in Strom umgewandelt wird. Diese Wechselwirkungen können alle bei Raumtemperatur und -druck auftreten, was für die Effizienz wichtig ist.

Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Photosynthese und Elektrosynthese. Auf der linken Seite befindet sich ein photosynthetisches Bakterium, das zur Synthese von Alkanen entwickelt wurde. Rechts sind zwei elektroaktive Bakterien, die zur Synthese von Alkanen in einer Elektrosynthesezelle entwickelt wurden. Bakterien 1 (Mitte) erhalten Elektronen durch Festmatrixleitung (ein bakterieller Nanodraht). Bakterien 2 erhalten Elektronen durch die Oxidation von molekularem Wasserstoff, der an der Kathode elektrochemisch aus Protonen erzeugt wird, die durch Wasserspaltung an der Zellanode erzeugt werden. Grafik © Buz Barstow

Die Autoren weisen darauf hin, dass nichtbiologische Methoden der Stromnutzung zur Kohlenstoffbindung beginnen, die Fähigkeiten von Mikroben zu erreichen und sogar zu übertreffen. Elektrochemische Technologien sind jedoch nicht gut darin, die Arten von komplexen Molekülen zu erzeugen, die für Biokraftstoffe und Polymere notwendig sind. Elektroaktive Mikroben könnten eigens dafür entworfen werden, um diese einfachen Moleküle in viel komplexere umzuwandeln. Kombinationen von künstlich hergestellten Mikroben und elektrochemischen Systemen könnten die Effizienz der Photosynthese bei weitem übertreffen. Aus diesen Gründen bietet ein Design, das die beiden Systeme vereint, nach Ansicht der Autoren die meistversprechende Lösung zur Energiespeicherung. “Nach den Berechnungen, die wir durchgeführt haben, halten wir es für durchaus möglich”, sagte Salimijazi.

Das Papier enthält Leistungsdaten zu biologischen und elektrochemischen Designs für die Kohlenstofffixierung. Die aktuelle Studie ist “das erste Mal, dass jemand an einem Ort alle Daten gesammelt hat, die benötigt werden, um einen Vergleich der Effizienz aller verschiedenen Arten der Kohlenstoffbindung durchzuführen”, sagte Barstow. In Zukunft wollen die Forscher mit den von ihnen gesammelten Daten alle möglichen Kombinationen von elektrochemischen und biologischen Komponenten testen und aus vielen Möglichkeiten die besten Kombinationen herausfinden.

Im Wortlaut – Abstract und Schlussfolgerungen des Artikels “Elektrische Energiespeicherung mit biologischen Systemen”:

“Die Verfügbarkeit von Technologien für Erneuerbare Energien nimmt aufgrund ihrer wachsenden Reife weltweit dramatisch zu. Allerdings werden mit ziemlicher Sicherheit groß angelegte Speicherungs- und Rückgewinnungsmöglichkeiten elektrischer Energie erforderlich sein, um die Einspeisung Erneuerbarer Energien in das Netz zu erhöhen. Keine der heutigen Energiespeichertechnologien bietet die perfekte Kombination aus hoher Leistungs- und Energiedichte, niedrigen finanziellen und ökologischen Kosten, fehlenden Standortbeschränkungen, langer Lebensdauer, einfacher Materialverfügbarkeit und schneller Reaktionszeit. Entwickelte elektroaktive Mikroben könnten viele der Einschränkungen der derzeitigen Energiespeichertechnologien ausgleichen, indem sie eine neu gekoppelte Kohlenstofffixierung ermöglichen, ein Prozess, der Reaktionen, die normalerweise gemeinsam in einer photosynthetischen Zelle durchgeführt werden, räumlich trennt und die am wenigsten effiziente durch nicht-biologische Äquivalente ersetzt. Im Erfolgsfall könnte dies die Speicherung von Erneuerbarer Elektrizität durch elektrochemische oder enzymatische Fixierung von Kohlendioxid und die anschließende Speicherung als kohlenstoffbasierte Energiespeichermoleküle einschließlich Kohlenwasserstoffe und nichtflüchtige Polymere mit hoher Effizienz ermöglichen. In diesem Artikel sammeln wir Leistungsdaten über die Auswahl biologischer und nicht-biologischer Komponenten für neu gekoppelte Kohlenstofffixierungssysteme und identifizieren dringende Herausforderungen in Forschung und Technik.”

“Die Biologie, und vor allem die neu verknüpfte Kohlenstofffixierung, könnte die Antwort auf die groß angelegte Speicherung Erneuerbarer Energien geben. Mehrere zentrale Herausforderungen müssen angegangen werden: die Suche nach einem Mechanismus für den weiträumigen Elektronentransport, der effizient ist, hohe Übertragungsraten unterstützt, sicher ist und schnell entwickelt werden kann; ein Mechanismus der Kohlenstofffixierung, der in einem heterologen Wirt ausgedrückt werden kann und thermodynamisch hocheffizient, wenn nicht sogar schnell ist; und schließlich ein Energiespeichersystem, das sicher, bequem und schnell verfügbar ist. Diese Innovationen erfordern Durchbrüche in der Systembiologie nicht modellhafter exotischer Mikroorganismen, beim Abbau der Genome exotischer Organismen, bei der Entwicklung von Werkzeugen für den autotrophen Stoffwechsel und bei der Entwicklung synthetischer Enzyme sowie bei sich selbst zusammensetzenden und selbst reparierenden biologischen Nanostrukturen.”

Folgt: Parallele in Colorado