Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Pilze unter Strom - Enzyme des Holzpilzes Trametes versicolor halten Brennstoffzellen am Laufen

31.07.2013
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.


Die Schmetterlings-Tramete (Trametes versicolor) ist ein auch bei uns häufig vorkommender, holzzersetzender Pilz. (Quelle: © iStockphoto.com/ EIBrubaker)

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.

Titelbild: Die Schmetterlings-Tramete (Trametes versicolor) ist ein auch bei uns häufig vorkommender, holzzersetzender Pilz. (Quelle: © iStockphoto.com/ EIBrubaker)

| Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=9127

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Körperenergie als Stromquelle
22.08.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht „Cool“ bleiben im Büro: Wasser als Kältemittel im Alltag bald vor Durchbruch?
22.08.2017 | Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie