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 Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck
18.07.2018 | Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

nachricht Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie
17.07.2018 | Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics