Künstlicher Biofilm steigert Stromproduktion mikrobieller Brennstoffzellen

Mikrobielle Brennstoffzellen nutzen den Stoffwechsel von Bakterien, um elektrischen Strom zu erzeugen. Ein neuartiger Biofilm aus Bayreuth kann diese noch junge Technologie deutlich effektiver, stabiler und anwendungsfreundlicher machen. Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat jetzt ein Material hergestellt, das sich weit besser als natürliche Biofilme zur Stromproduktion in Brennstoffzellen eignet.

Bakterien in mikrobiellen Brennstoffzellen ernähren sich von organischen Substanzen, zum Beispiel von Milchsäure. Dabei werden durch Stoffwechselprozesse ständig Elektronen freigesetzt. Sobald diese Elektronen mit der Anode der Brennstoffzelle in Berührung kommen, werden sie zur gegenüberliegenden Kathode weitergeleitet. So entsteht ein Stromkreislauf. Um auf diese Weise Strom zu produzieren, war es bislang üblich, die metallische Oberfläche der Anode mit Bakterien zu besiedeln. Dort vermehren sich die Bakterien, bilden allmählich einen natürlichen Biofilm und übertragen Elektronen auf die Anode. Der neu entwickelte, künstliche Biofilm aus Bayreuth hat den gleichen Effekt, optimiert diese Art der Stromerzeugung aber gleich in mehrfacher Hinsicht.

Bakterien in Kunststoffnetzen: stabiler als natürliche Biofilme

Das Material, das die Forschergruppe um Prof. Dr. Ruth Freitag (Bioprozesstechnik) und Prof. Dr. Andreas Greiner (Makromolekulare Chemie) entwickelt hat, ist ein Biokomposit, genauer: ein Hydrogel. Es handelt sich um ein Netzwerk aus winzigen Polymerfasern, in denen sich lebende Bakterien befinden, die ihren stromerzeugenden Stoffwechsel uneingeschränkt fortsetzen. Doch die Menge des erzeugten Stroms ist deutlich höher. Der Biofilm enthält nur eine einzige Art von Bakterien der Art Shewanella oneidensis. Die elektrische Leistung einer Brennstoffzelle ist mit diesem Film doppelt so hoch, als wenn Bakterien der gleichen Art einen natürlichen Biofilm produzieren.

Zu dieser Leistungssteigerung kommt ein weiterer Vorteil hinzu: Die Stromerzeugung verläuft zuverlässig und berechenbar, denn die Dichte der Bakterien ist im künstlichen Biofilm von vornherein festgelegt. Ein natürlicher Biofilm wird im Gegensatz dazu auf eine schwer zu kontrollierende Weise abgebaut und ist deshalb instabil. Das neue Biokomposit der Bayreuther Wissenschaftler macht Brennstoffzellen deshalb wesentlich anwendungsfreundlicher. 

Die Bayreuther Doktoranden Patrick Kaiser M.Sc. und Steffen Reich M.Sc. (v.l.) mit einer Probe nassgesponnener Mikrofasern im Labor für Bioprozesstechnik / Bildquelle: Christian Wißler

Das Biokomposit wurde auf dem Bayreuther Campus durch das Elektrospinnen von Polymerfasern hergestellt, die zusammen einen Vliesstoff bilden. Das Elektrospinnen von Vliesstoffen ist heute eine weit verbreitete Technologie. Für die Einbettung der Bakterien sind keine zusätzlichen Produktionsschritte erforderlich, so Steffen Reich M.Sc., der sich in seiner Bayreuther Doktorarbeit mit der Verkapselung von Bakterien in Polymeren befasst.

Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse zur mikrobiellen Brennstoffzelle sind aus dem Vorhaben Biofilme für die Prozessintensivierung hervorgegangen, das dem Projektverbund Ressourcenschonende Biotechnologie in Bayern – BayBiotech angehört. Dieser Verbund wird seit 2015 vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz mit insgesamt rund zwei Millionen Euro finanziert.

Originalveröffentlichung: Patrick Kaiser, Steffen Reich, Daniel Leykam, Monika Willert-Porada, Seema Agarwal, Andreas Greiner, Ruth Freitag, Electrogenic single-species biocomposites as anodes for microbial fuel cells, Macromolecular Bioscience (2017), doi: 10.1002/mabi.201600442.

http://www.uni-bayreuth.de