Wasserstoffbioreaktor

Wasserstoffproduktion durch Algen im Labormaßstab

Ein Wasserstoffbioreaktor ist ein Bioreaktor, in dem die biologische Produktion von Wasserstoffgas stattfindet. Die Produktion von Wasserstoffgas kann hierbei auf verschiedene Weisen erfolgen. So können Algen unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff erzeugen. In den späten 1990er Jahren entdeckte man dieses veränderte Verhalten der Algen bei Schwefelmangel. Die Algen stellen die Erzeugung von Sauerstoff ein und erzeugen das Wasserstoffgas. Eine andere Möglichkeit besteht in der Konstruktion eines Wasserstoffbioreaktors, dessen Basis Bakterien bilden. Hierbei besteht die Möglichkeit, ein zweistufiges System zu etablieren, in welchem thermophile Bakterien sowie Cyanobakterien Verwendung finden.

Eine Technologie dieser Art ist insofern interessant, als dass der so produzierte Biowasserstoff als klimaneutraler Energieträger verwendet werden kann. So könnte ein Algenzuchtbetrieb in der Größe von Texas genug Wasserstoff produzieren, um den weltweiten Energiebedarf zu decken. Die Wasserstoffproduktion aus einer Zucht von 25.000 Quadratkilometern könnte den gesamten Benzinverbrauch der USA ersetzen. Dies ist weniger als ein Zehntel der Fläche der Sojaproduktion der USA (Stand 2006) [1].

Geschichte

Im Jahre 1939 entdeckte der deutschstämmige Biochemiker Hans Gaffron bei Grünalgen die Fähigkeit, zeitweise Wasserstoff zu produzieren.^[1] Bis dahin war angenommen worden, dass nur prokaryotische Organismen über diese Möglichkeit verfügen. Die Hintergründe dieses Prozesses konnte er allerdings nicht klären.

Um 1990 beobachtete Anastasios Melis, ein Forscher der University of Carlifornia in Berkeley, dass Schwefelmangel bei der Alge Chlamydomonas reinhardtii eine Veränderung des Photosyntheseprozesses bewirkt, welcher wiederum der von Gaffron beschriebenen Wasserstoffproduktion zugrunde liegt.

Um in der Energieerzeugung Verwendung zu finden, ist es allerdings nötig, die Wasserstoffproduktion effizienter (beziehungsweise ökonomischer) zu gestalten. So gelang es 2006 Forschen der Universitäten Bielefeld und Queensland, die Alge Chlamydomonas reinhardtii genetisch dahingehend zu verändern, dass sie gegenüber dem Wildtyp ein bis zu Fünffaches an Wasserstoff produzieren kann.

Probleme bei der Planung eines Bioreaktors

• Behinderung der photosynthetischen Wasserstoffproduktion durch das Entstehen eines elektrochemischen Potentials
• Durch kompetitive Hemmung wird die Erzeugung des Wasserstoffes durch Kohlendioxid behindert.
• Für eine effiziente Photosynthese wird eine Bicarbonatverbindung benötigt.
• Abspaltung von Elektronen
• Der Wirkungsgrad ist sehr klein. Die normale Energieeffizienz (Umsetzung von Sonnenlicht in Wasserstoff) muss mindestens 7 bis 10 Prozent erreichen, um ökonomisch zu werden. In ihrer natürlichen Form erreichen die Algen aber nur 0,1%.

Man versucht, diese Probleme mit Hilfe der Biotechnik zu lösen.

Untersuchung

2006 - An der Universität Karlsruhe wird ein Prototyp eines Bioreaktors gebaut, der 500-1000 Liter Algensubstrat fasst.

Literatur

Ingo Rechenberg: Photobiologische Wasserstoffproduktion in der Sahara. Werkstatt Bionik und Evolutionstechnik Band 2, Frommann-Holzboog, Stuttgart 1994, ISBN 3-7728-1643-6

Siehe auch

• Biowasserstoff

Weblinks

• Tasios Melis: Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures. In: DOE Hydrogen Program. University of California, Berkeley, Annual Report 2007 (PDF-Datei; 330 kB), englisch, abgerufen am 8. April 2011.
• Bericht in ARCHE ONLINE
• Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory
• FAO
• Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures (PDF-Datei; 367 kB)
• NREL Berichte
• Wissenschaftlicher Bericht Kostenanalyse (PDF-Datei; 678 kB)
• CYCLIC PHOTOBIOLOGICAL ALGAL H2-PRODUCTION, Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review (PDF-Datei; 146 kB), englisch, abgerufen am 8. April 2011.
• US Department of Energy, Washington: Artikelsammlung zum Stichwort H2-production, englisch, abgerufen am 8. April 2011.

Einzelnachweise

1. ↑ Peter H. Homann: Hydrogen metabolism of green algae: discovery and early research - a tribute to Hans Gaffron and his coworkers. In: Govindjee, J.T. Beatty, H. Gest and J.F. Allen (Hrsgg.): Discoveries in Photosynthesis. In der Reihe: Advances in Photosynthesis and Respiration, Bd. 20. Springer-Verlag, S. 119 ff. ISBN 978-1-4020-3323-0