Mikrobielle Brennstoffzelle

Mikrobielle Brennstoffzellen (MBZ) nutzen elektroaktive Mikroorganismen zur Stromgewinnung. Im Gegensatz zu einer konventionellen Brennstoffzelle dient bei einer MBZ ein kohlenstoffhaltiges Substrat (z.B. Glukose, Acetat aber auch Abwasser oder Urin) als Brennstoff, welches durch die anaeroben Mikroorganismen abgebaut wird. Die dabei entstehenden Elektronen werden auf die Anode übertragen und wandern weiter zur Kathode. Der Elektronenfluss zwischen Anode und Kathode erzeugt elektrischen Strom, der extern genutzt werden kann.

Mikrobielle Brennstoffzellen haben verschiedene Anwendungsbereiche, darunter:

• Energieerzeugung: Generierung von elektrischer Energie aus organischen Abfällen oder erneuerbaren Ressourcen.
• Abwasserbehandlung: Entfernung von organischen Verbindungen aus Abwasser unter gleichzeitiger Energieerzeugung.
• Sensortechnologie: Biosensoren für Umweltüberwachungen.

Mikrobielle Brennstoffzellen stellen somit einen interessanten Ansatzpunkt im Bereich erneuerbare Energien und nachhaltige Ressourcennutzung dar.

In der anaeroben Anodenkammer befinden sich die Mikroorganismen. Sie können sowohl suspendiert, als auch in Form eines elektroaktiven Biofilmes auf der Anode vorliegen können. Im Vergleich zu suspendierten Zellen können bei Biofilmen i.d.R. deutlich höhere Leistungsdichten erzielt werden, da hier der Weg der Elektronen zur Anode deutlich verkürzt ist. Mit Hilfe des Sol-Gel Verfahrens ist es möglich die Elektrodenoberfläche zu Biofunktionalisieren und einen künstlichen Biofilm auf der Elektrode zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Anlaufzeiten im Vergleich zu natürlich angewachsenen Biofilmen (welches mehrere Tage bis Wochen dauern kann) deutlich verkürzt werden. Durch Zugabe von Redox-Mediatoren und leitfähigen Polymeren kann die Leistungsfähigkeit und der Elektronenübertrag noch weiter verbessert werden.

In einem unserer letzten Projekte haben wir elektroaktive Mikroorganismen für die Entwicklung eines bioelektrochemischen Verfahrens zur Verbesserung biologischer Prozesse und mikrobiologischer Stoffumsetzungen unter anoxischen Bedingungen in Gewässern/Sedimenten genutzt. Indem die Mikroorganismen die anfallenden Elektronen auf Elektronenakzeptoren außerhalb der Zelle übertragen, konnte die Stoffumsetzung verbessert werden und kohlenstoffhaltige Substrate schneller oxidiert und unter anoxischem Bedingungen abgebaut werden.

Im Projekt wurden zwei spezifische Einsatzfelder für das zu entwickelnde bioelektrochemische System adressiert. Ein Bereich liegt bei der Behandlung organisch belasteter Seen und Teiche, um eine anhaltend gute Wasserqualität hinsichtlich der Funktion des Gewässers zu gewährleisten:

• besserer Abbau von Kohlenstoffeinträgen durch Übertragung der Elektronen auf Anode,
• geringerer Aufwuchs des Sediments durch Abbau eingetragener Pflanzenbiomasse (Blätter, abgestorben Pflanzenteile) unter anoxischen Bedingungen
• Verringerte Bildung von Faulgasen

Das zweite Einsatzfeld liegt bei der Behandlung sulfathaltiger Wässer. Speziell im Fokus stehen hierbei Bergbau beeinflusste Wässer, wie sie z.B. in der Lausitz in Folge des Braunkohlebergbaus vorkommen.

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ANSPRECHPARTNER:
Dr. Ulrich Soltmann
Fachsektion Dresden – „Funktionelle Schichten“
Tel.: 0351 / 2695 343
E-Mail: soltmann@gmbu.de