Bioelektrizität als alternative Energie
Bioelektrochemische Systeme sind elektrochemische Einrichtungen, die chemische Energie in Elektrizität umwandeln. Gereinigte Enzyme katalysieren die Kraftstoffoxidation an der Anodenelektrode und führen eine Reduktion des Elektronenakzeptors an der Kathodenelektrode aus. Diese Enzyme sind jedoch auf reines Substrat angewiesen, das zum jetzigen Zeitpunkt für eine Anwendung im großen Maßstab noch nicht wirtschaftlich ist. Das Projekt ELECTROENZEQUEST (Bioelectrochemical system for enzyme catalyzed CO2 sequestration for the recovery of commercially viable carbonated water and methanol) nahm sich diesem Problem über die Untersuchung einer Verwendung von Kohlenstoffdioxid (CO2) als Substrat an. Das Projekt untersuchte die Mechanismen, die hinter der Abscheidung von atmosphärischem CO2 durch Enzymcocktails stehen und bei denen mehrere Enzyme gemeinsam Anwendung fanden, um Bioelektrizität nutzbar zu machen. CO2 wurde sowohl für die anodische Oxidation als auch die kathodische Reduktion berücksichtigt, um jeweils kohlensäurehaltiges Wasser bzw. Methanol zu gewinnen. Forscher immobilisierten die Α-Carboanhydrasen (Carbonic Anhydrase, CA) auf der Elektrode und evaluierten deren Verwendung als Anode bei einer Elektrogenese (die Erzeugung von Elektrizität durch lebende Organismen). Es wurden eine bioelektrochemische Analyse der immobilisierten CA-Kathode durchgeführt und die verschiedenen Faktoren, die die Funktion von CA bei der CO2-Abscheidung beeinflussen, optimiert. Wissenschaftler immobilisierten die Formiat-Dehydrogenase (Fate DH), die Formaldehyd-Dehydrogenase (Fald DH) und die Alkohol-Dehydrogenase an einer Elektrode. Dies wurde als Kathode in die betriebene CA-Kraftstoffzelle integriert. Es wurde die zudem die Leistung von Nicotinamidadenindinukleotid und Pyrrolochinolinchinon in der Brenstoffzelle optimiert, was den Elektronentransfer von der Elektrode an das Substrat sowie die Umwandlung von CO2 in Methanol während der kathodischen Reduktion vermittelte. Ferner untersuchten Forscher die Durchführbarkeit einer Umwandlung von CO2 in Ameisensäure durch Anwendung von Formiat-Dehydrogenase in freier Form vor der Immobilisierung auf der graphitbasierten VITO-CoRETM-Elektrode. Daraufhin wurden alle drei Enzyme erfolgreich auf der graphitbasierten VITO-CoRETM-Elektrode für die Methanolproduktion immobilisiert. CA wurde dann in einer späteren Stufe zur Steigerung der Produktivität hinzugegeben. Es wurden weitere Experimente durchgeführt, indem die drei Enzyme gemeinsam an der Elektrode verwendet wurden. Hierbei wurde eine Ethanolproduktion mit einer Rate von 0,6 kg pro Kubikmeter pro Stunde beobachtet. Bei einer Exklusion von Formiat-Dehydrogenase gab es allerdings keine Verringerung in der Ethanolproduktivität. Auch wenn sich Ethanol besser als Methanol produzieren lässt, kann Ethanol direkt aus Ameisensäure hergestellt werden, was sich als ökonomisch sinnvoller erweist. ELECTROENZEQUEST machte somit die Bedeutung der CO2-Abscheidung zur Linderung der Auswirkungen des Klimawandels und den Bedarf für alternative Biokraftstoffe deutlich.
Schlüsselbegriffe
Bioelektrochemisch, Enzyme, Oxidation, CO2-Abscheidung, Methanol
