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Mikrobielle Brennstoffzellen werden heute hauptsächlich in Forschungslaboren für die Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt. Damit künftig auch industrielle Anwendungen in Betracht kommen, müssen die Brennstoffzellen dahin weiterentwickelt werden, dass sie gleichbleibend höhere Strommengen produzieren können, als dies zurzeit der Fall ist. Welche Faktoren hierbei eine Rolle spielen, zeigt ein Forschungsteam der Universität Bayreuth in einer neuen, in der Zeitschrift „Biotechnology for Biofuels and Bioproducts“ erschienenen Studie. Als besonders wichtig für die Steigerung der Stabilität und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen hat sich die Wahl des Elektrodenmaterials erwiesen.

Der Stromkreislauf in mikrobiellen Brennstoffzellen wird durch den Stoffwechsel von Mikroorganismen in Gang gehalten: Diese ernähren sich von organischen Verbindungen und setzen dabei Elektronen frei, die auf die Anode der Brennstoffzelle übertragen und von hier aus zur Kathode weitergeleitet werden. Das Bayreuther Forschungsteam hat bei seinen Untersuchungen zur Optimierung mikrobieller Brennstoffzellen zwei verschiedene Elektrodenmaterialien getestet: Carbonfilz und modifizierten Edelstahl. Die besten Ergebnisse wurden mit Elektroden aus Edelstahlgewebe erzielt, dessen Oberfläche zuvor mit hochleitfähigem Ruß und einem umweltfreundlichen Polymerbinder behandelt worden war. Der optimale Abstand zwischen Anode und Kathode betrug etwa vier Zentimeter. So wurden zuverlässig Strommengen erzeugt, die in der Praxis beispielsweise für den Betrieb von Umweltüberwachungssensoren in entlegenen Regionen genutzt werden können – unabhängig vom Stromnetz. Möglich wird durch solche Brennstoffzellen aber auch die Entgiftung ölverseuchter Böden bei gleichzeitiger Produktion von elektrischem Strom. Wie die Studie zeigt, kann die Effizienz solcher Entgiftungsstrategien erheblich gesteigert werden, wenn geeignete Elektroden für die Aufnahme der Stoffwechsel-Elektronen bereitstehen.

„Mit den mikrobiellen Brennstoffzellen, in denen die neu entwickelten Elektroden zum Einsatz kamen, haben wir signifikant höhere Leistungen erzielt. Dies lässt sich damit erklären, dass das neue Elektrodenmaterial eine größere spezifische Oberfläche bietet, mit der die Mikroorganismen interagieren können, und zudem zur internen Speicherung von Bioelektrizität fähig ist. Daher ist die Zahl der aus dem mikrobiellen Stoffwechsel freigesetzten Elektronen, die in den Stromkreis gelangen, besonders hoch“, sagt der Erstautor der Studie, Meshack Imologie Simeon M.Sc. Als Doktorand am Lehrstuhl für Bioprozesstechnik der Universität Bayreuth erforscht er Möglichkeiten einer nachhaltigen Energieproduktion auf der Basis von Bioelektrizität. Bereits als Masterstudent an der University of Ibadan und als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Federal Technical University in Minna hatte er zu diesem Thema erste Kontakte von Nigeria nach Bayreuth geknüpft.

Wie die Studie zeigt, wird die Stabilität der Brennstoffzellen und die Höhe der erzeugten Strommengen auch davon beeinflusst, in welchen zeitlichen Abständen die Mikroorganismen gefüttert werden. Als besonders effektiv erwies sich eine zeitlich flexible Fütterung, die immer dann einsetzte, wenn eine Abschwächung der Stromerzeugung erkennbar war. Sie trägt mehr zu einer Leistungssteigerung der Brennstoffzelle bei als regelmäßige Fütterungen in gleichen Zeitabständen.

Das Bayreuther Forschungsteam hat seine Untersuchungen an einer bodenbasierten Brennstoffzelle (Soil Microbial Fuel Cell) durchgeführt: Dieser Typ von Brennstoffzellen arbeitet mit Bakterien und anderen Mikroorganismen, wie sie beispielsweise in Acker- oder Waldböden enthalten sind. Um die unterschiedlichen Arten von Mikroorganismen zu identifizieren, die in der Brennstoffzelle an der Stromerzeugung beteiligt sind, wurden den Elektroden mikrobielle DNA-Sequenzen entnommen. Diese Sequenzen wurden unter der Leitung von Dr. Alfons Weig im Zentralen Labor für DNA-Analytik der Universität Bayreuth auf ihre Herkunft hin untersucht. Den größten Anteil hatten Proteobakterien, aber auch ein anderer Bakterienstamm – die Firmicutes – war häufig vertreten.

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass natürliche Böden eine Mischung verschiedener Bakterienstämme enthalten, die zum direkten Elektronentransfer fähig sind und in Brennstoffzellen für die Erzeugung von Bioelektrizität genutzt werden können. Wie hoch der Anteil dieser Stämme an der Mischung jeweils ist, hat – so weit wir das feststellen konnten – keinen signifikanten Einfluss auf die Stabilität und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Den größten Einfluss haben die Elektrodenmaterialien, von denen der ohmsche Widerstand im Stromkreis sowie die elektrische Kapazität der Brennstoffzellen abhängen“, betont Prof. Dr. Ruth Freitag, Inhaberin des Lehrstuhls für Bioprozesstechnik an der Universität Bayreuth.

Veröffentlichung:

Imologie Meshack Simeon, Alfons Weig and Ruth Freitag: Optimization of soil microbial fuel cell for sustainable bio-electricity production: combined efects of electrode material, electrode spacing, and substrate feeding frequency on power generation and microbial community diversity. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts (2022) 15:124, DOI: https://doi.org/10.1186/s13068-022-02224-9

Kontakt:

Prof. Dr. Ruth Freitag
Bioprozesstechnik
Universität Bayreuth
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