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Fortschritt für nachhaltige Abwasserbehandlung: Ammoniumrückgewinnung mit Nafion-Membranen

Abwasserreinigungsanlage Bern

Mit dem weltweiten Bevölkerungswachstum und der damit einhergehenden zunehmendem Umweltbelastung wird der Bedarf an nachhaltiger Abwasserbehandlung immer dringlicher. Herkömmliche Verfahren konzentrieren sich auf die Entfernung von Schadstoffen, übersehen jedoch oft die Chance, wertvolle Ressourcen zurückzugewinnen. Eine dieser Ressourcen ist Ammonium.Dieses Stickstoff enthaltende Molekül ist wachstumsfördernd und ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Bei unsachgemäßer Handhabung, wie z.B Überdüngung ist Ammonium einer der Hauptverursacher von Stickstoffverschmutzung.

Eine vielversprechende Lösung bieten bioelektrische Systeme. Das ist ein Sammelbegriff für innovative Technologien, die nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch Ressourcen wie Ammonium zurückgewinnen. Gleichzeitig erzeugen bioelektrische System saubere Energie wie z.B. elektrischen Strom oder Biogas. Die Technologie basiert auf galvanischen Zellen, wobei die beiden Zellkammern oft durch eine Membran getrennt sind. 115-Leistungsstarke Kationenaustauschmembran ermöglichen präzisen Ionentransport und Systemstabilität. Das Premiumprodukt unter den Kationenaustauschmembranen ist Nafion, wie z.B. unsere Nafion 115 Membran.

Bei Frontis Energy haben wir gezeigt, daß bioelektrochemische Systeme Ammonium aus Abwasser entfernen können und damit eine energieeffiziente Alternative zum energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren bieten. Zur Validierung dieses Konzepts entwickelten wir mikrobiologische Elektrolysezellen, die mit Mikroorganismen aus sauerstoffreien marinen Sedimenten vor der Küste Namibias besiedelt wurden. Diese Sedimente sind von Natur aus reich an Ammoniak und arm an organischem Kohlenstoff. Das sind ideale Bedingungen für Mikroben, die zur anaeroben Ammoniumoxidation befähigt sind. Zum Vergleich nahmen wir gewöhnliches kommunales Abwasser zur Besiedelung der Elektroden.

Die Aufrechterhaltung anoxischer Bedingungen war entscheidend, um Nitrifikation zu vermeiden. Dabei handelt es sich um einen Prozeß, der Elektronen direkt auf Sauerstoff überträgt und die Anode umgeht, was zu Energieverlust und verminderter Wasserstoffproduktion führt. Stattdessen regulierten wir das Anodenpotenzial zwischen +150 mV und +550 mV. Das war – deutlich unter dem für Wasseroxidation erforderlichen Redox-Potential von +820 mV. Diese Konfiguration ermöglichte die Oxidation von Ammonium zu Stickstoffgas (N₂) an der Anode, während an der Kathode Wasserstoff (H₂) erzeugt bzw. Methangas wurde.

Zentral für diesen Prozeß ist Nafion 115. Dabei handelt sich um eine Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymeren (PFSA-Polymere). Ihre außergewöhnliche Protonenleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Robustheit machen sie ideal für anspruchsvolle Abwasserumgebungen. Nafion 115 funktioniert wie ein selektives Tor, das Ammoniumionen (NH₄⁺) von der Anode zur Kathode wandern läßt, während konkurrierende Ionen blockiert und anoxische Bedingungen aufrechterhalten werden. Dieser selektive Transport, getrieben durch elektrische Feldgradienten und Konzentrationsunterschiede, gewährleistet eine effiziente Nährstoffrückgewinnung und stabile Leistung des bioelektrischen Systems.

Eine praktische Validierung dieser Technologie stammt aus unserem früheren Bericht, in dem Forscher einen zweikammerigen, anoxischen bioelektrischen Reaktor entwickelten, der Ammonium kontinuierlich mit einer Rate von etwa 5 g/m³/Tag entfernte. Ihr System wandelte über 97 % des Ammoniums direkt in Stickstoffgas um. Diese Umwandlung konnte ohne die Bildung schädlicher Zwischenprodukte wie Nitrit oder NOx-Gase durchgeführt werden. Besonders beeindruckend war der Energieverbrauch von nur 0,13 kWh pro Kilogramm entferntem Stickstoff. Das war eine 35-fache Reduktion im Vergleich zur konventionellen Belüftung, die typischerweise etwa 5 kWh/kg benötigt.

Diese Ergebnisse unterstreichen das transformative Potential von bioelektrischen Systemen. Wie eingangs erwähnt, wird viel Energie aufgewendet, um Stickstoff aus Abwasser zu entfernen, nur um ihn anschließend über das Haber-Bosch-Verfahren erneut verfügbar zu machen. Das macht 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Bioelektrische Systeme bieten eine zirkuläre Alternative: Durch die Kopplung von Ammoniumoxidation mit Wasserstoffproduktion könnten Kläranlagen zu Nettoenergieerzeugern werden. Erzeugte Wasserstoff und Biogas können direkt zur Stromerzeugung und letztendlich zur Reduktion von Treibhausgasen genutzt werden.

Mit den richtigen Biofilmen, gut kontrollierten Elektrodenpotenzialen und robusten Membranen wie Nafion 115 kann Ammonium als saubere, ressourcenschonende Alternative zur Wasserelektrolyse dienen. Dies verdeutlicht das Potential bioelektrischer Systeme, eine zirkuläre Wasserwirtschaft aufzubauen, wobei Abfall als Ressource genutzt wird.

Diese Technologie spiegelt das Engagement von Frontis Energy wider, saubere, effiziente und zirkuläre Lösungen zu fördern, die ökologische Herausforderungen in nachhaltige Chancen verwandeln.

Bild: Abwasserreinigungsanlage Bern

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Stabilität von Anionenaustauschmembranen für saubere Elektrolyse

Hydrogen electrolyzer China

Energiesicherheit und Klimawandel gehören zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, treten erneuerbare Energiequellen als entscheidende Lösungen für eine nachhaltige Energieerzeugung in den Vordergrund. Zur Speicherung und zum Transport von erneuerbarer Energie sind skalierbare Lösung ein wichtiger Bestandteil. Wasserstoff erzeugt in Wasserelektrolyseure und verbraucht in Brennstoffzellen kann dabei helfen, die saisonale Variabilität erneuerbarer Energien auszugleichen.

Brennstoffzellen haben das Potential, erheblich zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beizutragen. Der Transport von Personen und Gütern ist für fast ein Drittel der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Trotz ihres Potentials bleibt die breite Einführung moderner Brennstoffzellen und Elektrolyseure aufgrund hoher Investitionskosten begrenzt. Das liet vor allem and teuren Katalysatoren aus Edelmetallen und perfluorierten Protonenaustauschmembranen.

Diese Herausforderung hat gestiegenes Interesse an Anionenaustauschmembranen geweckt. Unter alkalischen Bedingungen bieten sie mehrere Vorteile:

  • nicht‑edle Metallkatalysatoren dank nicht-korrosiver Bedingungen und
  • nachhaltigere Membranmaterialien

Allerdings gibt es bei der Einführung von Anionenaustauschmembranen einige Hürden. Dazu zählen insbesondere ihre kurze Lebensdauer unter alkalischen Bedingungen und oxidativem Streß.
Die Bildung von Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikalen unter alkalischen Bedingungen ist verantwortlich für den beschleunigten Zerfall von Polymeremembranen. Die Untersuchung des radikalinduzierten Zerfalls von Anionenaustauschmembranen ist daher von zentraler Bedeutung.

Dazu müssen im Labor effizient Radikale hergestellt werden. Die aktuellen Methoden wie thermische Zersetzung oder UV‑Aktivierung von Wasserstoffperoxid zur Herstellung solcher Radikale sind jedoch ineffizient. Sie sind zudem anfällig für Nebenreaktionen, wodurch ihre Relevanz für reale Betriebsbedingungen eingeschränkt wird.

Die Immersion in sauerstoffgesättigten alkalischen Lösungen ist ein effizienter Ansatz, der brauchbare Erkenntnisse geliefert hat. Dies Methode kann aber nicht unterscheiden zwischen dem natürlichen Zerfall von Membranen und dem durch Radikale beschleinigten Abbau.

Radioaktivität und starke elektromagnetische Strahlung ermöglichen eine präzise Kontrolle der Radikalbildung, erfordern jedoch teure, spezialisierte Infrastruktur. Es werden erschwingliche und praktikable Lösung benötigt, um Radikale im Labor unter realistischen Bedingungen gezielt zu untersuchen.

Dieser Herausforderung haben sich Forscher der von SINTEF in Norwegen und der ETH Zürich gestellt. Sie stellten angepaßte photochemische Methoden vor, die Radikale erzeugen und deren Einfluß auf die Stabilität von Anionenaustauschmembranen unabhängig von anderen Abbauprozessen untersuchen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Membranes veröffentlicht.

Durch die Bestrahlung wäßriger Kaliumnitritlösungen oder Titanoxidsuspensionen mit UV‑Licht bei 365 nm wurden erfolgreich Hydroxylradikale beziehungsweise eine Kombination aus Hydroxyl‑ und Superoxidradikalen erzeugt. Tests dieser Ansätze an drei kommerziellen Anionenaustauschmembranen – PiperION®‑40 (PiperION), FM‑FAA‑3‑PK‑75 (Fumasep) und PNB‑R45 (Polynorbornen) – zeigten deutliche Unterschiede in der Haltbarkeit. Erwartungsgemäß zerfielen dünnere, nicht verstärkte Membranen schneller als dickere, verstärkte Membranen. Verursacht wurde dieser Unterschied vermutlich durch die begrenzten Eindringtiefe hochreaktiver Radikale.

Beide Methoden erwiesen sich als praktische, erschwingliche und leicht zugängliche Werkzeuge zur Bewertung der Stabilität von Anionenaustauschmembranen gegenüber Radikalangriffen.
Photochemische Radikalerzeugung war daher ein praktikabler Weg, um den radikalinduzierten Zerfall von Anionenaustauschmembranen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Der nitritbasierte Ansatz erzeugte selektiv Hydroxylradikale, während Titanoxiduspensionen sowohl Hydroxyl‑ als auch Superoxidradikale lieferten.

Längere Bestrahlung schädigte die Membranen stärker. Dieses Ergebnis beweist deutlich die entscheidende Rolle von Radikalen bei der Zersetzung von Membranen. Experimente bei pH 10 ermöglichten eine Unterscheidung von natürlichen und radikalgetriebenen Ursachen.

Über den Nutzen im Labor hinaus sind beide Methoden auch von industrieller Bedeutung. Kombiniert mit kostengünstiger Laborausrüstung bieten sie weitflächig einsetzbare und reproduzierbare Werkzeuge zur Evaluierung kommerzieller und prototypischer Anionenaustauschmembranen. Durch die Kostenreduktion und die Verlängerung von Haltbarkeitstests unter realen Bedinungen kann die Entwicklung robuster Anionenaustauschmembranen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure beschleunigt werden.

Frontis Energy ist Teil der Mission, kostengünstige Lösungen zur Entwicklung effizienter Technologie zur Energieumwandlung zur Verfügung zu stellen. Dadurch stärken wir den weltweiten Übergang zu sauberen, widerstandsfähigen und nachhaltigen Energiesystemen.

Solyom, P.; Nauser, T.; Nemeth, T. Photochemical Methods to Study the Radical-Induced Degradation of Anion-Exchange Membranes. Membranes 2025, 15, 305. https://doi.org/10.3390/membranes15100305

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Das Potenzial leitfähiger Polymere für nachhaltige Wasseraufbereitung und Energielösungen freisetzen

DOI: 10.13140/RG.2.2.24586.94404

Kohlenstoffbasierte Materialien haben ein breites Anwendungsspektrum, wie etwa Energiespeicherung und -umwandlung, Elektronik, Nanotechnologie, Wasserreinigung und Katalyse. Sie bestehen aus einem Element, das überall verfügbar ist.

Die elektrochemischen Eigenschaften kohlenstoffbasierter Elektroden können durch die Verwendung leitfähiger Polymere verbessert werden. Kohletuch, das aus Kohlenstoff-Mikrofasern gewebt wird, ist ein vielversprechende kohlenstoffbasiertes Elektrodenmaterial. Es ist als langlebig und kosteneffizient und gut  für elektrochemische Reaktionen geeignet, die z.B. CO2 umwandeln, Schadstoffe abbauen und die Wasserqualität verbessern. Solche Elektroden, die für ihre mechanische Flexibilität, Stabilität und Kosteneffizienz bekannt sind, werden in Prozessen wie elektrochemischer Oxidation, mikrobiellen Brennstoffzellen und anderen fortschrittlichen Abwasserbehandlungstechnologien eingesetzt.

Unmodifizierter Kohletuchelektroden sind durch einige Einschränkungen gekennzeichnet, wie z.B. geringe spezifische Kapazität und eingeschränkte Benetzbarkeit durch Wasser aufgrund ihrer natürlichen Hydrophobie. Daher wird intesiv an möglichen Verbesserungen dieser modernen Elektroden geforscht. Eine bessere Benetzbarkeit trägt beispielsweise entscheidend dazu bei, die effektive Elektrodenoberfläche in wässrigen Flüssigkeiten zu erhöhen und dadurch die Interaktion mit Schadstoffen zu verbessern. Die Leistung von Kohletuchelektroden zu verbessern hilft also, kürzere Reaktionszeiten zu erreichen und so die Gesamtleistung zu verbessern.

Eine Forschungsgruppe der San Diego State University widmete sich nun der Aufgabe, diese Einschränkungen zu beheben. Ihr Ansatz bestand darin, leitfähige Polymerfilme auf die Kohlenstoffasern zu bringen. Dies erreichten sie mithilfe der Mehode oxidative chemische Dampfabscheidung (oCVD). Sie veröffentlichten kürzlich ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Material Interfaces. Mit Antimonpentachlorid (SbCl5) als Oxidationsmittel entwickelten sie eine hochgradig einheitliche Beschichtung bestehend us dem Polymer PEDOT (Poly[3,4-ethylendioxythiophen]) auf den dreidimensional angeordneten  porösen Kohlefasern. Die oCVD-Technik gewährleistetete eine gleichmäßige Beschichtung und bewahrte gleichzeitig die geometrischen und funktionellen Eigenschaften des Kohletuhs. Die Methode ist daher ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung solcher Elektroden.

Die PEDOT-beschichteten Kohletuchelektroden erreichten eine deutliche Verbesserung der spezifischen Kapazität und Pseudokapazität im Vergleich zu unbeschichtetem Kohlenstoffgewebe. Abhängig von der Abscheidetemperatur zeigte die PEDOT-beschichtete Elektrode eine 1,5- bis 2,3-fache Steigerung der spezifischen Kapazität. Zudem konnte eine Temperaturabhängigkeit beim oCVD-Verfahren gezeigt werden. Die Elektrode, die bei einer Abscheidetemperatur von 80 °C hergestellt wurde, wies die höchste spezifische Kapazität und die beste elektrochemische Leistung auf. Durch die Anpassung der Abscheidetemperatur zur Optimierung der Leistung können Kohletuchelektroden an spezifische Anforderungen wie z.B. bei der Abwasserbehandlung angepasst werden.

Die Untersuchung zeigt die Wirksamkeit der oCVD-Methode zur Verbesserung der Eigenschagften von Kohletuchelektroden. Dadurch ist eine Erweiterung des Anwendungsspektrums z.B. bei der Abwasserbehandlung und bei elektrochemischen Energiespeicherung möglich. Darüber hinaus zeigten die Forscher, daß PEDOT-beschichtetes Kohletuch in Superkondensatoren zum Einsatz kommen können, da gerade bei dieser Anwendung Flexibilität und hohe Kapazität entscheidend sind. Die Studie ist nicht nur bedeutende Fortschritte im Materialdesign, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur Optimierung der Elektrodenleistung für unterschiedliche Anwendungen.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse das wachsende Potential fortschrittlicher Elektrodentechnologien zur Bewältigung industrieller Herausforderungen. Durch die Verbesserung der Funktionalität kohlenstoffbasierter Elektroden mithilfe neuartiger Materialbeschichtungen können effizientere und maßgeschneiderte Lösungen sowohl für die Abwasserbehandlung als auch für die Energiespeicherung erreicht werden. Die Fähigkeit, die Eigenschaften von Elektroden an spezifische Anforderungen anzupassen, bietet einen Weg zur Entwicklung hocheffizienter und kostengünstiger Technologien, die ein Wendepunkt für verschiedene Sektoren sein könnten, insbesondere dann wenn Nachhaltigkeit und Ressourcenmanagement eine große Rolle spielen. Da sich solche Innovationen weiterentwickelen werden, könnten sie die betriebliche Effizienz und die Umweltauswirkungen in den entsprechenden Industriesektoren erheblich verbessern, wie z.B. in der Abwasserbehandlung die Elektrokoagulation, Elektrooxidation oder Elektroreduktion.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß Verbesserungen und Anpassungen dazu beitragen können, Elektroden zu entwerfen, die auf spezifische Schadstoffe oder Arten von Abwasser abgestimmt sind.

Heydari Gharahcheshmeh and Chowdhury, 2024, Enhancing Capacitance of Carbon Cloth Electrodes via Highly Conformal PEDOT Coating Fabricated by the OCVD Method Utilizing SbCl5 Oxidant, Advanced Materials Interfaces, 11, 2400118. DOI: 10.1002/admi.202400118.

Bild: Pixabay

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Komplexe Wechselwirkung zwischen Stickstoffemissionen und globaler Erwärmung

Stickstoffverbindungen sind für das Leben auf der Erde unabkömmlich. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe und Kunstdünger haben zu einem signifikanten Anstieg reaktiver Stickstoffverbindungen in der Biosphäre geführt. Dieser Anstieg hat weitreichende und zum Teil gut erforschte Auswirkungen auf unsere Ökosysteme, die Artenvielfalt und Gesundheit. Luftverschmutzung kann zudem zu vorzeitigen Todesfällen führen und Stickstoffverbindungen könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Frühere Studien haben die Auswirkungen des reaktiven Stickstoffs auf das globale Klimasystem seit der Industrialisierung nur unzureichend untersucht.

Eine neue Studie des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena schließt nun diese Wissenslücke. Die Forscher modellierten die terrestrische Biosphäre und die globale atmosphärische Verteilung von Stickstoff. Anschließend kombinierten sie die Resultate mit Daten der Atmosphärienchemie. Diese Kombination ermöglichte es ihnen, eine neue und umfassende Bewertung der Auswirking von anthropogenem reaktivem Stickstoff auf das Klima zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden kürzlich im renommierten Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht.

Der Mensch gibt eine Reihe von Stickstoffverbindungen in seine Umwelt ab. Einige davon, wie Distickstoffmonoxid (N2O, Lachgas), sind Treibhausgase. Andere, wie z. B. feine Staubpartikel, die die Sonnenstrahlung spiegeln, haben einen kühlende Wirkung auf das Klima. Diese Effekte wurden auch in der vorliegenden Studie beschrieben. Es wurde eine signifikante Erwärmung aufgrund zunehmender Konzentrationen der Treibhausgase Lachgas und Ozon (O3) aufgezeigt. Im Gegensatz dazu wurden auch mehrere Prozesse beschrieben, die zum Kühlungseffekt von Stickstoff beitragen. Zusätzlich zu Partikeln umfassen diese Prozesse chemische Reaktionen, die zu einer kürzeren Verweilzeit des Treibhausgases Methan in der Atmosphäre sowie zu einer erhöhten Aufnahme von Kohlendioxid (CO2) durch die terrestrische Biosphäre aufgrund des Düngewirkung des biologisch verfügbaren Stickstoffs führen.

Wenn alle durch reaktiven Stickstoff verursachten globalen Erwärmungs- und Kühlprozesse in Betract gezogen werden, ist ein Nettokühlungseffekt des Stickstoffs das Ergebnis. Dieses neue Ergebnis legt nahe, daß die Stickstoffemissionen etwa ein Sechstel der globalen Erwärmung kompensiert haben, die durch den bisherigen Anstieg des CO2 während den Industriezeitalters verursacht wurden.

Die neuen Ergebnisse sind auch wichtig für zukünftige Strategien für die Regulierung von Stickstoffverbindungen im Rahmen der Klimaschutzpolitik. In den meisten Szenarien blieben die Lachgasemissionen aus der Landwirtschaft aufgrund der fortgesetzten Verwendung von Düngemitteln in der Landwirtschaft hoch. Szenarien, die mit den Klimazielen des Pariser Abkommens vereinbar sind, erfordern ein Ende der CO2-Emissionen von fossilen Brennstoffen. Dies verringert auch die Freisetzung von reaktivem Stickstoff aus fossilen Quellen und seine schädlichen Auswirkungen auf die Gesundheit und die Artenvielfalt, beseitigt aber auch deren Kühlungseffekt. Die Forscher erwarten daher einen leicht wärmenden Beitrag aus dem Gesamtstickstoff für diese Klimaschutzszenarien. Dieser ist jedoch weitaus geringer als die Erwärmung aus dem ungebremsten Verbrauch fossiler Brennstoffe.

Die Studie unterstreicht die Dringlichkeit, fossilen Brennstoffenemissionen zu stoppen und Düngemittel gezielter einzisetzen. Dies würde nicht nur die globale Erwärmung verlangsamen, sondern auch die Last durch schädliche Ozon und Partikelkonzentrationen für alle sowohl in ländlichen Gebieten wie auch in Städten verringern. Es sind neue Technologien erforderlich, um die schädlichen Stickstoffemissionen zu reduzieren und gleichzeitig den nützlichen Stickstoff gut zu nutzen. Bei Frontis Energy haben wir eine solche Technologie entwickelt. Unser patentiertes Verfahren beseitigt Ammoniak aus Abwasser und erzeugt gleichzeitig nützliche Kohlenstoff neutrale Biogas. Mit dieser Technologie können schädliche Lachgasemissionen verringert werden.

Foto: Smog über Guangzhou in China

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Landbiomasse nimmt bis zu 30% mehr CO2 auf

Große Teile der wissenschaftlichen Gemeinschaft beschäftigen sich damit, die Auswirkungen von Treibhausgasemissionen und insbesondere von CO2 auf unser vergangenes und zukünftiges Klima zu untersuchen. Um unser zukünftiges Klima zu modellieren, verwenden die Forscher CO2-Emissionen um das zukünftige Klima unseres Planeten einschaetzen zu können. Solche Modelle werden benutzt, um voraszusagen wie viel CO2 Industrie und Haushalte in die Atmospaere abgeben können, um innerhalb des gestzten 1,5°C-Ziels zu bleiben. Die zentrale Frage lautet daher: Wie viel des emittierten CO2 bleibt tatsächlich in der Atmosphäre? Wie viel wird verstoffwechselt oder auf andere Weise gebunden?

Es scheint, daß die bisherigen Modelle die Kapazität der Biomasse unterschätzt haben, CO2 aufzunehmen. Denn jetzt wurden die bisherigen Modelle mit Radiokarbondaten der Atombombentests aktualisiert. Die neuen Daten deuten darauf hin, daß terrestrische Ökosysteme mehr CO2 absorbieren können als bisher angenommen. Bedeutet das, daß die Menschheit nun mehr CO2 emittieren kann?

Forscher des Politechnischen Instituts in Worcester in Massachusetts haben nun ermittelt, daß die Pflanzen jährlich 80 Millionen Tonnen CO2 aufnehmen und publizierten dies kürzlich in einem Artikel im bekannten Wissenschaftsmagazin Science. Das sind 30% mehr als bisher angenommen.

Die Idee der Wissenschaftler war, die Überreste der Atomtests in den 1950er und 1960er Jahren genauer zu untersuchen. Kohlendioxidmoleküle bestehen aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Die von den Atombomben hinterlassene Radioaktivität ist auch als radioaktiver Kohlenstoff (14C) nachweisbar. Wie gewöhnlicher Kohlenstoff (12C) ist die radioaktive Version ein möglicher Bestandteil in CO2. Nach den Atombombentests stieg 14C-Anteil in Pflanzen durch die Photosynthese an. Dadurch gelangte Radiokarbon zusammen mit 12C in die Biosphäre an Land. Untersucht man die 14C-Anreicherung, kann man so auch die Raten der CO2-Aufnahme in Pflanzen bestimmen und letztlich, wie auch viel Kohlenstoff neu in die Biosphäre eingetragen wurde.

Tiere, die sich von Pflanzen ernähren, nehmen das selbe CO2 in ihren Organismus sowie Pilze und Bodenbakterien auf. Durch sich zersetztende Biomasse im Boden wird Kohlenstoff in Form von CO2 erneut in die Atmosphäre freigesetzt und der Kreislauf schließt sich.

Die Frage ist jedoch, wie viel CO2 aus der Luft in den Boden gelangt und so langfristig in Biomasse gebunden wird. Die Analysen des radioaktiven Kohlenstoffs zeigen nun, daß kurz nach den Atomwaffentests etwas weniger 14CO2 in der Atmosphäre verfügbar war. Umgerechnet bedeutet das, daß Pflanzen weltweit 80 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr binden. Bisher gingen die Klimaforscher davon aus, daß die Bindungskapazität 43 bis 76 Milliarden Tonnen betrug.

Die bisherigen Annahmen waren nicht korrekt, da hauptsächlich Baumstämme für die Berechnung verwendet wurden. In Holz gelagerter Kohlenstoff ist seit vielen Jahrzehnten oder Jahrhunderten gebunden. Die neue Studie befaßte sich mit nicht-verholzter Biomasse wie z.B. Blätter, die auch einen großen Anteil an Kohlenstoff binden. Außerdem erhielt die umfangreiche unterirdische Pflanzenbiomasse bisher zu wenig Aufmerksamkeit. In der Regel ist die unterirdische Biomasse vergleichbar mit dem, was sich über dem Erde befindet. Insbesondere wurden bisher nur Holzwurzeln berücksichtigt, nicht aber die viel feinere Rhizosphäre. Die Rhizosphäre stellt einen noch größeren Biomassanteil dar und bindet dementsprechend mehr Kohlenstoff.

Achtzig Milliarden Tonnen sind nicht nur signifikant mehr als in den derzeitigen Klimawandelprognosen. Es ist auch doppelt so viel wie die menschengemachten CO2-Emissionen (37,2 Milliarden Tonnen).

Leider bedeutet dies nicht, daß es nichts gibt, worüber man sich Sorgen machen muß. Lebewesen nutzen auch Biomasse als Energiequelle. Fast die gleiche Menge an CO2 wird wieder freigesetzt, wenn Pflanzen im Herbst ihre Blätter verlieren. Diese Blätter dienen Bodenlebewesen als Nahrungsquelle. Diese natürlichen CO2 -Emissionen aus der Biosphäre haben sich seit den 1960er Jahren stärker beschleunigt.

Insgesamt kann die Photosynthese nur 30% der von Menschen verursachten CO2-Emissionen aus der Atmosphäre binden und daher den Verbrauch fossiler Kraftstoff nicht ausgleichen. Mit großen natürlichen Landflächen für die Photosynthese kann auch mehr CO2 aus der Luft gebunden werden. Infolgedessen solten mehr und nicht weniger Wälder und Wiesen renaturalisiert werden.

Zwar basieren einige Klimamodelle auf falschen Annahmen. Doch die wichtigere Kohlenstoffspeicherung findet nicht an Land sondern im Wasser statt. CO2 löst sich dort besser auf und unzählige marine Mikroalgen führen ebenfalls Photosynthese durch. Kohlenstoff ist als Baumaterial für Schalentiere und andere Meeresorganismen sehr beliebt. Insgesamt die Ozeane 16-mal mehr Kohlenstoff als die Biosphäre an Land.

Die wichtigsten Ergebnisse der Sutdie sind:

  • Landpflanzen und Böden können bis zu 30% mehr CO2 absorbieren als in früheren Modelle angenommen.
  • Die Kohlenstoffspeicherung in diesen Ökosystemen ist vorübergehender als bisher angenommen. Das bedeutet, daß der von Menschen verursachte CO2-Ausstoß möglicherweise nicht so lang in der terrestrischen Biosphäre verbleibt, wie die aktuellen Modelle vermuten lassen.
  • Die Diskrepanz in den Modellen ist auf die kurzlebigen oder nicht belebten Pflanzengewebe sowie die umfangreichen unterirdischen Pflanzenteile zurückzuführen.

Die Auswirkungen dieser Ergebnisse sind für Klimavorhersagen und die Erstellung einer wirksamen Klimapolitik von Bedeutung. Es unterstreicht die Notwendigkeit einer genaueren Darstellung des globalen Kohlenstoffzyklus in Klimamodellen. Diese erhöhte Aufnahme von CO2 durch Vegetation ist zwar ein positives Vorzeichen, erlöst uns jedoch nicht die Notwendigkeit, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, um den Klimawandel zu bekämpfen.

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Flüssigbrennstoff aus bio-elektrischen Reaktoren

Bei Frontis Energy haben wir viel darüber nachgedacht, wie man CO2 wiederverwerten kann. Während hochwertige Produkte wie Polymere für medizinische Anwendungen rentabler sind, ist die Nachfrage nach solchen Produkten zu gering, um CO2 in großen Mengen wiederzuverwertten. Das ist aber nötig, um die CO2-Konsentration unserer Atmosphäre auf ein vorindustrielles Niveau zu bringen. Biokraftstoffe, zum Beispiel aus Biomasse, wurden seit langem als Lösung vorgeschlagen. Leider benötigt Biomasse sie zu viel Ackerland. Zudem ist die zugrundeliegende Biochemie zu komplex, um sie in Ihrer Gesamtheit zu verstehen und so effektive Lösungen zu implementieren. Daher schlagen wir einen anderen Weg vor, um das Ziel der Dekarbonisierung unseres Planeten schnell zu erreichen. Das vorgeschlagene Verfahren beginnt mit einem gewünschten Zielkraftstoff und schlägt eine mikrobielle Vergesellschaftung vor, um diesen Kraftstoff herzustellen. In einem zweiten Schritt wird das mikrobielle Konsortium in einem bioelektrischen Reaktor (BER) untersucht.

Mögliche Biosynthesewege zur elektrosynthetischen Kraftstoffgewinnung. CO2 kann für die Herstellung von Flüssigbrennstoff auf mehreren Wegen verwendet werden. Das Endprodukt, langkettige Alkohole, kann entweder direkt als Brennstoff verwendet oder zu Kohlenwasserstoffen reduziert werden. Es werden Beispiele für Bioelektrokraftstoff-Pfade gezeigt, bei denen CO2 und Strom als Ausgangsmaterial verwendet werde. Methan, Acetat oder Butanol sind die Endprodukte. Nachfolgende Verfahren sind 1, aerobe Methanoxidation, 2, direkte Verwendung von Methan, 3 heterotrophe Phototrophen, 4, Aceton-Butanol-Gärung, 5, Biomassegewinnung, 6, Butanol als direktes Endprodukt, 7, weitere Vergärung durch Hefen zu Fuselalkoholen

Unser heutiges atmosphärische CO2-Ungleichgewicht ist die direkte Folge der Verbrennung fossiler Kohlenstoffe. Diese Realität erfordert schnelle und pragmatische Lösungen, um einen weitere CO2-Anstieg zu verhindern. Die direkte Abscheidung von CO2 aus der Luft ist schon bald rentabel. Dadurch wird die Nutzung von Ackerland für den Anbau von Treibstoff verhindert. Die Herstellung von Kraftstoff für Verbrennungsmotoren mit CO2 also Ausgangsmaterial ist kurzfristig die beste Zwischenlösung, da sich dieser Kraftstoff nahtlos in die vorhandene städtische Infrastruktur integriert. Biokraftstoffe wurden in den letzten Jahren intensiv erforscht, insbesondere auf dem neuen Gebiet der synthetischen Biologie. So verführerisch die Anwendung gentechnisch veränderter Organismen (GVO) zu sein scheint, so sind doch traditionell gezüchtete mikrobielle Stämme bereits vorhanden und somit sofort verfügbar. Unter Vermeidung von GVO, wird CO2 bereits heute in BER zur Herstellung von C1-Kraftstoffen wie Methan verwendet. BER können auch zur Herstellung von Kraftstoffvorläufern wie Ameisensäure oder Synthesegas, sowie C1+ -Verbindungen wie Acetat, 2-Oxybutyrat, Butyrat, Ethanol und Butanol eingesetzt werden. Gleichzeitig lassen sich BER gut in die städtische Infrastruktur integrieren, ohne daß kostbares Ackerland benötigt wird. Mit Ausnahme von Methan ist jedoch keiner der vorgenannten bioelektrischen Kraftstoffen (BEKS) in reiner Form leicht brennbar. Während Elektromethan eine im Handel erhältliche Alternative zu fossilem Erdgas ist, ist seine volumetrische Energiedichte von 40-80 MJ/m3 niedriger als die von Benzin mit 35-45 GJ/m3. Abgesehen davon, wird Methan als Kraftstoff von den meisten Automobilnutzern nicht gekauft. Um flüssigen Brennstoff herzustellen, müssen Kohlenstoffketten mit Alkoholen oder besser Kohlenwasserstoffen als Endprodukten verlängert werden. Zu diesem Zweck ist Synthesegas (CO + H2) eine theoretische Option und kann durch die Fischer-Tropsch-Synthese gewonnen werden. Tatsächlich sind Synthesegasvorläufer aber entweder fossile Brennstoffe (z. B. Kohle, Erdgas, Methanol) oder Biomasse. Während fossile Kraftstoffe offensichtlich nicht CO2-neutral sind, benötigt man zur Herstellung von Biomasse Ackerland. Die direkte Umwandlung von CO2 und elektrolytischen Wasserstoff in C1+ -Kraftstoffe wird wiederum durch elektroaktive Mikroben im Dunkeln katalysiert (siehe Titelbild). Dadurch wird die Konkurrenz zwischen Nahrungsmittelanbau und Kraftstoffpflanzen vermieden. Leider wurde nur bislang wenig anwendbares zu elektroaktiver Mikroben erforscht. Im Gegensatz dazu gibt es eine Vielzahl von Stoffwechselstudien über traditionelle mikrobielle Kraftstoffproduzenten. Diese Studien schlagen häufig die Verwendung von GVO oder komplexen organischen Substraten als Vorläufer vor. Bei Frontis Energy gehen wir einen anderen weg. Wir ermitteln systematisch Stoffwechselwege für die Produktion von flüssigem BEKS. Der schnellste Ansatz sollte mit einem Screening von metabolischen Datenbanken mit etablierten Methoden der metabolischen Modellierung beginnen, gefolgt von Hochdurchatztestsin BER. Da Wasserstoff das Zwischenprodukt in der Bioelektrosynthese ist, besteht die effizienteste Strategie darin, CO2 und H2 als direkte Vorläufer mit möglichst wenigen Zwischenschritten zu benutzen. Skalierbarkeit und Energieeffizienz, also wirtschaftliche Machbarkeit, sind dabei entscheident.

Zunächst produziert ein elektrotropher Acetogen Acetat, das von heterotrophen Algen im darauffolgenden Schritt verwendet wird.

Das größte Problem bei der die BEKS-Produktion ist das mangelnde Wissen über Wege, die CO2 und elektrolytisches H2 verwenden. Diese Lücke besteht trotz umfangreicher Stoffwechseldatenbanken wie KEGG und KBase, wodurch die Auswahl geeigneter BEKS-Stämme einem Stochern im Nebel gleichkommt. Trotz der hohen Komplexität wurden Stoffwechselmodelle verwendet, um Wege zur Kraftstoffproduktion in Hefen und verschiedenen Prokaryoten aufzuzeigen. Trotz ihrer Unzulänglichkeiten wurden Stoffwechelatenbanken breits eingesetzt, um Artwechselwirkungen zu modellieren, z.B. mit ModelSEED / KBase (http://modelseed.org/) in einer heterotrophen Algenvergesellschaftung, mit RAVEN / KEGG oder mit COBRA. Ein erster systematischer Versuch für acetogene BEKS-Kulturen, bewies die die Verwendbarkeit von KBase für BER. Diese Forschung war eine Genomstudie der vorhandenen BEKS-Konsortien. Dieselbe Software kann auch in umgekehrt eingesetzt werden, beginnend mit dem gewünschten Brennstoff. Im Ergebnis werden dann die erforderlichen Organismen benannt. Wir beschrieben nun einige BEKS-Kulturen.

Mögliche Kombinationen für die BEKS-Produktion mit Clostridien, 3, oder heterotrophe Algen, 7. Die Weiterverarbeitung erfolt durch Hefen.

Hefen gehören zu den Mikroorganismen mit dem größten Potenzial für die Produktion von flüssigem Biokraftstoff. Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist das prominenteste Beispiel. Hefen sind zwar für die Ethanolfermentation bekannt, produzieren aber auch Fuselöle wie Butan, Phenyl- und Amylderivate, Aldehyde und Alkohole. Im Gegensatz zu Ethanol, das durch Zuckerfermentation gebildet wird, wird Fuselöl im Aminosäurestoffwechsel synthetisiert, gefolgt von Aldehydreduktion. Es wurden viele Enzyme identifiziert, die an der Reduktion von Aldehyden beteiligt sind, wobei Alkoholdehydrogenasen am häufigsten beobachtet werden. Die entsprechenden Reduktionsreaktionen erfordern reduziertes NADH⁠, es ist jedoch nicht bekannt, ob an Kathoden gebildetes H2 daran beteiligt sein kann.
Clostridien, beispielsweise Clostridium acetobutylicum und C. carboxidivorans, können Alkohole wie Butanol, Isopropanol, Hexanol und Ketone wie Aceton aus komplexen Substraten (Stärke, Molke, Cellulose usw.) oder aus Synthesegas herstellen. Der Clostridienstoffwechsel wurde vor einiger Zeit aufgeklärt und unterscheidet sich von Hefe. Er erfordert nicht zwangsläufig komplexe Substrate für die NAD+-Reduktion, denn es wurde gezeigt, daß Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kathoden Elektronen für die Alkoholproduktion abgeben können. CO2 und Wasserstoff wurden in einem GMO-Clostridium verwendet, um hohe Titer von Isobutanol herzustellen. Typische Vertreter für die Acetatproduktion aus CO2 und H2 sind C. ljungdahlii, C. aceticum und Butyribacterium methylotrophicum. Sporomusa sphaeroides produziert Acetat in BES. Clostridien dominierten auch in Mischkulturen in BER, die CO2 in Butyrat umwandelten. Sie sind daher vorrangige Ziele für eine kostengünstige Produktion von Biokraftstoffen. In Clostridien werden Alkohole über Acetyl-CoA synthetisiert. Diese Reaktion ist reversibel, wodurch Acetat als Substrat für die Biokraftstoffproduktion mit extrazellulärer Energieversorgung dienen kann. In diesem Fall wird die ATP-Synthese durch Elektronenbifurkation aus der Ethanoloxidation oder durch Atmung und Wasserstoffoxidation betrieben. Ob die Elektronenbifurkation oder Atmung mit Alkoholen oder der Ketonsynthese verknüpft sind ist nicht bekannt.
Phototrophe wie Botryococcus produzieren auch C1+ Biokraftstoffe. Sie synthetisieren eine Reihe verschiedener Kohlenwasserstoffe, darunter hochwertige Alkane und Alkene sowie Terpene. Hohe Titer wurden jedoch nur mithilfe von GVOs produziert, was in vielen Ländern aus rechtlichen Gründen ökonomisch schwer möglich ist. Darüber hinaus erfordert die Dehydratisierung / Deformylierung vom Aldehyd zum Alkan oder Alken molekularen Sauerstoff, was deren Produktion in BER unmoeglich macht, da Saurstoff bevorzugt die Kathode oxidiert. Der Olefinweg von Synechococcus hängt auch von molekularem Sauerstoff ab, wobei das Cytochrom P450 an der Fettsäuredecarboxylierung beteiligt ist. Die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff beeinflußt die BES-Leistung auch durch den sofortigen Produktabbau. Im Gegensatz dazu zeigen unsere eigenen Vorversuche (siehe Titelfoto) und ein Korrosionsexperiment, daß Algen mit einer Kathode als Elektronendonor im Dunkeln leben können, selbst wenn geringe Mengen Sauerstoff vorhanden waren. Die an der Herstellung einiger Algenkraftstoffe beteiligten Enzyme sind zwar bekannt (wie die Deformylierung von Olefinen und Aldehyden), es ist jedoch nicht bekannt, ob diese Wege durch Wasserstoffnutzung beschritten werden können (möglicherweise über Ferredoxine). Ein solcher Zusammenhang wäre ein vielversprechender Hinweis für Kohlenwasserstoff-erzeugenden Cyanobakterien, die an Kathoden wachsen können. Unsere zukünftige Forschungen wird zeigen, ob wir hier richtig liegen.
Bei Frontis Energy glauben wir, daß eine Reihe anderer Mikroorganismen Potenzial zur BEKS-Produktion haben. Um nicht GVO zurückgreifen zu müssen, müssen BER-kompatible Mischkulturen über rechnergestützte Stoffwechselmodelle aus vorhandenen Datenbanken identifiziert werden. Mögliche Intermediate sind z.Z. unbekannt. Der Kenntnis ist aber Voraussetzung für profitable BEKS-Reaktoren.

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Polyelektrolytschichten bestimmen die Effizienz von Entsalzungsmembranen

Zunehmende Wasserknappheit und Verschmutzung mit schädlichen Chemikalien in geringer Konzentration (micropollutants) sind verantwortlich für die zunehmende Verteuerung von Trinkwasser. Entsalzung von Meerwasser und eine bessere Aufbereitung von Abwasser sind nötig, um diesem Trend entgegenzuwirken. Membranen sind in der Lage den größten Teil von Wasserverunreinigungen zu entfernen. Der Energieaufwand dafür ist jedoch enorm. Daher müssen moderne Membranen möglichst effizient sein, um mit wenigen Durchläufen und unter geringem osmotischen Druck ein befriedigendes Ergebnis zu erzielen.

Nanofiltrationsmembranen bestehend aus Polyelektrolytschichten sind ein vielversprechender Ansatz, um Wasser effizienter aufzureinigen. Entsprechend hat die Zusammenstellung von Polyelektrolytschichten ein starkes Interesse bei der Herstellung von Nanofiltrationsmembranen hervorgerufen. Diese Membranen werden schichtweise hergestellt, was eine gute Anpassung der Membraneigenschaften auf unterschiedliche Anwendungen ermöglicht.

Im Handel erhältliche Nanofiltrationsmembranen sind im Allgemeinen ein Kompromiß zwischen hoher Wasserpermeabilität und guter Entsalzung. Durch diesen Kompromiß werden entweder die Qualität oder Menge des gereinigten Wasser negativ beeinträchtigt. Nanofiltrationsmembranen, die schichtweise produziert werden, können diesen Kompromiß aufgrund der Produktion von Nanoschichten vorteilhaft beeinflussen. Dazu ist es wichtig zu wissen, welche Komponente die entscheidende Rolle im Beschichtungsprozeß spielt.

Eine Forschergruppe der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hatte es sich daher zur Aufgabe gemacht, diese Schichtkomponenten genauer zu untersuchen. Dabei haben sie die Polyelektrolytkonzentration genauer betrachtet. Es ist bekannt, daß eine höhere Polyelektrolytkonzentration dickere Schichten produziert. Ihre Auswirkung auf die Membranleistung war aber bisher unbekannt. Die Forscher haben in ihrer nun publizierten Arbeit zwei bekannte starke Polyelektrolyte verwendet:  PDADMAC und PSS (Polydiallyldimethylammoniumchlorid und Poly(styrol-co-divinylbenzol)sulfonsäure). Die Membranleistung wurde hinsichtlich der Wasserpermeabilität, dem nötigen Molekulargewicht und der Entsalzung untersucht.

In der ersten Doppelschicht zeigten die mit einer 50 mM Salzlösung beschichteten Membranen eine niedrigere Wasserpermeabilität und Molekulargewichtschwelle, sowie bessere Entsalzung (Magnesiumsulfat) aufgrund der höheren Polyelektrolytkonzentration. Nach einer bestimmten Anzahl von Doppelschichten erreichen das nötigen Molekulargewicht und die Entsalzungseffizienz für alle Polyelektrolytkonzentration ein Plateau. Je höher die Polyelektrolytkonzentration, desto eher wurde auch der Plateauwert erreicht.

Die mit der 1 M Salzkonzentration beschichteten Membranen hatten mit einer Ausnahme eine niedrigere oder vergleichbare Entsalzungseffizienz. Die Wissenschaftler schlußfolgerten, daß die Polyelektrolytkonzentration die Membranleistung signifikant verändert. Jedoch wurde bei sieben oder mehr Doppelschichten ein Plateau erreicht. Die dickeren Schichten wiesen eine geringere Wasserdurchlässigkeit auf als diejenigen, die mit Polyelektrolytlösungen unter Verwendung einer 50 mM Salzlösung beschichtet wurden. Aufgrund der geringen Schwellung der so beschichteten Membranen wiesen all eine bessere Entsalzungseffizienz auf, mit Ausnahme von Magnesiumchlorid.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Erhöhung der Polyelektrolytkonzentration die Menge der Polyelektrolytadsorption ebenfalls erhöht. Dies führte aufgrund einer höheren Beschichtungsdicke zu niedrigeren Permeabilitäten mit reinem Wasser. Innerhalb des untersuchten Konzentrationsbereichs führte das jedoch nicht zu niedrigeren Molekulargewichtschwellen oder besserer Entsalzung. Darüber hinaus verursachte die zusätzliche Polyelektrolytadsorption weniger Verknüpfungen zwischen den einzelnen Schichten. Die höhere Diffusivität von PDADMAC im Vergleich zu PSS führte zu hoch positiv geladenen Membranen, was wiederum zu einer besseren Entsalzung von Magnesiumchlorid und Natriumchlorid führte.

Durch eine Zunahme der Membranoberflächenladung beeinflußte die Erhöhung der Polyelektrolytkonzentration und die Salzkonzentration den Ladungsausschluß  signifikant, was zu besserer Entsalzung führte. Der Größenausschluß wurde jedoch nicht geändert, was zu denselben Plateauwerten führte. Die nun vorgestelten Untersuchungen erlauben es Chemikern in Zukunft, besser abgestimmte Entsalzungsmembranen herzustellen, was den Energiebedarf und den Bedarf and Rohmaterial bei der Herstellung verringern wird.

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Wechselnder Elektrolytfluß an der Kathode verringert die Anlaufzeit bei der mikrobiellen Elektroynthese

Die mikrobielle Elektrolyse ist eine Technologie, die lebende Mikroorganismen als Elektrokatalysatoren in Elektrolysezellen verwendet. Die Technologie kann zur Abwasserbehandlung verwendet werden. In einem früheren Beitrag schlugen wir vor, mikrobielle Elektrolyse zur dezentralen Abwasserbehandlung und zur Biogasproduktion zu verwenden. Da es sich bei der Technologie um einen Prozeß handelt, der CO2 unter Verwendung von Elektrizität in organische Verbindungen umwandelt, kann er auch zur die CO2-Verwertung eingestzt werden. Neben Methan produzieren solche Elektrolysezellen auch Verbindungen wie Essigsäure, Capronsäure und andere. Der Prozeß wird dann als mikrobielle Elektrosynthese bezeichnet. Capronsäure wird z.B. in Fruchtestern (Capronate), als Bestandteil von Arzneimitteln und zur Synthese von Hexylphenolen verwendet.

Das Hauptproblem bei der mikrobiellen Elektrolyse und der Elektroynthese ist jedoch die lange Anlaufzeit. Die Anlaufzeit ist die Zeit, die erforderlich ist, um ein Biofilm auf der Elektrodenoberfläche zu bilden und die gewünschten Produkte zu produzieren. Sie kann mehreren Wochen oder Monaten dauern. Sie ist abhängig von den Betriebsbedingungen und der Art der Mikroorganismen. Lange Anlaufzeiten begrenzen den industriellen Nutzen der mikrobiellen Elektrosynthese.

Wissenschaftler der Universität Wageningen in den Niederlanden stellten jetzt neue Forschungsergebnisse vor, die eine Verkürzung der Anlaufzeit zeigen. Dabei wurde die Richtung des Katholytflusses durch eine dreidimensionale Elektrode gewechselt, wodurch die Anlaufzeit auf nur zehn Tage verkürzt wurde. Die Forscher stellten die Hypothese auf, daß diese Technik den Stofftransport und die Bildung von Biofilmen verbesserte und somit die CO2-Reduktion und deren Produktsynthese beschleunigt. Letztlich  konnte die Anlaufzeit um 50% im Vergleich zu einer herkömmlichen Durchflusselektroden reduziert werden.

 

Der alternierdende Elektrolytfluß reduzierte auch die Leistungsaufnahme auf 136 kWh pro kg Wasserstoff. Nach 60 Tagen betrug die lokale Wasserstoffkonzentration an der Kathode höchstens 600 μM, was auf einen schnelleren Stoffumsatz und damit auf einen aktiveren Biofilm hindeutet.  Der pH-Wert im Katholyt lag bei 5,8–6,8 und damit im optimalen Bereich elektrosynthtischer Mikroorganismen. Der abwechselnde Katholytfluß bewirkte einen verbesserten Stofftransport, denn so konnte der Wasserstoff besser über die Kathodenschichten verteilt werden. Zudem spekulierten die Forscher, daß der Wechselfluß eine Erfrischung  etwaiger „toter Zonen“ in der Kathodenkammer ermöglichte.

Die Produktion von kurzen und mittelkettigen Fettsäuren war mit der Anwesenheit bestimmter Mikroorganismen verbunden. Diese wurden als Peptococcaceae und Clostridium sensu stricto 12 identifiziert. Auch der methanogene Methanobrevibacter war vorhanden. Methanobrevibacter ist chracteristisch für mikrobieller Elektrolysezellen, wenn höhere Wasserstoffkonzentrationen für die Elektroynthese vorhanden sind.

Die Technik ist jedoch noch nicht ganz ausgereift und so gibt Einschränkungen wie z.B. die Energieeffizienz, der Produktselektivität und die Skalierbarkeit. Solche Einschränkungen sind typisch für Laborexperimente. Wir freuen uns daher schon auf eine industrielle Anwendung dieser Methode.

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Spurenmetalle beschleunigen die Wasserstoffentwicklungsreaktion von Biokathoden in mikrobiellen Elektrolysezellen

Es ist bekannt, daß mikrobielle Biofilme an Biokathoden die Produktionenraten der Wasserstoffelektrolyse verbessern. Dabei handelt es sich um den Prozeß, der zur Herstellung von Wasserstoffgas aus Wasser durch Strom dient. Die Wasserstoffentwicklung mikrobiellen Elektrolysezellen wird sogar dann beschleunigt, wenn der Biofilm, der die Biokathode besiedelt, abgetötet wurde. Verschiedene Arten von Mikroorganisme, wie z.B. elektrogene (Geobacter sulfurreducens), nicht exoelektrogene (Escherichia coli) Bakterien oder das Wasserstoff-oxidierende methanogene Archeon Methanosarcina barkeri, vollbringen dieses Kunststück, aber Geobacter ist das schnellste. Zellrückstände wie Metalloproteine scheinen die Wasserstoffbildung zu katalysieren. Daher sind lebende Zellen für die Wasserstoffelektrolyse gar nicht notwändig, wodurch Biokathoden eine billige und umweltfreundliche Alternative zu Edelmetallkatalysatoren werden könnten. Während die Autoren des erwähnten Artikels über die Rolle von Metalloproteinen spekulierten, zeigt eine neue Veröffentlichung in Electrochimica Acta durch Forscher der Wageningen University, daß die Verfolgung von Metallen im Wachstumsmedium tatsächlich für die beobachtete Ratenbeschleunigung verantwortlich ist.

Die Autoren verwendeten eine Mischung aus Metallsalzen in einem mikrobiellen Wachstumsmedium, wie z.B. Kobalt-, Kupfer-, Eisen-, Mangan-, Molybdän-, Nickel- und Zinksalz, sowie den Metallchelator Ethylendiaminetetraossigsäure (EDTA). Das Medium war dabei biokompatibel mit neutralem pH-Wert, mesophile Temperatur und Wasser als Elektrolyt.

Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten durch, um die Auswirkung verschiedener Parameter auf die katalytische Aktivität und Stabilität der Spurenelementmischung zu untersuchen. Diese Parameter umfassten die Konzentration der Metallverbindungen, das Vorhandensein oder die Abwesenheit von EDTA, die Art des Elektrodenmaterials und die Art des Elektrolyten. Verschiedene Techniken zur Messung des kathodischen Stroms, die Wasserstoffproduktionsrate, das Überpotential und die Stromdichte der Wasserstoffelektrolyse wurden herangezogen.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Spurenelementmischung den kathodischen Strom und die Effizienz derLadungsübertragung zu Wasserstoff signifikant erhöhte und daß Kupfer und Molybdän die aktivsten Verbindungen in der Mischung waren. Das ist überraschend, da in der vorherigen Veröffentlichung hauptsächlich Kobalt- und Eisenverbindungen auf der Oberfläche der Biokathoden gefunden wurden. Beide Elemente sind auch gute Wasserstoffkatalysatoren, während beispielsweise Molybdänsulfid die Produktionsraten in methanogenen mikrobiellen Elektrolysezellen nicht erhöhte. Wasserstoffelektrolyse ist der elektrochemische Flaschenhals, der die Reaktionrate in methanogenen Elektrolysezellen bestimmt, da es sich beim Wasserstoff um das Zwischenprodukt handelt:

4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O

Die Wissenschaftler zeigten auch, daß das Entfernen von EDTA aus dem Mix die Katalysatorleistung weiter verbesserte, da EDTA als Komplexierungsmittel (Chelator) fungierte, wodurch die Verfügbarkeit von Metallionen and der Elektrodenoberfläche verringert wurde. Es wurde auch darauf hingewiesen, daß Elektroden auf Kohlenstoffbasis besser geeignet waren als Elektroden auf Metallbasis, wahrscheinlich weil sie eine höhere Oberfläche haben. Dies ist ein interessantes Ergebnis, da man der Ansicht sein kann, daß der Mechanismus hinter der besseren Leistung von Kohlenstoffelektroden die mikrobielle Adhesionspräferenz für Kohlenstoff ist. Die Ergebnisse zeigten benfalls, daß die Verwendung eines mikrobiellen Wachstumsmediums als Elektrolyt die Katalysatorleistung im Vergleich zur Verwendung eines Phosphatpuffers nicht signifikant beeinflußte.

Die Autoren kamen zu dem Schluß, daß ihr Ansatz eine einfache, billige und umweltfreundliche Methode ist, um effektive Katalysatoren für die Wasserstoffelektrolyse herzustellen. Sie schlugen vor, daß diese Katalysatoren in biologische Systeme für die Wasserstoffproduktion in bioelektrischen und Fermentationsprozessen integriert werden könnten. In der Tat ist es unvermeidlich, in mikrobiellen Elektrolysezellen keine Spurenmetalle zu verwenden, da sie zur Aufrechterhaltung des mikrobiellen Stoffwechsels unerlässlich sind.

Beide Artikel zeigen, daß Spurenmetalle bei der Wasserstoffelektrolyse eine wichtige Rolle spielen können und daß sie aus biologischen Quellen hergestellt werden können. Sie haben jedoch auch einige Einschränkungen und Herausforderungen, wie die Stabilität, Selektivität und Skalierbarkeit der Katalysatoren. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Leistung und Anwendbarkeit von Katalysatoren auf Trace-Metallbasis für sie zu optimieren.

(Bild: US National Science Foundation)

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Bio-elektrische Systeme helfen bei der PFAS-Aufbereitung

Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) werden seit vielen Jahrzehnten für verschiedene Anwendungen hergestellt. Darunter befinden sich medizinische Anwendungen, wie z.B. Implantate und Katheter, oder Alltagsgüter zur Brandbekämpfung, Kunststoffe, Kochgeschirr Kosmetik. Ebenso sind zahllose Industrieanwendungen z.B. in der Automobilindustrie, der Chemieindustrie sowie dem Energiesektor inklusive Wasserstoffelektrolyse und Brennstoffzellen auf PFAS (z.B. Nafion™) angewiesen. Die weit verbreitete Anwendung von PFAS hat weltweit zum Eindringen von Spuren dieser Substanzen in die Umwelt geführt. Dazu zählen Flughäfen, Chemieanlagen, Feuerwehren, militärische Anlagen.

Die langfristige Auswirkungen dieser Substanzen auf die Gesundheit wird besonders im Hinblick auf deren chemische Stabilität (die eine gewünschte Eigenschaft ist) derzeitig kontrovers diskutiert.

Neben der kompletten Vermeidung des Eindringens in die Umwelt können PFAS aber auch aus ihr beseitigt werden. Zum Beispiel wird Aktivkohle häufig verwendet, um PFAs daran zu absorbieren. In Böden ist diese Methode jedoch nicht effizient. Idealerweise müßte die Aktivkohle selbst weiter aufbereitet werden, um PFAS wieder zu verwenden. Dieser Prozeß ist sehr energieintensiv.

Wie bei vielen Aufbereitungsprozessen können auch Mikroben zum Einsatz kommen. Solche biologischen Methoden werden als Bioremediation bezeichnet. Allerdings gehören die Kohlenstoffluor-Bindungen (C-F) in PFAS zu den stärksten kovalenten Bindungen in der organischen Chemie. Darüber hinaus gibt es nur sehr wenige natürlich vorkommende C-F Bindungen in der Nature, die dort auch nur in geringen Konzentrationen vorkommt. Ein prominentes Beispiel ist Fluoressigsäure, eine hochgiftige Verbindung die vom südafrikanischen Giftblattstrauch gebildet wird.  Nur wenige Mikroorganismen mit der Fähigkeit, die C-F-Bindung zu lösen, wurden identifiziert. Die Bioremediation von PFAS ist also möglich aber ein langsamer Prozeß.

Wie in unseren vorhergehenden Artikeln bereits beschrieben wurde, können bio-elektrische Systeme mikrobielle Umsetzungsprozesse beschleunigen. Das geschieht, indem sie der mikrobiellen Gemeinschaft eine grösseres elektrochemisches Potentialgefälle anbieten, als dies natürlich der Fall ist. Dieses Verfahren wird erfolgreich bei der Reinigung von Industrieabwässern eingesetzt.

In bio-elektrischen Systemen werden Mikroorganismen und Verunreinigungen in eine elektrochemische Apparatur platziert. Die Elektroden eines solchen Systems dienen als Elektronenspender oder -empfänger. So wird der biologische Abbau über den elektrischen Strom gemessen.

Bio-elektrische Systeme wurden in der Tat schon zum Abbau von fluorierten Alkanen eingesetzt. So wurde z.B. der Entzündungshemmer Dexamethason mithilfe einer solchen Apparatur erfolgreich beseitigt. Wie auch von uns für bioelektrischen Flüssigkraftstoff vorgeschlagen, könnten auch für PFAS Designer-Mikrobiome untersucht werden. Auch sollten Untersuchungen an anderen Medikamentrückständen, wie z.B. Prozac™ vorgenommen werden, damit diese nicht weiter in die Umwelt gelangen.

Bei Frontis Energy sind wir schon gespannt auf die Entwicklungen in den kommenden Jahren.