Kategorie: Bioenergie

Diese besondere Form der nachhaltigen Energie beschäftigt sich mit Biomasse und der Umwandlung verschiedener Energieformen mithilfe von Leben, z.B. Mikroben.

Veröffentlicht am von

Rutheniumkatalysierte Amidhydrierung zu Aminen unter milden Bedingungen

Chemiker bei der Arbeit im Labor

DOI: 10.13140/RG.2.2.30340.08323

Die Umwandlung von Amiden in primäre Amine ist eine scheinbar einfache Reaktion, die Chemiker seit Jahrzehnten vor große Herausforderungen stellt. Amide sind allgegenwärtig: in Pharmazeutika, Polymeren, Agrochemikalien und biologischen Systemen. Ihre außergewöhnliche Stabilität macht sie jedoch notorisch schwer selektiv reduzierbar.

Klassische Syntheserouten erfordern häufig harte Reaktionsbedingungen, mehrstufige Verfahren oder indirekte Umwege über Nitrile oder aktivierte Zwischenprodukte. In einem kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Artikel berichten Forscher des Leibniz-Instituts für Katalyse in Rostock über eine allgemeine, hochselektive rutheniumkatalysierte Hydrierung, mit der dieses Problem unter überraschend milden Bedingungen erstmals überzeugend gelöst wird.

Der entscheidende Fortschritt liegt im Design eines homogenen Rutheniumkatalysators, der durch einen methoxysubstituierten, tripodalen Triphos-Liganden koordiniert ist. Ein solcher Triphos-Ligand ist ein dreizarmiger Monophosphanligand, der so ausgelegt ist, daß er sehr stark und in einer wohldefinierten Geometrie an ein Übergangsmetallzentrum – hier Ruthenium – bindet.

In Gegenwart von molekularem Wasserstoff und einer geringen Menge Ammoniak ermöglicht dieser Katalysator die direkte und saubere Hydrierung primärer Amide bei etwa 115 °C und 10 bar H₂. Diese Bedingungen sind deutlich milder als jene früherer Verfahren. Entscheidend ist dabei die Rolle des Ammoniaks: Es lenkt die Reaktion gezielt in Richtung der gewünschten Spaltung der Kohlenstoff–Sauerstoff-Bindung und unterdrückt die Bildung von Alkoholen, sekundären Aminen und anderen typischen Nebenprodukten.

Besonders bemerkenswert ist die breite Anwendbarkeit der Methode. Die Autoren zeigen die effiziente Umsetzung aromatischer, heteroaromatischer, aliphatischer und sogar langkettiger fettbasierter Amide zu den entsprechenden primären Aminen, häufig in sehr guten Ausbeuten. Funktionelle Gruppen wie Halogenide, Ether, Sulfonate oder Borsäureester werden toleriert, während empfindliche Strukturelemente weitgehend erhalten bleiben. Diese große Substratbreite ist ungewöhnlich, da die Hydrierung primärer Amide mit zunehmender struktureller Komplexität typischerweise versagt.

Mechanistische Untersuchungen, unter anderem mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), zeigen, daß der aktive Katalysator über eine Ruthenium-Dihydrid-Spezies arbeitet, wobei Ammoniak reversibel an das Metallzentrum koordiniert. Ammoniak setzt das katalytische System dabei kontinuierlich zurück und begünstigt so die Bildung primärer Amine. Diese mechanistische Klarheit ist nicht nur von akademischem Interesse, sondern erklärt die außergewöhnliche Zuverlässigkeit der Methode über viele Substrate hinweg.

Die Bedeutung dieser Chemie reicht weit über das Syntheselabor hinaus. Sie ist für zahlreiche Bereiche der chemischen Industrie relevant, etwa für die pharmazeutische Produktion, in der viele Wirkstoffe und Zwischenprodukte Amidfunktionen enthalten. Die direkte Hydrierung primärer Amide zu primären Aminen vereinfacht hier Spätsyntheseschritte und reduziert Abfallströme. Auch biologisch aktive Verbindungen lassen sich effizient herstellen, darunter biogene Amine wie Phenethylamin, Tyramin, Dopamin-Derivate oder Histamin-Analoga.

In der Feinchemie und Farbstoffindustrie sind Benzylamine und heterocyclische Amine zentrale Bausteine für Pigmente, Liganden und Spezialchemikalien. In der Polymer- und Materialchemie ist die Umwandlung von Diamiden in Diamine – etwa von Adipamid zu Hexamethylendiamin – unmittelbar relevant für die Herstellung von Nylon und anderen Hochleistungspolymeren.

Für Frontis Energy besonders interessant sind Anwendungen in der erneuerbaren und petrochemischen Industrie. Die Hydrierung von Fettsäureamiden zu Fettaminen eröffnet einen alternativen Syntheseweg zu Tensiden, Weichspülern, Asphaltadditiven und Chemikalien für die Öl- und Gasindustrie. Mit dem neuen Verfahren könnten diese Produkte perspektivisch aus pflanzlichen Ölen statt aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden.

Kurz gesagt liefert diese Arbeit das, was das ACS Green Chemistry Institute einst als eine „Traumreaktion“ bezeichnet hat: eine selektive, skalierbare, wasserstoffbasierte Reduktion von Amiden. Sie stellt einen bedeutenden Schritt hin zu einer grüneren und einfacheren Synthese von Aminen dar, die eine Schlüsselrolle in moderner Chemie, Materialwissenschaft und Lebenswissenschaften spielen.

Kuloor, et al. 2026, General and selective ruthenium-catalyzed hydrogenation of primary amides to primary amines under mild conditions. Nature Communications 17, 3525 DOI: 10.1038/s41467-026-69794-2

Bild: Pixabay

Veröffentlicht am von

Elektrochemische Ameisensäure als Vorstufe für mikrobielles Ectoin

Frau trägt Gesichtscreme auf

DOI: 10.13140/RG.2.2.12412.71044

Ectoin ist wertvoller Rohstoff für die Kosmetikindustrie und wird in Hauptcremes und zum UV-Schutz verwendet.Seine Synthese folgt mehreren chemischen Umwandlungen basierend auf komplexen Rohstoffen. Das macht seine Herstellung teuer. Bei der Suche nach einfacheren Rohstoffen ist CO₂ besonders interessant.

Unter den aufkommenden Strategien zur Nutzung von CO₂ als Rohstoff hat seine elektrochemische Reduktion zu Brenn- und anderen Rohstoffen erheblich an Aufmerksamkeit gewonnen. In einem älteren Artikel hatten wir bereits über unsere eigenen Versuche berichtet. Zu den einfach herzustellenden Produkten gehört Ameisensäure, die als Zwischenprodukt für mikrobielle Synthese dienen kann. Dies liegt zum einen an der hohen Löslichkeit von Ameisensäure in Wasser seiner reltic hohen Reinheit ohne viele Nebenprodukte und der niedrigen Überspannung bei der CO₂-Reduktion.

Die mikrobielle Synthese von höherwertigen Produkten aus Ameisensäure hat zunehmendes Interesse geweckt. Dies kann man beispielsweise durch geneitsche Veränderungen von Escherichia coli erreichen. Um die elektrochemische CO₂-Reduktion mit der mikrobiellen Synthese zu kombinieren, auch andere Mikroorganismen wie Cupriavidus necator, Methylobacterium extorquens und Essigsäurebakterien untersucht. Als nutzbare Produkte sind Biokunststoffe, langkettige Karbonsäuren, Aminosäuren und Alkohole hergestellt worden.

Diese Bemühungen haben sich jedoch größtenteils auf Massenprodukte oder Vorstufen wie Essigsäure, Ethanol, Butanol, Polyhydroxyalkanoate usw. konzentriert. Das Potenzial für die Synthese von hochwertigen Produkten ist immernoch viel zu wenig erforscht.

Forscher am Umweltforschungszentrum in Leipzig (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung) haben nun einen Machbarkeitsnachweis für die Produktion von Ectoin aus Ameisensäure erbracht und im Fachblatt Engineering in Life Sciences publiziert.

Dazu benutzten sie Methyloligella halotolerans, das die Fähigkeit besitzt mit Ameisensäure als einziger Energiequelle zu wachsen. Die Forscher verglichen die Ectoinproduktion mit vier verschiedenen Substraten: Methanol, Ameisensäure und elektrochemisch hergestellter Ameisensäure aus CO₂.

Die elektrochemische Reduktion von CO₂ an zinnbasierten Gasdiffusionselektroden wurde der biologischen Weiterverarbeitung also vorgeschaltet. Dadurch enstad eine Methanol-Ameisensäure-Mischung. CO₂ wurde in einer Flußzelle mit einer zinnbasierten Gasdiffusionskathode einer Platinanode reduziert. Eine Nafion 117-Protonenaustauschmembran trennte die Kammern. Beide Seiten wurden mit Salzmedium gefüllt, um den ionischen Übergang vor der direkten Einspeisung der Katholyte in die Kultur zu minimieren.

Zudem zeigten die Forscher, daß salzhaltige mikrobiologische Medien als Elektrolytlösung für die kombinierte elektrochemisch-mikrobiologische Synthese verwendet werden konnte. Das ist wichtig, da Salzlösungen eine bessere Leitfähigkeit besitzen.

Diese Studie etabliert Formiat als eine geeignete Kohlenstoffquelle für die Ectoinsynthese im halophilen methylotrophen Bakterium Methyloligella halotolerans. Durch die Verwendung von elektrochemischer Ameisensäure zur Ectoinsynthese zeigten die Forscher, daß salzhaltige Elektrolyte für die kombinierte elektrochemische-mikrobielle Synthese von wertvollen Verbindungen in Elektro-Biorefinieren genutzt werden können.

Substratspezifische Ectoinerträge waren mit Methanol stets höher. Eine Substratmischung aus Ameisensäure und Methanol verbesserte die Aufnahme der Ameisensäure, blieb jedoch hinter reinem Methanol zurück. Das unterstreicht die Bedeutung von zukünftigen Optimierungen der Aufnahme der Ameisensäure durch Mikroorganismen.

Die Optimierung elektrochemischer Parameter, einschließlich verbesserter Pufferung, Elektrolytzusammensetzung und Elektrodenselektivität in salzhaltigen Lösungen, könnte die Ausbeuten weiter steigern. Weitere Fortschritte durch Stammenzüchtung oder genetischen Modifikation, bessere Substratmischungen und die Gewinnung von Ectoin durch schonendere Methoden anstelle von Zellyse könnten die Produktivität erheblich steigern.

Bei Frontis Energy sind wir wie immer gespannt, wie sich die vorgestellte Lösung industriell Skalieren läßt und Produkte wie mikrobielles Ectoin auf Märkten wie den Pharma- und Kosmetikmärkten etablieren.

Kas et al., 2026, Exploring ectoine production from methanol, formate, and electrochemically produced formate by Methyloligella halotolerans, Engineering in Life Sciences, 26:e70063, DOI: 10.1002/elsc.70063

Bild: Pixabay

Veröffentlicht am von

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.

Veröffentlicht am von

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.

Veröffentlicht am von

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)

Veröffentlicht am von

Dezentrale Abfall-Energie-Systeme produzieren Biogas wo es benötigt wird

Die aktuelle europäischen Energiekrise hat verschiedene Ursachen, hautsächlich jedoch die hohe Nachfrage in Folge der Pandemielockerungen, das Embargo gegen Rußland, die Zurückhaltung von Investoren bei der Finanzierung fossiler Energieprojekte und die Drosselung der Förderung durch die OPEC-Staaten. In dieser komplexen Situation sind europäische Länder gezwungen, alternative und zugleich erneuerbare Energiequellen zu erschließen. Gleichzeitig ist Erdgas jedoch in vielen Branchen schwer zu ersetzen. Eine Ausnahme ist die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die über  enorme ungenutzte Ressourcen von Biogas in ihrem Abwasser verfügen kann.

Abwasser ist eine Ressource, von der weltweit 380 Milliarden m³ erzeugt werden. Es enthält gleichermaßen wertvolle Nährstoffe und Energie. Die weltweite Produktion wird voraussichtlich bis 2030 um 24% und bis 2050 um 51% steigen. Die Abwasserbehandlung verbraucht etwa 3-4% der global erzeugten Energie. Die vollständige Erschließung dieser Energiequelle würde den Energieverbrauch der Klärung komplett ausgleichen und in vielen Fälle sogar einen Überschuß erzeugen. Zudem ist die gesamte globale Wasseraufbereitung geschätzt für bis zu 5% der mesnchengemachten CO2-Produktion verantwortlich. Leider investieren viele Unternehmen und Gemeinden nicht komplexe und teure Abwasserbehandlungstechnologien und verschwenden weiter die wervolle Resource Abwasser. Die European Biogas Association schätzt, daß bis 2050 maximal 65% des Gasbedarfs (zirka 167 Milliarden m³) von durch Biogas abgedeckt werden könnten.

Europa ist die größte Käserei der Welt. Es werden jährlich mehr als 9 Millionen Tonnen Käse hergestellt. Mit jeder Tonne Käse bleiben gleichzeitig 9 m³ Käsemolke zurück. Trotz seines hohen Ernährungswerts wird Molke aus verschiedenen Gründen oft wie Abwasser behandelt. Die sehr hohe organische Belastung der Molke macht es schwierig sie als Abwasser zu klären. Molkeabfälle können aber auch für die Biogasproduktion benutzt werden. Zudem fällt auch noch reguläres Abwasser an. Zum Beispiel zahlt eine mittelgroße Käsefabrik jährlich 1,5 Millionen Euro für ihr Abwasser. Die Reduzierung dieser Kosten durch die Herstellung von Biogas würde das Abwasser der Milchindustrie zu einer wertvollen Ressource machen.

Diese Situation ist in vielen anderen Sektoren für Lebensmittel und Getränke wie Brauereien, Brennereien, Winzer, Bäckereien usw ähnlich. Alle diese Sektoren haben einen hohen Energiebedarf. Erneuerbare elektrische Energie kann diesen Bedarf nicht auslgeichen. Der Markt für die Klärung in Europa und den USA liegt bei zirka 12 Milliarden Euro.

Die traditionelle Abwasserbehandlung basiert auf Belüftung und klassischer Klärschlammfaulung mit der anschließender Verbrennung. Diese Methoden konsumieren oft mehr als 70% der Energie einer Kläranlage. Wenn energiereiche Verunreinigungen gemessen am gesamten organischen Kohlenstoff oder Ammoniak vor dem Prozeß in Biogas umgewandelt würden, könnten mindestens 80% zur Abwasserbehandlung nötigen Energie eingespart werden. Es ist widersinnig, daß diese Energie des Abwasser mit noch mehr aufgewendeter Energie entfernt wird.

Eine immer größer werdende Anzahl von Kläranlagen erchließt bereits die im Abwasser enthaltenen Ressourcen zusätzlich zum Wasser selbst. Die ältesten Recyclingprodukte sind Biogas und Düngemittel, die aus Klärschlamm gewonnen wurden. Aufgrund des Gehalts an Schwermetallen wie Kupfer und Quecksilber wird Klärschlamm nicht mehr als Dünger verwendet sondern in Müllverbrennungsanlagen entsorgt.

Biogas ist in Europa besonders beliebt, da die erzeugten Mengen und Preise hoch genug sind, um mit Erdgas zu konkurrieren. Biogas ist auch eine grüne Alternative zu Erdgas, da kein zusaetzliches CO2 emittiert wird. Ein Nachteil der klassischen Biogas ist der CO2- und Sulfidgehalt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Schlammverdauung der Terminalbehandlungsschritt ist, der wertvolle Abwasserressourcen verschwendet. Schließlich erfordern die Größe und Komplexität der aktuellen Verdauung eine erhebliche Verpflichtung von Benutzern, wenn es um Capex und OPEX geht. Die meisten Lebensmittelhersteller konzentrieren sich lieber auf die Herstellung von Lebensmitteln und nicht auf die Reinigung ihres Abwassers.

Neuartige Hochleistungs-Biogasreaktoren lösen diese Probleme durch Miniaturisierung. Sie erreichen eine 20-fache  Reduktion der Größe im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Zur Verwendung kommt eine neue Technologie, die Anfang der Neunziger Jahre in Japan entwickelt wurde. Sie wird als mikrobielle Elektrolyse bezeichnet. Die Elektrolyse von Abwasser wird durch elektroaktive Mikroorganismen auf der Anode (die positive Elektrode) katalysiert. Die Reaktionsprodukte sind CO2 (aus organischer Substanz) und Stickstoffgas (N2, aus Ammoniak).

Prinzip eines mikrobiellen Elektrolysereaktors. Auf der linken Anode wird das organische Material zu CO2 oxidiert. Die freien Elektronen werden von der Anode absorbiert und zurf Kathode transportiert. Wasserstoffgas (H2) wird dort freigesetzt. CO2 und Wasserstoff bilden Methan, das mikrobielle Anschlußreaktionsprodukt.

Gleichzeitig wird Wasserstoffgas (H2) an der Kathode (der negativen Elektrode) gebildet. Dieser Wasserstoff reagiert mit CO2 zu Methan. Dieser letzte Methanisierungsschritt vervollständigt die biokatalytische Behandlung des Abwassers. Das gebildete Biogas kann entweder in das Erdgasnetz eingespeist oder vor Ort verwendet werden, um Strom und Wärme zu erzeugen.

Die Reaktion wird unter Verwendung einer angelegten Spannung beschleunigt und basiert auf den Gesetzen der Thermodynamik. Infolgedessen kann das Reaktorvolumen verringert werden. Die Größenreduzierung hat mehrere Vorteile. Erstens macht es Biogas in Märkten zugänglich, in denen es aufgrund der hohen Investitionskosten bisher nicht möglich war. Zweitens ermöglicht die Reduzierung der Größe einen höheren Durchsatz zu niedrigeren Kosten. Kleinere Einheiten sind mobil und können genossenschaftlich geteilt, bewegt oder vermietet werden. Schließlich wollen Nahrungsmittelhersteller das tun was sie am besten können, nämlich Essen herstellen. Ihre Abfall- und Energierechnungen sollten sie davon nicht abhalten.

 

Symbolbild: Pixabay

Veröffentlicht am von

Nanostrukturierte Membranen verbessern die Gasabscheidung von Kohlendioxid

Zur Reduktion von Treibhausgasemissionen sind verschiedne Prozesse in der Entwicklung, die eine Trennungen von Gasgemischen bestehend aus CO2 und Methan bzw. CO2 und Stickstoffgas erfordern (CO2/CH4 und CO2/N2). Polymermembranen sind unter anderem aufgrund ihrer niedrigen Betriebskosten, hohen Energieeffizienz und einfachen Skalierbarkeit im Vergleich zu anderen Trennungstechnologien gute Kandidaten für einen großtechnischen Einsatz.

Die Gaspermeabilität und -selektivität, sowie die Kosten dieser Polymermembranen sind die entscheidenden Kriterien für ihren industriellen Einsatz. Diese Kriterien werden werden bei molekularen Ordnungsvorgängen während der Polymerisierung auf Nanometer- und Mikrometer-Ebene beeinflußt. Die Ordnungsvorgänge der meisten gängigen Membranen findet aber nicht auf dieser Ebenen statt und können daher schlecht gesteuert werden. Über Materialien mit Selbstorganisationseigenschaften und das Wirken ihrer molekularen Ordnung auf die Gastrennleistung ist wenig bekannt.

Chemiker der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden untersuchten die Auswirkungen des Schichtabstands innerhalb der Membran und deren Halogenierung auf die Gastrennung und publizierten ihre Ergebnisse im Fachmagazin MDPI Membranes. Dabei fokussierten sie sich auf die Gastrennung von Helium, CO2 und Stickstoff. Sie verwendeten für ihre Untersuchung Flüssigkristallmembranen. Flüssigkristallmoleküle können sich in verschiedenen Nanostrukturen arrangieren. Diese Strukturen fallen je nach Herstellungsprozess unterschiedlich aus und sind somit steuerbar. Damit sind Flüssigkristallmembranen ideal geeignet, um den Einfluss der Nanostrukturen auf die Gastrennung zu untersuchen.

Eine häufig verwendete Herstellungsmethode besteht darin, die Selbstorganisation von reaktiven Flüssigkristallmolekülen in einer Zelle mit Abstandshaltern zu starten. Das hilft dabei, die Membrandicke und -ausrichtung besser zu kontrollieren und letztlich die molekulare Orientierung zu steuern. Die abschließende Vernetzung der Flüssigkristallmoleküle und Fixierung der Nanostrukturen ist erforderlich, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erreichen. So haben z.B. hoch geordnete Kristallmembranen (also keine Flüssigkristalle) eine niedrigere Gasdurchleitungskapazität jedoch eine höhere Selektivität für Helium und CO2 gegenüber Stickstoff.

Auch lamellare Strukturen und die Richtung des Gasflusses haben einen großen Einfluß auf Selektivität und Permeabilität der Membran. Darüber hinaus ist bekannt, daß Halogenatome wie Chlor oder Fluor die CO2-Permeabilität und -Selektivität verbessern, indem sowohl die Gaslöslichkeit als auch die Diffusion beeinflussen.

In den nun vorgestellten Versuchen, waren alle Membranen, die aus Flüssigkristallen mit ähnlichen chemischen Zusammensetzungen bestanden, jedoch unterschiedliche Halogenalkylabstandslängen besaßen, planar ausgerichtet. Die CO2-Sorption und die gesamte Gaspermeation waren besser, wenn deren Schichten weiter auseinander lagen. Die Gaslöslichkeit selbst war dabei nicht entscheident. Das wurde durch die erhöhten gemessenen Gasdiffusionskoeffzienten bestätigt.

Sperrige Halogene hatten nur begrenzt Einfluß auf die Gaspermeabilität und -selektivität. Die CO2-Permeabilität aller halogenierten Flüssigkristallmembranen nahm aufgrund einer geringfügig höheren CO2-Löslichkeit und des Diffusionskoeffizienten zu, was zu einer verbesserten Selektivitäten für CO2 führte. Insbesondere der Schichtabstand war ein entscheidender Faktor, der direkt den Diffusionskoeffizienten beeinflußte. Die Forscher empfahlen, daß zukünftige Arbeiten sich auf die Verbesserung der Trennleistungen konzentrieren sollten, indem die Membrandicke verringert wird.

Bei Frontis Energy freuen wir uns wie üblich schon auf ein gutes kommerzielles Produkt, das effektiv und billig CO2 aus Gasgemischen, wie zum Beispiel Biogas abscheiden kann.

Foto: Pixabay / SD-Pictures

Veröffentlicht am von

Bio-elektrisches System entfernt Stickstoff aus Abwasser

Belebtschlammbecken

Bei der Behandlung von Abwasser werden organische Verunreinigungen sowie Stickstoffverbindungen in einen energieintensiven Prozeß entfernt. Die Behandlung im Belebtschlamm benötigt zum Beispiel viel Energie für das Begasen mit Luft oder Sauerstoff. Die Belüftung verursacht dabei erhebliche Kosten. Für die Belüftung sind etwa 5 kWh pro Kilogramm je nach Kläranlage erforderlich. Die mit dem Energieverbrauch verbundenen Kosten machen in einer durchschnittlichen europäischen Abwasseraufbereitungsanlage rund 500.000 Euro pro Jahr aus. Dies ist bis zu einem Drittel der Gesamtbetriebskosten von Kläranlagen. Die Stickstoffentfernung aus Abwasser muß daher wirtschaftlicher werden.

Bioelektrische Technologie spart Energie

Herkömmliche Stickstoffentfernung besteht aus einer Abfolge von Nitrifikations– und Denitrifizierungsreaktionen. Die Nitrifizierung ist die aerobe Ammoniumoxidation zu Nitrit und Nitrat und wird von ammoniumoxidierenden Bakterien durchgeführt. In der anschließenden Denitrifizierung wird das Nitrat zu Stickstoffgas (N2) umgewandelt. Neben dem kostspieligen Belüftungsprozess erfordern die verbleibenden Zwischenprodukte Nitrit und Nitrat also eine weitere Abwasserbehandlung.

Anstelle des energieintensiven Pumpens von Sauerstoff in das Abwasser könnten bioelektrische Systeme mit viel niedrigeren Kosten das gleiche Ergebnis erzielen. In solchen Systemen stellt eine Anode den Elektronenakzeptor zur mikrobiellen Ammoniumoxidation dar und ersetzt den Sauerstoff. Die Belüftung entfällt dadurch oder kann stark reduziert werden.

Vollständige Umwandlung von Ammonium auf Stickstoffgas

Wir berichteten bereits über die Verwendung eines solchen bio-elektrischen Systems, um Ammoniak aus Abwasser in Fed-Batch-Reaktoren zu entfernen. Nun veröffentlichten Forscher der Universität von Girona eine weitere Machbarkeitsstudie basierend auf dieser neuen Technologie. Das vorgestellte bioelektrische System war ein komplett sauerstoffreier Reaktor, der kontinuierlich Ammonium zu Stickstoffgas umwandeln konnte. Der Zweikammerreaktor nitrifizierte Abwasser und entzog ihm so letztendlich den Stickstoff.

Die bio-elektrisch Ammoniumentfernung wurde in einem kontinuierlich betätigten Ein-Liter-Reaktor mit einer Umsatzrate von ~ 5 g / m3 / Tag katalysiert. Eine komplexe mikrobielle Gemeinschaft mit nitrifizierenden Bakterien wie Nitrosomonas sind als Schlüsselorganismus wurde ebenfalls beschrieben.

Aus einer Anwendungsperspektive ist ein Kosten-Nutzen-Vergleich zwischen bioelektrischen Systemen und der klassischen Abwasserbehandlung erforderlich. Die Forscher zeigten, daß der selbe Grad der Stickstoffenfernung erzielt wurde (>97%). Das bioelektrische System wandelte Ammonium zu Sticke ohne eine Anreicherung von Zwischenprodukten um. Ihr System erforderte etwa 0,13 kWh pro Kilogramm Stickstoff mit einer Flußrate von 0,5 l / Tag. Die Verwendung eines bioelektrischen Systems verbraucht im Vergleich zur klassischen Belüftung mit zirka 5 kWh pro Kilogramm 35 mal weniger Energie. Gleichzeitig werden keine schädlichen Zwischenprodukte wie Nitrit- oder NOx-Gase gebildet.

Mikrobiell erzeugter Strom treibt die Ammoniumoxidation an

Der vorgestellte Artikel zeigte auch potenzielle Hinweise für den mikrobiellen Abbauweg. Das Verständnis um die zugrunde liegenden Mechanismen kann die Prozesse der anoxischen Ammoniumentfernung in bioelektrischen Systemen optimieren.

Als Abbauweg für Stickstoff schlugen die Autoren die bioelektrische Oxidation von Ammoniak über Stickstoffmonoxid vor. Dieser wurde möglicherweise von einer Mikrobe der Gattung Achromobacter durchgeführt. Auf diese Reaktion folgte vermutlich die Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffgas. Diese Reduktionsreaktion könnte eventuell von Denitrassisoma durchgeführt worden sein. Alternativ wurden drei weitere Sekundärrouten betrachtet: Die selbe bioelektrische Oxidation, gefolgt von Anammox oder ganz ohne Stickstoffmonoxid direkt an Stickstoffgas. Eine Art Electro-Anammox kann auch möglich sein.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß die direkte Umwandlung von Ammonium zu Stickstoffgas durch die Umkehrung der Stickstoffixierung eine Möglichkeit ist.  Gene, die fuer Elemente der Stickstoffixierung verantwortlich sind, sind in der mikrobiellen Welt allgegenwärtig. Diese Umkehrung würde die universelle biologische Energiewährung ATP generieren, anstatt sie zu konsumieren.

Es wurde gezeigt, daß Achromobacter sp. in der beschriebenen mikrobiellen Vergesellschaftung mit bis zu 60% die häufigste Mikrobe war. Im Reaktor wurden jedoch auch Anammox-Arten (Candidatus Kuenenia und Candidatus-Anammoximicrobium) so wie denitrifizierende Bakterien (z.B. Denitratisoma) nachgewiesen.

Es wurden zwei mögliche elektroaktive Reaktionen identifiziert: Hydroxylamin- und Nitritoxidation. Dies spräche ebenfalls für der Anode als Elektronenakzeptor der Ammoniumoxidation. Nitrit- und Nitrattests legten nahe, daß sowohl die Denitrifizierung als auch Anammox-basierende Reaktionen in dem System erfolgt sein könnten.

Ammonium wurde ohne Anhäufung von Zwischenprodukten vollständig zu Stickstoffgas oxidiert. Die Autoren zeigten, daß Ammonium einem kontinuierlich betriebenen bioelektrischen System entfernt werden kann. Zur Skalierung des Systems sind jedoch ein besseres Verständnis von Reaktor- und Verfahrenstechnik sowie der zugrunde liegenden mikrobiellen und elektrochemischen Vorgänge erforderlich.

Experimenteller Aufbau

Das Impfmaterial bestand aus Biomasse zweier Nitrifikationsreaktoren.

  • Der Reaktor wurde aus zwei 1-Liter-Kammern aufgebaut, die einen Anode- und Kathodenraum beinhalteten
  • Der Separator diente Anionenaustauschermembran um die Diffusion von Ammonium auf das Kathodenraum zu minimieren
  • Die Anode- und Kathodenkammern wurden mit Graphitgranulat befüllt
  • Eine Ag/AgCl-Referenzelektrode wurde im Anodenraum verwendet
  • In jeder Kammer wurden zwei Graphitstangen als Stromkollektoren platziert
  • Das System wurde im Batch- und Durchlaufmodus betrieben

Bild: 5056468 / Pixabay

Veröffentlicht am von

Fluordotierung verbessert Ethanolbrennstoffzellen

Direktethanolbrennstoffzellen (DEBZ) sind Brennstoffzellen, die mit Ethanol als Brennstoff betrieben werden und direkt elektrische Energie erzeugen. Obwohl sie eigentlich sehr viel zu bieten haben, werden sie noch nicht industriell gefertigt. Ethanol wird aus Biomasse durch Hefen hergestellt. Seine Oxidationsprodukte – CO2 und H2O – sind daher umweltfreundlich. Die Anwendung von DEBZ könnte aufgrund der Energieeffizienz eine lukrative Lösung für Fahrzeuge sein, so sie denn in großen Stückzehen produziert werden. Unsere derzeitige Brennstoff-Infrastruktur ist für Ethanol durch die derzeitige Beimischung schon einsatzbereit. Die DEBZ-Nutzung wäre daher eine nachhaltige, umweltfreundliche und schnell einsetzbare Alternative zu aktuellen Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus ist Ethanol flüssig, was die Verteilung, Lagerung und Verwendung erleichtert.

Laut einer von der Internationalen Energieagentur (IEA) gesponserten Studie stellen DEBZ hohe Leistungsdichten bereit, die zwischen 50 und 185 mW / cm² liegen. Derzeit sehen sich DEBZ mit mehrfache Herausforderungen konfrontiert. Dazu zählen wie langsame Redox-Kinetik, begrenzte Leistung und hohen Kosten für die benötigten Elektrokatalysatoren.

Die beiden Hauptreaktionen in DEBZ sind:

  1. Ethanoloxidationsreaktion (EOR)
  2. Sauerstoffreduktionsreaktion (SRR)

Die träge Reaktionsgeschwindigkeit hat die Verbreitung dieser Technologie bisher verhindert. Moderne DEBZ benötigen teure platinbasierte Materialien, um diese Reaktionen zu katalysieren. Sie oxidieren jedoch Ethanol nicht vollständig zu CO2. Das begrenzt die Energieeffizienz. Eine Dieses Problem kan behoben werden, indem nicht umgesetzter Brennstoff erneut injizieren eingespeist wird. Da dies die Komplexität der Brennstoffzelle erhöht, wäre eine bessere Lösung, effizientere Katalysatoren zu finden. Um das wahre Potenzial von DEBZ auszuschöpfen sollten am besten günstigere Katalysatoren für die beiden Reaktionen gefunden werden.

Die Forscher an der University of Central Florida und ihre Kollegen experimentierten mit Palladium-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren (Pd-N-C) und versuchten, die Leistung durch Einführung von Fluoratomen zu verbessern. Das Team benutzte alkalische Membranen und platinfreie Katalysatoren. Diese waren sowohl kostengünstiger erzeugten auch eine hohe Ausgangsleistungsleistung.

Bisherige Forschung an elektrokatalytischen Systemen ergab, daß die lokale Elektrodenkoordinierung von zentraler Bedeutung für die Aktivität von Redox-Katalysatoren aus kohlenstoffbasierten Metallnanopartikeln ist. Die neue Studie zeigte, daß die Einführung von Fluoratomen in Pd-N-C-Katalysatoren die Elektrodenkoordinierung günstig beeinflußt. Dadurch wurde sowohl Aktivität erhöht als auch Haltbarkeit der Katalysatoren verbessert. Zusammengenommen wirkte sich das positiv auf die Gesamtleistung des Brennstoffzelle aus. Die experimentellen Ergebnisse der langfristigen Stabilität sind ein vielversprechender Fortschritt gegenüber praktischen Anwendungen solcher Katalysatoren in DEBZ.

Ergebnisse

Bei Experiment mit dem neuen Katalysator wurde festgestellt, daß die Fluoratome die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung schwächen und die Stickstoffatome in Richtung Palladium entlassen. Diese Elektronenübertragung regulierte effizient die Elektrodenkoordinierung des Palladiums, indem aktive Palladium-Stickstoff-Zenten für katalytische Reaktionen gebildet wurden.

Die N-reiche Palladiumoberfläche förderte die Spaltung der Kohlenstoffbindungen und ermöglichte die vollständige Ethanoloxidation. Während der SRR hat die N-reiche Palladiumoberfläche nicht nur die CO2-Adsorption reduziert, sondern erzeugte auch besser zugängliche katalytische Stellen für eine schnellere Sauerstoffadsorption.

Nach Angaben der Autoren wurde ein häufig auftretendes Problem in den DEBZ – die nicht abgeschlossenen Schlüsselreaktionen – behoben. Der neue Katalysator verbesserte die Gesamtleistung der Brennstoffzelle. Die Fluordotierung erhöhte auch die Haltbarkeit des Katalysators, indem die die Korrosion die Kohlenstoffkorrosion reduziert. Auch wurde die Palladiummigration und -aggregation gehemmt.

In einer DEBZ getestet, wurde mit dem neuen Katalysator eine maximale Leistungsdichte von 0,57 W / cm² erreicht. Die Brennstoffzelle lief für mehr als 5.900 Stunden stabil. Die vorgeschlagene Strategie der Fluordotierung führte unter Verwendung anderer kohlenstoffgestützter Metallkatalysatoren generell zu verbesserter Aktivität und Stabilität.

Ausblick

Der Hauptmangel alkalischer DEBZ ist ihre Haltbarkeit. Derzeit reicht sie für praktische Anwendungen nicht aus. Darüber hinaus haben die verwendeten Anionenaustauschermembranen zwei Probleme:

  • Die strukturelle Stabilität der Membran reicht nicht aus, um sie langfristig zu verwenden
  • Katalysatorcarbonisierung erfolgt in Anwesenheit von CO2 aufgrund seiner Reaktion mit Hydroxidionen, wodurch sich der Katalysator letztendlich abnutzt.

Obwohl die DEBZ in der vorgestellten Studie für bemerkenswerten 5.900 Stunden lief, mußte die Membran nach 1.200 Stunden ausgetauscht werden. Da das Austauschen der Membranen eine vollständige Demontage der Zelle erforder, ist dies langfristig keine praktable Lösung.

Daher sollte sich die zukuenftige Forschung auf die ionische Leitfähigkeit und der Stabilität anionischer Membranen unter alkalischen Bedingungen konzentrieren. Idealerweise wird die zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit verwendete Hydroxidlösung vermieden, um die Energiedichte zu erhalten und die Komplexität der Vorrichtung zu reduzieren. Festoxidbrennstoffzellen bieten eine Lösung für diese Probleme, da der Kraftstoff in gasförmiger Form oxidiert wird. Ihre keramische Membran ist jedoch zu fragil für mobile Anwendungen.

Das publizierte Experiment ist ein signifikanter Fortschritt bei der Verbesserung der Leistungsdichte von DEBZ und bringt sie damit auf einen neuen Stand der Technik. Die weitere Forschung muß jedoch die zahlreichen kleineren Hindernisse bei der langfristigen Verwendung von anionischen Membranen angehen.

Experimentelle Analyse

Verwendete Materialien

Handelsübliche Pd/C-Partikel (10%, 8 nm PD-Partikel auf Aktivkohle) sowie Pt/C (20%, 3 Nm-Pt-Partikel auf Kohle) wurden als Basiskatalysatoren verwendet. Nafion™ -Lösung (5%), Kohlepapier (TGP-H-060) und Anionenaustauschermembranen (Fumasep FAS-PET-75) kamen ebenfalls zum Einsatz.

Synthese von Heteroatom X-dotiertem Kohlenstoff (X-C, X = N, P, S, B, F)

Kohlepartikel mit reich vorhandenen Sauerstoff-Gruppen und Melamin (C3H6N6) wurden gemischt und gemahlen und schließlich pyrolysiert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde N-C durch Waschen mit Ethanol und Wasser erhalten. Die gleiche Methode wurde verwendet, um P-C, S-C, B-C und F-C aus Natriumhypophosphitsäure-, Schwefelpulver, Borsäure und Polyvinylidendifluorid zu synthetisieren.

Synthese von Heteroatomfluor-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren

N-C und Polyvinyliden-Difluorid wurden gemischt und gemahlen, bevor sie in eine Lösung von Aceton und Wasser hinzugefügt wurden. Nach der Ultraschallbehandlung wurde das Gemisch in einem Ölbad unter Rückfluß erhitzt, bis es vollständig getrocknet war. Um den fluorierten Katalysatorträger zu erhalten, wurde die Mischung pyrolysiert und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Proben mit Ethanol und Reinstwasser gewaschen, gefolgt von Vakuumbehandlung. Die gleiche Methode wurde für die anderen Vorstufen verwendet.

Mikrowellenreduktion wurde verwendet, um den Palladiumkatalysator auf dem Katalysatorträger zu synthetisieren. Der Palladiumanteil in allen Proben war 1%, was durch Röntgenspektroskopie bestätigt wurde.

Elektrochemische Charakterisierungen.

Für die elektrischen Messungen wurden entweder eine glasartige Kohlenstoff-Ring-Platten-Elektrode oder eine rotierende Ringscheibenelektrode verwendet. Die Fumasep-Membran wurde als Anionenaustauschermembran verwendet, und durch Hydroxylgruppen modifiziert.

Literatur

Chang et al., 2021, Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment. Nature Energy 6, 1144–1153 https://doi.org/10.1038/s41560-021-00940-4

Bildnachweis: P_Wei, Pixabay

Veröffentlicht am von

Mikrobielle Brennstoffzelle im Pilotmaßstab produziert Strom aus Abwasser

Bei der Abwasserbehandlung ist die Belüftung ein energieintensives und notwendiges Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen. Dabei blasen Pumpen Luft in das Abwasser und versorgen so die im Belebtschlammbecken vorhanden Mikroben mit Sauerstoff. Diese Bakterien oxidieren im Gegenzug organische Stoffe zu CO2 und entfernen diese adaurch aus dem Abwasser. Dieses Verfahren is der indutrielle Standard und hat sich seit über einem Jahrhundert bewährt. Geht es nach den Forschern der Washington State University und der University of Idaho, ändert sich das jetzt.

In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher ein einzigartiges mikrobielles Brennstoffzellensystem, das sie als Ersatz für den Belebtschlamm entwickelten. Dieses nachhaltige Abwasserbehandlungssystem, reinigt Abwasser mithilfe von Mikroorganismen, die elektrischen Strom produzieren. Solche Mikroben nennt man Elektrophile.

Die Arbeiten sollen eines Tages zu einer geringeren Abhängigkeit von den energieintensiven Klärprozessen führen. Die meiste Energie in solchen Prozessen wird im Belebtschlamm und bei dessen Entsorgung verbraucht. Der Energieverbrauch bei der Wasseraufbereitung produziert weltweit zirka 4-5% des anthropogenen CO2. Zum Vergleich, laut der Air Transport Action Group in Genf produzierte der internationale Luftverkehr Jahr 2019 2,1% CO2. Ihre Arbeit publizierten die Forscher in der Fachzeitschrift Bioelectrochemistry. Zusätzlich zur Senkung der Emissionen, würde eine Senkung des Energieverbrauchs der Abwasserbehandlung jährliche Kostenersparnisse in Milliardenhöhe bringen.

Mikrobielle Brennstoffzellen lassen Mikroben chemische Energie ähnlich wie eine Batterie in Elektrizität umwandeln. Bei der Abwasserbehandlung kann eine mikrobielle Brennstoffzelle die Rolle der Belüftung übernehmen und Elektronen aus dem Abwasser aufnehmen. Diese Elektron sind wiederum ein Abfallprodukt des bakteriellen Stoffwechsels. Alle lebenden Organismen sind bestrebt, ihre ueberschuessigen Elektronen abzugeben. Dieser Prozess wird unter als Atmung oder Gärung bezeichnet. Der von den Mikroben erzeugte Strom kann für nützliche Anwendungen in der Kläranlage selbst verwendet werden. Die Technologie schlägt also zwei Fliegen mit einer Klappe. Einerseits spart die Klärung des Abwasser Energie. Andererseits erzeugt sie zusätzlich Strom.

Bisher wurden die mikrobiellen Brenstoffzellen experimentell in Abwasserbehandlungssystemen unter idealen Bedingungen eingesetzt, aber unter realen und wechselnden Bedingungen versagen sie häufig. Den mikrobiellen Brennstoffzellen fehlt eine interne Regulation, die das Potenzial von Anoden und Kathoden und damit das Zellpotential steuern, was zu einem Systemausfall führen kann.

Die Forscher fügten dem System eine zusätzliche Referenzelektrode hinzu, die die Steuerung ihres Brennstoffzellensystems ermöglicht. Das System ist umschaltbar. Es kann entweder als mikrobielle Brennstoffzelle für sich arbeiten und keine Energie verbrauchen, oder es kann so umgestellt werden, dass weniger Energie zur Belüftung verbraucht wird während es das Abwasser intensiver reinigt. Frontis Energy verwendet ein ähnliches Steuersystem für seine Elektrolysereaktoren.

Das System wurde ein Jahr lang ohne Fehler im Labor sowie im Pilotmaßstab in einer Test-Kläranlage in Idaho betrieben. Das System entfernte Abfälle mit vergleichbaren Raten wie in einem klassischen Belebtschlammbecken. Zusätzlich könnte die mikrobielle Brennstoffzelle möglicherweise völlig unabhängig vom Stromnetz verwendet werden. Die Forscher hoffen, daß es eines Tages für kleine Abwasserbehandlungsanlagen verwendet werden könnte, beispielsweise für die Reinigung von Viehbetrieben oder in sehr ländlichen Gebieten.

Trotz der Fortschritte gibt es immer noch Herausforderungen, die bewältigen müssen. Es handelt sich um komplexe Systeme, die schwer zu bauen sind. Bei Frontis Energy sind wir auf solche System spezialisiert und können bei der Markeinführung helfen.

(Foto: Wikipedia / National University of Singapore)