Wasserstoffbioreaktor

Ein Wasserstoffbioreaktor ist ein Bioreaktor, in dem die biologische Produktion von Wasserstoffgas stattfindet. Die Produktion von Wasserstoffgas kann hierbei auf verschiedene Weisen erfolgen. So können Algen unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff erzeugen. In den späten 1990er Jahren entdeckte man dieses veränderte Verhalten der Algen bei Schwefelmangel. Die Algen stellen die Erzeugung von Sauerstoff ein und erzeugen das Wasserstoffgas. Eine andere Möglichkeit besteht in der Konstruktion eines Wasserstoffbioreaktors, dessen Basis Bakterien bilden. Hierbei besteht die Möglichkeit, ein zweistufiges System zu etablieren, in welchem thermophile Bakterien sowie Cyanobakterien Verwendung finden.

Eine Technologie dieser Art ist insofern interessant, als der so produzierte Biowasserstoff als klimaneutraler Energieträger verwendet werden kann. So könnte ein Algenzuchtbetrieb in der Größe von Texas genug Wasserstoff produzieren, um den weltweiten Energiebedarf zu decken. Die Wasserstoffproduktion aus einer Zucht von 25.000 Quadratkilometern könnte den gesamten Benzinverbrauch der USA ersetzen. Dies ist weniger als ein Zehntel der Fläche der Sojaproduktion der USA (Stand 2006).^[1]

Den ersten Nachweis, dass Mikroorganismen Wasserstoff bilden können, erbrachte der deutsche Biochemiker Felix Hoppe-Seyler Ende des 19. Jahrhunderts. Die meisten Bakterien und Pilze erzeugen Wasserstoffgas im Zusammenhang mit Gärungsprozessen.^[2][3] Im Jahre 1939 entdeckte der deutschstämmige Biochemiker Hans Gaffron bei Grünalgen die Fähigkeit, zeitweise Wasserstoff zu produzieren.^[4][5] Bis dahin war angenommen worden, dass nur prokaryotische Organismen über diese Möglichkeit verfügen. Die Hintergründe dieses Prozesses konnte er allerdings nicht klären. Anfang der 1970er Jahre konnte dann der Zusammenhang zwischen Wasserstoffmetabolismus und Photosynthese nachgewiesen werden^[6], es sollte aber noch einmal fast 30 Jahre dauern, bis das volle Potential einzelliger Grünalgen für die Herstellung von H₂ aufgezeigt werden konnte^[7]

Um 1990 beobachtete Anastasios Melis, ein Forscher der University of California in Berkeley, dass Schwefelmangel bei der Alge Chlamydomonas reinhardtii eine Veränderung des Photosyntheseprozesses bewirkt, welcher wiederum der von Gaffron beschriebenen Wasserstoffproduktion zugrunde liegt.

Um in der Energieerzeugung Verwendung zu finden, ist es allerdings nötig, die Wasserstoffproduktion effizienter (beziehungsweise ökonomischer) zu gestalten. So gelang es 2006 Forschern der Universitäten Bielefeld und Queensland, die Alge Chlamydomonas reinhardtii genetisch dahingehend zu verändern, dass sie gegenüber dem Wildtyp ein bis zu Fünffaches an Wasserstoff produzieren kann.

Weitere Forschungen beschäftigen sich mit der Gattung Scenedesmus Obliquus,^[8] die ebenfalls über Hydrogenasen zur Wasserstoffproduktion mittels Photosynthese verfügt.

Das Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des Karlsruher Institut für Technologie nennt als Möglichkeit für die Wasserstoffproduktion durch Mikroalgen die Art Chlamydomonas reinhardtii. Hierzu müssen sich die Algen in einer anaeroben Umgebung, in welcher ein Unterangebot an Schwefel herrscht, befinden.^[9]

• Behinderung der photosynthetischen Wasserstoffproduktion durch das Entstehen eines elektrochemischen Potentials
• Durch kompetitive Hemmung wird die Erzeugung des Wasserstoffes durch Kohlendioxid behindert.
• Für eine effiziente Photosynthese wird eine Bicarbonatverbindung benötigt.
• Abspaltung von Elektronen
• Der Wirkungsgrad ist sehr klein. Die normale Energieeffizienz (Umsetzung von Sonnenlicht in Wasserstoff) muss mindestens 7 bis 10 Prozent erreichen, um ökonomisch zu werden. In ihrer natürlichen Form erreichen die Algen aber nur 0,1 %.

Man versucht, diese Probleme mit Hilfe der Biotechnik zu lösen.

Außerdem ist die Konstruktion des Bioreaktors unter anderem hinsichtlich des Lichtbedarfs eine zu lösende Problemstellung.^[9]

2006: An der Universität Karlsruhe wird ein Prototyp eines Bioreaktors gebaut, der 500–1000 Liter Algensubstrat fasst.

Ingo Rechenberg: Photobiologische Wasserstoffproduktion in der Sahara. Werkstatt Bionik und Evolutionstechnik Band 2, Frommann-Holzboog, Stuttgart 1994, ISBN 3-7728-1643-6

• Biowasserstoff
• Wasserstoffwirtschaft

• Tasios Melis: Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures. In: DOE Hydrogen Program. University of California, Berkeley, Annual Report 2007 (PDF-Datei; 330 kB), englisch, abgerufen am 8. April 2011.
• Bericht in ARCHE ONLINE
• Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory
• FAO: Chapter 5 – Hydrogen production
• Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures (PDF-Datei; 367 kB)
• NREL Berichte
• Wissenschaftlicher Bericht Kostenanalyse (PDF-Datei; 678 kB)
• CYCLIC PHOTOBIOLOGICAL ALGAL H2-PRODUCTION, Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review (PDF-Datei; 146 kB), englisch, abgerufen am 8. April 2011.
• US Department of Energy, Washington: Artikelsammlung zum Stichwort H2-production, englisch, abgerufen am 8. April 2011.

1. ↑ newscientist.com: Growing hydrogen for the cars of tomorrow (25. Februar 2006).
2. ↑ Röbbe Wünschiers: Biologische „Elektrolyse“ durch Mikroalgen Uppsala University Dept. Physiol. Botany Uppsala Schweden
3. ↑ Hoppe-Seyler, F. (1887) in Zeitschrift für Physikalische Chemie 11: 561–568
4. ↑ Peter H. Homann: Hydrogen metabolism of green algae: discovery and early research - a tribute to Hans Gaffron and his coworkers. In: Govindjee, J.T. Beatty, H. Gest and J.F. Allen (Hrsgg.): Discoveries in Photosynthesis. In der Reihe: Advances in Photosynthesis and Respiration, Bd. 20. Springer-Verlag, S. 119 ff., ISBN 978-1-4020-3323-0. Kapitel online
5. ↑ H. Gaffron, Reduction of Carbon Dioxide with Molecular Hydrogen in Green Algæ Nature 1939, 3614, 204–205.
6. ↑ T. Stuart, H. Gaffron, Plant Physiology 1972, 6, 136–140.
7. ↑ Ulf-Peter Apfel und Sven Timo Stripp: Wasserstoffproduktion nach dem Vorbild der Natur GIT Labor-Fachzeitschrift 06/18 4. Juni 2018
8. ↑ Mariany Costa Deprá, Luiz Felipe Cetraro da Motta Pacheco, Raquel Rossi, Moira Nunes, Sérgio Goldemberg, Seiiti Suzuki, Mariana Menezes, Eduardo Jacob-Lopes: Hybrid photobioreactors: The success-to-failure experiences on pilot scale. In: 3rd Generation Biofuels. Elsevier, 2022, ISBN 978-0-323-90971-6, S. 1019–1035, doi:10.1016/b978-0-323-90971-6.00014-0. 
9. ↑ ^{a b} KIT: Wasserstoffproduktion mit Mikroalgen, abgerufen am 15. September 2014.