Was ist eine Biokraftstoffzelle?
Eine Biokraftstoffzelle ist ein Gerät, das mithilfe biologischer Materialien auf direkte Weise durch Redoxreaktionen Strom erzeugt. Dies steht im Gegensatz zur herkömmlichen Verwendung von Biokraftstoffen zur Erzeugung von Elektrizität aus der durch die Verbrennung des Materials bereitgestellten Wärme. Das Prinzip der Biobrennstoffzellentechnologie besteht darin, verschiedene natürliche Prozesse nachzuahmen, die zur Energieerzeugung in lebenden Organismen verwendet werden. In einigen Fällen können Bakterien in diesen Brennstoffzellen eine Rolle spielen. Seit 2011 bieten Biokraftstoffzellen Potenzial als alternative Energiequelle und in verschiedenen medizinischen und biotechnologischen Anwendungen.
Lebende Organismen gewinnen Energie aus der Oxidation von Kohlenhydraten, die durch Photosynthese in Pflanzen erzeugt und von Tieren als Nahrung aufgenommen werden. Enzyme erleichtern die Reaktionen, bei denen Kohlenhydrate durch Entfernung von Elektronen in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden, die dann in Adenosintriphosphat (ATP) -Molekülen gespeichert werden. In einer Biokraftstoffzelle werden Elektronen, die durch Oxidation organischer Moleküle - normalerweise Kohlenhydrate wie in lebenden Organismen - erzeugt werden, verwendet, um elektrischen Strom zu erzeugen. Die Idee, diese biologischen Prozesse zur Stromerzeugung zu nutzen, bestand bereits seit den 1960er-Jahren. Frühe Versuche, eine praktische, funktionsfähige Biobrennstoffzelle zu bauen, stießen jedoch auf Schwierigkeiten.
Eine Biokraftstoffzelle besteht typischerweise aus einem Behälter, der durch eine durchlässige Barriere in zwei Abschnitte unterteilt ist. In einem Abschnitt liefert die Oxidation eines Kohlenhydrats - beispielsweise Glucose - Elektronen. Im anderen Abschnitt findet eine Reduktionsreaktion statt, die diese Elektronen nutzt. Durch Verbinden der beiden Elektroden kann ein Strom von der Elektrode im Oxidationsabschnitt - der Anode - zu der Elektrode im Reduktionsabschnitt - der Kathode - erzeugt werden.
Eines der größten praktischen Probleme bei der Entwicklung von Biokraftstoffzellen bestand darin, einen effizienten Weg zu finden, um die aus dem Kohlenhydrat freigesetzten Elektronen in die Anode zu befördern. Die Elektronen werden zunächst im oxidierenden Enzym gespeichert und würden auf natürliche Weise chemisch in ATP-Moleküle umgewandelt. Es gibt zwei mögliche Methoden, um Elektronen aus dem Enzym in die Anode einer Biokraftstoffzelle zu extrahieren.
Bei der direkten Elektronentransfermethode (DET) muss das Enzym an die Anode gebunden werden. Dies kann chemisch oder durch andere Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Konstruieren der Anode aus einem Netz von Kohlenstoffnanoröhren, auf denen das Enzym adsorbiert ist. Diese Verfahren führen zu einer verminderten Aktivität des Enzyms und demzufolge zu einem Effizienzverlust, aber dies ist zum Zeitpunkt des Schreibens ein Bereich der laufenden Forschung, und es können verbesserte Techniken entwickelt werden.
Die andere Methode des Elektronentransfers ist als Mediated Electron Transfer (MET) bekannt. Dies erfordert nicht, dass das Enzym mit der Anode in Kontakt steht; Stattdessen werden die Elektronen an ein anderes Molekül mit einem niedrigeren Redoxpotential weitergeleitet, das die Elektronen dann an die Anode abgibt. Diese als Mediator bekannte Verbindung muss auch ein höheres Redoxpotential als die Anode aufweisen. Dieser zusätzliche Schritt ist mit einem Energieverlust verbunden, sodass die Brennstoffzelle in der Praxis weniger effizient ist, als dies theoretisch möglich wäre.
Biokraftstoffzellen sind ein Bereich der aktiven Forschung und verschiedene mögliche Lösungen für diese Probleme werden untersucht. Zu den Möglichkeiten gehört der Einsatz von Bakterien in mikrobiellen Brennstoffzellen. Eisenreduzierende Bakterien, die unter anaeroben Bedingungen leben, sind besonders vielversprechend, da sie Eisen auf natürliche Weise in seiner Oxidationsstufe +3 auf seine Oxidationsstufe +2 reduzieren. Das Eisen kann dann ein Elektron an der Anode abgeben, in seinen +3-Zustand zurückkehren und als natürliches Mediatormolekül fungieren, indem es Elektronen von den Bakterien zur Anode überträgt.
Die Hauptvorteile von Biokraftstoffzellen sind, dass sie nicht umweltschädlich sind, keine teuren Katalysatoren erfordern und gemeinsame, kostengünstige und leicht nachwachsende Rohstoffe verwenden. Die Hauptnachteile von Biokraftstoffzellen sind ihre Ineffizienz und ihre geringe Leistungsabgabe. Ab 2011 besteht jedoch die Hoffnung, dass diese Probleme überwunden werden können und neue Möglichkeiten eröffnet werden. Dazu gehören nicht nur billige, saubere und erneuerbare Energien, sondern auch die Aussicht, dass implantierte Biokraftstoffzellen, die mit körpereigenen Substanzen betrieben werden, zur Stromversorgung von medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern eingesetzt werden.