29 Juli 2016

Benzinalternative: Forscherin der TU stellt Kraftstoff mit neuem bioelektrochemischen Verfahren her

Bakterien produzieren Butanol schneller und in größeren Mengen, wenn elektrisches Potential vorhanden ist

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Mareike Engel. Foto: Thomas Koziel

Wenn in einigen Jahrzehnten die Ölquellen versiegen, braucht es neue Technologien, um Autos und andere Maschinen am Laufen zu halten. Eine Alternative zum herkömmlichen Benzin stellen Kraftstoffe dar, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. An der TU Kaiserslautern forscht Doktorandin Mareike Engel daran, einen Benzinersatz mithilfe von Bakterien zu produzieren. Die Mikroorganismen setzen während einer Gärung zum Beispiel pflanzliche Reststoffe wie etwa aus Holz zu einem Kraftstoff um. Engel geht bei dieser bereits bekannten Methode nun neue Wege: Sie verbindet die Gärung mit einem elektrochemischen Verfahren, damit die Bakterien den Benzinersatz in größeren Mengen erzeugen.

Seit hunderten von Jahren setzten Menschen bei der Herstellung vieler Lebensmittel auf Mikroorganismen: Zum Beispiel beim Brauen von Bier oder bei der Herstellung von Käse und Joghurt. – Pilze und Bakterien vergären hierbei bestimmte Zuckerstoffe, wodurch unter anderem Alkohol oder Milchsäure entstehen.

Die Kleinstlebewesen kommen aber nicht nur bei der Lebensmittelproduktion zum Einsatz, sondern beispielsweise auch bei der Herstellung von Medikamenten, Kunststoffen oder Kraftstoffen. Immer öfter setzen Industrieunternehmen hierbei nachwachsende Rohstoffe ein. „Pflanzenstoffe können als Ausgangsstoff für verschiedene Substanzen dienen“, nennt Doktorandin Mareike Engel als Beispiel. „Dabei zersetzen Mikroorganismen die Fasern im Holz in verschiedene Zuckerstoffe.“

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Versuchsaufbau: Reaktor in dem die Bakterien Butanol herstellen können. Foto Thomas Koziel

An der TU forscht Mareike Engel daran, die Substanz „Butanol“ mit einem solchen Verfahren herzustellen. „Butanol ist mit seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften dem Benzin sehr ähnlich. Dies macht ihn als Kraftstoff interessant. Er kann direkt anstatt Benzin genutzt werden“, so Engel. Für die Gärung setzt sie auf Bakterien namens Clostridium acetobutylicum, die in der Lage sind, aus Zellulosefasern in Holzresten oder anderen pflanzlichen Abfällen Butanol herzustellen. Engel geht aber noch einen Schritt weiter: Sie nutzt nicht nur eine altbekannte, bereits gut erprobte Methode, sondern verbindet die Gärung mit einem elektrochemischen Verfahren. „Wir haben festgestellt, dass die Bakterien das Butanol schneller und in größeren Mengen herstellen, wenn wir ein elektrisches Potential anlegen“, erklärt die 26-Jährige. Die Mikroorganismen nutzen hierbei die freiwerdenden Elektronen, um den Kraftstoff herzustellen.

„Wir wissen allerdings nur in Grundzügen, was bei diesen Prozessen auf molekularer Ebene abläuft und wie die Elektronen in die Bakterienzellen kommen“, sagt Engel weiter. Dies möchte die junge Forscherin im Rahmen ihrer Promotion herausfinden. Sie forscht dazu in der Nachwuchsgruppe „BioSats“ von Dr. Nils Tippkötter. Der Wissenschaftler und sein Team haben sich den nachwachsenden Rohstoffen und ihrer Weiterverarbeitung verschrieben. „Wir vermuten, dass die Bakterien Nanodrähte bilden und die Elektronen so aufnehmen“, verrät Engel, die vor der Promotion den deutsch-französischen Studiengang Energie- und Antriebstechnik in Rouen und Kaiserslautern absolviert hat. Gemeinsam mit Biophysikern des Nano Structuring Centers der TU möchte sie die Bakterien am Rasterelektronenmikroskop genauer untersuchen, um herauszufinden, welche Prozesse bei den Mikroben auf molekularer Ebene ablaufen.

Die Forschung zur Bioelektrochemie steckt gewissermaßen in den Kinderschuhen. „Erst seit rund zehn Jahren arbeiten Wissenschaftler daran, die beiden Technologien zu verknüpfen“, weiß Engel. So muss die Forscherin in vielerlei Hinsicht Pionierarbeit leisten, wie sie sagt: „Es gibt beispielsweise noch keine passenden Bioreaktoren, bei denen elektrochemische Komponenten vorhanden sind. Diese Reaktoren brauche ich aber für die Gärung. Da musste ich selber ein eigenes System bauen.“ Engel ist eine der Ersten in Deutschland, die auf diesem Gebiet forscht. Unterstützt wird sie in ihrer Arbeit von Kollegen des Dechema-Forschungsinstituts in Frankfurt. Auch hier wird an der Bioelektrochemie geforscht.

 

Kontakt

Mareike Engel
Bioverfahrenstechnik
Tel.: 0631 205-5503
E-Mail: m.engel@mv.uni-kl.de

 

Über die TU Kaiserslautern

Die TU Kaiserslautern ist die einzige technisch-ingenieurwissenschaftlich ausgerichtete Universität in Rheinland-Pfalz. Zukunftsorientierte Studiengänge, eine praxisnahe Ausbildung und eine moderne Infrastruktur sind die Rahmenbedingungen, die Studierende an der Campus-Universität vorfinden. Die TU Kaiserslautern wurde beim bundesweiten Wettbewerb “Exzellente Lehre” mit dem Exzellenz-Preis für Studium und Lehre ausgezeichnet. Damit stellt die TU den hohen Stellenwert ihrer Studienangebote unter Beweis. Darüber hinaus profitieren die Studierenden und Wissenschaftler von den zahlreichen international renommierten Forschungseinrichtungen, die im Bereich der angewandten Forschung eng mit der TU Kaiserslautern kooperieren.

Source: Technische Universität Kaiserslautern, Pressemitteilung, 2016-07-26.

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