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Bioverfahrenstechnik

Restln verfüttern und Wasserstoff plus Strom ernten

Wo findet man „Extremsportlerbakterien“? In Geysiren und anderen vulkanischen Quellen.
Wo findet man „Extremsportlerbakterien“? In Geysiren und anderen vulkanischen Quellen.Getty Images
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An der TU Wien wachsen Algen und Archaea-Bakterien im Reaktor: Die Zellen verbrauchen CO2 und geben Wasserstoff, Sauerstoff und Energie ab. Der nachhaltige Prozess könnte als Bioreaktor in jeder Gemeinde installiert werden.

In den Krisen unserer Zeit gilt Wasserstoff als einer der Hoffnungsträger, wie man erneuerbare Energien sinnvoll in unseren Alltag integriert. Das leichte Gas (H2) könnte als Treibstoff Lkw und Flugzeuge antreiben, es soll die chemische Industrie und Stahlproduktion nachhaltiger machen und kann Strom und Wärme gewinnen. „Wenn von grünem Wasserstoff die Rede ist, muss man aber genau hinschauen, mit welcher Art von Energie die Gewinnung abläuft, also die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff“, sagt Oliver Spadiut vom Institut für Verfahrenstechnik der TU Wien. Denn nicht alles, was ein grünes Pickerl hat, ist auch CO2-neutral.

„Derzeit entstehen circa 95 Prozent des als nachhaltig bezeichneten Wasserstoffs mithilfe fossiler Energie“, rechnet Spadiut vor. Sein Team will aber wirklich grün arbeiten, also die Spaltung von flüssigem Wasser in die gasförmigen Produkte H2 und O2 ohne Erdöl- oder Erdgasrohstoffe schaffen.

„Wasserspaltung ohne CO2-Emissionen gibt es in der Natur: Pflanzen und Algen machen das im ersten Schritt der Fotosynthese“, so Spadiut. Diesen Schritt will das Team der TU Wien im Labor nachstellen. Die Enzyme des Fotosystems sind bekannt und lassen sich dazu anregen, Wasser in seine einzelnen Ionen (H, O) zu zerlegen. Der nächste Schritt ist der Zusammenbau von H und H zu H2, also zum Wasserstoffgas, das uns die grüne Zukunft ermöglichen soll. „Hier gab es einige Ansätze von anderen Forschergruppen. Aber viele Ideen sind nicht über den Labormaßstab hinausgekommen.“

Ein Problem war, dass die Proteine, die aus H-Ionen Wasserstoffmoleküle machen, unter den harschen Bedingungen dieser Prozesse schnell den Geist aufgeben. Ein weiterer Versuch verpackte die Proteine in Lipidhüllen zum Schutz. Doch solche Fettstoffe werden mit Hitze und Sauerstoff genauso ranzig wie Öl oder Butter.

Das Geheimnis des Erfolgs der Wiener Forschenden ist nun, die gescheiterten Versuche für bessere Wege zu nutzen. „Die Proteine für die Wasserstoffbildung brauchen viel Licht, wodurch Wärme entsteht. Außerdem sinkt der pH-Wert in stark saure Bereiche. Wir haben also nach Mikroorganismen gesucht, die hohe Temperaturen und niedrige pH-Werte aushalten“, sagt Spadiut.

Futter von Milch- und Pommesfabriken

In heißen vulkanischen Quellen wurden sie fündig: Dort leben Archaea-Bakterien in extremen Bedingungen. Die „thermoacidophilen Archaeen“ fühlen sich in starker Säure (pH-Wert = 2) und Temperaturen von 80°C wohl. Diese Extremsportlermikroben verwenden Spadiut und seine Kollegen David Wurm und Julian Quehenberger auch für medizinische Forschungen im Start-up NovoArc, das von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG und der Austria Wirtschaftsservice (AWS) gefördert ist. Dort helfen die Zellhüllen der Extrembakterien, Arzneien unbeschadet durch den sauren Magen der Patienten zu bringen. Hier, im Projekt „PhotoSomes“, verwendet Spadiut die Mikroben, um Wasserstoff effizient zusammenzubauen. „Unsere Technik ist nicht nur CO2-neutral, sondern CO2-negativ“, betont er. Denn zur Aufzucht und Pflege der Mikroben setzen die Forschenden Abfallströme und CO2 ein. „Die Algen und Cyanobakterien, die uns die Fotosystem-Enzyme für die Wasserspaltung liefern, wachsen auf Reststoffen der Lebensmittelindustrie und veratmen gleichzeitig CO2. Die Abfälle bekommen wir vom Milchkonzern NÖM und einem Pommes-frites-Hersteller.“

Die extremen Archaeen wachsen hingegen auf CO2-Abgasen und Abfällen der Papierindustrie. „Wir haben Laborergebnisse hochgerechnet und könnten im besten Fall großtechnisch zwei Kilogramm Sauerstoff und 200 Gramm Wasserstoff pro Stunde und pro Quadratmeter Reaktorfläche erzeugen“, sagt Spadiut. Dieser biochemische Prozess spendet sogar Energie: Zehn Ampere Stromstärke pro Stunde und Quadratmeter kann aus dem PhotoSomes-Reaktor abgezapft werden. „Unsere Vision ist ein röhrenförmiger Reaktor, der in jeder Gemeinde in Österreich aufgestellt werden kann“, erklärt der Bioverfahrenstechniker. Man füttert die Algen und Archaeen mit Lebensmittelresten und CO2-Abgasen und bekommt dafür Wasserstoff, Sauerstoff und grünen Strom.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 22.10.2022)