Die Designzelle als Energielieferant
Lichtgetriebene Wasserstoffproduktion mit "lebendem" Katalysator
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Mit einer Gesamtsumme von 4,3 Millionen Euro fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das deutschlandweit größte Verbundprojekt zur Biowasserstoffproduktion: Unter der Leitung von Prof. Dr. Matthias Rögner (Biochemie der Pflanzen, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der RUB) arbeiten acht international ausgewiesene Arbeitsgruppen fachübergreifend an der Entwicklung einer biologischen "Designzelle", die mit Hilfe von Solarenergie Wasserstoff aus Wasser erzeugt. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren. Beteiligt sind Biochemiker und Chemiker, Biophysiker und Physikochemiker, Mikrobiologen und Verfahrenstechniker aus Bochum, Berlin, Bielefeld, Köln und Mülheim. Allein die beteiligten Lehrstühle der RUB erhalten 2,2 Millionen Euro.
Aus zwei mach eins
Zunutze machen sich die Forscher die Photosynthese einzelliger Cyanobakterien ("Blaualgen"), die sie direkt mit dem wasserstoffproduzierenden Enzym Hydrogenase verbinden. Da Cyanobakterien keine leistungsfähige Hydrogenase besitzen, "importieren" die Wissenschaftler das Enzym aus Grünalgen - und optimieren es gleichzeitig so, dass es auch in Gegenwart von Sauerstoff voll funktionsfähig bleibt. Bei direkter Anbindung an den Prozess der photobiologischen Wasserspaltung sollen auf diese Weise Wasserstoffproduktionsraten erzielt werden, die mindestens einen Faktor 100 über den höchsten Raten liegen, die sich zurzeit mit photosynthetischen Organismen erzielen lassen.
Lebender Katalysator: fleißig und genügsam
Voraussetzung dafür ist, den Energiestoffwechsel der Zelle in vielen Einzelschritten so umzugestalten, dass die Blaualgenzelle über 75 Prozent der verfügbaren Energie für die Erzeugung von Wasserstoff anstelle von Biomasse verwendet: Die Cyanobakterienzelle wird praktisch zum lebenden Katalysator umfunktioniert, der sich durch Teilung stetig vermehrt und außer Wasser, Nährsalzen und Sonnenenergie keine Ansprüche hat.
Konkurrenzfähig am Markt
Kostenanalysen von Prof. Dr. Hermann-Josef Wagner (Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft, Fakultät für Maschinenbau der RUB) zeigen, dass der mit diesen zukünftigen "Designzellen" erzeugte Wasserstoff ökonomisch konkurrenzfähig ist - wenn es gleichzeitig gelingt, Massenfermentationssysteme für Mikroalgen ("Photobiofermenter") zu entwickeln, deren Preis unter zehn Prozent der Kosten bisheriger verfügbarer Systeme liegt. Derartige Entwicklungen sind ein entscheidender Teil des Projektes, sie wurden mit umliegenden Firmen bereits erfolgreich angegangen.
Vorläuferprojekt "Bio-H2"
Das vom BMBF neu bewilligte Projekt "Design natürlicher Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion" basiert auf dem vor kurzem beendeten BMBF-Projekt "Bio-H2", in dem Forscher unter Federführung der RUB die "Biobatterie" entwickelt haben - ein teils künstliches (semiartifizielles) System zur Biowasserstoffproduktion. Für das Folgeprojekt zum Design "natürlicher" Zellen als Wasserstofflieferanten hat das Ministerium die Fördermittel nun nahezu verdoppelt.
Projektpartner
Von der bewilligten Gesamtsumme entfallen ca. 2,2 Millionen Euro auf die drei von der RUB beteiligten Projektpartner: Prof. Matthias Rögner und Prof. Thomas Happe (Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen) sowie Prof. Hermann-Josef Wagner (Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft). An dem Verbundprojekt sind zudem beteiligt: FU Berlin (Prof. Holger Dau), HU Berlin (Prof. Bärbel Friedrich / Dr. Oliver Lenz), Universität Bielefeld (Prof. Joachim Heberle), Universität Köln (Prof. Albrecht Berkessel) sowie das MPI für Bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr (Prof. Wolfgang Lubitz).
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