Mit Graphen optimierte anaerobe Ver… – Information Centre – Research & Innovation

Elvera Bartels

In der Natur kümmern sich Bakterien um den Abbau von organischem Content aus Pflanzen und Tieren. Diese einzigartige Fähigkeit wird als anaerobe Vergärung bezeichnet und könnte die Art und Weise der Energieerzeugung revolutionieren. Allerdings besitzt sie zwei große Nachteile, die das EU-finanzierte Projekt Food plan überwinden will.


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Die anaerobe Vergärung ist ein natürlicher Prozess, bei dem Mikroorganismen organisches Content abbauen. Ihr Potenzial ist enorm, besonders angesichts der wachsenden und immer dringlicheren Notwendigkeit der Dekarbonisierung unserer Gesellschaften. Anaerobe Vergärung kann organische Abfälle von Mülldeponien fernhalten, Biogas für den Antrieb von Motoren erzeugen, Böden gesünder machen sowie flüchtige Methanemissionen reduzieren, die derzeit ten % der gesamten Treibhausgasemissionen ausmachen.
Sie fragen sich wahrscheinlich: Worauf warten wir dann noch? Nun, es bestehen zwei große Hürden für die anaerobe Vergärung, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch nicht vollständig überwunden haben. „Das erste Problem ist, dass Vergärung empfindlich auf viele Faktoren reagiert, was sie instabil und ineffizient macht, wenn diese Faktoren nicht kontrolliert werden“, sagt Lin Richen, Forschungsstipendiat der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen am College University Cork, Irland. „Das zweite Problem ist, dass die nach der Vergärung produzierten Gärreste immer noch eine beträchtliche Menge an Energie und Nährstofffracht enthalten. Die Absorption dieser Nährstofffracht erfordert eine große Landfläche und könnte bei nicht ordnungsgemäßer Bewirtschaftung zur Eutrophierung von Gewässern führen.“

Dank der EU-Finanzierung arbeitet Richen gemeinsam mit Jerry Murphy, dem Direktor des von der Science Basis Ireland finanzierten MaREI-Zentrums, an einer Lösung. Das Ziel ist es, die Produktion von Biogas wesentlich effizienter zu gestalten, als bisher. Zu diesem Zweck haben sie einen Prozess namens Immediate Interspecies Electron Transfer (Food plan) untersucht, der eine Reduzierung der Größe des Fermenters ermöglicht, während die gleiche Menge an Biogas produziert wird.

„Durch diese beiden Ergebnisse können wir die Kosten für nachhaltiges, erneuerbares Gasoline senken und gleichzeitig das Ziel der Internationalen Energieagentur (IEA) erreichen, die Produktion des Biogassektors um das 20-fache zu steigern, um eine dekarbonisierte Welt zu erreichen“, erklärt Richen.

Leitfähiges Content als Retter in der Not

Im Grunde genommen fügt Food plan einem Fermenter ein elektrisch leitfähiges Content wie Graphen hinzu. Das Content fungiert als Elektronenautobahn zwischen (flüchtige Fettsäuren produzierenden) Bakterien und (Biogas produzierenden) Archaeen, wodurch der Wasserstoffpartialdruck reduziert und der gesamte Produktionsprozess von Biogas verbessert wird. Richen betont: „Reaktionen zwischen Bakterien und Archaeen können während des Abbaus von feuchtem organischem Content zu Biomethan aufgrund der Ansammlung von Wasserstoff ineffizient sein. Food plan hilft, dies zu verhindern.“

Von einer bloßen Hypothese beim Projektstart entwickelte sich das Food plan-Verfahren in den letzten zwei Jahren zu einer verifizierten Lösung. Lösungen mit und ohne das leitfähige Content wurden einander im thermodynamischen Vergleich der Systeme sowie in Laborexperimenten gegenübergestellt, bei denen die Biomethanproduktion für eine Vielzahl von Rohstoffen in beiden Szenarien untersucht wurde.

„Wir können nun ein Graphen-basiertes Modell des direkten Elektronentransfers unter Verwendung einer Vielzahl von Substraten [einschließlich Ethanol und Glycin] bei unterschiedlichen Vergärungstemperaturen vorschlagen. Damit haben wir eine theoretische Grundlage geschaffen, um die Einflussfaktoren auf den direkten Elektronentransfer zwischen den Spezies zu verstehen. Die Theorie wurde durch Laborexperimente bestätigt, die höhere Produktionsraten von Methan erzielten und eine insgesamt höhere Methanausbeute generierten“, erklärt Richen.

Bei der Verwendung von Glycin als Substrat erhöhte die Zugabe von one g/L Graphen den Spitzenwert der Biomethanproduktion um 28 %. Das Projekt eröffnete erfolgreich einen Weg zu effektiverer Vergärung, und weitere Bemühungen sind nun im Gange, um das gleiche Prinzip auf fortschrittliche Rohstoffe wie Algen mit Pyrochar anzuwenden. „Wir haben bereits gezeigt, dass Pyrochar in seiner Rolle bei der Vergärung quick so effektiv ist wie Graphen, während es in der Regel 200 Mal weniger kostet“, schließt Richen.

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