Ein umweltschonendes, effizientes, biologisches Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff, dem ressourcenschonenden Energieträger der Zukunft

Stipendiatin/Stipendiat: Helge-Markus Dietrich

Die Suche nach Alternativen für die beinahe allseits verwendeten fossilen Brennstoffe als Energieträger läuft seit Jahren auf Hochtouren, jedoch liefern die bislang entwickelten Konzepte stets auch Probleme, die ihr Einsatzgebiet noch zu sehr einschränken. Hierbei tritt die Verwendung von Wasserstoff als erneuerbarem und umweltfreundlichem Energieträger immer weiter in den Vordergrund. Die größten Limitationen für die flächendeckende Nutzung von Wasserstoff liegen dabei in der effizienten Speicherung und dem sicheren Transport des hochexplosiven Gases.

Eine vielbeachtete Möglichkeit zur gleichzeitigen Lösung dieser beiden Barrieren ist die chemische Kopplung des H2 Moleküls an CO2 als Trägermolekül, woraus sich Ameisensäure (Strukturformel CH2O2) ergibt. Ameisensäure ist bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit, die deutlich weniger explosiv ist als gasförmiger Wasserstoff und somit ohne größeren Aufwand über weite Strecken transportiert werden kann. Am Ort des Endverbrauchs kann durch die Umkehrung der vorherigen Kopplungsreaktion molekularer Wasserstoff wieder freigesetzt und als Energiequelle direkt genutzt werden.

Die chemische Katalyse zur Bildung von Ameisensäure aus H2 und CO2 ist für die industrielle Herstellung aus ökonomischer Sicht nicht relevant, da die Effizienz dieser Katalyse auf Grund der thermodynamischen Stabilität von CO2 zu gering ist. Allerdings konnte in der Arbeitsgruppe von Prof. Volker Müller, Goethe-Universität Frankfurt am Main, vor wenigen Jahren ein aus dem acetogenen Bakterium Acetobacterium woodii stammender Enzymkomplex namens HDCR identifiziert und isoliert werden, welcher diese Reaktion mit einer weitaus höheren Umsatzrate katalysiert (Schuchmann und Müller, 2013). Unter physiologischen Bedingungen dieser Bakterien wird mittels der HDCR aus H2 und CO2 Formiat gebildet, welches das Salz der Ameisensäure darstellt. Der Stoffwechsel der acetogenen Bakterien kann zudem so umgestellt werden, dass die Zellen das ursprünglich als Zwischenprodukt gebildete Formiat nicht weiter verstoffwechseln, sondern als einziges Endprodukt nach außen abgeben.

Die Vorstellungen über die Struktur, Reaktion und Elektronentransportwege der HDCR beruhen bislang allerdings lediglich auf Spekulationen. Ein detailliertes Verständnis der Funktionsweise dieses Enzymkomplexes ist für die kommerzielle Nutzung dieser Methode jedoch unerlässlich, um die Reaktion in Richtung Formiatbildung zu optimieren. Im Zuge meiner Promotion sollen umfassende Enzymanalysen an der HDCR sowie an durch Mutation abgeleiteten Enzymvarianten der HDCR durchgeführt werden, um das Reaktionskonzept im Detail aufzuklären. Im Anschluss daran soll die Formiatsynthese mittels acetogener Bakterien im größeren Maßstab in Fermentern etabliert werden.

Förderzeitraum:
01.12.2016 - 31.12.2019

Institut:
Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt am Main Institut für Molekulare Biowissenschaften Lehrstuhl für Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik

Betreuer:
Prof. Dr. Volker Müller

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