Bakterien erzeugen Wasserstoff aus Brot für die chemische Industrie

Lebende Bakterien haben in einer der meistgenutzten Reaktionen der chemischen Industrie fossilen Wasserstoff ersetzt: Sie erzeugen das Gas unmittelbar aus entsorgtem Brot.

Der Fortschritt macht aus einem Grundpfeiler der modernen Produktion ein energiearmes Verfahren, das ohne extern zugeführten Wasserstoff auskommt.

Brotgetriebene Wasserstoffreaktion

In einem einzigen verschlossenen Kolben ernährten sich Bakterien von Zuckern, die aus weggeworfenem Brot gewonnen wurden, und setzten beim Wachstum ohne Sauerstoff Wasserstoff frei.

Professor Stephen Wallace von der University of Edinburgh zeigte mit diesem System, dass das in lebenden Zellen erzeugte Gas ausreichte, um im selben Gefäß eine Hydrierung anzutreiben.

Statt komprimierten Wasserstoff aus fossil betriebenen Anlagen zu beziehen, lief die Reaktion bei annähernder Raumtemperatur ab, während die Mikroben das Gas fortlaufend bereitstellten.

Dieser abgeschlossene Aufbau macht eine Wasserstoffzufuhr unter hohem Druck überflüssig, wirft jedoch zugleich die Frage auf, wie sich solche lebenden Systeme in große Industriereaktoren einbinden lassen.

Die Rolle der Wasserstoffhydrierung in der Industrie

In Fabriken hilft die Hydrierung – das Hinzufügen von Wasserstoff zur Stabilisierung reaktiver Chemikalien – dabei, Öle, pharmazeutische Ausgangsstoffe und Kunststoffe in nutzbare Produkte umzuwandeln.

An Metallkatalysatoren wird Wasserstoffgas gespalten; die dabei entstehenden Atome lagern sich an Doppelbindungen an und verändern so Schmelzpunkte sowie das chemische Verhalten.

„Die Hydrierung ist die Grundlage großer Teile der modernen Fertigung, beruht aber noch immer fast vollständig auf Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen“, sagte Wallace.

Der Engpass fossiler Wasserstoff

Laut einer neuen Bewertung der Internationalen Energieagentur verursachte die weltweite Wasserstoffproduktion 2023 rund eine Milliarde Tonnen Kohlendioxid.

Die meisten Anlagen gewinnen Wasserstoff aus Erdgas oder Kohle; dabei entsteht Kohlendioxid, bevor eine Fabrik überhaupt mit der Hydrierung beginnt.

Der Transport von komprimiertem Wasserstoff und der Betrieb von Hochdruckreaktoren erhöhen den Energieaufwand, während Leckagen Brandrisiken schaffen, die Betreiber kontrollieren müssen.

Wenn dieser fossile Strom durch mikrobiell erzeugtes Gas direkt im Reaktor ersetzt wird, entfallen vorgelagerte Schritte; große Anlagen benötigen dennoch eine strenge Überwachung.

Mikroben erzeugen Wasserstoff

Ohne Sauerstoff wechseln einige Mikroben zur Fermentation: Sie gewinnen Energie aus Zucker ohne Luft und geben dabei Wasserstoff als Nebenprodukt ab.

In den Experimenten in Edinburgh wuchs ein gewöhnlicher Stamm von Escherichia coli auf Brotzuckern und erzeugte Wasserstoff in einem versiegelten Behälter.

Das Wachstum der Zellen ohne Luft veranlasste sie dazu, Wasserstoff abzugeben, den die Forschenden im selben Gefäß auffingen.

Weil der Wasserstoff bei Bedarf entstand, konnte der chemische Schritt nahe Raumtemperatur ablaufen, anstatt die üblicherweise nötige industrielle Hitze zu erfordern.

Palladium trifft auf Zellen

Während der Reaktion befand sich eine kleine Menge Palladium – ein Metall, das die Anlagerung von Wasserstoff an Moleküle unterstützt – auf der Oberfläche der Bakterien.

An diesem Metall spalteten sich Wasserstoffmoleküle, und die freigesetzten Atome gelangten zu nahegelegenen chemischen Zielmolekülen im Wasser.

Mikroskopaufnahmen zeigten, dass der Katalysator eng an der Zellmembran lag, was darauf hindeutet, dass die Oberfläche als Arbeitsbereich für die Umwandlung diente.

Trotz dieses Kontakts wuchsen die Bakterien weiter, was wichtig ist, falls die Chemie jemals mit großen Fermentern gekoppelt werden soll.

Produkte aus Brotkrümeln

Nachdem der Aufbau funktionierte, nutzte das Team ihn zur Veränderung mehrerer Chemikalien, für die normalerweise angelieferter Wasserstoff erforderlich ist.

Einige Zielmoleküle befanden sich außerhalb der Zelle, andere wurden zunächst von den Bakterien selbst produziert, bevor der Katalysator den Prozess abschloss.

In einem Versuch entstand Himbeerketon, das in Aromastoffen verwendet wird; in einem weiteren wurde eine Chemikalie hergestellt, die zur Nylonproduktion dient. Das zeigt, dass die Reaktion sowohl Spezialprodukte als auch Massenmaterialien unterstützen könnte.

Diese Beispiele blieben auf Laborgefäße beschränkt, deuteten jedoch an, dass lebende Zellen Wasserstoff für die Industrie ohne fossile Quellen liefern können.

Brotverschwendung als Rohstoff

Brotabfälle sammeln sich schnell an, und die Forschenden behandelten sie als Rohstoff statt als Müll für Deponien oder Verbrennungsanlagen.

Enzyme zerlegten das alte Brot in einfache Zucker, die die Bakterien ohne spezielle Verarbeitungsanlagen verwerten konnten.

Im Vereinigten Königreich werden jährlich etwa eine Million Tonnen Brot verschwendet, wodurch für diese Idee ein großer Rohstoffpool verfügbar ist.

Die Nutzung von Abfällen anstelle neuer Nutzpflanzen vermeidet zudem Zielkonflikte bei Flächen und Düngemitteln, doch die Sammlung sauberer Abfallströme im großen Maßstab bleibt schwierig.

Die Kohlenstoffkosten bilanzieren

Eine formale Lebenszyklusanalyse, also eine vollständige Erfassung der Emissionen vom Anfang bis zum Ende, verglich diesen Weg mit der herkömmlichen Hydrierung.

Wenn Brotverschwendung fossil erzeugten Wasserstoff ersetzt, könnte das Verfahren laut Analyse kohlenstoffnegativ werden und mehr Treibhausgase entfernen, als es verursacht.

Dazu trugen sowohl die Vermeidung von Deponierung oder Verbrennung als auch der Verzicht auf die energieintensive Wasserstoffproduktion bei, die gewöhnlich in sehr großem Maßstab erfolgt.

Diese Vorteile hängen von der lokalen Abfallbehandlung und den Energieentscheidungen ab; kohlenstoffnegative Ergebnisse werden daher je nach Region und Prozess unterschiedlich ausfallen.

Skalierung ohne fossile Brennstoffe

Für die Skalierung dieser Chemie reicht Laborglas nicht aus, denn die Industrie benötigt kontinuierliche Reaktoren, stabile Einsatzstoffe und vorhersehbare Ausbeuten.

In den nächsten Versuchen sollen weitere Mikroben und Bedingungen geprüft werden, mit dem Ziel, den Palladiumkatalysator zu ersetzen und die Reaktionen vollständig biologisch zu gestalten.

An der University of Edinburgh hat eine öffentliche Strategie „Zero by 2040“ Forschende dazu veranlasst, nach Produktionsschritten mit geringeren Kohlenstoffemissionen zu suchen.

„Diese Reaktionen mit mikrobiellem Wasserstoff durchführen zu können, eröffnet neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Fertigung im großen Maßstab“, sagte Wallace.

Wie es weitergeht

Die Umwandlung von Brotverschwendung in reaktionsbereiten Wasserstoff zeigte, wie Biologie und Chemie ein Gefäß teilen und zugleich Energieverbrauch sowie Emissionen senken können.

Die künftige Hochskalierung wird von verlässlichen Abfallströmen und sichereren Katalysatoren abhängen, doch die zentrale Idee weist bereits über eine fossil gespeiste Produktion hinaus.