Bio-Wasserstoff aus Mikroalgen Ein umweltverträglicher Energieträger der Zukunft?

Transkript

1 Bio-Wasserstoff aus Mikroalgen Ein umweltverträglicher Energieträger der Zukunft? Prof. Dr. Rüdiger chulz-friedrich Botanisches Institut und Botanischer Garten Christian-Albrechts-University Kiel Abt. Physiologie und Biotechnologie der pflanzlichen Zelle

2 Inhalte des Vortrages: - Biologische Grundlagen - Hauptprobleme - Lösungsstrategien - Bioreaktoren - Biowasserstoffprogramme - Zukunft

3 Biowasserstoff-Produktion und -Verbrauch O 2 Wasser Bioreaktor mit Algen o. Cyanobakterien CO 2 H 2 H 2 als Energieträger für - Kraft und Heizwerke - traßenverkehr - chienenverkehr - Flugverkehr - chiffahrt - Raumfahrt Biomasse

4 Photosynthese und Biowasserstoff

5 Photosynthese und Biowasserstoff Photosynthese 2H 2 O O 2 + 4e - + 4H + Hydrogenase 2H 2

6 Photosynthese und Biowasserstoff -1,20 V h υ P 840 * R E D O X P O T E N T I A L -1,00 V -0,80 V -0,60 V -0,40 V -0,20 V 0,00 V 0,20 V 0,40 V 0,60 V P 870 * P 870 e - Q B Purpur-Bakterien e - P 680 * P 700 * e - Q B e - P 700 Photosystem I e - F B P 840 e - F B Grüne Bakterien 2H + + 2e - e - H 2 0,80 V P 680 e - H 2H+ 2e - 2 O + + 1/2 O 2 1,00 V Photosystem II Grünalgen und Cyanobakterien

7 Vergleich: NiFe- und Fe-Hydrogenasen

8 Vergleich: Hydrogenase und Nitrogenase a) Zellfaden Anabaena spec. b) Funktion einer Heterocyste Madigan et al. Brock Mikrobiologie pektrum

9 Hauptprobleme: 1. Hemmung durch auerstoff 2. Geringe Produktionsraten - Adaptation unter anaeroben Bedingungen - Hemmung durch auerstoff - Readaptation Anaerob-Zelt

10 Mögliche Lösung des auerstoff-problems 1. Zeitliche Trennung der photosynthetischen O 2 and H 2 Produktion durch Kultivierung unter chwefelmangel (Publikation und Patent: Melis, eibert et al. 2000, UA) Melis et al. (2000) Plant Physiol. 122: Bioreaktor: eibert 2002

11 Mögliche Lösung des auerstoff-problems 2. Veränderung des Hydrogenase Gaskanals und des aktiven Zentrums der Hydrogenasen H 2 O 2 Wasserstoffkanal Cys - Fe Cys - Fe Cys - Fe Fe - Cys Fe - Cys Fe - Cys e - Mobiler Elektronenakzeptor bzw. -donator Cys (aktives Zentrum) Fe - Cys Cys Cys Ni Cys Fe C C C N O N e - - Cys Fe e - Cys - Fe Cys - Fe Protonenkanal Fe - Cys H + Große Untereinheit Kleine Untereinheit

12 Verstärkung der Biowasserstoff Produktion 3. Modifikation der Hemmung durch Thioredoxin Grünalge mit Thioredoxin Grünalge ohne Thioredoxin

13 Mögliche Lösung des Produktionsraten-Problems 4. Gentechnologische Veränderung der Physiologie 0,25 0,20 Menge des produzierten H 2 nmol H 2 /min/µg Chl 0,15 0,10 0,05 0,00 Wildtyp Mutante A Mutante B Mutante C

14 Mögliche gleichzeitige Lösung des auerstoff- Problems und des Produktionsraten-Problems 5. Expression von Fe-Hydrogenasen verschiedener Organismen in Heterocysten a) Zellfaden Anabaena spec. b) Funktion einer Heterocyste Madigan et al. Brock Mikrobiologie pektrum

15 Biowasserstoff Produktion ohne Gentechnik 6. Durchsuchen von Mikroalgen Kultursammlungen nach natürlich vorkommenden tämmen, die viel Biowasserstoff produzieren Algenkultursammlung des Fachbereich Biologie (Abt. Zellbiologie und Angewandte Botanik) der Philipps-University Marburg

16 Photobioreaktoren Pilot-Bioreaktor zur Demonstration der Biowasserstoff Produktion Brennstoffzelle Pilot-Bioreaktor zur Optimierung der Biowasserstoffproduktion im kleinen Maßstab Elektromotor Mikroalgen Aufbau: Röbbe Wünschiers Aufbau: Thorsten Heidorn, Björn Forberich

17 Demonstrations-Biorektor Biowasserstoff-Kongress, Hawaii, 1997

18 Japanischer Plan für eine Wasserstoff-Welt New unshine Program, Japan, seit 1993

19 Auswahl Internationaler Biowasserstoff Programme 1. BMFT: Biologische Wasserstoffgewinnung, Deutschland, , ca. 45 Forschungsgruppen. 2. EU, COT-Action 818: Hydrogenases and their Biotechnological Applications, , 12 Europäische Länder. 3. EU, COT-Action 841: Biological and Biochemical Diversity of Hydrogen Metabolism, , 12 Europäische Länder (+ Japan, Russland, UA). 4. IEA: Hydrogen Agreement - Task 15: Photobiological Production of Hydrogen, Kanada, Japan, Niederlande, Norwegen, chweden, UA. 5. DOE: Hydrogen, Fuel Cells and Infrastructure Technologies Program - Hydrogen Production by direct Water-plitting, UA. 6. Japan: New unshine Program, seit 1993.

20 Bio-Wasserstoff aus Mikroalgen Ein umweltverträglicher Energieträger der Zukunft?

21 o nicht!

22 Biowasserstoff-Produktion und -Verbrauch O 2 Wasser Bioreaktor mit Algen o. Cyanobakterien CO 2 H 2 H 2 als Energieträger für - Kraft und Heizwerke - traßenverkehr - chienenverkehr - Flugverkehr - chiffahrt - Raumfahrt Biomasse

23 Postdoc Die aktuelle Arbeitsgruppe Technische Assistentinnen Jens Appel Doktoranden/innen Claudia Marquardt abine Karg Ninja Backasch Kirstin Gutekunst Diplomanden/innen Dörte Hoffmann Martin Barz Markus Lommer Matthias chultze Björn Forberich Andreas Helbig ven Künzel Melanie Egert Jan Neumann

24 Finanzielle Unterstützung: Christian-Albrechts-Universität Kiel (CAU) Landesregierung chleswig-holstein (MBWFK) Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Innovationsstiftung chleswig-holstein (IH) Europäische Union (EU) Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) Deutscher Akademischer Austausch Dienst (DAAD) tudienstiftung des Deutschen Volkes Max-Buchner-Forschungsstiftung BlueBioTech GmbH Linde AG

25 Vielen Dank! Fragen?