TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Bakterielle Systeme (IV)

Im Rahmen eines Projekts ab 2010 (?), an dem mehrere britische Universitäten beteiligt sind, entwickelt Eileen H. Yu von der Newcastle University zusammen mit ihren Kollegen ein neues alkalisches Brennstoffzellensystem mit Anionenaustauscher-Membran, welches den Zucker und die komplexen Kohlenhydrate verwertet, die in Anlagen- und Industrieabfällen reichlich vorhanden sind.

Bislang habe ich weitere Veröffentlichungen von Yu erst wieder aus dem Jahr 2016 gefunden, als eine kritische Analyse der Integration von Mikrobiellen Elektrosynthese Systemen (MES) in die Abfallströme von Bioraffinerien erscheint, bei welcher durch die Wiederverwendung von CO₂ Biokraftstoffe und Chemikalien hergestellt werden. In einer zweiten Publikation aus diesem Jahr geht es um die Energiegewinnung aus menschlichem Serum mittels Bio-Brennstoffzellen, die auf Buckypapier basieren (s.u. Flüssigkeiten).

Eine Entdeckung von Wissenschaftlern der University of East Anglia (UEA) um Prof. David Richardson, die im Mai 2011 in der Presse erscheint, betrifft den Mechanismus, mit denen einige Bakterien überleben, indem sie ,Felsen atmen’. Dabei handelt es sich um Mikroorganismen, die in der Erde tief unter der Oberfläche leben und durch das Verarbeiten von Gestein – vor allem von Eisen-Mineralien – überleben.

Die dabei gewonnenen Erkenntnisse, daß die Bakterien nämlich winzige biologische Drähte konstruieren können, die sich durch die Zellwände erstrecken und es dem Organismus ermöglichen, wie mit einem Stecker direkt mit einem Mineral in Verbindung zu treten und diesem Elektronen zuzuleiten, sollen nun bei der Entwicklung neuer MFCs helfen.

Im Juni 2011 meldet die Fachpresse, daß es den Professoren Kelvin B. Gregory und Philip R. LeDuc an der Carnegie Mellon University (CMU) gelungen sei, die bislang weltweit kleinste MFC herzustellen. Die mikrobielle Stromerzeugung nutzt dabei eine sogenannte mikrofluidische Flußkontrolle.

Die neue Vorrichtung hat die Größe eines menschlichen Haares und erzeugt ihre Energie aus dem Stoffwechsel von Bakterien, die auf dünnen Goldplättchen in Mikrokanälen sitzen und einen Biofilm bilden, der natürliche organische Verbindungen als Brennstoff nutzt.

Ein Team von Forscherinnen der Michigan State University (MSU) um die Mikrobiologin Gemma Reguera veröffentlicht im September 2011 einen Bericht, in dem sie erklären, wie die Mikroben Strom erzeugen, während sie Atommüll reinigen.

Daß der Geobacter die Fähigkeit hat, Uran zu immobilisieren, war schon zuvor bekannt, doch die Forschung bekommt neue Relevanz, als das Team an dem Mikroorganismus Nanodrähte entdeckt, die nicht nur für die Uran-Reduktion verantwortlich sind, sondern auch als Manager der elektrischen Aktivität agieren. Zudem geben sie dem Geobacter Schutz und ermöglichen es ihm, in radioaktiver Umgebung zu überleben und zu wachsen.

Es handelt sich um Pili genannte, haarähnliche Ausstülpungen, welche die Geobacter wie Girlanden aus Nanodrähten umgeben und einen dünnen Biofilm schaffen, der Elektronen aus dem Organismus zu Eisen im Schlamm oder im Abwasser leitet.

Ein weiterer Erfolg stellt sich ein, als das Team einen Geobacter-Stamm gentechnisch so verbessert, daß sich die Produktion von Nanodrähten erhöht, wodurch der modifizierte Stamm die radioaktiven Abfälle effizienter reinigen kann als zuvor. Darüber hinaus zeigt auch seine Lebensfähigkeit als katalytische Zelle eine signifikante Verbesserung. Die Wirksamkeit dieses Mechanismus bewährt sich bei einer Probe vom Rückbau einer Uranfabrik in Rifle, Colorado.

Reguera und ihr Team reichen Patentanmeldungen ein und planen nun weitere Forschungen zur Entwicklung von MFCs, die Strom erzeugen.

Einen neue Meldung aus dem Team um Reguera gibt es allerdings erst im August 2016, als über neue Forschungen mit dem Bakterium Geobacter sulfurreducens berichtet wird. Dank der Gentechnik sei es dem Forschungsteam zwischenzeitlich gelungen, die leitenden Eigenschaften der Pili so weit zu steigern, daß es nun möglich ist, eine ausreichend große bakterielle Masse aufzubauen, um eine nützliche Ladung zu erzeugen.

Die Forschungen werden von der National Science Foundation (NSF) sowie mit einem Zuschuß vom Staat Michigan finanziert.

Biologen und Bio-Ingenieure der University of California in San Diego bekommen Ende 2011 viel Presse für eine lebendige Leuchtreklame, welche sie aus Millionen von Bakterienzellen geschaffen haben, die in regelmäßigen Abständen unisono fluoreszieren – d.h. gemeinsam aufleuchten und sich dann wieder verdunkeln. Das hat zwar nichts mit einer Stromproduktion zu tun, zeigt aber sehr gut, wie weit die Forscher auf dem neuen Gebiet der synthetischen Biologie bereits sind.

Um die bakterielle Blinkanzeige zu erstellen, wird von dem Team um Jeff Hasty zuerst ein fluoreszierendes Protein an die biologischen Uhren der Bakterien gekoppelt. Anschließend werden die Uhren der Tausenden Bakterien in den jeweiligen einzelnen Kolonien synchronisiert – und dann nochmals die Tausenden von blinkenden Bakterienkolonien, damit alle im Gleichklang periodisch aufleuchten. Die Grundlage dafür waren bereits in Veröffentlichungen der Jahre 2008 und 2010 beschrieben worden: zum einen die Konstruktion einer robusten und abstimmbaren biologischen Uhr, um blinkende, leuchtende E. coli Bakterien zu erzeugen, die bereits das Gen für grün leuchtendes Eiweiß aus Quallen enthielten, und zum anderen den Bau eines Netzwerks, um die Uhren zu synchronisieren.

Hierfür nutzen die Forscher die Fähigkeit der Bakterien, miteinander zu kommunizieren, indem sie Signalstoffe in Form von Gasen in ihre Umgebung abgeben, die von Artgenossen verstanden werden. Je höher die Anzahl der Organismen, desto höher steigt die Konzentration des Signalstoffs. Erreicht dieser eine bestimmte Schwelle, ändern sämtliche Individuen synchron ihr Verhalten.

Dies zu steuern, gelingt den Wissenschaftlern mit einem speziell entwickelten mikrofluidischen Chip, der einen Signalstoff namens AHL zu jeder der Kolonien emittiert. Zwischen dem AHL und dessen Rezeptor LuxR wird zudem eine positive und eine negative Rückkopplung installiert, bei der sich ein selbst regulierendes, periodisches An- und Abschwellen der Konzentration des Signalstoffs aufbaut – worauf die gesamte Bakterienkolonie ihr Verhalten synchronisiert.

Die größeren der Mikrofluidik-Chips enthalten 50 – 60 Mio. Bakterienzellen und haben die Maße einer Büroklammer, die kleineren mit rund 2,5 Mio. Zellen sind etwa ein Zehntel so groß. Jede der blinkenden Bakterienkolonien wird von den Forscher ein Biopixel genannt – als individueller Lichtpunkt, ähnlich wie die Pixel auf einem Computermonitor. Die größeren Mikrofluidik-Chips enthalten etwa 13.000 Biopixel, die kleineren ca. 500.

Eine sinnvolle und bereits angedachte Umsetzung dieser Entwicklung sind empfindliche Sensoren mit Bakterien-Displays, die das Vorhandensein und die Konzentrationen von verschiedenen toxischen Substanzen und Krankheitserregern anzeigen. Im Gegensatz zu den derzeit verfügbaren Einweg-Detektoren, die nur einen einzigen Messwert liefern, können die lebenden Sensoren kontinuierlich über lange Zeiträume eingesetzt werden. Hasty hofft nun, innerhalb von fünf Jahren einen günstigen, zuverlässigen und handlichen Sensor entwickeln zu können.

Eine künstlerische Umsetzung stammt von den beiden Designern Matt Neff und Orkan Telhan an der University of Pennsylvania, die Geobacter-Bakterien einsetzen, um ein kleines, erstaunliches und völlig autarkes flackerndes Meisterwerk zu schaffen.

Ihr Kunstprojekt vom Mai 2014 sieht aus wie ein winziger, in einem Glaskasten plazierter Bildschirm, umgeben von Erde und kleinen Pflanzen, was aber eine Illusion ist, denn tatsächlich handelt es sich um eine Zeichnung aus elektrolumineszierender Tinte, die im Siebdruckverfahren auf eine flache Oberfläche aufgebracht wurde – und nun mit ständig wechselnden Geschwindigkeiten vor sich hin flackert.

Die Elektrizität, welche die Tinte aktiviert, kommt von den Geobactern, die in der Erde des Terrariums leben und Strom erzeugen, wenn sie sich von organischem Material ernähren. Je mehr die Bakterien zu fressen bekommen, desto heller ist das Bild – das damit eine ganz neue Methode darstellt, die Aufmerksamkeit auf alternative Energiequellen zu lenken.

Ein Wissenschaftler-Team der University of Colorado Denver um die Professoren Zhiyong Ren und Jae-Do Park hat Meldungen vom April 2012 zufolge ein neuartiges System entwickelt, das die Energieausbeute von MFCs drastisch erhöht. Auch diese Arbeiten werden durch das Office of Naval Research finanziert.

Messungen an einem Prototypen, der auf einer Durchlauf-MFC und einem maximierten Leistungsstromkreis (Maximum Power Circuit) basiert, zeigen, daß das System im Vergleich zu einer üblicherweise verwendeten Ladungspumpe die Energieabgabe 76 mal erhöht und die Energieeffizienz 21 mal verbessert. Leider sind in den zugänglichen Informationen keine genaueren technischen Angaben oder gar echte Leistungsdaten zu finden.

Nur einen Monat später folgt die Nachricht, daß Forscher an der University of Leeds in Großbritannien untersuchen, wie sich Strom aus Elektroden generieren läßt, die von Bakterien oder anderen lebenden Zellen überzogen sind und Licht oder Wasserstoff als Brennstoff bekommen. Bei ihrer mit einem Zuschuß des Europäischen Forschungsrats in Höhe von 1,42 Mio. £ finanzierten Arbeit konzentrieren sich die Wissenschaftler um Lars Jeuken in erster Linie auf bakterielle Enzyme und darauf, wie anorganische Materialien und biologische Moleküle wechselwirken.

Um eine vollständige Kontrolle der biochemischen Interaktionen bei ihren Elektroden zu erreichen, wie es bislang nur begrenzt möglich war, kombiniert das Team die neuesten Entwicklungen der Oberflächenphysik, der Kolloid- und organischen Chemie mit der Membranbiologie und der Elektrochemie. Das Ergebnis soll nun bei Membranproteinen angewendet werden und Energie aus Licht und Wasserstoff erzeugen.

Jeukens Forschung ist auch ein Beitrag zu dem neuen Interdisziplinären Zentrum für Mikrobielle Brennstoffzellen (Interdisciplinary Centre for Microbial Fuel Cells, ICMFC), das gemeinsam von den Universitäten Leeds, Sheffield und York eingerichtet wird, um die Leistung der MFCs mit einer Kombination aus synthetischer Biologie und Nanotechnik weiter zu verbessern.

Im Juli 2012 erscheint ein Bericht der Forscher César Torres und Sudeep Popat von der Arizona State University, die MFCs in Zukunft mit kommunalen Abfallströmen sowie Quellen landwirtschaftlicher und tierischer Abfälle verknüpfen wollen, um ein nachhaltiges System für die Behandlung von Abfall zu schaffen, das zur gleichen Zeit der Energieproduktion dient.

Ihre Studie ist die erste umfassende Analyse der Einschränkungen, denen die Kathoden von MFCs unterworfen sind, um Quellen der Ineffizienz zu identifizieren. Sie soll dazu beitragen, diese Systeme durch kontinuierliche Verfeinerung der Betriebsbedingungen und Materialien weiter zu entwickeln.

Am Okinawa Institute of Science and Technology in Japan arbeitet eine Forschungsgruppe wiederum daran, MFCs billig und effizient genug für reale Anwendungen zu machen, wie im Oktober 2012 berichtet wird. Eine große Herausforderung dabei ist es, robuste und preisgünstige Elektroden zu konstruieren, die den elektrischen Strom gut leiten, korrosionsbeständig sind und die Bakterien nicht vergiften, die auf ihren Oberflächen siedeln. Um dies zu erreichen, werden neue Arten von Elektroden gebaut und getestet, die mit Nanopartikeln besetzt sind.

Die Idee dabei ist, einen Kern aus billigem Material mit einer sehr dünnen Schicht aus einem teureren, biokompatiblen Metall zu beschichten und die resultierenden Nanopartikel dann auf der Oberfläche einer Kohlenstoffelektrode zu vekleben. Zusätzlich zu der Kostenreduzierung bei dem teuren Metall wird dies auch die Oberfläche der Elektrode vergrößern, so daß sie mehr stromerzeugende Bakterien beherbergen kann. Auf dem Foto ist die topographische 3D-Rasterkraftmikroskopie-Aufnahme von metallischen Nanopartikeln zu sehen, die auf Graphit deponiert sind.

Mikroskopische Organismen könnten auch im Bereich der Bio-Elektronik sehr viel mehr tun – doch die Zellmembran bildet eine ,schmierige Barriere’, die den Fluß der Elektronen zwischen dem Organismus und den elektronischen Komponenten blockiert. Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) um Caroline Ajo-Franklin berichten im Februar 2013, daß dieses Hindernis wahrscheinlich fallen wird, da es ihnen gelungen sei, die Elektronenübertragungswege der bekannten E. coli Bakterien zu verbessern.

Frühere Untersuchungen hatten festgestellt, daß eine relativ schwache Form von Elektronentransfer tatsächlich natürlich bei Shewanella oneidensis MR-1 Bakterien auftritt. Der Weg dieses Transfers besteht aus einem Komplex von MtrCAB-Proteinen, die es den Elektronen ermöglichen, die Zellmembran zu durchqueren und zu Metalloxiden oder Mineralien zu gelangen. Durch diesen Mechanismus kann S. oneidensis buchstäblich auf Metallen ,atmen’, auch wenn kein Sauerstoff verfügbar ist.

Um ein robusteres System zu entwickeln, begannen die Forscher E. coli dahingehend zu manipulieren, große Mengen an MtrCAB-Proteinen zu produzieren und zu veranlassen, Nanokristalle von Eisenoxid zu reduzieren (diese Reduktion bezieht sich auf die Übernahme von Elektronen oder die Freigabe von Sauerstoff). Allerdings zeigte sich dabei, daß die gentechnisch veränderten E. coli sogar weniger effizient als S. oneidensis arbeiten, mit reduziertem Wachstum und langsamerem Elektronentransfer.

Das Team entdeckt, daß zuviel des Guten wirklich zuviel des Guten ist, denn die zusätzlichen MtrCAB-Proteine ​​machten die E. coli im Grunde krank. Um die richtige Balance zu finden, werfen die Forscher einen ganzheitlichen Blick auf die Angelegenheit – was bedeutet, daß sie hunderte von Varianten überprüfen, um einen effektiveren Stamm von E. coli zu finden. Dabei stellt sich heraus, daß der Stamm, der an der Anode den größten Strom erzeugt, nicht etwa der Stamm ist, der entwickelt wurde, um die Anzahl der Elektronenleitungen in der Membran zu maximieren, sondern ein Stamm mit optimierter Zellgesundheit, obwohl dieser nur eine moderate Menge von Elektronentransport-Proteinen besitzt.

Besonders interessant ist die Interpretation der veröffentlichten Ergebnisse, denen zufolge jede Zelle das Potential hat, zu einem lebendigen Draht umgewandelt zu werden, der elektrische Energie erzeugt und direkt mit gefertigter Elektronik interagiert - mit den zusätzlichen Boni, zur Selbstreparatur und Selbstvermehrung in der Lage zu sein.

Ebenfalls im Februar 2013 wird der Bericht über eine nicht-enzymatische Glukose-Brennstoffzelle veröffentlicht, die von Vlad Oncescu und David Erickson an der Cornell University in Ithaca, New York, entwickelt worden ist.

Im Gegensatz zu den bisher entwickelten Geräten, die ein ,Sauerstoffmangel-Design’ verwenden, bei dem die Elektroden übereinander gestapelt werden und das zu geringen Volumenleistungsdichten und komplizierten Herstellungsverfahren führt, zeigt die neuartige platinarme Einzelschicht-Brennstoffzelle (Single Layer Fuel Cell, SLFC) eine hohe Leistung von 2 μW cm² und eine gute Langzeitstabilität.

Die SLFC könnte daher als Beschichtungsschicht direkt auf großen implantierbaren Geräten integriert werden – oder gestapelt, um eine hohe volumetrische Leistungsdichte zu erhalten (> 16 μW cm³). Hier abgebildet ist eine doppelseitigen SLFC zusammen mit einem Stapel aus zwölf SLFCs.

Ein Internationales Team um Viktor Andoralov und Magnus Falk von den Universitäten Malmö und Lund in Schweden stellt im November 2013 eine Bio-Brennstoffzelle vor, die auf nanostrukturierten Elektroden im Mikromaßstab basiert. Von solchen Brennstoffzellen angetriebene miniaturisierte und in sich geschlossene Bio-Baugruppen könnten eine neue Generation von implantierbaren, drahtlosen und minimal-invasiven neuronalen Schnittstellen für neurophysiologische in-vivo-Untersuchungen wie auch für klinische Anwendungen ermöglichen.

In ihren Report beschreiben die Wissenschaftler die Herstellung einer direkten enzymatischen Glukose/Sauerstoff-Brennstoffzelle (EFC) mit echten nanostrukturierten 3D-Mikro-Goldelektroden, die mit geeigneten Biokatalysatoren modifiziert sind. Dabei beruht die einfache Herstellungsmethode für die 3D-Elektroden auf einer elektrochemisch gesteuerten Transformation von physikalisch abgeschiedenen Gold-Nanopartikeln (AuNPs).

Im Experiment kann belegt werden, daß die mediator- und membranlose EFC in der Zerebrospinalflüssigkeit (Liquor) und im Gehirn einer Ratte betrieben werden kann und dabei auch ausreichende Mengen an elektrischer Energie liefert, um eine geschlossene Bio-Baugruppe zu betreiben, nämlich 7 μW/cm² in vitro und 2 μW/cm² in vivo, bei einer Betriebsspannung von 0,4 V.  Nicht zuletzt wird auch noch eine induktive Kopplung zwischen den 3D-NanoBio-Elektroden und lebenden Neuronen demonstriert.

Shuji Fujita und seine Kollegen von den Advanced Materials Laboratories der Sony Corp. in Kanagawa, Japan, präsentieren im Mai 2014 das Konzept einer Bio-Brennstoffzelle, die Strom aus erneuerbaren Brennstoffen wie Kohlenhydraten generieren und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden soll. Hierfür müssen solche Zellen durch wiederholtes Betanken wiederverwendbar sein.

Anhand eines Prototypen zeigen sie die stabile Erzeugung von Strom aus einer Glukose-betriebenen Zelle über mehrere Tankzyklen. Erreicht wird die Möglichkeit zum Wiederaufladen durch das Immobilisieren von Nicotinamidadenindinucleotid (NAD), einen Elektronentransfermediator, sowie Redox-Enzymen in hohen Konzentrationen auf porösen Kohlenstoffpartikeln, die eine Anode bilden, während ihre elektrochemischen und enzymatischen Aktivitäten nach der Immobilisierung erhalten bleiben.

Diese Bioanode kann kontinuierlich für mehr als 60 Zyklen bei 1,5 mA/cm² ohne wesentlichen Spannungsabfall betankt werden, während zusammengesetzte Zellen aus diesen Bioanoden und Bilirubin-Oxidase-basierten Biokathoden verwendet werden können, um einen tragbaren Musik-Player bei 1 mW/cm³ zehn Betankungszyklen lang zu versorgen.

Wie im Januar 2015 bekannt wird, gelingt es auch dem Elektrochemiker Luis Cesar Colmenares und dem Bakteriologen Roman Netzer an der unabhängigen Forschungsorganisation SINTEF in Norwegen, nach mehrjähriger Entwicklungsarbeit als Demonstrationsanlage eine kleine MFC in Betrieb zu nehmen, welche als Treibstoff Abwasser verwendet, während die Produkte des Verfahrens gereinigtes Wasser und Strom sind. Das Abwasser kommt aus der lokalen Tine-Molkerei und ist reich an organischen Säuren, die für dieses Verfahren gut geeignet sind.

Die Wissenschaftler wollen insbesondere versuchen, unter Verwendung von Low-Cost-Materialien so viel Energie zu erzeugen, wie andere Teams mit viel teureren Ansätzen erreichen.

Eine der Veröffentlichungen, die komplett im Netz abrufbar ist, ist vom Februar 2015 und stammt aus Indien, wo man sich ebenfalls mit MFCs zur Stromerzeugung beschäftigt.

In der Forschungsarbeit von S. Sandeep am B. V. Bhoomaraddi College of Engineering & Technology in Hubli, Karnataka, wird neben kommunalem Abwasser auch der Einsatz von Küchenabwasser und Reis-Waschwasser untersucht.

Die von Sandeep gebaute MFC verwendet E. coli und C. sporogenes, deren Potentiale er unter Verwendung verschiedener Biomasse-Formen für verschiedene Inkubations-Zeiträume vergleicht. Dabei beobachtet er bei C. sporogenes eine optimale Spannungsproduktion von 188 mV.

Im Juni 2015 stellen Wissenschaftler der Binghamton University im US-Bundesstaat New York um Prof. Seokheun ,Sean’ Choi eine Mikro-Batterie aus Papier vor, die mit Hilfe nur eines Tropfens einer Flüssigkeit, die Bakterien enthält – beispielsweise Schmutzwasser – Energie liefert und dabei nur 5 Dollar-Cent pro Stück kosten soll.

Die Origami-Batterie ist aus mehreren Papierschichten gefaltet und etwa so groß wie eine Streichholzschachtel. Hauptbestandteile sind eine Luftkathode, für deren Herstellung Nickel auf normales Büropapier gesprüht wird, sowie eine Rasterdruck-Anode aus Karbon. Mit Wachs-Filterpapier wird zudem ein Reservoir für die Flüssigkeit geschaffen, während für die Kontakte ein Nickelspray verwendet wird. Im Gegensatz zu anderen Papier-basierten Batterien (s.d.) erfordert das neue System auch keine speziell entwickelten Nanomaterialien.

Um die Innovation so weit zu entwickeln, daß sie genügend Strom liefert um einen Biosensor zu betreiben, stattet die National Science Foundation Choi mit einem dreijährigen Forschungsstipendium in Höhe von 300.000 $ aus.

Im April 2016 berichtet das Choi-Team, daß ihm erstmals gelungen sei, mehrere sogenannter Bio-Solarzellen zu einem Bio-Solarpanel zusammenzuschließen. Bei diesen biologischen Solarzellen verwandeln Cyanobakterien Lichtenergie in elektrischen Strom. Diese photosynthetischen einzelligen Bakterien, die früher den Algen zugerechnet wurden, gelten als die am häufigsten vorkommenden Lebewesen auf der Erde und zählen zu den ältesten Lebensformen überhaupt.

Die Forscher hatten im Vorjahr eine bessere Zelle gebaut, indem sie die die Anoden- und Kathoden-Materialien änderten und eine Miniatur-Mikrofluidikvorrichtung mit nur einer Kammer zur Aufnahme der Bakterien anstelle der herkömmlichen Zellen mit zwei Kammern entwickelten. Das Team ordnet jetzt neun Einzelzellen in einem 3 x 3 Muster an, das aus der Photosynthese und den Atmungsaktivitäten der Bakterien in 12-Stunden-Tag/Nacht-Zyklen über insgesamt 60 Stunden einen konstanten Energiefluß von 5,59 µW erzeugt (‚Biopower generation in a microfluidic bio-solar panel‘).

Da die Stoffwechselwege von Cyanobakterien oder Algen erst teilweise verstanden sind, und ihre geringer Leistungsdichte und Energieeffizienz sie kaum für praktische Anwendungen geeignet machen, besteht laut Choi ein Bedarf an zusätzlicher Grundlagenforschung, um den bakteriellen Stoffwechsel und das Energieproduktionspotential für biosolare Anwendungen zu klären.

Bereits im Juni zeigt das Team eine fortgeschrittene Version der obigen Origami-Batterie, die nun einem Origami-Ninja-Stern ähnelt und eine wesentlich höhere Leistungsdichte aufweist.

Im Vergleich mit dem ursprünglichen Entwurf, der aus vier zusammengeklappten Modulen besteht, umfaßt die neueste Umsetzung acht Batterien in einem gleitenden, sternförmigen Rahmen. Innerhalb jedes Moduls befinden sich Papierschichten, eine Anode, eine Protonenaustauschmembran und eine Luftkathode, während sich der Einlaß, durch den das Schmutzwasser zugeführt wird, in der Mitte befindet.

Sobald die Batterie auseinander gezogen wird, leiten fluidische Bahnen durch die Papierschichten das Wasser zu den acht Brennstoffzellen, um die Strom erzeugende chemische Reaktion zu starten. In diesem Zustand verbinden sich die einzelnen Batteriemodule miteinander, was die Leistung verbessert und die luftatmenden Kathoden der Luft aussetzen.

Nachdem die Leistungsdichte der Vorgängers im Bereich einiger Nanowatt angesiedelt ist, wird mit den Ninja-Stern der Mikrowatt-Bereich betreten. Es gelingt bereits, eine LED ca. 20 Minuten lang zu betreiben, ebenso wie verschiedene Arten von Biosensoren. Die Kosten steigen allerdings auf rund 70 Dollar-Cent pro Stück, was daran liegt, daß für die Anode statt reinem Filterpapier nun ein Kohlenstofftuch zusammen mit einem Kupferband verwendet werden.

Im Dezember 2016 folgt eine Veröffentlichung mit dem Titel ‚Stepping Toward Self-Powered Papertronics: Integrating Biobatteries into a Single Sheet of Paper‘, in welcher das Team ein Gerät vorstellt, das auf einem einzigen Stück Papier montiert ist und in verschiedenen Konfigurationen gefaltet und gestapelt werden kann, um unterschiedliche Energiemengen zu erzeugen.

Anstelle der aufgesprühten flüssigen Nickelkathode des ursprünglichen Entwurfs ist die neue Kathode aus einem Streifen Silbernitrat unter einer dünnen Wachsschicht hergestellt, während bakterienhaltiges Wasser in einem Behälter aus einem leitfähigen Polymer die Anode bildet. Sobald die beiden Komponenten, die auf gegenüberliegenden Hälften eines einzigen Stücks Chromatographiepapier angeordnet sind, sie so gefaltet werden, daß sie miteinander in Kontakt kommen, erzeugt der Prozeß der Zellatmung der Mikroben Elektrizität.

In verschiedenen Konfigurationen gefaltet, können die Papier-Biobatterien unterschiedliche Mengen an Energie und Stromstärke erzeugen. Sechs Batterien, die in einem 2 x 3 Muster angeordnet sind, erzeugen 31,51 µW bei 125,53 µA, während eine 6 x 6 Anordnung 44,85 µW bei 105,89 µA erzeugt.

Über die nächste Entwicklungsstufe der Mikrobrennstoffzellen berichtet das Team der Binghamton University im März 2017, als es seine erste autarke MFC vorstellt, die durch symbiotische Interaktion zweier Bakterienarten 13 Tage lang Strom erzeugt. Entsprechend lang ist auch der Titel der Studie: ‚Self-sustaining, solar-driven bioelectricity generation in micro-sized microbial fuel cell using co-culture of heterotrophic and photosynthetic bacteria‘.

Die Wissenschaftler setzen in einer 90 Mikroliter Zellkammer – etwa ein Fünftel eines Teelöffels – eine Mischkultur aus phototrophen und heterotrophen Bakterien ein. Die ersteren nutzen Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser, um ihre eigene Energie zu erzeugen, während die letzteren sich von bereitgestellten organischen Stoffen oder den phototrophen Bakterien ernähren.

Während die Zelle dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, wird eine erste Dosis ‚Nahrung‘ in die Kammer gegeben, um das Wachstum der heterotrophen Bakterien anzuregen. Durch Zellatmung produzieren diese Kohlendioxid-Abfälle, die von den phototrophen Bakterien verwendet wurden, um den symbiotischen Zyklus in Gang zu setzen. Nachdem dieser Zyklus etabliert ist, werden keine zusätzlichen Nahrungsquellen für die heterophilen Bakterien hinzugefügt, da es genügend phototrophe Bakterien gibt, um die Stoffwechselprozesse der heterophilen Bakterien aufrechtzuerhalten. Diedr Stoffwechselprozesse erzeugen einen elektrischen Strom von 8 mA/cm² – etwa 70 Mal mehr als der von den phototrophen Bakterien alleine erzeugte Strom.

Das Team sieht in seiner Entwicklung das „bisher das Beste aus beiden Welten“: Heterotrophe Brennstoffzellen auf Bakterienbasis erzeugen eine höhere Leistung, während photosynthetische mikrobielle Brennstoffzellen sich selbst versorgen können. Damit dieses geschlossene System dauerhaft und ohne zusätzliche Wartung Energie erzeugt, sind allerdings noch Langzeitexperimente erforderlich, denn es erweist sich als schwierig, das Wachstum der Mikroorganismen auszugleichen, um die Leistung des Geräts zu maximieren.

Im August 2017 berichtet das Team, daß es zusammen mit der Forschungsassistentin Maedeh Mohammadifar eine neue leistungsstarke Batterie auf Papierbasis geschaffen hat, deren mikrobielle Brennstoffzelle aus inaktiven, gefriergetrockneten exoelektrogenen Zellen besteht, eine lange Haltbarkeit aufweist und innerhalb von Minuten nach Zugabe von Speichel Strom erzeugt.

Die gegenwärtige Leistungsdichte dieser Batterie liegt zwar nur bei einigen Mikrowatt pro Quadratzentimeter, doch 16 MFCs, die auf einem einzigen Blatt Papier in Reihe geschaltet sind, erzeugen die gewünschten Werte für Strom und Spannung, um eine LED zu betreiben.

Im Dezember 2017 präsentieren die Forscher einen weiteren Schritt: Diesmal haben sie ihre mit Schweiß betriebene mikrobielle Brennstoffzelle in einen Stoff eingewebt. Die daraus entstandene vollständig textilbasierte, dehnbare Biobatterie mit einen Output von 6.4 µW/cm² nutzt das Bakterium Pseudomonas aeruginosa als Katalysator, das auch im menschlichen Speichel vorkommt.

Bei dieser Batterie sind alle Komponenten monolithisch in ein einziges Stück Stoff eingearbeitet, indem die Tiefe der einzelnen Komponenten präzise gesteuert wird. Die Struktur besteht aus einer Anode und einer Kathode, die in einer einzigen Reaktionskammer ohne Trennmembran untergebracht sind. Diese Anodenkammer ist leitfähig und hydrophil, um Strom aus Bakterienzellen in Flüssigkeit zu gewinnen, während die Kathode das Redoxpaar Silberoxid und Silber als Festkörpermaterial verwendet.

Zudem weist die textilbasierte Biobatterien eine stabile Stromerzeugungsfähigkeit auf, auch wenn sie unter wiederholten Dehnungs- und Verdrehungszyklen getestet wird. Die entsprechen de Studie trägt den Titel ‚Flexible and Stretchable Biobatteries: Monolithic Integration of Membrane-Free Microbial Fuel Cells in a Single Textile Layer‘.

Im Juni 2020 wird in der Studie ‚A miniaturized, self-sustaining, and integrable bio-solar power system‘ dargestellt, wie eine neu strukturierte Biosolarzelle im Mikrolitermaßstab unter Verwendung einer Co-Kultur von heterotrophen und autotrophen funktioniert. Dabei werden auf einem einzigen Chip zwei Biosolarzellen integriert und in Reihe geschaltet, um aus heterotropher bakterieller Atmung mit den organischen Substraten, die von photosynthetischen autotrophen Bakterien produziert werden, kontinuierlich lichtabhängigen Strom zu erzeugen.

Während die früheren Batterien zwei Bakterienstämme hatten, die zusammenwirkten, um die Energie zu erzeugen, verwendet die neue Version drei Bakterien in separaten vertikalen Kammern. Oben ein photosynthetisches Bakterium, das den organischen Nährstoff für die anderen Bakterienzellen darunter erzeugt. Unten befindet sich das stromproduzierende Bakterium, und das mittlere Bakterium erzeugt einige Chemikalien, um den Elektronentransfer zu verbessern.

Was die Leistung und Lebensdauer des 3 x 3 cm großen Geräts weiter verbessert, sind ein Anolyt, ein Katholyt und eine Salzbrücke auf Agar-Basis, die für eine stabile ionische Umgebung und effizientere syntrophe Interaktionen zwischen den Co-Kulturen ohne bakterielle Konkurrenz sorgen. Die Festphasenplattform ermöglicht eine vielseitige Gerätekonfiguration ohne ein umständliches fluidisches Zuführungssystem und erlaubt eine einfache Integration und Bedienung.

Um den Gasaustausch mit den Bakterien und kathodische Reaktionen zu erleichtern, ist das Gerät mit einer gasdurchlässigen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Membran versiegelt, was im Idealfall sogar das Nachfüllen von Bakteriengasen aus der Umgebung ermöglicht. In die gestapelten Bio-Solarzellen wird ein DC/DC-Booster-Schaltkreis integriert, um die Betriebsspannung von ~500 mV auf einen maximalen Ausgang von >3 V zu erhöhen. Die auf dem Chip mit Strom versorgte LED gilt als die erste Demonstration der Bio-Solarzelle im Mikrolitermaßstab als praktische Stromquelle.

Eine spätere Veröffentlichung von Choi stammt vom Juni 2022 und behandelt die Lebensdauer von Biobatterien, die bislang auf wenige Stunden begrenzt war. Mit einer Förderung in Höhe von 510.000 $ durch das Office of Naval Research entwickelten die Team-Mitglieder Anwar Elhadad und Lin Liu deshalb eine ‚Plug-and-Play‘-Biobatterie, die wochenlang hält und gestapelt werden kann, um die Ausgangsspannung und den Strom zu erhöhen. Außerdem wird an einer verdaulichen Biobatterie gearbeitet, die durch den Ph-Wert des Darms aktiviert wird.

Gemäß einer im März 2023 erscheinenden Studie von Maryam Rezaie et al. namens ‚Moisture-Enabled Germination of Heat-Activated Bacillus Endospores for Rapid and Practical Bioelectricity Generation: Toward Portable, Storable Bacteria-Powered Biobatteries‘ können die neu entwickelten mikrobiellen Brennstoffzellen potentiell auch nach einer Lagerzeit von 100 Jahren funktionieren.

Im Test versiegelt das Team den Behälter der zentimetergroßen Brennstoffzelle, der getrocknete sporenbildende Bakterien beherbergt, mit Kapton-Band, das äußerst temperaturbeständig und luftdicht ist. Als dieses wieder entfernt wird, so daß Feuchtigkeit eindringen kann, erzeugt die Energie der resultierenden bakteriellen Reaktion genug Ladung, um ein digitales Thermometer, eine kleine Uhr oder eine LED zu betreiben.

An dieser Stelle soll auch das Beispiel einer größer dimensionierten Umsetzung genannt werden, die das Potential hat, das Leben von Millionen Menschen zu verbessern, auch wenn die Mikroorganismen hier nicht primär der Energiegewinnung dienen.

Anfang 2016 wird in Indien erstmals der NEWgenerator in Betrieb genommen, an dem Prof. Daniel Yeh und und sein Team von Umweltingenieuren der University of South Florida (USF) seit über einem Jahrzehnt arbeiten. Das autonome und netzunabhängige Sanitärsystem soll in Entwicklungsländern das Kanalisationssysteme entlasten und dabei menschliche Abfälle in  erneuerbare Energie, sauberes Wasser und Düngemittel umwandeln.

Wichtigstes Element des Systems ist der Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR), in welchem anaerobe Mikroorganismen die im Abwasser enthaltenen Feststoffe aufbrechen und Biogas produzieren. Dabei werden keinerlei Chemikalien benötigt. Das um die Feststoffe bereinigte Abwasser wird dann in eine andere Kammer geleitet, wo eine Membran Bakterien, Viren und verbleibende Feststoffpartikel entfernt.

Das System ist außerdem in der Lage, aus den festen Abfällen ein stickstoff- und phosphorreiches Düngemittel herzustellen, das in den Gemeinschaftsgärten genutzt werden kann; das mit Chlor desinfizierte Wasser kann wieder im Toilettensystem verwendet oder zur Bewässerung genutzt werden; und das Methan versorgt zusammen mit Solarpaneelen auf dem Dach das ganzheitliche Toilettensystem mit Energie.

Bereits 2011 hatte das Team von der Bill & Melinda Gates Foundation (BMGF) eine Starthilfe in Höhe von 100.000 $ erhalten, um den AnMBR über das Labor hinaus weiterzuentwickeln. 2014 gewinnt das Team den mit 50.000 $ dotierten Cade Museum Prize for Innovation, und im Jahr 2015 werden von der indischen Regierung und der BMGF 194.000 $ zur Verfügung gestellt, um den NEWgenerator in Indien zu testen.

Der Feldversuch wird gemeinsam mit der in Kerala beheimatete Organisation Eram Scientific durchgeführt, die den NEWgenerator mit ihrem eToilet-System kombiniert – Toiletten die sich automatisch reinigen. Der Einsatz ist ein großer Erfolg und führt dazu, daß sich kommerzielle Partner in Asien für eine Lizenzierung der Technologie durch die USF interessieren.

Als eines von vier Teams, die von der BMGF ausgewählt wurden, um Technologien namens ‚Reinvented Toilets‘ (RT) zu entwickeln, reisen Yeh und der USF-Postdoktorand Robert Bair Anfang 2018 nach Südafrika, um mit Partnern an der Universität von KwaZulu-Natal einen weiteren Feldversuch durchzuführen. Die Stiftung fördert das zweijährige Projekt in Durban mit gut 1,14 Mio. $. Dabei werden zwei neue Versionen des NEWgenerator errichtet.

Die erste ist eine verbesserte Version des erstmals in Indien zu Testzwecken eingesetzten Modells, das täglich von 100 Menschen genutzt werden kann, während die zweite Version eine verzehnfachte Kapazität hat und jeden Tag für 1.000 Personen zur Verfügung steht. Beide Versionen werden mit modifizierten Schiffscontainern verbunden, die Duschen, Toiletten und Waschbecken beinhalten. Diese Community Ablution Blocks (CABs)werden von der südafrikanischen Regierung in inoffiziellen Siedlungen aufgestellt, in denen die Menschen keinen Zugang zu Sanitäranlagen und Toiletten in ihren Häusern haben.

Im September 2021 wird berichtet, daß eine aktualisierte Version des solarbetriebenen NEWgenerator im südafrikanischen Township Soweto installiert wird, das seine Wasser- und Abwasserversorgung von der Stadt Johannesburg erhält. Das EPC-Unternehmen WEC Projects hatte im Vorjahr eine entsprechende Lizenzvereinbarung mit dem Technology Transfer Office der USF unterzeichnet.

Weiter mit der allgemeinen Chronologie: Einer Meldung vom Februar 2016 zufolge haben die Forscher Prof. Xueyang Feng und Jason He an der Virginia Polytechnic Institute and State University einen Durchbruch im Verständnis erzielt, wie die elektrochemisch aktiven Bakterien Energie aus ihrer Nahrung erzeugen.

Indem sie die Stoffwechselwege des Bakterien-Stammes Shewanella oneidensis verfolgen, finden die Wissenschaftler heraus, daß eine ,Arbeitsbeziehung’ zwischen zwei verschiedenen Substraten in der Lage ist mehr Energie zu produzieren, als wenn diese getrennt genutzt würden. Während das eine Substrat (Laktat) von seinen Wirtsbakterien vor allem verstoffwechselt wird, um das Zellwachstum zu unterstützen, wird das andere Substrat (Formiat) oxidiert, um Elektronen für eine stärkere Stromerzeugung freizusetzen. Formiate sind die Salze der Ameisensäure.

Im März folgt ein Bericht aus der South Dakota School of Mines & Technology, wo Namita Shrestha et al. seit ein paar Jahren daran arbeiten, eine MFC zu entwickeln, die speziell das Problem der alleine in Florida jährlich anfallenden Menge von 396.000 Tonnen Tomatenabfälle lösen und dabei elektrischen Strom erzeugen soll.

Dabei erweist sich das natürliche Pigment Lycopin, das in Tomaten gefunden wird, als ein ausgezeichneter Vermittler, um die Erzeugung von elektrischen Ladungen aus den beschädigten Früchte zu fördern – wobei man allerdings noch dabei ist, die grundlegenden Transfermechanismen der Elektronen und die Interaktion zwischen den Tomatenabfällen und den Mikroben zu untersuchen.

In der Veröffentlichung wird erwähnt, daß man bislang aus zehn Milligramm Tomaten 0,3 W gewinnen kann, was zukünftig allerdings noch gesteigert werden soll (noch nicht verifiziert).

Im April 2016 sind es Sam D. Molenaar und seine Kollegen von der Universität Wageningen und dem Forschungsinstitut WETSUS in den Niederlanden, das sich der nachhaltigen Wassertechnologie widmet, die über eine von ihnen entwickelte neuartige mikrobielle wiederaufladbare Batterie (MRB) berichten (‚Microbial Rechargeable Battery: Energy Storage and Recovery through Acetate‘).

In dem System auf Bakterienbasis werden zwei Technologien kombiniert: die mikrobielle Brennstoffzelle (MFC) sowie die mikrobielle Elektrosynthese (MES), bei der der erzeugte Strom wieder in Chemikalien umgewandelt wird, die in der Batterie wiederverwendet werden können. Dabei wird Hexacyanoferrat(II/III) als Gegenredoxpaar verwendet, während Acetat der Hauptenergieträger ist.

Bei den Versuchen lassen die Forscher die Batterie 16 Stunden lang aufladen und können dann acht Stunden lang Strom daraus entnehmen. Insgesamt tun sie dies über 15 Tage lang bei stabiler Leistung. Dabei wird eine Energiedichte von etwa 0,1 kWh/m³ (bezogen auf das Anoden-Elektrolytvolumen) und einer Nennleistung während der Entladung von 190 W/m³ (bezogen auf das Anodenvolumen) erreicht, wobei die Gesamtenergieeffizienz 30 – 40 % beträgt.

Die nächste Meldung stammt vom Juli und betrifft einen Bericht der Iowa State University in Ames. Hier zeigt ein Forscherteam um Prof. Nastaran Hashemi den konzeptionellen Beweis für die Machbarkeit einer Papier-basierten, dreidimensionalen MFC, welche die Vorteile der Kapillarwirkung nutzt, um Flüssigkeiten durch das MFC-System zu führen und damit die Notwendigkeit einer externen Stromzufuhr beseitigt.

Die Vorrichtung ermöglicht den Fluß von Shewanella oneidensis MR-1 (gelb) und Kaliumferricyanid (weiß) in die zwei Kammern, zwischen denen eine Protonenaustauschmembran liegt, um die beiden Flüssigkeiten zu trennen und den positiv geladenen Ionen, die beim biokatalytischen Abbau des Anolyten freigesetzt werden, zu erlauben, von der Anode zur Kathode zu strömen. Die papierbasierte MFC läuft fünf Tage lang und erzeugt 1,3 µW Leistung und 52,25 µA Strom bei einer Leistungsdichte von etwa 25 W/m³. Von entscheidender Bedeutung ist, daß kein Strom benötigt wird, um die Flüssigkeiten durch das Gerät laufen zu lassen.

Das Team prüft nun Möglichkeiten, um die Ausgangsspannung besser zu steuern und einen konstanten Strom zu erhalten. Für eine optimale Benutzerfreundlichkeit und Verminderung der Kosten soll zudem eine Vorrichtung entwickelt werden, die kein Nafion (ein Tetrafluorethylen-Polymer) und kein Kaliumferricyanid benötigt.

Im gleichen Monat veröffentlichen Forscher der Oxford University um Julia M. Yeomans und Amin Doostmohammadi die Ergebnisse einer Computersimulationen, in der die natürliche Bewegung von Bakterien genutzt wird, um mikroskopische ,Windparks’ zu betreiben und Strom zu erzeugen.

Dichte, aktive Materie (Bakteriensuspensionen, durch Motorproteine angetriebene Mikrotubuli-Bündel, zelluläre Monolayer usw.) wird durch mesoskalige Turbulenzen geprägt, die zur Entstehung von chaotischen Strömungsstrukturen führen.

Durch das Eintauchen einer geordneten Anordnung aus 64 symmetrischen, zylindrischen Mikrorotoren in eine aktive Flüssigkeit simulieren die Wissenschaftler ein Mikrofluidik-System, das eine spontane Symmetriebrechung in mesoskaligen Turbulenzen nutzt, um Arbeit zu erzeugen.

Dabei organisiert sich das Rotoren-Gitter selbst in einem drehenden Zustand, in welchem sich benachbarte Scheiben aufgrund der kombinierten hydrodynamischen und elastischen Effekte kontinuierlich in abwechselnde Richtungen drehen. Der virtuelle Prototyp demonstriert eine neue Forschungsrichtung für die Gestaltung von Mikromaschinen, die durch die nemato-hydrodynamischen (?) Eigenschaften der aktiven Turbulenz angetrieben werden.

Im Juli 2016 wird über ein interdisziplinäres Projekt berichtet, das von der University of Newcastle koordiniert und mit 3,6 Mio. $ von der EU finanziert wird. Unter dem Begriff Living Architecture (LIAR) arbeiten Experten der University of the West of England (UWE) in Bristol, der Universität Trient, des spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) sowie der Firmen LIQUIFER Systems Group GmbH und EXPLORA Biotech daran, gewöhnliche Gebäude mittels energieerzeugender ‚intelligenter’ Ziegel in effiziente Wohnmaschinen zu verwandeln.

In jedem der lebenden Bausteine befindet sich eine mikrobielle Brennstoffzelle, die mit programmierbaren synthetischen Mikroorganismen gefüllt ist, die speziell für eine bestimmte Funktion ausgelegt sind, z.B. für die Reinigung von Wasser, die Rückgewinnung von Phosphat aus der Luft, die Erzeugung von Strom oder die Herstellung von Reinigungsmitteln.

Laut den verantwortlichen Professoren Rachel Armstrong und Andrew Adamatzky lassen sich die Ziegelsteine zu ‚Bioreaktorwänden‘ zusammenfügen, die Sonnenenergie, Abwasser und Luftverschmutzung nutzen und in nutzbare Ressourcen umwandeln. Von einer praktischen Umsetzung ist bislang noch nichts bekannt.

Im Dezember 2016 erhält das U.S. Naval Research Laboratory (NRL) das US-Patent für eine selbstorganisierende, sich selbst reparierende und in sich geschlossene mikrobielle photo-elektrochemische Solarzelle (Solar Microbial Fuel Cell, SMFC), die ausschließlich durch Sonnenlicht und Mikroorganismen betrieben wird (US-Nr. 9.531.027). Als Erfinder wird ein Leonard M. Tender genannt.

Innerhalb der Zelle werden die Reaktanten Glukose und Sauerstoff von einer Gruppe photosynthetischer Mikroben regeneriert, deren Reaktanten Kohlendioxid und Wasser die Produkte der mikrobiellen Brennstoffzelle sind. Diese wechselseitige Abhängigkeit führt zu einer langfristigen Stromerzeugung aus Sonnenlicht über viele tausend Stunden, ohne daß die Reaktanten nachgefüllt werden müssen.

 

Weiter mit den Bakteriellen Systemen...