Bioelektrokatalyse

Der Begriff Bioelektrokatalyse beschreibt den Einsatz von biologischen Materialien als Katalysatoren bei elektrochemischen Prozessen. Die gesamte Einheit des sogenannten Bioelektrokatalysators setzt sich aus der Elektrode und dem auf ihr befindlichen Biofilm zusammen. Ein typisches Elektrodenmaterial ist beispielsweise Graphit. Der Biofilm ist die elektrochemisch aktive Einheit. Er besteht hauptsächlich aus Enzymen bzw. lebenden Mikroorganismen, die Oxidationsreaktionen und/oder Reduktionsreaktionen katalysieren. Über dieses System werden die biochemischen und die elektrochemischen Vorgänge gekoppelt.

Bioelektrochemische Prozesse finden in bioelektrochemischen Systemen statt, die auch als BES bezeichnet werden. BES werden unterteilt in mikrobielle Brennstoffzellen, die auch microbial fuel cell oder MFC genannt werden und mikrobielle Elektrolysezellen, die man auch als microbial electrolysis cell oder MEC bezeichnet. MFCs erzeugen elektrischen Strom durch die mikrobielle Verstoffwechselung organischer Verbindungen. Die Mikroorganismen in MECs werden dagegen durch Strom gezielt zur Bildung von chemischen Verbindungen wie Wasserstoff oder Methan angeregt. Bioelektrokatalytische Reaktionen finden in MECs statt. Der Elektronentransfer verläuft mithilfe der Organismen über die Biofilmanode oder die Biofilmkathode. Bei der Oxidation von Stoffen werden die Elektronen von den Organismen auf die Biofilmanode übertragen. Die Biofilmkathode dient als Elektrodenquelle bei reduktiven Stoffwechselreaktionen.

Bioelektrokatalysierte Reaktionen haben verschiedene Vorteile gegenüber elektrochemischen Katalysen. So können die entsprechenden Reaktionen in BES unter Umgebungsbedingungen durchgeführt werden und zu hohen Umsätzen der Edukte führen. Zudem ist es möglich, komplexe organische Reaktionen bioelektrochemisch zu katalysieren. Ein Nachteil für den Einsatz von Enzymen oder Organismen als Katalysatoren in BES ist deren Unverträglichkeit gegenüber aggressiven Reaktionsprodukten wie H₂ oder H₂O₂. Diese Stoffe können die biologischen Materialien angreifen und den Katalysator deaktivieren. Problematisch ist zudem die Wiedergewinnung sowie Entsorgung bzw. Rezyklierung des Biokatalysators aus dem Reaktionssystem. Hierbei spielt die Möglichkeit der Immobilisierung des Biokatalysators eine entscheidende Rolle.

Die Forschung im Bereich der Bioelektrokatalyse hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Schwerpunkte liegen auf der bioelektrokatalytischen Erzeugung von Wasserstoff, Wasserstoffperoxid und Methan. Die genaue Kenntnis über den Mechanismus des Elektronentransfers zwischen Elektrode und Biokatalysatoren ist neben dem Vorgang der Kopplung der biochemischen und elektrochemischen Reaktionen die zentrale Herausforderung der Forschung.

Englische Übersetzung(en):

microbial electrocatalysis