Solare Materialien. Foto: André Künzelmann/UFZ

Department Solare Materialien (SOMA)


Wie kann Biotechnologie zur Reduktion von Treibhausgasen in unserer Atmosphäre und zu einer dezentralen Energieversorgung beitragen? Wie können wir Energieträger und Wertstoffe umweltverträglich und nachhaltig aus nicht-fossilen Ressourcen herstellen? Wie können nachwachsende Rohstoffe in biobasierte Materialien umgewandelt werden? Welche Stellschrauben bestimmen die Effizienz von Mikroorganismen als lebende Katalysatoren und wie kann man diese produktorientiert beeinflussen?

„Die Nutzung der Sonnenenergie für die chemische oder biologische Erzeugung von Wasserstoff ist ein attraktives und umweltfreundliches technologisches Ziel, doch es ist sehr anspruchsvoll und befindet sich immer noch auf der Ebene der Grundlagenforschung. Es ist noch offen, ob aus diesen Strategien je praktische Anwendungen in großem Umfang werden.“ („Bioenergie – Chancen und Risiken“ (2012), Leopoldina)

Das Department Solare Materialien (SOMA) mit seinen Technologieplattformen und derzeit zwei Arbeitsgruppen „Katalytische Biofilme“ und „Angewandte Biokatalyse“ begegnet dieser Herausforderung mit einem integrierten biotechnologischen Ansatz, welcher Expertisen aus der Systembio(techno)logie, der mikrobiellen Physiologie, Biochemie und Verfahrenstechnik vereint. Basierend auf langjähriger Erfahrung im Bereich Biokatalysator- und Bioprozessdesign fokussieren wir uns auf die Entwicklung neuer Biotechnologiekonzepte, welche auf dem Prinzip der „Bioartifiziellen Photosynthese“ aufbauen. Dabei wird die natürliche Fähigkeit photoautotropher Cyanobakterien ausgenutzt, Wasser mittels Sonnenenergie zu spalten und gleichzeitig das Treibhausgas CO2 zu binden. Es entstehen zwei attraktive Produkte: Wasserstoff, welcher als effizienter Energieträger der Zukunft heiß diskutiert wird, und C3-Körper, welche über (teils artifizielle) mikrobielle Stoffwechselwege in diverse chemische Wertprodukte umweltschonend umgewandelt werden können. Diese Produkte entstehen nur in geringen Mengen bzw. reagieren direkt weiter. Zudem sind die Reaktionssysteme sehr instabil. Nun gilt es, diese Produkte in technisch relevanten Mengen herzustellen. Das ultimative Ziel ist die technisch kontrollierte Realisierung des biochemischen „Kurzschlusses“ – die Generierung von Wasserstoff direkt aus Wasser.


Das Erreichen dieses Zieles bedarf eines umfassenden Verständnisses der zugrundeliegenden Biochemie und Physiologie der Zellen als Biokatalysatoren und deren Einfluss auf ihre katalytische Leistungsfähigkeit. Diese Grundlagenanalysen führen in der Synthese zu einem Systemverständnis und erlauben das Design verfahrenstechnischer Lösungen zur Verifikation der Ergebnisse. Dies liefert leistungsstarke Biokatalysatoren und technisch skalierbare Herstellungsverfahren, deren Effizienz und Nachhaltigkeit quantifizierbar sind.