Department Biotechnologie Solarer 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? Welche Stellschrauben bestimmen die
Effizienz und die Produktivität von Mikroorganismen als lebende
Katalysatoren und wie kann man diese produktorientiert
maximieren?
„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 Biotechnologie Solarer Materialien (SOMA) mit derzeit drei Arbeitsgruppen
"Molekularbiologie von Cyanobakterien", "Photobiotechnologie" und "Mikroskalige Analyse und Engineering" begegnet
dieser Herausforderung mit einem integrierten biotechnologischen
Ansatz, welcher Expertisen aus der Systembio(techno)logie, der
Molekularbiologie, 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 und skalierbare
Photo-Kapillarbioreaktoren zu entwickeln. 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.