Die mikrobiologische Energiewandlung
Im November 2006 hat die "American Society for Microbiology" einen Bericht1) veröffentlicht, in dem die Erfolgsaussichten der mikrobiologischen Energiewandlung kritisch untersucht werden. Um das Ergebnis dieser Untersuchung gleich vorwegzunehmen:

Zur Zeit müssen die Möglichkeiten dieser Technologie als sehr gering eingeschätzt werden. Erfolge werden sich nur dann langfristig einstellen, wenn die Forschung auf diesem Gebiet wesentlich besser gefördert und intensiviert wird.
Unter der mikrobiologischen Energiewandlung verstehen wir den Einsatz von Bakterien oder Kleinlebewesen (z.B. Algen oder Pilze), die bestimmte Enzymen produzieren und mit deren Hilfe sich die Strahlungsenergie der Sonne in chemische Energie umwandeln lässt. In vielen Fällen bildet die Grundlage für diesen Prozess eine Art der Fotosynthese, d.h. es werden neben der Sonnenenergie auch noch die Moleküle Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) für den Wandlungsprozess benötigt. Als Träger der chemischen Energie kommen die folgenden Verbindungen in Frage:
  • Ethanol
Diese chemische Verbindung ist auch unter dem Namen "Trinkalkohol" bekannt. Dieser Name weist bereits auf ein seit langem bekanntes Herstellungsverfahren hin, nämlich auf die Vergärung von Zucker durch Hefepilze, wie sie z.B. bei der Weinherstellung auch in Deutschland benutzt wird. Anstellen von Hefepilzen können aber auch bestimmte Bakterien den Zucker in Ethanol verwandeln. Und neben der Vergärung von Zucker (wie sie in Brasilien zur Erzeugung von Autokraftstoff durchgeführt wird) können auch andere Polysaccharide (z.B. Stärke) zu Ethanol vergärt werden. Die deutsche Bundesregierung setzt insbesondere auf die Vergärung von Getreide oder Kartoffeln zu Bioethanol. Denn dieser muss seit dem 1.1.2007 gemäß einer EU Richtlinie in geringen Mengen dem Benzin beigemischt werden.

Es besteht jedoch Übereinstimmung darin, dass die Ethanolproduktion aus Biomasse erst dann an Bedeutung gewinnen wird, wenn auch Zellulose bakteriell in Ethanol umgewandelt werden kann. Dadurch ließe sich die Vielfalt der Ausgangsmaterialien wesentlich vergrößern, auch Holzabfälle, Stroh und schnell wachsende C4-Gräser, wie  Chinaschilf oder Switchgrass, wären dann verwendbar. Bei dem Umwandlungsprozess wird zunächst die Zellulose in Zucker, und dann der Zucker in Ethanol umgewandelt, d.h. es wird eine Gemeinschaft aus verschiedenen Bakterien benötigt. Dies hat allerdings zur Folge, dass bis zum heutigen Tag die Ausbeute der Umwandlung sehr gering ist. Insbesondere die Tatsache, dass das Ausgangsmaterial fest ist und die Enzyme nur oberflächlich wirken können, reduziert die Ausbeute und erhöht die Kosten. Daher bestehen die wichtigsten, schnellst möglich zu lösenden Aufgaben in
der Optimierung der Biomasseaufbereitung,
der Kostenreduktion bei der Herstellung der Bakterienkulturen,
der Entwicklung von wirksameren Enzymen zur Umwandlung von Zellulose und Zucker  (u.U. mittels Gentechnik).
In den letzten Jahren ist viel an der Lösung dieser Aufgaben gearbeitet worden, ohne jedoch die erhofften Erfolge zu erreichen. Am 15.10.2007 erschien aber eine Pressemitteilung der Firma GENENCOR, dass es ihr erstmals gelungen sei, einen handelsfähigen Enzymkomplex (AcceleraseTM 1000) zu entwickeln, mit dem industriell die Zellulose in Zucker umgewandelt werden kann. Es bleibt abzuwarten, ob dies tatsächlich der Einstieg in die 2. Generation von Bioreaktoren ist. In den USA wurde für Versuchs- und Entwicklungsaufgaben von der Firma Verenium eine Anlage gebaut, welche nach letzten Meldungen etwa 6 · 106 m3 Ethanol pro Jahr produziert (zum Vergleich: Der jährliche Erdölbedarf beträgt z.Z. ca. 1.4 · 1011 m3, ist also etwa 24000mal größer).

Einen alternativen Weg beschreitet der sog. Gaddy Prozess, bei dem die Biomasse zunächst zu Kohlenmonoxid (CO) verschwelt wird und dieses Gas dann bakteriell in Ethanol umgewandelt wird. Mittels diesen Prozesses scheint es gelungen zu sein, die Kosten der Ethanolproduktion auf etwa 0.2 € pro 1 l Ethanol zu senken, aber die Ausbeute scheint immer noch zu gering für die großflächige Verwendung als Benzinersatz. Einen noch anderen Weg2) wird von der deutschen Firma Choren beschritten, welche mithilfe der Verschwelung von Biomasse bzw. organischen Abfallstoffen unter Zufuhr von Wasser zunächst das Synthesegas CO + H2 herstellt, das sich mit unterschiedlichen Techniken katalytisch in Benzin- oder Dieselersatz umwandeln lässt. Zunächst wird die Firma auf einer Fläche von 2 · 105 m2 schnell wachsende Hölzer anbauen, welche einen Ertrag von jährlich ca. 100 m3 Biodiesel liefern sollen. Dies ist sehr wenig, verglichen mit dem deutschen Dieselbedarf von ca. 38 · 106 m3 pro Jahr. Ausgelegt ist das Werk für die Produktion von 18 · 103 m3 pro Jahr, wofür eine entsprechend größere Anbaufläche benötigt wird. Oder es werden Abfallstoffe benutzt, deren Sammlung und Lagerung logistische und energetische Probleme aufwerfen. In jeden Fall ist wohl davon auszugehen, dass der so hergestellte Biodiesel mindestens doppelt so teuer ist wie der, den man z.Z. an einer gewöhnlichen Tankstelle beziehen kann (ca. 1.5 € pro 1 l Diesel).

Nach den bisher gesammelten Erfahrungen in den USA sollte man die Chancen für einen Ausbau der mikrobiologischen Ethanolproduktion jedoch sehr kritisch sehen. Die Pläne gehen eher dahin, anstelle von Ethanol das viel besser geeignete Butanol auf mikrobiologische Art zu produzieren.
  • Methan
Die Methanproduktion steht, wie bereits bereits in Energie2 diskutiert, am Ende der menschlichen und tierischen Nahrungskette. Die Umwandlung der Abfallprodukte wird durch eine Gemeinschaft verschiedener Bakterien durchgeführt, deren genaue Zusammensetzung und Wirkungsweise auch heute noch recht unbekannt sind, obwohl dieser Wandlungsprozess schon vor langer Zeit technisch nutzbar gemacht wurde. Inzwischen hat er einen Entwicklungsstand erreicht, bei dem 50% bis 100% des Ausgangsmaterials in Methan umgewandelt wird abhängig davon, wie hoch der unwandelbare Zellulosebestandteil in dem Ausgangsmaterial ist.

Aufgrund dieser Tatsachen ist jedoch zu bezweifeln, ob sich dieser Wandlungsprozess in Methan noch wesentlich verbessern lässt. Auch ist zu bedenken, dass das Ausgangsmaterial ein Abfallprodukt der Nahrungskette ist und seine Menge daher automatisch durch die Anzahl von Menschen und Tieren beschränkt wird. Nach den Abschätzungen in Energie2 bedeutet dies, dass Methan aus diesen organischen Abfällen nicht mit mehr als ca. 2% zur Primärenergieversorgung im Jahr 2050 beitragen kann.
  • Wasserstoff
Wasserstoff ist ein energiereiches Gas, das von einer Vielzahl von Mikroorganismen auf verschiedene Arten produziert werden kann. Da Wasserstoff das Kohlenstoffatom nicht enthält, genügt als Ausgangsprodukt allein Wasser, um H2 mit Hilfe des Sonnenlichts in einem, der Fotosynthese vergleichbarem Prozess zu erzeugen. Allerdings entsteht dabei auch Sauerstoff O2, der zusammen mit H2 eine hoch explosive Gasmischung ergibt und weiterhin von manchen Enzymen, wie der Hydrogenase, nicht toleriert wird. Die sofortige Trennung und Entfernung beider Gase ist daher eine wichtige Bedingung, die von einem Bioreaktor erfüllt werden muss, die aber dessen Konstruktion auch schwierig und teuer machen. Eine weitere Konstruktionsaufgabe resultiert aus der Forderung, dass das Sonnenlicht jeden Ort in dem Bioreaktor erreichen kann. Zur Zeit sind diese Probleme nicht ausreichend gelöst, und die heutigen Bioreaktoren wandeln etwa nur 0.1% der zur Verfügung stehenden Strahlungsenergie in chemische Energie um, was ein vierfach geringerer Nutzungsgrad als der ist, mit dem hiesige Pflanzen die Strahlungsenergie in chemische Energie umwandeln.

Ein anderes Enzym, das zur Produktion von Wasserstoff verwendet werden kann, ist die Nitrogenase, die bei Anwesenheit von Wasser und Stickstoff die Endprodukte Wasserstoff und Ammoniak katalytisch erzeugt, aber nur Wasserstoff, wenn der Stickstoff fehlt. Dazu wird als Energiequelle das ATP verwendet, das durch Absorption des Sonnenlichts entsteht, und es müssen freie Elektronen zur Bildung von Wasserstoffmolekülen in ausreichender Zahl zur Verfügung stehen. Dies verlangt die Entwicklung der entsprechenden Elektronendonatoren, wobei die Elemente der 5. Hauptgruppe sicherlich eine wichtige Rolle spielen werden. Auf der anderen Seite ist die Nitrogenase offensichtlich unempfindlich gegenüber Wasserstoff und Sauerstoff, der Wandlungsprozess ist daher sehr stabil und könnte sehr hohe Nutzungsgrade erreichen. Aber die großtechnische Anwendung dieser Technologie steht noch an ihrem Anfang.
  • Bakterielle Brennstoffzellen
Die Tatsache, dass durch bakterielle Enzyme die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff katalysiert werden kann, weist direkt auf die Möglichkeit hin, solche Systeme auch zu Brennstoffzellen für die Wandlung in elektrische Energie auszubauen. Der prinzipielle Aufbau einer bakteriellen Brennstoffzelle entspricht dem einer gewöhnlichen sauren Brennstoffzelle: Zwei Behälter, einer mit einer aeroben Bakterienart3), der andere mit einer anaeroben Bakterienart1) gefüllt, sind voneinander durch eine, nur für Wasserstoffionen durchlässige Membran getrennt. Biomasse wird dem anaeroben Behälter zugeführt. Die Bakterien entziehen der Biomasse die Elektronen, die an die Anode gelangen und für die elektrische Spannung der Brennstoffzelle sorgen, während Wasserstoffionen in den aeroben Behälter driften. Dort werden sie mit Sauerstoff zu Wasser katalysiert.

Die Realisierung dieser Ideen zu einer bakteriellen Brennstoffzelle steht noch an ihrem Anfang. Es ist voraussehbar, dass der Ladungstransport durch die Bakterienkulturen ein großes Problem sein wird, das sich in einem hohen Innenwiderstand der Zelle manifestiert und die elektrische Leistung der bakteriellen Brennstoffzelle mehr beschränkt, als es bei normalen Brennstoffzellen üblich ist. Vielleicht können leitende Nanostrukturen oder langkettige Moleküle den Ladungstransport unterstützen, aber dies sind zur Zeit nur Zukunftsvisionen.
  • Lipoide
Es ist bekannt, dass einige Mikroorganismen, wie Algen oder Hefepilze, fettähnliche Substanzen, die sog. Lipoide, produzieren. Diese Substanzen lassen sich als Ausgangsprodukte für Biodiesel gebrauchen, die Methoden sind ähnlich zu denen, die für die Herstellung von Biodiesel aus Raps- oder Sojaöl jetzt bereits entwickelt sind. Der große Vorteil der Herstellung mithilfe von Mikroorganismen liegt aber darin, dass deren Kulturen auch in Gebieten angelegt werden können, die besonders viel Sonne empfangen, die aber für die Landwirtschaft ungeeignet sind, also in Wüstengebieten. Der Nachteil ist, dass ausreichend Wasser zur Verfügung gestellt werden muss, was in den Wüstengebieten fehlt, selbst wenn man davon ausgeht, dass die Wasserqualität nicht sehr hoch sein muss.

An der Lipoiderzeugung mithilfe von Mikroorganismen, insbesondere mithilfe von Algenkulturen, wird z.Z. stark geforscht. Als Beispiel sei auf einen Artikel verwiesen, der sich u.a. mit einem Projekt in der Wüste von Arizona beschäftigt. Eine Kostenanalyse von Projekten auf Algenbasis kommt allerdings zu dem Schluss, dass diese Projekte z.Z. noch viel zu teuer sind, um realisiert zu werden. In größerem Detail werden die Kosten für das Arizona-Projekt in einem Report berechnet, der zu dem gleichen Schluss kommt: Die Kosten für die Produktion von Biodiesel sind immer noch wesentlich höher als bei dem herkömmlichen Verfahren auf Rapsbasis, das bereits höhere Kosten verursacht als die Gewinnung auf Rohölbasis.
  • Probleme
Wie bereits  erwähnt, ergeben sich bei der bakteriellen Energiewandlung viele Probleme, für die bisher keine Lösungen existieren.

Das grundsätzliche Problem ergibt sich natürlich aus der geringen Energiedichte der Sonnenstrahlung. Damit die bakterielle Energiewandlung überhaupt einen maßgeblichen Beitrag zur Energieversorgung der Welt übernehmen kann, muss ihr Nutzungsgrad  um ein Vielfaches größer sein als der, den man heute mithilfe normaler Pflanzen erreicht. Verglichen mit dem Nutzungsgrad von industriell hergestellten Fotodioden (der unmittelbaren Konkurrenz) bedeutet dies eine Steigerung um mindestens einen Faktor 100 bei der bakteriellen Energiewandlung. Dass sich dies in kurzer Zeit erreichen lässt, ist sehr unwahrscheinlich.

Der fundamentale Grund für die geringen Nutzungsgrade, die Pflanzen und Mikroorganismen charakterisieren, wurde in Energie2 erläutert: Es handelt sich um Lebewesen, die ihren Stoffwechsel im Wesentlichen zum Wachstum benutzen und nicht zur Energiewandlung. Im Fall der Mikroorganismen würde ein großer Fortschritt darin bestehen, solche Formen zu entwickeln, die nur ein minimales Wachstum aufweisen und deren Stoffwechsel hauptsächlich in der Produktion von energiereichen Kohlenhydraten besteht. Über die Biologie solcher Mikroorganismen ist noch wenig bekannt, z.B. ob sie sich in großen Gemeinschaften vereinigen lassen.

Ein anderer großer Nachteil ist, dass viele der Mikroorganismen empfindlich auf die Produkte reagieren, die sie durch ihren Stoffwechsel produzieren. Bei der Weinherstellung ist dies wohl bekannt: Die Hefepilze sterben ab, wenn der Alkoholgehalt einen gewissen Prozentsatz überschreitet. Es ist daher wohl unumgänglich nötig, neue Mikroorganismen zu entwickeln, die wesentlich toleranter gegenüber ihren eigenen Stoffwechselprodukten sind. Dies wird insbesondere eine Aufgabe der Genforschung und der  Gentechnologie sein.

Ebenso empfindlich reagieren viel der Mikroorganismen auf externe Verunreinigungen, wie Sauerstoff oder Schwefel. Die Notwendigkeit, den Wandlungsprozess unter Reinraumbedingungen durchzuführen, stellt einen erheblichen Kostenfaktor bei der Konstruktion und dem Betrieb des Bioreaktors dar. Weitere Probleme bei der Konstruktion ergeben sich aus der Forderung, dass die benötigten Substanzen (i.A. Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid) für alle Mikroorganismen innerhalb des Bioreaktors erreichbar sein müssen. Insbesondere für das Kohlendioxid, das ja nur mit einem Volumenanteil von ca. 0.035% in der Erdatmosphäre vorhanden ist, bedeutet dies ein gravierendes Problem. Die Lösung, Kohle oder kohlehaltige Substanzen zu verbrennen, um genügend Kohlendioxid zur Verfügung zu stellen, ist sehr problematisch. Einmal wir dadurch der CO2 Eintrag in die Atmosphäre erhöht, zum anderen auch wegen der Frage, auf welche Art wirklich der größere Nutzungsgrad erreichbar ist.
  • Forschung und Entwicklung
Es ist nicht überraschend,  dass bei der Vielzahl der Probleme der Bericht der "American Society for Microbiology" zu dem Schluss kommt, dass noch wesentlich größere Anstrengungen auf den Gebieten der Forschung und Entwicklung unternommen werden müssen, bevor die Energiewandlung mithilfe von Mikroorganismen eine Zukunftsperspektive besitzt. Diese Gebiete umfassen z.B. die Genforschung, die Enzymforschung und die Nanotechnologie. Besonders wichtig erscheint auf theoretischem Gebiet die Entwicklung von realitätsnahen Modellen, um die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Bakteriengemeinschaften und ihre Stoffwechseldynamik zu verstehen. Jeder Physiker kennt die Wichtigkeit der Modellierung, denn es ist heute unmöglich, komplexe Systeme technisch zu realisieren, ohne dass deren Verhalten vorher im Detail unter allen möglichen Rahmenbedingungen auf einem Rechner simuliert wurde. Diese Notwendigkeit verkürzt nicht nur die Entwicklungszeit, sondern erniedrigt auch die Entwicklungskosten.

Dem gemäß verlangt der Report, dass die Forschung über den engen Bereich der Mikrobiologie ausgedehnt wird in entferntere Bereiche wie die Materialforschung, die Informationstechnologie und die Ingenieurwissenschaften, wobei man auch fundamentalere Gebiete wie angewandte Mathematik, Physik und Chemie einbeziehen sollte. Und schließlich muss sich die Gesellschaft besser der Tatsache bewusst werden, dass enorme Probleme auf sie zukommen und dass eine Lösung nur in einem verstärkten Interesse besonders der jungen Generation in technischen Fächern und einer besseren Ausbildung in diesen Fächern liegen kann.
1) Zu einem ganz ähnlichen Resultat kam eine Konferenz an der University of Massachusetts, welches in einem Extrakapitel zusammengefasst ist (auf englisch!).
2) Obwohl es sich bei diesem Weg nicht um eine mikrobiologische Methode handelt, wird er wegen der ähnlichen Eingangs- und Ausgangsmaterialien hier erwähnt.
3) Aerobe Bakterien benötigen Sauerstoff für ihren Stoffwechsel, bei anaeroben Bakterien geschieht dieser ohne Sauerstoff.