Für Batterien: Bakterien, die Ameisensäure produzieren Speicherung von Wasserstoff mit Bakterien

Mit seiner Automatisierungstechnik möchte Festo klimaschonende Lösungen liefern. Daher beschäftigt sich das Unternehmen damit, wie Prozesse mit geringerem Materialverbrauch und mehr Recycling ablaufen und welche alternativen Materialien zum Einsatz kommen können.

Biologie für die Automatisierung

Besonders vielversprechend ist es, die Biologie als Aufgabenfeld für die Automatisierung zu erschließen. Dadurch wird die kleinste Fabrik der Zukunft in einer biologischen Zelle zu finden sein. Mit Automatisierungstechnik lassen sich biologische Prozesse, die in der Natur viel Zeit benötigen, beschleunigen, skalieren und damit wirtschaftlich nutzbar machen.

Nach den Bioreaktoren „PhotoBionicCell“ (2022) und „BionicCellFactory“ (2023), bei denen es um die Kultivierung von Algen ging, beschäftigt sich Festo mit seinem aktuellen Projekt „BionicHydrogenBattery“ mit einem der Energieträger von morgen: Wasserstoff. Wasserstoff kann nach aktuellem Stand nur mit Verfahren sicher und platzsparend gespeichert und transportiert werden, die extrem hohe oder niedrige Temperaturen und hohe Drücke von 150 bis 700 bar benötigen. Dafür ist sehr viel Energie notwendig.

Mit dem vollautomatisierten biotechnologischen System „BionicHydrogenBattery“ zeigt Festo einen völlig neuen Lösungsansatz: Der volatile Stoff wird mit Hilfe von Bakterien risikoarm und energieeffizient in Ameisensäure umgewandelt und das bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen um 65 °C und geringem Druck von 1,5 bar. Die Säure lässt sich problemlos speichern und transportieren.

Wasserstoff und CO₂ zu Ameisensäure umwandeln

Am Zielort kehren die gleichen Bakterien den Prozess um und zerlegen die Säure wieder zu CO₂ und Wasserstoff. Während letzterer zur Stromerzeugung verwendet werden kann, könnte das hoch reine CO₂ weiter verwertet und etwa in der Getränkeindustrie eingesetzt werden. Im Exponat wird es im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zurückgeführt und erneut für die Produktion der Ameisensäure genutzt.

Kern des biologischen Prozesses ist das Bakterium Thermoanaerobacter kivui (T. kivui). Diese Bakterien verfügen über ein besonderes Enzym, das sie in die Lage versetzt, Wasserstoff und CO₂ zu Ameisensäure umzuwandeln. Entdeckt und grundlegend erforscht wurde dieser Prozess vom Team um Prof. Dr. Volker Müller, Leiter der Abteilung „Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik“ an der Goethe-Universität Frankfurt, mit dem das Team von Festo in dem Projekt eng zusammenarbeitet.

„Wasserstoff ist einer der Energieträger der Zukunft, der unter anderem für die Erzeugung von sauberem Strom eine wichtige Rolle spielen wird. Mit unserem Konzept leisten wir einen Beitrag, dieses Potenzial wirtschaftlich nutzbar zu machen“, so Dr. Michael Sinsbeck, Leiter Bionic Projects bei Festo.

Reaktoren für Algen und Bakterien

Bioprozesse werden immer wichtiger für die Industrie, da sie nachhaltige Alternativen zu herkömmlich hergestellten Produkten bieten. „Neben Algen können wir auch viele andere Organismen verwenden, die aus nachwachsenden Ressourcen zum Beispiel Lebensmittel, Biotreibstoff oder Biokunststoffe herstellen“, sagt Dr. Elias Knubben, Leiter Forschung und Innovation bei Festo.

Festo präsentierte daher auf der Hannover Messe eine Übersicht der bereits erhältlichen Komponenten und Lösungen anhand ausgewählter Kultivierungsprozesse, die in zwei Bioreaktoren dargestellt werden: einem Algen-Reaktor am Beispiel von Chlorella vulgaris sowie einem Edelstahl-Reaktor für die Kultivierung von Mikroorganismen wie E. coli.

„Mit unserem Produktportfolio können wir schon jetzt an vielen Stellen den wachsenden Markt der Biologisierung bedienen, insbesondere bei der Begasung, beim Handling von Flüssigkeiten sowie bei der ganzheitlichen Automatisierung von Bioreaktoren“, sagt Ralf Kapfhamer, Advanced Development Biotech and Process Automation. Ein zentrales Produkt hierbei ist die neue Ventilinsel VTUX, die eine Ansteuerung der pneumatischen Ventile an Bioreaktoren ermöglicht.