TUMCS, CBR

Wasserstoff als Nebenprodukt von biokatalytischen Syntheseverfahren

Grüner Wasserstoff gilt als einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft und als Hoffnungsträger, mit dem Klimaneutralität erreicht werden soll – ohne sich bei der Verfügbarkeit von Energie einschränken und Nachteile beim Industriestandort Deutschland befürchten zu müssen. Noch nicht vollständig gelöst ist die Frage, woher und wie die notwendige Menge an Wasserstoff bereitgestellt werden kann. Einen neuen Ansatz dafür liefern dafür nun Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM): Ihnen ist es jetzt gelungen, biokatalytische Syntheseverfahren so umzustellen, dass sie als Nebenprodukt Wasserstoff produzieren. Laut Forschenden handelt es sich dabei zwar nur um einen kleinen Beitrag – allerdings sollte jede Quelle berücksichtigt werden, um diesen alternativen günstigen und sauberen Brennstoff in Deutschland voranzutreiben und so CO2-Emissionen und die damit verbundene globale Erwärmung zu vermeiden.

Zwei Männer stehen in einem Labor und begutachten einen Biofermenter.
Jan Winter/TUM

Dr. Ammar Al-Shameri und Prof. Dr. Volker Sieber (v.l.n.r.) in einem Labor des Lehrstuhls für Chemie Biogener Rohstoffe.

Konkret haben die Wissenschaftler am TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit (TUMCS) eine enzymatische Reaktionskaskade zur Umwandlung von Xylose, einem wesentlichen Bestandteil des biogenen Abfallstoffs Lignocellulose (pflanzliche Zellwände), in Monomere für biobasierte Polymere mit sogenannten Hydrogenasen kombiniert. Diese Enzyme setzen Forschende derzeit insbesondere dafür ein, um Wasserstoff in der Biokatalyse zu nutzen.

TUM-Zukunftslabor forscht an künftiger Wasserstoffwirtschaft

„Wir haben die Richtung der Reaktion umgekehrt und konnten so die thermodynamisch ungünstige Reaktion von der Wasserstofferzeugung gewährleisten, was früher als schwer oder unmöglich betrachtet wurde“ sagt Studien-Erstautor Dr. Ammar Al-Shameri vom TUM Campus Straubing. Der Wissenschaftler ist Projektleiter am Zukunftslabor REDEFINE H2E der TUM – einem Verbund unter Führung der TUM, an dem internationale Experten aus 13 Ländern an verschiedenen Aspekten einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft forschen und das aktuell vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit knapp fünf Millionen Euro gefördert wird.

Die Wasserstoffproduktion ist tatsächlich nur einer von zwei Aspekten: Bisher wurde für die beschriebenen Umwandlungsprozesse Sauerstoff als Co-Substrat verwendet. Das führte jedoch zu erheblichen Stabilitätsverlusten des Prozesses und einem erhöhen Energieeintrag.

Energie einsparen – und zeitgleich einen Energieträger dazugewinnen

„Mit Wasserstoff-Co-Produktion statt Sauerstoffeintrag erschlagen wir zwei Fliegen mit einer Klappe“, sagt Studienleiter Prof. Volker Sieber vom Lehrstuhl für Chemie Biogener Rohstoffe am TUM Campus Straubing und Co-Direktor des Zukunftslabors REDEFINE H2E. „Energie im Prozess einzusparen und gleichzeitig einen Energieträger zu gewinnen, macht die Nutzung vom biogenen Rohstoffen noch nachhaltiger.“ Die Kopplung der Produktion eines biogenen Wertstoffes mit der Wasserstoffbildung ist ein weiteres Beispiel dafür, das Bioökonomie und Wasserstoffwirtschaft Hand in Hand gehen müssen, um nachhaltige Produktionsprozesse zu ermöglichen.

A. Al-Shameri, D. L. Siebert, S. Sutiono, L. Lauterbach and V. Sieber (2023) „Hydrogenase-based Oxidative Biocatalysis without Oxygen” Nature Communications, 14, 2693.

Back