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Advanced Materials & (Bio) Processes

Aus Abwasser Energie gewinnen

Steckbrief

Forscher*innen  Ahmed Elreedy

Institut              Technische Mikrobiologie

Dekanat             Verfahrenstechnik

Wissenschaftler*innen des Instituts für technische Mikrobiologie untersuchen das Abwasser von Brauereien und Kommunen nach Stoffen, um daraus Strom oder Wasserstoff herzustellen.

Das Projekt konzentriert sich bei seiner Arbeit darauf, Abwasser auf organische Stoffe zu untersuchen, die als Substrat für Mikroorganismen dienen. Für die Aufbereitung eignen sich vor allem Brauereiabwässer, solche aus der Zellulosefilterindustrie oder aus kommunalen Leitungen. Die Stoffe sollen sich anschließend in sogenannten mikrobiellen Brennstoffzellen (MFC) oder mikrobiellen Elektrolysezellen (MEC) vermehren.

Stromfluss in Gang setzen

Um diesen Prozess zu verstehen, hilft es, sich eine Batterie vorzustellen. Darin wird Strom durch den elektrochemischen Fluss von Elektronen von der Anode zur Kathode erzeugt. Analog dazu wurde im frühen 20. Jahrhundert erstmals beobachtet, dass einige Bakterienarten dazu in der Lage sind, Elektronen auf eine Anode zu übertragen, was später als „mikrobielle Brennstoffzelle“ bezeichnet wurde. Seither konnten bereits viele grundlegende Mechanismen des Elektronentransfers untersucht werden, jedoch ist ein tieferes Verständnis der Prozesse erforderlich, um diese Prozesse zu optimieren und zu kommerzialisieren.

Täglich fallen große Mengen von Abwasser aus der Industrie sowie aus Privathaushalten an. Vor einer Rückführung in die Umwelt ist die ordnungsgemäße Behandlung und Reinigung zwingend notwendig. Sie verbraucht jedoch viel Energie oder auch Chemikalien. Aus diesem Grund werden weltweit große Anstrengungen unternommen, neuartige Methoden für eine umweltfreundliche, ressourcenschonende Abwasseraufbereitung zu entwickeln. „Ein zukunftsweisender biologischer Prozess ist die mikrobielle Brennstoffzelle, da hier gleichzeitig organischer Kohlenstoff aus dem Abwasser entfernt und elektrischer Strom generiert werden kann“ sagt Projektbetreuer Ahmed Elreedy.

Das Konzept dieses Prozesses basiert auf der Fähigkeit einiger Mikroorganismen, Elektronen direkt oder indirekt auf externe unlösliche Elektronenakzeptoren wie Elektroden zu übertragen. Elektronen, Protonen und CO2 werden bei der biologischen Oxidation von organischen Stoffen in der Anode erzeugt. Dieser Prozess ist Grundlage für den Energieerhalt und das Wachstum von Mikroorganismen. Um einen Elektronenfluss (elektrischen Strom) zu erzeugen, wird der in der Kathode vorliegende Sauerstoff durch die überschüssigen Elektronen reduziert. Übrig bleibt Wasser. Bei der Behandlung eines Kubikmeters häuslichen Abwassers kann zum Beispiel Strom von bis zu 1000 Ampere erzeugt werden.

Abwasser wird sauber

Die Grundlagen des Elektronenübertrags auf eine Anode sind bislang nur in Teilen untersucht und bleiben Gegenstand aktueller Forschung. „Unsere Arbeit konzentriert sich neben der Untersuchung dieser Elektronentransferprozesse hauptsächlich auf die Evaluierung und die Optimierung der Prozesseffizienz beim Umgang mit realen Industrieabwässern“, erklärt Ahmed Elreedy. „Mit dieser Technologie sind wir nicht nur in der Lage, das Wasser ressourcenschonend zu reinigen, sondern dieses Abwasser gleichzeitig als Substrat für die nachhaltige Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzen“, so der Wissenschaftler.