Eine Biobatterie nach dem Vorbild des Darms könnte mit sporenbildenden Bakterien Energie erzeugen und gleichzeitig das Abwasser reinigen. Zur autarken Reinigung von Abwasser könnte diese Batterie in Abwasserrohren eingesetzt werden. Forscher der US-amerikanischen Binghamton University haben ein Projekt entwickelt, das Darmzotten nachahmt.
Erzeugung von Energie mit sporenbildenden Bakterien
Wissenschaftler der Binghamton University in den USA haben eine neuartige Biobatterie entworfen, die mit Hilfe von sporenbildenden Bakterien Bioenergie erzeugt. Die Forscher richteten sich dabei nach der Struktur der Darmzotten, die von Mikroben im menschlichen Verdauungssystem besiedelt werden.
In Abwasserrohren könnte diese Batterie das Abwasser autark reinigen und gleichzeitig Energie erzeugen.
Die Forscher ließen sich von Besiedlungsprozessen im Dünndarm mit Mikroorganismen inspirieren, um für die sporenbildenden Bakterien ideale Bedingungen zur Erzeugung von Bioenergie zu schaffen.
Die Darmzotten sind fingerartige Ausstülpungen des Dünndarms. Bakterien können sich auf deren großer Oberfläche gut ansiedeln und vermehren.
Platzproblem mit neuartigem Batteriemodell gelöst
Die von Seokheun Choi aus Papier, Metall, Stoff und Polymeren gebauten Batteriezellen haben ein Platzproblem. Der Professor der Binghamton University erklärt das mit den flachen Materialien und der ebenen Oberfläche. Für den Bacillus subtilis, der Strom erzeugen soll, bleibt dabei wenig Platz. Obwohl Papier aufgrund seiner porösen Struktur nur begrenzte dreidimensionale Möglichkeiten bietet, Es kann jedoch zu Problemen mit der Leistung kommen.
Im menschlichen Dünndarm ist dieses Problem gelöst, denn die Darmzotten vergrößern die Oberfläche. Der Darm wird dadurch nicht erweitert. Die Forscher stellten Zotten aus einem flexiblen Hydrogel her, in denen sich Bakterien befinden. Diese Bakterien auf der einen Seite fungieren als Anode. Die Kathode aus Kohlenstoffen auf der anderen Seite ist durch eine ionendurchlässige Membran getrennt. Dadurch wird eine elektrische Spannung erzeugt.
Künstliche Darmzotten als Elektroden
In früheren Ansätzen zur Erzeugung von Energie mit sporenbildenden Bakterien kam es zu Verstopfungen der porösen Strukturen durch Biofilme. Dies führte zu einer Behinderung der Nährstoffversorgung, einer Anhäufung von Stoffwechselprodukten und einem unregelmäßigen Wachstum des Biofilms.
Die künstlichen Dünndarmzotten dienen in der Batterie als Elektroden und ermöglichen einen effizienten Stofftransport, da sie kurze Diffusionswege bieten. Die sind flexibel, mechanisch dehnbar und skalierbar.
Stabile Spannung durch kontinuierliche Zuführung eines Nährmediums
Die Bakterien müssen zur Erzeugung von Spannung am Leben gehalten werden. Dafür wird ihnen kontinuierlich ein Nährmedium zugeführt. Für mindestens 14 Stunden konnte eine stabile Spannung von 0,75 Volt erzeugt werden. Diese Spannung reicht zum Betrieb von LEDs oder eines Mikrosensors aus.
Der Einsatz der Batterie in einem Abflussrohr ist nur ein Vorschlag. Die Bakterien werden mit Nährstoffen versorgt, da dort auch nachts das Abwasser fließt. Die Abfallstoffe im Abwasser könnten als Nährstoffe für die Bakterien dienen. Gleichzeitig kann dabei Energie erzeugt werden.
Das Konzept von Batterien, die mit Mikroben arbeiten und zur Reinigung von Abwasser verwendet werden, ist nicht neu.
Seokheun Choi weist auf die Probleme hin, denn die Nährstoffe reichen nicht aus. Das führt zu einem ungleichmäßig wachsenden Biofilm.
Die Struktur des menschlichen Darms wird nachgebildet. Allerdings sind die für das Überleben der Bakterien wichtigen chemischen Prozesse noch nicht vollständig erforscht.
Bereits 2022 stellte Choi eine dreischichtige Batterie vor, die wochenlang hielt und aus Papier bestand. Das damalige Ziel für zukünftige Versionen war, dass sie schwimmen können und sich selbst reparieren. Im Jahr 2026 wurde die Zotten-Batterie entwickelt, die sich in Form und Größe an Rohrleitungen anpassen lässt.
Optimierung der Herstellung von Biobatterien
Die Forscher der Binghamton University arbeiten an einer Optimierung der Herstellung von Biobatterien. In einem einstufigen skalierbaren 3D-Druckverfahren sollen die Batterien hergestellt werden. Dieses Verfahren muss noch entwickelt werden.
Die Wissenschaftler wollen die biologischen Prozesse im Dünndarm in den künstlichen Zellen noch besser nachbilden. Sie wollen damit ein besseres Verständnis für die Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit der Bakterienzellen erreichen.