Biostrom aus Blutzucker und Klärschlamm
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Porträt

Biostrom aus Blutzucker und Klärschlamm

Herzschrittmacher, die ihre Energie aus Blutzucker beziehen – davon träumt die Medizintechnik schon seit Jahrzehnten. Sven Kerzenmacher tüftelt an solchen Bio-Brennstoffzellen, die künftig die Lithiumbatterie im Herzschrittmacher ablösen sollen.

Aber auch andere Arten der Stromerzeugung haben es dem Freiburger Chemieingenieur angetan. In einem anderen Forschungsprojekt tüftelt er an Verfahren, wie Kläranlagen mit bakterieller Unterstützung aus Abwasser ihren eigenen Strom gewinnen können.

Dass er einmal in der Grundlagenforschung landen würde, hätte Sven Kerzenmacher zu Beginn seines Studiums nicht gedacht. In Offenburg schrieb er sich für Verfahrens- und Umwelttechnik ein, er wollte nah an die Anwendung. Doch schon bald erlag er dem Zauber der Brennstoffzelle. Schon in seiner Diplomarbeit am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg beschäftigte er sich mit den alternativen Energiequellen, nach einem Masterabschluss promovierte er 2002 schließlich an der University of Texas im US-amerikanischen Austin zu neuartigen Materialien, die Hochtemperatur-Brennstoffzellen ermöglichen.“ In Austin habe er sich sehr wohl gefühlt, sagt er, vor allem hätte ihn die Liberalität der Stadt positiv überrascht.

Blutzucker als Kraftstoff

Jetzt leitet Kerzenmacher, gar nicht weit von seinem Geburtsort im Breisgau entfernt, am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg eine Arbeitsgruppe, die sich mit zwei sehr unterschiedlichen Arten von Biobrennstoffzellen befasst. Bei der einen geht es darum, aus Blutzucker Strom zu gewinnen. Damit könnten etwa Herzschrittmacher betrieben werden. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einer Batterie: es gibt zwei Elektroden, die wegen der Verträglichkeit aus Platin bestehen. An der Anode gibt die im Körpergewebe gelöste Glukose Elektronen ab. Diese werden als elektrischer Strom durch den Herzschrittmacher geleitet und an Kathode an den Sauerstoff in der Gewebeflüssigkeit abgegeben.

Vision der implantierbaren Glukosebrennstoffzelle als Beschichtung auf dem Herzschrittmachergehäuse. Eine Brennstoffzelle wandelt chemisch gebundene Energie in elektrische Energie um.Quelle: Bernd MüllerMit künstlichen Glukoselösungen funktioniert das auch sehr gut, so Kerzenmacher. Kopfzerbrechen bereiten ihm derzeit allerdings die Aminosäuren, die ebenfalls in Blut und Gewebeflüssigkeit vorhanden sind. „Die Aminosäuremoleküle sind ähnlich groß wie die Blutzuckermoleküle, das heißt wir können sie nicht herausfiltern. Sie setzen die Anode zu und verhindern so, dass Glukose Elektronen abgeben kann.“ Das zu unterbinden, sei gerade die größte Herausforderung. Ist die gemeistert, dann müssen Lebensdauer und Biokompatibilität der Glukosebrennstoffzellen getestet werden. „Die sollen ja lebenslang im Organismus bleiben, und dort müssen sie einwandfrei funktionieren und dürfen keine schädlichen Reaktionen hervorrufen.“ Ein Langzeitforschungsprojekt also, meint Kerzenmacher. „Bis solche Systeme tatsächlich einsatzfähig sind, werden wohl noch zehn, zwanzig Jahre vergehen.“

Bakterien als Konkurrenz für Stromriesen?

Bei seinem anderen Forschungsschwerpunkt, der Stromgewinnung aus Abwasser mit mikrobiellen Brennstoffzellen, sieht das anders aus. Hier gibt es mittlerweile schon erste Pilotanlagen, unter anderem in Australien. Kerzenmachers  Arbeitsgruppe entwickelt neue Materialien und Konzepte, um diese Bio-Brennstoffzellen effizienter, langlebiger und kostengünstiger zu machen. Das Prinzip ist bestechend einfach: „Wir verwenden Bakterien mit einer Besonderheit im Stoffwechsel: Sie ernähren sich von Inhaltsstoffen aus dem Abwasser und setzen dabei Elektronen frei, die sie normalerweise auf Sauerstoff übertragen.“ Diese Bakterien werden auf Graphitanoden angesiedelt und geben nun ihre Elektronen an diese ab. An der Kathode nimmt wie bei der Körper-Brensstoffzelle der Umgebungssauerstoff die Elektronen auf. Eine Stadt könne man mit der so gewonnenen Strommenge nicht versorgen, erläutert Kerzenmacher, aber die Kläranlage könnte so durchaus ihren eigenen Strombedarf decken. „Und das macht einiges aus, denn so eine Kläranlage hat normalerweise eine enorme Stromrechnung.“

Seine Freizeit verbringt er am liebsten in der Natur, beim Segeln oder auf dem Mountainbike. Aber auch die Kulturszene von Freiburg hat es ihm sehr angetan, vor allem die kleinen Klubs mit ihrem Angebot an Jazz und Alternative Music. „Hier treten mittlerweile unglaublich viele noch relativ unbekannte Bands auf, und das mochte ich schon immer sehr gerne, Neues kennenzulernen.“ Ob in der Musik oder anderswo.An seiner Arbeit mag Kerzenmacher vor allem die Interdisziplinarität. Er selbst ist Chemieingenieur, andere Kollegen wiederum sind Physiker, Biologen, Chemiker, Biotechnologen. „Dabei ist es nicht immer ganz einfach, eine gemeinsame Sprache zu finden, aber wir lernen sehr viel voneinander. Ein solches Projekt wie die mikrobielle Brennstoffzelle beispielsweise kann keine Disziplin allein entwickeln.“

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