Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffes durch Reduktion von C0 ₂ , bei dem man C0 ₂ mit Hilfe einer direkt geheizten Elektrode zu einem Kohlenwasserstoff reduziert. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens, ein entsprechendes Kraftwerk und ein dieses Kraftwerk und ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor umfassendes System. Die Verfahren und Vorrichtungen können z.B. als Mikro-Energie-System für dezentralisierte Energieversorgung eingesetzt werden.

Unsere Vision - Unabhängigkeit, Dezentralisierung und kommerzielle Rentabilität

In den nächsten 5 bis 7 Jahren kann, durch unsere Lösung, jeder Haushalt zu einer C0 ₂ -freien Wirtschaft beitragen und energetische Unabhängigkeit von externen Gas- oder Energie- Lieferungen zur Heizung von Wohnungen oder Gebäuden erreichen. Dies wird durch die Verwendung alternativer Brennstoffe und energieeffizienter Energiespeichersysteme erreicht werden, die auf Nutzung von Ansätzen der Umwandlung von C0 ₂ zu Chemikalien beruhen.

Für dieses Ziel ist jedoch eine strukturelle Änderung existierender Infrastruktur nicht nötig. Tatsächlich wird unsere System bevorzugt kompatibel mit existierenden Heizungssystemen sein und Edukte verwenden, welche in großem Maße zu geringen Kosten verfügbar sind: Umgebungsluft, Wasser, und überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen.

Erstrebtes Ergebnis des Projekts - ein Mikro-Energie-System für dezentralisierte, häusliche Verwendung

Dieses Ziel wird insbesondere durch den Gegenstand der Ansprüche erreicht.

Gegenstand der Erfindung ist daher insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Reduktion von C0 ₂ , Schritte umfassend, bei denen man C0 ₂ mit Hilfe einer direkt geheizten Elektrode zu einem Kohlenwasserstoff reduziert. Die Reduktion kann enzymatisch erfolgen.

Die Reduktion kann in mehreren Schritten durchgeführt werden, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten durch ein Enzym katalysiert wird, welches mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist.

Enzym-Immobilisierungen nützen zum einen der besseren Positionierung der Enzyme an Elektrodenoberflächen zur besseren Elektronenaufnahme und ermöglichen damit verbesserte Aktivitäten und Produktbildungsraten. Andererseits werden durch die Immobilisierung die Enzyme auch stabilisiert. Die Makromoleküle unterliegen stets Konformationsänderungen, die zu einem gewissen Teil zu deren katalytischer Aktivität beitragen. Äußere Einflüsse (z. B. Temperatur oder Strahlung) können jedoch auch irreversible Konformationszustände hervorrufen, es kann zur Aggregation der Enzyme kommen, wobei die Funktion des Biokatalysators außer Kraft gesetzt wird. Immobilisierungen helfen, die Enzyme lokal so zu binden, dass keine inaktiven Konformationszustände mehr eingenommen werden und verhindern Aggregation.

Zum Beispiel kann ein Enzym in Alginat auf einem Kohlenstoffgewebe immobilisiert und an einer Arbeitselektrode zur Reduktion von C0 ₂ zu Ameisensäure eingesetzt werden (Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for C0 ₂ Reduction. 2013. Institute of Physical Chemistry). Eine Alginat-Immobilisierung stabilisiert die Enzyme, allerdings erfolgt deren Positionierung in Bezug auf die Elektrode dabei ungerichtet.

Alternativen zur Alginat-Immobilisierung für eine bessere Positionierung der Enzyme auf Elektroden sind beispielsweise Immobilisierungen auf Carbon Nanotubes über funktionelle Enzym-Gruppen, auf Gold-Oberflächen über kovalente Schwefelbrücken oder auf Ni- Materialien über Histidin-Reste am Enzym. Hierfür könnten den Enzymen während der Produktion entsprechende Aminosäuren angeheftet werden, die direkt auf Trägermaterialien der geheizten Elektroden binden.

Es können mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche jeweils mit einer Elektrode assoziiert sind, die auf eine für die jeweilige Reaktion optimale Temperatur direkt geheizt ist. Bevorzugt ist die Temperatur der jeweiligen Elektrode im Hinblick auf den Substanzumsatz des jeweiligen Enzyms optimiert, es ist jedoch auch möglich, eine geringere Temperatur zu wählen, sofern ansonsten eine ausreichende Stabilität von einem oder mehreren der Enzyme nicht gewährleistet ist. Sofern für einen guten Gesamtumsatz nicht alle Reaktionen einer gegenüber der Umgebungstemperatur oder Reaktortemperatur erhöhten Temperatur bedürfen, ist es auch möglich, dass ein oder mehrere der Enzyme nicht mit einer geheizten Elektrode assoziiert sind. Zum Beispiel kann die Temperatur einer Elektrode, mit der Formiat-Dehydrogenase aus Candida spp. assoziiert ist, auf 35-40°C, insbesondere ca. 37-38°C eingestellt sein.

Es können auch mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche mit der gleichen direkt geheizten Elektrode assoziiert sind. Bevorzugt ist die Temperatur dieser Elektrode im Hinblick auf den Gesamt-Substanzumsatz optimiert, es ist jedoch auch möglich, eine geringere Temperatur zu wählen, sofern ansonsten eine ausreichende Stabilität von einem oder mehreren der Enzyme nicht gewährleistet ist.

Die Reduktion kann in mehreren Schritten durchgeführt werden, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten jeweils durch ein Enzym katalysiert wird, welches dabei einen Cofaktor oxidiert, der an einer direkt geheizten Elektrode regeneriert wird, wobei der Cofaktor ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend NADH, NADPH, und FADH.

Die Reduktion kann durch Formiatdehydrogenase, Aldehyddehydrogenase und/oder Alkoholdehydrogenase katalysiert werden.

Geeiegnete Enzyme sind kommerziell erhältlich, sie können jedoch auch weiter optimiert werden (F elber S., Optimierung der NAD-abhängigen Formiatdehydrogenase aus Candida boidinii für den Einsatz in der Biokatalyse. 2001). Als Formiatdehydrogenase kann z.B. ein Enzym aus Candida spp., insbesondere Candida biodinii (z.B. von Sigma-Adrich) gewählt werden, welches ein Temperaturpotimum von 35-40°C zeigt und mit NADH als Cofaktor arbeitet. Eine enyzymatische Regeneration des Cofaktors NADH an einer direkt geheizten Elektrode ist optional möglich.

Mit Hinblick auf eine weiterführende bioelektrokatalytische Methanolsynthese aus Ameisensäure können z.B. eine Aldehyd-Dehydrogenase aus Pseudomonas sp. und eine Alkohol-Dehydrogenase aus Saccharomyces sp. Verwendet werden, die sich mit der Formiatdehydrogenase aus Candida spp. gut kombinieren lassen, insbesondere, weil also diese Enzyme NADH abhängig sind. Für die Regeneration des Cofaktors könnte z.B. eine Diaphorase aus Pyrococcus sp. eingesetzt werden.

Dabei kann C0 ₂ durch eine Carboanhydrase zu Bicarbonat umgewandelt werden, wobei die Carboanhydrase optional mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist.

Die Reduktion kann alternativ auch nicht-enzymatisch an einer geheizten Elektrode ablaufen, wobei die Elektrode bevorzugt ein Material umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Platin, Kupfer, Titan, Ruthenium und Kombinationen davon.

Unterschiedliche direkt beheizbare Elektroden, bei denen das Heizelement aus der Elektrode besteht, also die Temperaturerhöhung nur von der Elektrode ausgeht und nicht von dem Elektrolyten auf die Elektrode übertragen wird, sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Eine direkte elektrische Heizung der Arbeitselektrode kann nach dem Stand der Technik durch eine sogenannte symmetrische Anordnung oder spezielle Filterschaltungen ermöglicht werden. Eine Variante der direkt beheizten Arbeitselektrode besitzt genau in der Mitte zwischen den beiden Kontakten für die Zuleitung des Heizstroms einen dritten Kontakt für die Verbindung mit dem elektrochemischen Messgerät. Durch diese Anordnung werden störende Einflüsse des Heizstromes auf die Messsignale unterbunden. Nachteilig ist hier vor allem der komplexe Aufbau mit drei Kontakten je Arbeitselektrode, die thermische Störung durch den Wärme ableitenden dritten Kontakt und die erschwerte Miniaturisierung. In einer erfindungsgemäß bevorzugten Variante erfolgt daher eine symmetrische Kontaktierung durch eine Brückenschaltung, welche eine direkte Beheizung ermöglicht (Wachholz et al., 2007, Electroanalysis 19, 535-540, insbesondere Fig. 3; Dissertation Wachholz 2009). Dabei kann die Arbeitselektrode so ausgestaltet sein, dass die Temperaturverteilung an der Oberfläche der Arbeitselektrode gleichmäßig ist (DE 10 2004 017 750). In DE 10 2006 006 347 sind vorteilhafte direkt elektrisch beheizbare Elektroden offenbart.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die direkt geheizte Elektrode als Spirale oder Helix oder Netz oder Fläche geformt sein, insbesondere wie in DE 10 2014 114 047 offenbart.

Geeignete direkt geheizte Elektroden können z.B. von Gensoric GmbH bezogen werden (Rostock, DE). Die direkt geheizte Elektrode besteht aus einem Elektrodenmaterial, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kohlenstoff, insbesondere Glaskohle oder Graphit, einem Edelmetall, insbesondere Gold oder Platin, einem optisch transparenten leitfähigen Material, insbesondere indiumdotiertem Zinnoxid, Kupfer, Edelstahl und Nickel.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, in der ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche abläuft oder ablaufen kann, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus zwei Elektroden sowie einer Membran zur Trennung der anodischen und kathodischen Reaktion besteht bzw. diese umfasst.

Eine Vielzahl an Reaktionsgefäßen kann parallel geschaltet werden und in Summe das Reaktionsprodukt erzeugen.

Die Vorrichtung kann als Einweg - oder recycelbarer Reaktor aufgebaut sein und genutzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Fixierung von C0 ₂ , umfassend a) eine direkt geheizte Elektrode, mit der bevorzugt mindestens ein Enzym assoziiert ist, welches einen Schritt der Reduktion von C0 ₂ zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, oder mit der bevorzugt mindestens ein Cofaktor assoziiert ist, der mit einem Enzym zusammenwirken kann, welches einen Schritt der Reduktion von C0 ₂ zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, und b) eine Vorrichtung zum Einleiten von gasförmigem C0 ₂ , welche dafür geeignet ist, das C0 ₂ in einen Reaktionsraum einzubringen, in dem es mit der direkt geheizten Elektrode in Kontakt treten kann.

Diese Vorrichtung umfasst im Allgemeinen eine weitere Elektrode sowie eine Membran zur Trennung der anodischen und kathodischen Reaktion.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann 1-10 000 erfindungsgemäße Reaktionsräume mit direkt geheizten Elektroden umfassen, bevorzugt 100-5 000 oder 500- 2 000 oder 800-1 200 Reaktionsgefäße. Eine Vielzahl an Reaktionsgefäßen kann also parallel geschaltet werden und in Summe das Reaktionsprodukt erzeugen.

Die Vorrichtung kann als Einwegreaktor oder als recycelbarer Reaktor aufgebaut sein und genutzt werden.

Das gasförmige C0 ₂ kann aus Umgebungsluft verwendet oder aufgereinigt werden oder in konzentrierter Form, z.B. aus einer Gasflasche, eingesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Kraftwerk zur Bereitstellung von Energie in Form von Strom und/oder einem Kohlenwasserstoff, umfassend i) eine Energiequelle, bevorzugt eine regenerative Energiequelle basierend etwa auf Photovoltaik, Wasserkraft oder Windkraft, bevorzugt Photovoltaik, ii) die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die für die Herstellung von einem

Kohlenwasserstoff notwendige Energie aus der Energiequelle i) stammt, iii) einen Kohlenwasserstoff-Speicher, und iv) optional, eine Kohlenwasserstoff-Brennstoffzelle zur Produktion von Strom, oder v) optional eine Vorrichtung zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff zur

Herstellung von Warmwasser bzw. Wärmeenergie für das Heizen von Gebäuden oder Wohnungen.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein System aus einem erfindungsgemäßen Kraftwerk und einem Fahrzeug ausgewählt aus der Gruppe umfassend Auto, Bus und Motorrad, wobei das Fahrzeug mit einem Motor ausgestattet ist, der für die Verbrennung von einem Kohlenwasserstoff, bevorzugt, Methanol, geeignet, bevorzugt optimiert, ist.

Erfindungsgemäß ist der Kohlenwasserstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Methanol und Methan und Ameisensäure und Formaldehyd, bevorzugt Methanol. Nicht nur für die Eigentümer von Eigenheimen, die unabhängiger von der zentralisierten Energieversorgung sein wollen und ihr existierendes erneuerbares Energie-System (renewable energy System, RES) in einer Umgebung mit ungewissen Preisen und Anreizen rentabler machen wollen, ist das Projektergebnis ein Mikro-Energie-System (MES), welches dabei hilft, die überschüssige Energie des RES zu speichern und die Versorgung mit Energie hauptsächlich zum Heizen in kleinem Maßstab sicherzustellen. Im Gegensatz zu anderen C0 ₂ - Nutzungen und Energie zu X Speicher-Strategien ist diese Anwendung besonders für häusliche Anwendungen geeignet, da sie bei milden Umgebungsbedingungen läuft (kein hoher Druck, keine hohen Temperaturen). Durch die Selektivität des grundlegenden neuen elektro- enzymatischen Ansatzes besteht kein Bedarf für die elektrolytische Herstellung von H ₂ . Tatsächlich können alle Edukte direkt aus der Umwelt verwendet werden (Umgebungsluft, Leitungswasser).

In dem Projekt ist die elektro-biokatalytische Konversion von C0 ₂ und Elektrizität durch eine Kaskade enzymatischer Reaktionen zu Methanol der Schlüsselprozess. Das erhaltene Methanol wird als Brennstoff für das Heizungssystem verwendet. Keine externe Speicherung oder Infrastruktur ist nötig.

Kommerzielle Rentabilität

Für den Endverbraucher wird unser System eine attraktive Alternative zu zentralisierer Gasoder Energieversorgung. Die angestrebte jährlichen Kostenstruktur für das System und Verbrauchsmaterialien sollten vergleichbar mit den Kosten für jährlichen Gasverbrauch sein (Referenz 10 Ct / KwH Erdgas in Deutschland in ca. 5-10 Jahren). Zusätzlich ermöglicht unsere Lösung die effiziente Speicherung von Energie, die durch erneuerbare Quellen (wie solar) hergestellt wurden.

Für den Vertreiber, also strategische Partner bietet der Bedarf an wiederkehrenden Käufen von Verbrauchsmaterial (Enzymreaktor) neben dem Einzelverkauf des MES ein attraktives Verkaufspotential, welches 1 Milliarde€ p.a. in Deutschland übersteigt.

Im Rahmen der Erfindung bedeutet„ein"„ein oder mehrere", sofern dies nicht ausdrücklich anders spezifiziert ist. Fig. 1 Ausmaß des Projekts. Energy: Energie, Enzymes: Enzyme, Enzyme reactor: Enzym- Reaktor, Separation unit: Trennugseinheit, storage: Speicher.

Fig. 2 Geplantes Ergebnis der Projektaktivität: Verbesserung der Enzymproduktivität und Stabilität

Fig. 3 Kerntechnologie - Elektro-Enzymatischer Reaktor, in dem C0 ₂ , H ₂ aus H ₂ 0 und Elektrizität in hochwertige Brennstoffe wie CH3OH (Methanol) umgewandelt wird.

Beispiele

Proiektbeschreibung

1. Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie I - Elektro-enzymatische Reaktionen

Unsere Schlüssel-Reaktion wird die elektrochemische Bildung eines organischen Cl -Moleküls wie Methanol (CH ₃ OH) in einer enzymatischen Kaskade über mehrere Schritte, ausgeführt an leitenden und direkt geheizten Elektroden.

Schema 1: Schlüssel-Reaktion (kaskadierende elektro-biokatalytische Reduktion)

Dieser Ansatz ist z.B. wegen der folgenden Merkmale neu:

Milde Bedingungen - kein hoher Druck oder hohe Temperaturen nötig

Hohe Selektivität durch enzymatische Umwandlung;

^■ Keine Reinigung / Konzentration von Strömungen von Umgebungsluft mit hohem Volumen;

^■ Keine Elektrolyse bei H ₂ 0-Umwandlung, um H ₂ direkt aus Wasser zu bilden (wobei 0 ₂ entsteht); Höhere Reaktionsgeschwindigkeit, höhere Umsätze ohne signifikante oder ohne Degradierung von Enzymen durch Verwendung von direkt geheizten Elektroden im Vergleich zu ungeheizten Elektroden; und/oder

Direkte Kontrolle des Umsatzes und der Enzymaktivität durch integrierte elektrochemische Umsatz- und Temperatur-Messungen ist möglich.

Diese Merkmale unterscheiden unseren Ansatz von weiteren C0 ₂ - Nutzungstechniken und machen ihn besonders passend für Anwendungen in kleinem Maßstab.

Schlüsselaktivitäten in dem Projekt zielen auf die Verbesserung der Enzym-Erträge und Stabilität ab, d.h. Verlängerung der Lebensdauer. Der aktuelle Status und geplante Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt.

Die geplanten Aktivitäten, um diese Ziele zu erreichen, sind

Verbesserte Enzymstabilität und Aktivität (um Faktoren von je 100 und 30)

Verringerte Herstellungskosten des Enzyms (Ziel:<10€/g)

Ähnliche Verfahren waren in bisherigen Projekten von 3 Jahren Dauer erfolgreich.

Es gibt Beispiele von wissenschaftlich erprobten Entwicklungen, bei denen Enzyme durch Verwendung von geheizten Elektroden oder geheizten Reaktionsmedien verbessert wurden. Diese Enzyme sind normalerweise von thermophilen Organismen abgeleitet und katalysieren die Teilreaktion innerhalb des NADH-Cyclus [McPherson, I.J.und Vincent, K.A.; Electrocatalysis by hydrogenases: lessons for building bio-inspired device. Journal of the Brazilian Chemical Society, 2014].

2. Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie II - Elektro-enzymatischer Reaktor

Die Schlüssel-Reaktions-Kaskade wird in einem speziell entworfenen Reaktor ausgeführt. Wegen unseres geplanten Wirtschaftsmodells ist das Hauptziel in diesem Projekt die Entwicklung und Realisierung eines Einweg- Elektro-enzymatischen Reaktors auf kosteneffiziente Art (Zusammenbau, Platzierung der Enzyme, Verdrahtung). Es kann jedoch auch ein recycelbarer Reaktor eingesetzt werden, bei dem z.B. nach Nachlassen der Effizienz nach einer Reinigung neue Enzyme mit den Elektroden assoziiert werden.

Der Reaktor wird direkt geheizte Elektroden umfassen, auf denen die Enzyme auf eine Art immobilisiert sind, dass Elektronen von der Elektrischen Energiequelle zu der elektro- biokatalytischen Reaktion transferiert werden können. Dies wird durch Verwendung von Elektroden mit großer Fläche im Becherglas oder durch Modifizierung der Innenseite der Röhren-Reaktoren erreicht.

3. Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie HI - Systemintegration

Entsprechend dem Gesamtziel des Projekts werden die Schlüsseltechnologien bevorzugt in ein alleinstehendes System integriert, welches in existierende häusliche Heizungs-Infrastruktur integriert werden kann.

Die grundlegende Funktion der Systems: eine optimierte Enzym-Kaskade ist dazu in der Lage, x Gramm Produkt innerhalb von y Stunden unter Verwendung von z Milligramm Katalysator zu produzieren. Es ist unser Ziel, 5 kg Methanol pro Tag zur Verwendung in existierender Infrastruktur, so wie Heizungssystemen, zu produzieren. Wegen der Komplexität der Maßstabsvergrößerung biokatalytischer Reaktionen werden wir uns auf eine diskrete Strategie zur Maßstabsvergrößerung fokussieren:„einfach" die Anzahl an parallel laufenden (Einweg) elektro-biokatalytischen Reaktoren erhöhen. Gemäß aktueller Entwürfe sind 1000 parallele Reaktoren dazu in der Lage, die angestrebte Menge von Energie / Brennstoff pro Tag herzustellen.

Das Reaktions-Medium wird von dem Produkt Methanol z.B. durch Nutzung einer Pervaporations-Verfahrens abgetrennt. Das Reaktionsmedium wird in einem Kreislauf gepumpt, während das Methanol innerhalb der Vorrichtung produziert und gelagert wird.

4. Vergleichsversuche Bioelektrokatalyse mit nicht beheizter Elektrode

Bevor eine Optimierung der Bioelektrokatalyse am HF Thermalab® (Gensoric, Rostock, DE) durchgeführt wurde, wurden Vorversuche zur Reduktion von C0 ₂ zu Ameisensäure mit einer nicht beheizbaren Enzym- Alginat-Elektrode durchgeführt. Zur Herstellung dieser Elektrode wurden 75 mg aufgearbeitetes Präparat einer Formiat-Dehydrogenase aus Candida spp. (Candida boidinii) genutzt (Sigma Aldrich). Das Enzym wurde in Alginat auf einem Kohlenstoffgewebe immobilisiert und als Arbeitselektrode zur Reduktion von C0 ₂ zu Ameisensäure eingesetzt (Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for C0 ₂ Reduction. 2013. Institute of Physical Chemistry). Als Referenzelektrode wurde eine Silber- Silberchlorid- Elektrode (Ag/AgCl) mit 3 M KCl und als Gegenelektrode ein 2 mm Graphitstab genutzt. Alle Reaktionen wurden bei Raumtemperatur in 20 mL einer wässrig gepufferten Elektrolytlösung (0.05 M TRIS, pH 7,7) in einem 100-mL-Reaktor durchgeführt. Für die bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure wurde der Reaktor kontinuierlich mit C0 ₂ begast. Kontrollexperimente wurden in Argon-gesättigten Elektrolytlösungen ohne C0 ₂ durchgeführt. Die Funktionalität der Enzym-Alginat-Elektrode wurde zunächst über Cyclovoltammetrie überprüft und der Reduktionspeak von C0 ₂ wurde bei ca. -0.8 V ermittelt.

Daraufhin wurde die Synthese von Ameisensäure mittels Chronoamperometrie durchgeführt (Tabelle 1).

Tabelle 1: Bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure aus C02 mittels

Chronoamperometrie.

In einem ersten Vorversuch konnten mit einer Spannung von -I V und bei Raumtemperatur insgesamt 0,15 mg Ameisensäure bioelektrokatalytisch aus C0 ₂ gewonnen werden. Die Quantifizierung erfolgte durch einen enzymatischen Assay der Probe und über HPLC. In einem zweiten Vorversuch wurde eine Spannung von -0,8 V angelegt. Dabei wurde eine ähnliche Ausbeute mit 0,14 mg Ameisensäure aus C0 ₂ erzielt.

5. Optimierung Bioelektrokatalyse an geheizten Elektroden

Im weiteren Verlauf der Versuchsreihen sollte die bioelektrokatalytische Reduktion von C0 ₂ an geheizten Elektroden optimiert werden. Dabei sollte durch gezieltes Heizen der Elektroden der Effekt der Temperatur auf die katalytischen Eigenschaften der immobilisierten Enzyme analysiert und damit optimale Parameter für die enzymkatalysierte Reaktion gefunden werden. Für die Versuche wurde das System HF Thermalab™ von Gensoric herangezogen.

Es wurde 1 mg Enzym (Formiat-Dehydrogenase aus Candida sp.) mittels Alginat-Suspension auf eine geheizte Mikroelektrode immobilisiert. Mit dieser wurden eine Reihe chronoamperometrischer Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen (22°C 30°C, 35°C, 40°C, 45° C) durchgeführt. Als Referenz- und Gegenelektrode wurden die Elektroden aus den Vergleichsversuchen genutzt. Noch vor den Experimenten erfolgte jeweils die Zugabe von 1 mg regeneriertem Cofaktor NADH und ein Test der Enzym-Mikroelektrode auf bioelektrokatalytische Aktivität mit C0 ₂ bei Raumtemperatur. Dieser Test lag in jedem Fall zwischen -320 μΑ und -330 μΑ eines bei -0,8 V durchgeführten 2-3 -minütigen Chronoamperogramms. Während der Versuche wurde die Temperatur des Elektrolyten im Reaktor gemessen. Als Negativkontrolle erfolgte ein Experiment mit Alginat ohne Enzym auf der Mikroelektrode.

In den Vergleichsversuchen wurde mit Spannungen von -1 ,0 V und -0,8 V gearbeitet. Da ein Unterschied in den Ausbeuten von weniger als 10 % vorlag und der Energieeintrag in den Reaktor zur Vermeidung von Überpotentialen möglichst niedrig gehalten werden sollte, wurde mit einer Spannung von -0,8 V (vs. Ag/AgCl, 3 M eingearbeitet.

Bei allen chronoamperometrischen Messungen konnte ein erhöhter Stromfluss zu Beginn der Messungen beobachtet werden, der sich nach ca. 3 h jeweils auf ein konstantes Niveau absenkte. Der Stromfluss der Reaktion bei einer Elektrodentemperatur von 40 °C war im Vergleich zu anderen Versuchen sowohl zu Beginn als auch im weiteren Reaktionsverlauf am höchsten, was Rückschlüsse auf vergleichsweise hohe Reduktionsraten zuließ. Dagegen wies das Chronoamperogramm bei 22 °C die niedrigsten Stromflüsse an einer Enzym-Elektrode auf. Der Kontrollverlauf ohne Enzym zeigte mit ca. -30 μΑ kaum einen Stromfluss, der im Verlauf der Reaktion noch weiter gegen 0 μΑ abnahm. Während der chronoamperometrischen Messungen wurden dem Reaktor jeweils nach 3 h und nach 9 h Proben entnommen, die über HPLC auf synthetisierte Ameisensäure untersucht wurden (Tabelle 2). Bei allen Experimenten mit geheizter Enzym-Mikroelektrode wurde aus dem kontinuierlich mit C0 ₂ begasten Reaktor heraus bereits nach 3 h Ameisensäure detektiert, wobei sich die Menge nach 9 h in etwa verdoppelte. Dabei wurde bei einer Elektrodentemperatur von 40 °C die größte Menge an Ameisensäure gemessen, während bei Versuchen mit anderen Elektrodentemperaturen (22 °C, 30 °C, 35 °C, 45 °C) weniger Ameisensäure anfiel. Mit Ausnahme des Versuchs bei 45 °C, nahm die Ausbeute an Produkt proportional mit der Temperierung der Elektrode zu. Während der Versuche wurde kontinuierlich die Temperatur der Elektrolytlösung im Reaktor überprüft. Selbst bei der höchsten angelegten Heizleistung auf 45 °C Elektrodentemperatur, blieb die Elektrolytlösung im Reaktor konstant bei 22 °C (Tabelle 2).

Tabelle 2: Bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure aus C02 bei unterschiedlichen Temperaturen an geheizten Elektroden.

*n. d.: nicht detektiert

Diskussion

In Vergleichsversuchen konnte die Synthese von 0,15 mg Ameisensäure aus C0 ₂ mittels Chronoamperometrie (-1 V; vs. Ag/AgCl, 3 M C1-) innerhalb von 9 h bei Raumtemperatur in einem 100-mL-Reaktor gezeigt werden. Dabei ermöglichten die selektiven katalytischen Eigenschaften der Elektroenzyme das Anlegen einer niedrigen Spannung (-0,8 V; vs. Ag/AgCl, 3 M C1-) für die fast gleiche Syntheseleistung (0,14 mg Ameisensäure in 9 h). In Folgeexperimenten gelang unter ähnlichen Bedingungen die Synthese von 0,05 mg Ameisensäure. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Vergleichsversuchen und dem ersten Folgeexperiment bei Raumtemperatur lag in der Menge der eingesetzten Enzyme sowie der Beschaffenheit des Elektrodenmaterials. Während im Vergleichsversuch insgesamt 75 mg Enzym als Bioelektrokatalysator auf Kohlenstoffgewebe immobilisiert wurden, so wurde in Folgeexperimenten mit einer beheizbaren Mikroelektrode von Gensoric gearbeitet, bei der aufgrund der deutlich geringeren Elektrodenoberfläche nur 1 mg Enzym immobilisiert wurden. Demnach fiel die Ausbeute mit der beheizbaren Mikroelektrode bezogen auf den Einsatz des Katalysators mit 0,05 mg Ameisensäure pro mg Enzym im Vergleich zum Vergleichsversuch mit ca. 0,002 mg Ameisensäure pro mg Enzym deutlich höher aus.

Der Vorteil im Einsatz geheizter Elektroden liegt darin, dass Temperaturen für optimale Reaktionsbedingungen direkt auf der Elektrodenoberfläche eingestellt werden können und es nicht nötig ist, die gesamte Elektrolytlösung eines Reaktors zu temperieren, was die Energiebilanz von elektrokatalytischen Prozessen jeglicher Art verbessert. Die Temperatur im Reaktor wurde während der bioelektrokatalytischen Synthesen kontinuierlich überprüft. Dabei blieb die Temperatur konstant bei 22 °C. Dies könnte einerseits daran liegen, dass durch die kontinuierliche Begasung des Elektrolyten eine kontinuierliche Durchmischung stattfand und der Wärmetransport an die Umgebung gefördert wurde. Andererseits könnte ein Teil der Wärme von den geheizten Elektroden auch direkt auf die immobilisierten Enzyme geleitet worden sein, welche dadurch verstärkt zu Konformationsänderungen angeregt wurden.

In weiteren Experimenten wurde die Syntheserate von Ameisensäure durch direktes Heizen der Enzym-Mikroelektroden optimiert. Die höchsten Syntheseraten mit 0,02-0,03 mg/h (bezogen auf eine konstante Syntheserate laut Chronoamperogramm nach den ersten 3 Stunden der Reaktion) fanden bei 35 °C und 40 °C statt. Im Vergleich dazu sank die Syntheserate von Ameisensäure sowohl bei Abnahme der Elektrodentemperatur bis 22 °C als auch bei einer Zunahme auf 45 °C. Wahrscheinlich liefen sowohl Substrataufnahme und Produktabgabe an der Enzym-Mikroelektrode als auch Änderungen von Konformationszuständen des immobilisierten Enzyms, die für das Ablaufen des katalytischen Reaktionsmechanismus notwendig waren, optimal zwischen 35 °C und 40 °C ab, was eine Versechsfachung des Umsatzes gegenüber Raumtemperatur (22°C) zur Folge hatte. Interessanterweise sind in der Literatur sind Reaktionsoptima desselben Enzyms in Lösung bei Temperaturen um 60 °C angegeben (Tishkov V et al, Catalytic mechanism and application of formate dehydrogenase. Biochemistry (Moscow), 2004, 69(11): 1252-1267).

Insgesamt wurden zu Beginn eines jeden Experiments jeweils die stärksten Stromflüsse gemessen, was darauf hindeutete, dass sich ein Großteil der Elektrodenreaktion in den ersten Stunden vollzieht. Dies konnte durch Messungen der Ameisensäurekonzentration bestätigt werden. Nach 3 h wurde demnach bereits etwa die Hälfte der Ameisensäure synthetisiert, die im jeweiligen Experiment nach weiteren 6 h vorlag. Die Abnahme der Reaktionsraten kann mit der ansteigenden Produktkonzentration in den Bioelektrokatalysatoren erklärt werden. Demnach sind Diffusionseffekte für eine Anfangs beschleunigte Reaktion verantwortlich. Wahrscheinlich ist zudem die Regeneration von NADH ein limitierender Faktor für die bioelektrische Katalyse. Da zu Beginn noch genügend Cofaktor für CC Reduktionen vorlag, liefen die Reaktionen jeweils am schnellsten ab. Im weiteren Verlauf wurde der Cofaktor nicht mehr in für enzymatische Reaktionen verwertbare Isomere reduziert, was zur Verlangsamung der Reaktionen führte. Eine effektive Regeneration des Cofaktors z.B. ebenfalls enzymatisch, kann daher die Reaktionseffizienz verbessern.

Da die Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen mit immer derselben Enzym- Mikroelektrode durchgeführt wurden, ist davon auszugehen, dass die bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure auch über die 9 h hinaus weiter konstant zunimmt, da in den Tests vor jedem Experiment eine Degeneration des immobilisierten Materials über einen Zeitraum von einer Woche nicht zu beobachten war.