Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Erzeugung von Methan. Methan ist ein wichtiger Energieträger sowie ein bedeutender Ausgangsstoff für die chemische Industrie. Methan wird ganz überwiegend aus Erdgas gewonnen, dessen Hauptbestandteil es ist. Dazu werden fossile Vorkommen ausgebeutet, in denen zumeist Erdgas und Erdöl zusammen vorliegen. Solche Vorkommen finden sich bspw. in Russland, Saudi Arabien, Nordamerika, China und Norwegen, oft auch unter dem Meeresboden, bspw. in der Nordsee.

Die Verfügbarkeit solcher fossiler Erdgasvorkommen ist jedoch begrenzt. Des Weiteren kann eine wirtschaftliche Abhängigkeit von Erdgaslieferländern eintreten. Zusätzlich liegt das Methan im Erdgas neben einer Vielzahl anderer Komponenten vor und muss durch aufwändige Verfahren und damit unter weiterer Energieaufwendung von den Beikomponenten abgetrennt werden, um reines Methan zu erhalten.

Das Hauptproblem bei der Nutzung von Methan aus fossilen Vorkommen ist jedoch zum einen das starke Treibhauspotential, welches Methan aufweist. Bei der Förderung und dem Transport von fossil vorkommendem Methan tritt unweigerlich ein erheblicher Verlust des abgebauten Gases ein, dieser Anteil gelangt als Treibhausgas in die Atmosphäre.

Zum anderen verstärkt die Nutzung (d.h. die Verbrennung) fossilen Methans, wie auch anderer fossiler Energieträger den Treibhauseffekt dadurch, dass weiteres Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt und entsprechend als Treibhausgas wirken kann. Es ist zudem bekannt, methanhaltige Gase aus Biomasse zu gewinnen (sog. Biogas-Verfahren). So ist aus der DE 10 2004 035 997 A1 eine Biogasanlage zur Bereitstellung von methanhaltigen Gasen bekannt. Die Biogaserzeugung hat jedoch den Nachteil, dass nur sehr unreines Methan gewonnen wird, das durch Kohlendioxid, Wasserdampf, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und andere Bestandteile verunreinigt ist. Des Weiteren ist nicht genügend Biomasse verfügbar, um letztlich die fossilen Vorkommen ersetzen zu können.

Schließlich ist bekannt, dass sich auf den Meeresböden der Erde mehrere Billionen Tonnen Methan in Form von Methanhydrat befinden. Die Förderung dieser Vorkommen ist bis jetzt jedoch noch nicht kommerziell möglich und scheint nur mit erheblichen Kosten realisierbar zu sein.

Mit dem Ziel den durch die kohlendioxiderzeugende Verbrennung von Energieträgern, zum Beispiel von fossilen Energieträgern, geförderten Treibhauseffekt einzuschränken, sind unterschiedliche Methoden und Technologien zur alternativen Energiegewinnung entwickelt worden.

So bildet mittlerweile zum Beispiel aus Wind oder Sonnenlicht gewonnene Elektrizität einen wichtigen Bestandteil der allgemeinen Stromversorgung. Ein Problem bei der Erzeugung von Elektrizität durch Windkraft- oder Photovoltaik-Anlagen besteht allerdings darin, dass die zur Elektrizitätserzeugung günstigen Wetterbedingungen nicht immer mit den Hauptbedarfszeiten der Endversorger übereinstimmen. Da es bisher allerdings noch keine adäquate und/oder rentable Lösung zur Langzeitspeicherung solcher im Überschuss produzierter Elektrizität gibt, werden regelmäßig Anlagen zur alternativen Stromerzeugung unter Kapazität betrieben -gerade bei Bedingungen, die optimal zur Energiegewinnung geeignet wären.

Ein weiteres Problem in dieser Hinsicht ist die geographische Distanz zwischen Regionen mit für die alternative Energieerzeugung vorteilhaften Wetterbedingungen und den Hauptstandorten der Energieendverbraucher. Zum Beispiel gibt es gegenwärtig infrastrukturelle Engpässe im Stromnetz, die es nicht ermöglichen die durch Windkraftanlagen erzeugte Elektrizität von den windigen Küstenregionen Norddeutschlands in die dicht besiedelten Ballungsräume in der Mitte oder gar im Süden Deutschlands weiterzuleiten. Dies führt ebenfalls dazu, dass Windanlagen gezielt unter Kapazität betrieben werden.

Es besteht daher ein Bedarf Energieträger oder -Speicher bereitzustellen, die es ermöglichen, Überschussenergie, welche von Anlagen zur alternativen Energieerzeugung unter optimalen Bedingungen bereitgestellt werden kann, zu speichern und/oder verteilbar zu machen.

In bevorzugten Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung wird daher ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung von Methan angegeben, das einerseits auf die Nutzung fossiler Vorkommen verzichtet und andererseits die Möglichkeit bietet die bei der alternativen Energieerzeugung anfallende Überschussenergie nutzbar zu machen. Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach weist das erfindungsgemäße Verfahren zur biologischen Erzeugung von Methan die folgenden Schritte auf:

Erzeugung von Wasserstoff (Hb) und Sauerstoff (O2) aus Wasser (H2O) durch isolierte, synthetische, und/oder rekombinante Peptide mit

Hydrogenase-Aktivität in einem wässrigen Reaktionsgemisch (Hydro- genese),

Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs vom erzeugten Wasserstoff,

Erzeugung von Methan aus dem erzeugten Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) durch Methanogenese-Bakterien (Methanogenese),

Abtrennung und ggf. Verflüssigung des erzeugten Methans (CH4).

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den nachgeordneten Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Herstellung von Methan in zwei Schritte aufteilbar ist, wobei in beiden Schritten jeweils eine umweltneutrale Bioreaktion stattfinden kann.

So wird zunächst durch den Einsatz geeigneter Peptide mit Hydrogenase-Aktivität aus Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Der im ersten Schritt von den Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität erzeugte Sauerstoff wird abgetrennt und kann anderen Verwendungen zugeführt werden. Es verbleibt der im ersten Schritt erzeugte Wasserstoff. In erfindungsgemäßer Weise wird nun in einem zweiten Schritt aus dem erzeugten Wasserstoff und unter Zugabe von Kohlendioxid durch den Einsatz geeigneter Methanogenese-Bakterien Methan erzeugt. Das eingesetzte Kohlendioxid kann aus der Umgebungsatmosphäre, bspw. durch ein Luftverflüssigungsverfahren mit anschließender Trockeneisbildung, gewonnen werden. Dadurch verringert sich der Anteil des treibhausaktiven Kohlendioxids in der Atmosphäre. Des Weiteren kann Kohlendioxid aus Industrie- oder Verbrennungsprozessen genutzt werden, wodurch die Kohlendioxidbelastung der Atmosphäre direkt verringert wird.

Schließlich kann das erzeugte Methan von den verbliebenen Edukten Wasserstoff und Kohlendioxid abgetrennt und ggf. verflüssigt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden isolierte Peptide mit Hydrogenase-Aktivität aus der Gruppe bestehend aus: Hydrogenasen; Hydrogenase- ähnlichen Peptiden; Hydrogenasevarianten; und Fragmenten oder Kombinationen hiervon, zur Wasserstofferzeugung verwendet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden synthetische oder rekombinante Peptide mit Hydrogenase-Aktivität aus der Gruppe bestehend aus: Hydrogenasen; Hydrogenase-ähnlichen Peptiden; Hydrogenasevarianten; Hydrogenase- Mimics; und Fragmenten oder Kombinationen hiervon, zur Wasserstofferzeugung verwendet. Im Kontext der gegenwärtigen Schrift schließt der Begriff „Peptide mit Hydrogenase- Aktivität", Hydrogenasen, Hydrogenase-ähnliche Peptide; Hydrogenasevarianten; Hydrogenase-Mimics und Fragmente oder Kombinationen hiervon, explizit mit ein.

Hydrogenasen sind Enzyme, die die reversible Reduktion von Protonen zu Wasserstoff mit einem Redoxpartner katalysieren (Hydrogenese). Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, im Vergleich zu Verfahren zur biologischen Wasserstofferzeugung durch Algen, sowohl die aufwendige mechanische Durchmischung, als auch die aufwendige Reinigung des Hydrogenesereaktors mit teils höchst umweltschädlichen Reinigungsmitteln größtenteils zu vermeiden. Die Sauerstoffempfindlichkeit der Hydrogenasen kann unter Umständen ein Hindernis im Bezug auf deren direkte Nutzung zur Wasserstofferzeugung darstellen. Allerdings sind nicht alle Hydrogenasen sauerstoffempfindlich und sauerstoffunempfindliche (Sauerstoff- resistente) Hydrogenasen sind bekannt. Sauerstoffunempfindliche Hydrogenasen sind „Peptide mit Hydrogenase-Aktivität" im Sinne der gegenwärtigen Erfindung.

Der Begriff „Sauerstoff-resistent" im Bezug auf die Hydrogenase-Aktivität der erfindungsgemäßen Peptide schließt sowohl Peptide ein, welche bei einem Sauerstoffgehalt im Reaktionsgemisch von <0,8 Vol.-% keinerlei Reduzierung ihrer Hydrogenase-Aktivität erfahren als auch Peptide, die zwar bei einem Sauerstoffgehalt im Reaktionsgemisch von ^0,8 Vol.-% eine Reduzierung ihrer Hydrogenase-Aktivität erfahren, diese Reduzierung aber weniger als 50% beträgt und die Peptide im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar bleiben Aufgrund des Vorkommens verschiedener Metalle im aktiven Zentrum werden zur Zeit vier Hydrogenasetypen unterschieden: Eisen- [Fe] oder [Fe Fe], Nickel-Eisen- [Ni Fe], Nickel-Eisen-Selen [Ni Fe Se] und metallfreie Hydrogenasen (die allerdings einen metallhaltigen Co-Faktor für die Katalyse benötigen). Hydrogenasen aus Algen gehören meist zu den [Fe], [Fe Fe] oder [Ni Fe] Hydrogenasetypen, welche besonders vorteilhafte Umsatzraten aufweisen. Das aktive Zentrum dieser Hydrogenasen wird auch als H- Cluster (H = hydrogen activating) bezeichnet und enthält typischerweise sechs Eisenatome. Bei [Ni Fe]-Hydrogenasen kommt neben Eisen auch Nickel im aktiven Zentrum vor. Peptide mit Hydrogenase-Aktivität im Sinne der gegenwärtigen Erfindung schließen Peptide ein, die aufgrund der Konstellation von Metallionen im Aktiven Zentrum einem der bekannten Hydrogenaseklassen zugeordnet werden können, aber auch Peptide, bei denen eines oder mehrere der Metallionen durch einen Austauschstoff ersetzt sind, die aber weiterhin die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff mit einem Redoxpartner katalysieren. In diesem Zusammenhang ist auch der Begriff „Hydrogenase-ähnliche Peptide" zu verstehen, der unter anderem die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität umfasst, die eine oder mehrere Strukturen aufweisen, welche nicht als typische Strukturelemente einer Hydrogenase angesehen werden. Zum Beispiel umfasst der Begriff „Hydrogenase- ähnliche Peptide", Peptide mit Hydrogenase-Aktivität, die aufgrund ihrer Kombinationen von Metallionen im aktiven Zentrum oder durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit bestimmter Proteindomänen nicht typischerweise als Hydrogenase eingestuft werden würden, die aber dennoch die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff mit einem Redoxpartner katalysieren.

Unter dem Begriff „Hydrogenasevarianten" sind Peptide mit Hydrogenase-Aktivität zu verstehen, die verkürzte oder, zum Beispiel durch Mutation, veränderte Varianten von klassifizierten Hydrogenasen darstellen. Zum Beispiel sind biotechnologisch hergestellte Fusionsproteine generell, und solche die zur Affinitätschromatographie geeignet sind im Speziellen, ebenfalls Hydrogenasevarianten im Sinne der gegenwärtigen Erfindung. Zur Affinitätschromatographie geeignete Fusionsproteine sind zum Beispiel solche, die einen Affinitäts-Tag an das Peptid mit Hydrogenase-Aktivität anfügen, insbesondere einen His-, Myc-, HA-, FLAG-, Avi-, Protein A-, Protein G-, Calmodulin-, TAP-, Strep-, or GST-Tag. Die Identifizierung und strukturbiologische Charakterisierung von Hydrogenasen ermöglicht die Herstellung von peptomimetischen Hydrogenase-Peptiden, auch als Hydrogenase-Mimics bekannt. „Hydrogenase-Mimics" im Sinne der gegenwärtigen Erfindung sind meist synthetisch oder rekombinant hergestellte Peptide, die durchaus auch künstliche Aminosäuren, wie zum Beispiel Prolin- und Brentztraubensäure-Derivate, Glyzin-Derivate oder N-methyl Aminosäuren, enthalten können. Hydrogenase-Mimics imitieren das aktive Zentrum der Hydrogenase. Auch wenn die biologische Aktivität von Enzym-Mimics in der Regel nicht der Aktivität des natürlichen Enzyms entspricht, stellen Enzym-Mimics oft eine insgesamt robustere, und gegebenenfalls auch kostengünstigere, Alternative zur Verwendung des ursprünglichen Enzyms dar. Hydrogenase-Mimics sind vorteilhafterweise sauerstoffunempfindlich und wirken als Katalysatoren in der Reduktion von Protonen zu Wasserstoff und stellen daher Peptide mit Hydrogenase-Aktivität im Sinne der gegenwärtigen Erfindung dar.

Der Begriff „isoliert" im Bezug auf Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließt im Kontext der gegenwärtigen Schrift Peptide, die aus einer Umgebung herausgenommen, und somit von den anderen Komponenten dieser Umgebung abgetrennt wurden, ein. Zum Beispiel kann ein natürlicherweise in einer Zelle eines Organismus vorkommendes Peptid mit Hydrogenase-Aktivität aus dieser Zelle isoliert werden. Allerdings bedeutet der Begriff „isoliert" in diesem Zusammenhang nicht zwangsläufig, dass das aus der Zelle isolierte Peptid ohne jegliche andere Peptide oder zelluläre Bestandteile, also mit einem bestimmten Reinheitsgrad, bereitgestellt wird.

Der Begriff „rekombinant" im Bezug auf Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließt im Kontext der gegenwärtigen Schrift Peptide, die unter der Verwendung dem Fachmann bekannter, DNA Technologien, also biotechnologisch, hergestellt wurden, ein. Rekombinante Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließen durch Verkürzung, Mutation, oder Fusion biotechnologisch hergestellte Hydrogenasevarianten ein. Hydrogenase- Mimics, können auch mit Hilfe rekombinanter DNA Technologien hergestellt werden.

Der Begriff „synthetisch" im Bezug auf Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließt im Kontext der gegenwärtigen Schrift Peptide, die unter der Verwendung dem Fachmann bekannter Peptidsynthese Technologien, zum Beispiel durch die festphasige Peptidsynthese, hergestellt wurden, ein. Bei der Bildung eines synthetischen Peptids werden die Aminosäuren typischerweise von den Karboxylatgruppen vorwärts hinzugefügt, wobei die ribosomgetriebene Peptidsynthese im zellulären Milieu Aminosäuren beginnend mit den Aminogruppen verbindet. Zudem ermöglicht die synthetische Herstellung von Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität den Einbau ungewöhnlicher Aminosäurebausteine, D-Aminosäuren und Linkermoleküle sowie Peptidcyclisierungen, welche sich positiv auf die Hydrogenase-Aktivität perse, oder deren Sauerstoffresistenz auswirken können.

In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, werden Peptide mit Hydrogenase-Aktivität verwendet, welche [Fe], [Fe Fe], [Fe Ni] oder [Ni Fe Se] Komplexe in ihrem aktiven Zentrum aufweisen. Vorteilhafterweise ist die die Hydrogenase-Aktivität der erfindungsgemäßen Peptide Sauerstoff-resistent.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren, und wie noch ausführlicher beschrieben, ist es vorteilhaft, dass Peptide mit Hydrogenase-Aktivität in ihren aktiven Zentren Kohlenmonoxid (CO) als Ligand der Metallionen beherbergen können, bzw., dass diese, für eine Zelle oder einen Organismus typischerweise stark toxische Verbindung, der Aktivität der Hydrogenase nicht abträglich ist. Die Verwendung solcher Peptide, die Hydrogenasevarianten, Hydrogenase-ähnliche Peptide oder auch Hydrogenase-Mimics sein können, ist daher ebenfalls erfindungsgemäß. Typischerweise werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren Peptide mit Hydrogenase- Aktivität verwendet, welche

(a) aus Grünalgen und/oder Cyanobakterien isoliert sind, oder

(b) rekombinant oder synthetisch hergestellt sind und eine Aminosäuresequenz beinhalten, die der Aminosäuresequenz von Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität aus Grünalgen und/oder Cyanobakterien identisch oder ähnlich ist.

Methoden zum Vergleich von Aminosäuresequenzen und zur Identifizierung von homologen Regionen in den zu vergleichenden Sequenzen sind dem Fachmann bekannt. Eine signifikante Ähnlichkeit von Aminosäuresequenzen liegt vor wenn die Sequenzen zu mehr als 80%, insbesondere zu mehr als 85%, insbesondere zu mehr als 90%, insbesondere zu mehr als 95%, insbesondere zu mehr als 98%, insbesondere zu mehr als 99% identisch sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Grünalgen und Cyanobakterien aus der Gruppe bestehend aus: Chlamydomonas reinhardtii; Raistonia eutropha; Paracoccus spp., Pyrococcus spp., Alcaligenes spp., Bradyrhizobium spp., Oligotropha spp., Acidovorax spp., Hydogenaphaga spp., Carboxydothermus spp., Desulfovibrio spp., Megasphaera eisdenii; Scenedesmus obiiquus; Desuifomicrobium bacuiatum; Raistonia metallidurans; Clostridium acetobutylicum; Clostridium pasteurianum; Aquifex aeoiicus; Synechococcus BG04351; Synechococcus elongatus PCC 7942; Spirulina spp; Chroococcidiopsis spp.; Synechocystis PCC 6803; Anabaena PCC 7120; Thiocapsa roseopersicina; Allochromatium vinosum; Desulfovibrio fructosovorans; Desulfovibrio gigas; Nostoc punctiforme; Fischereil muscicola; Anabaena siamensis; Cyanothece spp; Gloeocapsa alpicola; Aphanothece halophytica; Arthrospira maxima; Thiocapsa roseopersicina; Alteromonas macieodii; Aquifex aeoiicus; Rubrivivax geiatinosus; und Shewanella oneidensis ausgewählt. Typischerweise werden die zur Erzeugung von Wasserstoff verwendeten Peptide mit Hydrogenase-Aktivität in einer wässrigen Lösung bereitgestellt. In manchen Ausführungsformen sind die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität an ein Trägermaterial gebunden, zum Beispiel durch Adsorption, durch Vernetzung, durch ionische Bindung, durch kovalente Bindung, durch Immuno-Affinität, durch ein Spacermoekül (zum Beispiel durch bi-reaktives Linkerpeptid, ein bi-reaktives Alkan oder Alken, oder durch ein Alkin). Die Bindung an das Trägermaterial ermöglicht die Abtrennung des Trägermaterials mit den gebundenen Peptiden aus dem Reaktionsgemisch, wobei das erfindungsgemäß bevorzugte Trägermaterial aus der Gruppe bestehend aus: Kieselgelpartikel; Aluminiumhydroxid (Al2(OH)3), Aluminiumoxidhydroxid (AIO(OH)), Aluminiumoxid (AI2O3); Materialien, welche zur Abtrennung mittels lonenaustausch- oder Affinitätschromatographie verwendbar sind, zum Beispiel Kieselgelpartikel, die zur Bindung eines Peptids mit Hydrogenase-Aktivität angepasst sind, insbesondere durch einen Überzug mit für die Peptide spezifischen Antikörpern, oder durch einen Überzug mit dem jeweiligen Affinitätspartner für His-, Myc-, HA-, FLAG-, Avi-, Protein A-, Protein G-, Calmodulin-, TAP-, Strep-, or GST-Tags; Titanoxid; und Siliciden (zum Beispiel Silicide mit Kupfer (Cu), Titan (Ti), Platin (Pt), Palladium (Pd), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Blei (Pb), Gallium (Ga), Indium (In), Kadmium (Cd), Ruthenium (Ru), Kobalt (Co), Silber (Ag), Gold (Au), Iridium (Ir), Osmium (Os), Quecksilber (Hg), Zink (Zn), Hafnium (Hf), Zirkonium (Zr), Vanadium (V), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Tungsten (W), Chrom (Cr) oder Mangan (Mn)), ausgewählt ist.

Zum Beispiel kann das Trägermaterial mit gebundenen Peptiden mit Hydrogenase- Aktivität vorteilhafterweise aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt werden. Dadurch lässt sich die zum Beispiel die Menge von aktiven Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität im Reaktionsgemisch unkompliziert regulieren/skalieren, und damit die Produktionsrate der Hydrogenese ebenfalls vorteilhaft regulieren/skalieren. Außerdem ist so vorteilhafterweise auch ein schnelles „Abschalten" des Hydrogenesereaktors möglich. Zudem erlaubt die unkomplizierte und effiziente Abtrennung der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität das Wechseln des Reaktionsgemischs ohne zu signifikanten Verlusten der Peptide zu führen. Das Abtrennen ermöglicht weiterhin die Regeneration der Hydrogenasen außerhalb des Reaktionsgemisches, zum Beispiel zu unter sauerstofffreien Bedingungen.

In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der gegenwärtigen Erfindung werden die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität durch die Aufnahme von Elektronen aktiviert, wobei die Elektronen den Peptiden durch einen Elektronendonator bereitgestellt werden. Insbesondere werden die Elektronen bevorzugt:

(a) durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an Elektroden, die in das wässrige Reaktionsgemisch eingebracht sind, insbesondere durch Platin-, Kupfer-, Titan-, Silikon-, Palladium-, Eisen-, Nickel-, Blei-, Gallium-, Indium-, Kadmium-, Ruthenium-, Kobalt-, Silber-, Gold-, Iridium-, Osmium-, Quecksilber-, Zink-, Hafnium-, Zirkonium-, Vanadium-, Niob-, Molybdän-, Tungsten-, Chrom- oder Mangan-Elektroden; und/oder (b) durch eine Weitergabe von Elektronen über eine Elektronentransportkette im wässrigen Reaktionsgemisch, insbesondere eine Elektronentransportkette in der wenigstens ein Elektronendonator wie NADH mitwirkt, oder in der wenigstens ein Photosensibilisator aus der Gruppe der Porphyrine, zum Beispiel Zink- Tetraphenylprophyrin-Tetrasulfonat (ZnTPPS) oder Chlorophyll, oder mitwirkt, oder in der wenigstens ein Elektronen-Träger wie Methylviologen mitwirkt, bereitgestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische Spannung durch Über- schussenergie aus Anlagen zur alternativen Energieerzeugung bereitgestellt. Zum Beispiel können die erfindungsgemäßen Peptide mit Hydrogenase-Aktivität zur Aktivierung kovalent mit einer der Elektroden - der Anode - verbunden werden und so die von der Elektrode abgegebenen Elektronen direkt zur Aktivierung nutzen, insbesondere durch die direkte Übertragung von Elektronen an der Bindungsschnittstelle von Peptid und Elektrode.

Alternativ, kann ein Photosensibilisator durch Licht wenigstens einer Lichtquelle angeregt werden und so die zur Aktivierung benötigten Elektronen bereitstellen. Ein möglicher Photosensibilisator, welcher eigenständig zur Hydrogenese beitragen kann ist Titanium- oder Cobalt-Silicid. Insbesondere ist Titanium-Silicid weiterhin vorteilhafterweise Sauerstoff zu binden und kann so multimodal im Reaktionsgemisch wirken.

In einer weiteren vorteilhaften Elektronentransportkette, kann zum Beispiel der Photosensibilisator ZnTPPS im Reaktionsgemisch gemeinsam mit NADH vorliegen. Der Photosensibilisator kann dann durch Licht unter Aufnahme von Elektronen von NADH in seinen angeregten Zustand gebracht werden und wiederum Elektronen an den Elektronen-Träger Methylviologen weitergeben. Methylviologen kann dann als Elektronendonator fungieren und Elektronen zur Aktivierung an die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität weiterleiten. In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann der Photosensibilisator durch Licht mehrerer Lichtquellen angeregt werden, welche drahtlos mit Energie versorgt werden, und welche während der Hydrogenese frei im wässrigen Reaktionsgemisch suspendiert sind. Vorteilhafterweise kann durch das Einbringen der Lichtquellen in das Reaktionsgemisch Licht homogener im Reaktorraum verteilt werden, und der Reaktordurchmesser muss nicht mehr durch die begrenzte Lichteindringtiefe externer Beleuchtungen begrenzt sein. Durch resonante induktive Nahfeldkopplung, können die Lichtquellen, die in der Regel höchst energieeffiziente LED Lichtquellen sind, drahtlos mit Energie versorgt werden. Zum Beispiel kann eine Sendespule ein wechselndes Magnetfeld im Reaktionsgemisch erzeugen, welches die Lichtquellen induktiv mit Energie versorgen kann. In besonderen Ausführungsformen können die zu aktivierenden Peptide mit Hydrogenase-Aktivität, sowie die Photosensibilisatoren direkt an die Oberflächen der im Reaktionsgemisch suspendierten Lichtquellen gebunden werden. Das wässrige Reaktionsgemisch ist meist anaerob und weist erfindungsgemäß einen Sauerstoff-Gehalt von bis zu 0,8 Volumen %, insbesondere bis zu 0,6 Volumen %, insbesondere bis zu 0,4 Volumen %, insbesondere bis zu 0,2 Vol.-%, insbesondere bis zu 0,1 Vol.-%, insbesondere 0,05 Vol-% auf, oder ist sauerstofffrei. Um den Sauerstoffgehalt zu regulieren, kann Sauerstoff in dem wässrigen Reaktionsgemisch während oder nach der Hydrogenese gebunden werden, insbesondere durch Zugabe zumindest eines Bindemittels. In alternativen Ausführungsformen kann der Sauerstoffgehalt des Reaktionsgemisches durch Beaufschlagung mit einer sauerstofffreien Atmosphäre aus, zum Beispiel, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder einem inerten Gas, wie zum Beispiel Argon oder Stickstoff, reguliert werden. In solchen Ausführungsformen ist es besonders vorteilhaft das Volumen der Gasphase möglichst gering zu halten.

Mit anderen Worten kann, im erfindungsgemäßen Verfahren, der Sauerstoffgehalt des Reaktionsgemisches kontinuierlich bereits während der Sauerstoffentstehung reguliert werden. Dies hat Vorteile im Bezug auf gleichbleibende Reaktionsbedingungen, so dass keine Störung bzw. Unterbrechung der Wasserstoffproduktion eintritt. Dabei soll betont werden, dass - auch im Folgenden - der Begriff „Sauerstoff" explizit auch Sauerstoffradikale umfasst, welche ebenfalls die Hydrogenese hemmen. Darüber hinaus ist erkannt worden, dass auch in den Methanogenese-Bakterien intrazellulär vorhandener Sauerstoff die Methanogenese behindert. Deswegen wird im Folgenden auch eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei der der intrazelluläre Sauerstoff der Methanogenese-Bakterien ebenfalls gebunden wird. Die nachfolgend anhand der Hydrogenese vorgeschlagenen vorteilhaften Ausführungsformen zur Bindung des Sauerstoffs sind deswegen ausdrücklich nicht auf den Hydrogenese- Schritt beschränkt. Vielmehr eignen sich diese Weiterbildungen auch in vorteilhafter Weise zur Bindung des intrazellulären Sauerstoffs der Methanogenese-Bakterien und werden auch diesbezüglich als Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen.

Es wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Sauerstoff durch Zugabe zumindest eines Bindemittels gebunden wird. Dabei wird bevorzugt, dass das bzw. die Bindemittel nach der Aufnahme von Sauerstoff regeneriert wird bzw. werden. Dadurch kann im günstigsten Fall das Bindemittel im Reaktionsgemisch oder innerhalb der Bakterienzellen verbleiben und dort erneut wirksam werden. Des Weiteren wird damit ein kostengünstiges und umweltfreundliches Verfahren realisiert.

Bevorzugterweise wird der Sauerstoff biochemisch oder chemisch gebunden und das bzw. die Bindemittel werden nach der Aufnahme von Sauerstoff regeneriert. Bindemittel die zur biochemischen Bindung des Sauerstoffs zu dem Reaktionsgemisch erfindungsgemäß beigegeben werden sind Hämoglobin, Myoglobin oder Porphyrin.

In diesem Zusammenhang wird zunächst ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem als Bindemittel Hämoglobin oder Myoglobin zugegeben wird. Hierbei kann biochemisch hergestelltes Hämoglobin oder Myoglobin in den Hydrogenese-Bioreaktor eingebracht werden. Im Bezug auf das Einbringen des Hämoglobins oder Myoglobins während der Methanogenese kann dies dadurch begünstigt werden, dass die Membranen der Bakterien mittels Elektroporation geöffnet werden. Bei der Elektroporation werden die Zellen kurz starken elektrischen Feldern ausgesetzt, wodurch die Plasmamembranen vorübergehend permeabel werden. Dadurch kann Hämoglobin oder Myoglobin besonders einfach in die Zellen eindringen und den intrazellulären Sauerstoff binden. In einer weiteren Ausgestaltung wird das Hämoglobin oder das Myoglobin mittels biotechnologischer DNA-Transkriptionstechnik gentechnisch in das Genom der Bakterien eingebracht, so dass das Hämoglobin oder Myoglobin künftig von der Zelle selber hergestellt werden kann.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird als Bindemittel Porphyrin zugegeben, welches bevorzugt in der Form von Porphyrin-Eisenkomplexen in den Hydrogenese-Bioreaktor eingebracht wird. Dabei können die Porphyrine sterisch gehindert sein, so dass die Sauerstoffaufnahme eine Reduktion des Eisens verhindert. Auch das Eindringen des Porphyrins in die Bakterienzelle kann durch Elektroporation begünstigt werden.

In Bezug auf die vorgenannten Weiterbildungen des Verfahrens wird eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der das Hämoglobin oder Myoglobin und/oder das Porphyrin nach der Aufnahme von Sauerstoff elektrochemisch und/oder biochemisch und/oder physikalisch regeneriert wird bzw. werden. Zunächst kann das Hämoglobin oder Myoglobin bzw. können die Porphyrin-Eisenkomplexe mittels elektrochemischer Reduktion zu Eisenion (Fe ²⁺ )-Komplexen reduziert werden. Des Weiteren lassen sich Hämoglobin oder Myoglobin und Porphyrin-Eisenkomplexe mittels biochemischer Reduktion mit dem Enzym NADPH zu den bereits genannten Eisenion-Komplexen reduzieren.

Schließlich kann Hämoglobin oder Myoglobin bevorzugt während einer Phase in der die Sauerstoffbildung durch verminderte Hydrogenase-Aktivität verringert ist physikalisch regeneriert werden, in dem es mit Kohlendioxid beaufschlagt wird. Die Kohlendioxid- Moleküle verdrängen bei Vorliegen eines genügend hohen Partialdrucks die Sauerstoffmoleküle aus dem Hämoglobin oder Myoglobin und nehmen deren Plätze ein.

In Ausführungsformen in denen eine Hydrogenaseaktivierung mittels einer Elektronentransportkette sichergestellt wird, welche einen Photosensibilisator beinhaltet, kann dies zum Beispiel während einer Dunkelphase geschehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sauerstoff chemisch gebunden.

Dabei wird zunächst bevorzugt, dass als Bindemittel Hydrazin und/oder ein Hydrazinsalz, insbesondere Eisen-Hydrazin, zugegeben wird. Das Hydrazin wird direkt in den Hydrogenese-Bioreaktor eingebracht. Das Hydrazin oder dessen Salze entfalten eine reduzierende Wirkung, so dass Sauerstoff oder Sauerstoffradikale gebunden werden.

Eine weitere Möglichkeit der chemischen Bindung von Sauerstoff besteht darin, dass als Bindemittel ein Terpen, insbesondere α-Terpen und/oder Isopren, und/oder ein Derivat hiervon zugegeben wird. Terpene weisen im Allgemeinen eine reduzierende Wirkung auf, so dass im Reaktionsgemisch vorhandener Sauerstoff oder Sauerstoffradikale gebunden werden. In besonders bevorzugter Weise wird zu dem Terpen noch der Triphenylmethan- Farbstoff Eosin und/oder ein Hämprotein der Cytochrom P450-Familie zugegeben. Diese Substanzen verstärken als sogenannte Photosensibilisatoren die reduzierende Wirkung des Terpens und können dem Verfahren auch durch die oben erwähnte Aktivierung durch Licht Elektronen zur Aktivierung der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität liefern.

In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können das, bzw. die Bindemittel im Reaktionsgemisch an ein Trägermaterial gebunden sein. Das Trägermaterial kann aus der Gruppe bestehend aus: Kieselgelpartikel; Aluminiumhydroxid (Al2(OH)3), Aluminiumoxidhydroxid (AIO(OH)), Aluminiumoxid (AI2O3); Materialien, welche zur Abtrennung mittels lonenaustausch- oder Affinitätschromatographie verwendbar sind, zum Beispiel Kieselgelpartikel, die zur Bindung des Bindemittels angepasst sind, insbesondere durch einen Überzug mit für das Bindemittel spezifischen Antikörpern, oder für die Bindung des Bindemittels spezifischen Ionen; Platin; Kupfer; Titan; Silikon; Palladium; Eisen; Nickel; Blei; Gallium; Indium; Kadmium; Ruthenium; Kobalt; Silber; Gold; Iridium; Osmium; Quecksilber; Zink; Hafnium; Zirkonium; Vanadium; Niob; Molybdän; Tungsten; Chrom und Mangan, oder Legierung hiervon, ausgewählt sein. Die Bindung an das Trägermaterial erlaubt die kontinuierliche Entfernung von mit Sauerstoff belegtem Bindemittel aus dem Reaktionsgemisch, Regeneration des Bindemittels außerhalb des Reaktionsgemisch, zum Beispiel durch die oben erwähnte Kohlendioxid Beaufschlagung und die Rückführung des so regenerierten Bindemittels ins Reaktionsgemisch.

In Ausführungsformen in denen sowohl die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität als auch das bzw. die Bindemittel an ein Trägermaterial gebunden vorliegen, ist das Trägermaterial, bzw. sind die Trägermaterialien so ausgewählt, dass bei Bedarf eine differenzierte Trennung der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität und dem Bindemittel erzielt wird. Zum Beispiel ist das Bindemittel an ein magnetisches Trägermaterial wie zum Beispiel Dynabeads® (ThermoFischer) gebunden, und wird periodisch durch eine magnetische Abtrennung aus dem Reaktionsgemisch entfernt, und durch frisches/regeneriertes Bindemittel ersetzt. In diesen Ausführungsformen können die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität zum Beispiel an ein nicht-magnetisches, poröses Trägermaterial, wie zum Beispiel Kieselgelpartikel, kovalent gebunden vorliegen.

Weiterhin erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren sowohl

(a) die Abtrennung der gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff von dem wässrigen Reaktionsgemisch, als auch

(b) die Abtrennung des Methans von dem Bakterienmedium, über eine Membran, insbesondere über eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked Polyethylene), insbesondere über eine CLPE-Membran mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butyl-sulfonsäure)).

Im Bezug auf die Bereitstellung eines umweltfreundlichen Verfahrens zur Methanherstellung, sei bemerkt, dass durch den Verbrauch von Kohlendioxid während der erfindungsgemäßen Methangewinnung insgesamt ein kohlendioxidneutrales Verfahren angegeben ist. Dies bedeutet, dass das erzeugte Methan bei einer thermischen Umsetzung kein zusätzliches treibhausschädigendes Kohlendioxid produziert, da die entsprechende Kohlendioxidmenge bereits bei der Herstellung aus der Atmosphäre entnommen worden ist.

In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren Sonnenlicht als Energiequelle verwendet, was die Energiebilanz des Verfahrens direkt verbessert. Das vorgeschlagene Verfahren kann daher alternativ zu den umweltfreundlichen Energiequellen Windenergie und Solarenergie zur Energiegewinnung genutzt werden. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen, kann das erfindungsgemäße Verfahren allerdings auch besonders zur Effizienzsteigerung von bestehenden Windkraft- oder Photovoltaikanlagen genutzt werden. Insbesondere da das Verfahren die bei günstigen Wetterbedingungen im Überschuss produzierte Elektrizität zur Methanproduktion nutzbar macht und damit, zumindest teilweise, in einen herkömmlichen Energieträger umwandelt. Durch regelmäßige Nutzung von Erdgas als Energieträger, besteht eine in Deutschland flächendeckende Infrastruktur von Gasspeichern, Gasnetzen und anderweitigen Transportwegen, die die Verteilung des Energieträgers Methan (und somit indirekt der Überschusselektrizität) ohne große infrastrukturelle Investitionen ermöglicht.

Folglich ist ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren zur Gewinnung von Methan angegeben, das nicht nur auf die Nutzung fossiler Vorkommen verzichtet, sondern zusätzlich auch die effizientere Nutzung alternativer Energiequellen ermöglicht. In einer Weiterbildung des Verfahrens beinhaltet das zur Erzeugung von Wasserstoff verwendete Reaktionsgemisch einen Photosensibilisator und wird von der Lichtquelle, insbesondere dem Sonnenlicht, durch eine im Wesentlichen transparente Scheibe getrennt. Dadurch können die verwendeten Peptide mit Hydrogenase-Aktivität das Sonnenlicht als Energieträger verwerten.

Sofern die Hydrogenese in einem wässrigen Reaktionsgemisch stattfindet, ist generell eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff zunächst abgetrennt werden, bevor das Gasgemisch Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff von dem Reaktionsgemisch durch eine Membran, insbesondere eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked Polyethylene) abgetrennt. Dabei können die gasförmigen Zwischenprodukte durch die Membran diffundieren, während das in der Regel wässrige Reaktionsgemisch durch die Membran am Durchtritt gehindert wird. Dabei ist festgestellt worden, dass sich die genannte Membran aus CLPE besonders gut zur Abtrennung der vorliegenden Mischungspartner eignet.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird die Membran beidseitig in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt. Dadurch wird eine besonders sichere Fixierung der Membran erreicht.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine CLPE-Membran mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butyl-sulfonsäure)) verwendet. Die innere Schicht aus PATBS erhöht in weiter vorteilhafter Weise die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen CLPE-Membran für die Abtrennung der vorliegenden Mischungspartner.

In diesem Zusammenhang wird eine Weiterbildung des Verfahrens bevorzugt, bei dem einen mehrlagige Membran verwendet wird, deren Lagen zumindest bereichsweise miteinander verscheißt sind, insbesondere in einem Kreis- oder Wabenmuster. Durch das Verschweißen der verschiedenen Lagen der Membran wird eine erhöhte Druckfestigkeit bereitgestellt, so dass sich der Gasdruck in vorteilhafter Weise steigern lässt. In besonders vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens füllt das wässrige Reaktionsgemisch den Hydrogenesereaktorraum vollständig aus, so dass zwischen dem Reaktionsgemisch und der Membran keine oder nur eine minimale Gasphase besteht. Weiterhin kann der Reaktorraum so gestaltet sein, dass sich eine eventuell vorhanden Gasphase über ein Ventil entfernen lässt.

In einer weiteren Ausgestaltung wird im Hydrogenese-Schritt eine schwarze Membran verwendet. Die schwarze Membran absorbiert einen Großteil des eingestrahlten Lichts, so dass eine Erwärmung der Membran und des umliegenden Reaktionsgemischs erreicht wird. Durch die Wärmeentwicklung wird die Diffusion sowohl des Sauerstoffs als auch des Wasserstoffs begünstigt. Zusätzlich kann die Wärmeenergie abgeführt und anderweitig genutzt werden, beispielsweise durch einen Wärmeübertrager. Des Weiteren ist es möglich, die schwarze Membran direkt an ein Wärmeübertragemittel anzuschließen, so dass die eingestrahlte Wärmeenergie direkt abführbar ist. Die im ersten Schritt gewonnenen gasförmigen Mischungspartner Sauerstoff und Wasserstoff werden in bevorzugter Weise durch eine Gasverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, voneinander getrennt. Das Linde-Verfahren ist für sich gesehen bekannt. Dabei wird ein Gas bzw. eine Gasmischung so lange abgekühlt, bis die einzelnen Mischungspartner ihren Siedepunkt erreichen und als Flüssigkeit anfallen. In diesem Fall liegt der Siedepunkt von Sauerstoff ca. 70 Kelvin oberhalb des Siedepunkts von Wasserstoff, so dass der Sauerstoff zuerst flüssig wird. Die Verwendung eines Gasverflüssigungsverfahrens ist besonders vorteilhaft, wenn sehr reine Komponenten gewonnen werden sollen. Aus reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff kann so als Nebenprodukt des Verfahrens reinstes Süßwasser erhalten werden, insbesondere unter Nutzung von Abwärme aus dem Hydrogenese-Schritt. Es wird insgesamt eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der auch die zur Erzeugung von Methan verwendeten Methanogenese-Bakterien in einer wässrigen Lösung bereitgestellt werden. Dieser Lösung können zudem periodisch oder fortlaufend geeignete Nährstoffe zugeführt werden. Damit wird für die verwendeten Methanogenese- Bakterien eine optimale Umgebung bereitgestellt. Des Weiteren ist eine ununterbrochene Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die zur Erzeugung von Methan verwendeten Methanogenese-Bakterien eine oder eine Mischung der Arten Methanobacterium thermoautotropicum, Methanobacillus spp., Methanobacterium spp., Methanococcus spp., Methanosarcina spp. und Methanothrix spp. auf. Es ist festgestellt worden, dass die genannten Bakterienarten besonders gut mit den anderen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens harmonieren.

Im zweiten Schritt des Verfahrens kann der Wasserstoff und das Kohlendioxid den Methanogenese-Bakterien unter anaeroben Bedingungen und/oder bei einer Temperatur von ungefähr 60°C zugeführt werden. Die genannten Bedingungen haben sich als optimal erwiesen, um eine möglichst hohe Methanausbeute in Verbindung mit einer langen Lebensdauer und einer besonders gleichmäßigen Aktivität der verwendeten Bakterien bereitzustellen.

Es ist zudem erkannt worden, dass Sauerstoff bzw. vorliegende Sauerstoffradikale nicht nur die Wasserstoffproduktion der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität hemmen, sondern ebenfalls die Produktivität der Methanogenese-Bakterien herabsetzen. Daher besteht eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, den Gehalt an intrazellulärem Sauerstoff innerhalb der Methanogenese-Bakterien ebenfalls herabzusetzen. Dazu werden ausdrücklich alle Maßnahmen vorgeschlagen, die als bevorzugte Ausführungsformen zu Reduktion des Sauerstoffs innerhalb der Hydrogenese angesprochen worden sind. Mit anderen Worten eignen sich sämtliche dieser Maßnahmen auch in vorteilhafter Weise zur Anwendung auf die Methanogenese-Bakterien, finden hier jedoch zur Vermeidung von Wiederholungen keine erneute detaillierte Erwähnung.

Es wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Abtrennung des Methans von dem Bakterienmedium über eine Membran, insbesondere über eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked Polyethylene), erfolgt.

Auch die Membran des zweiten Schrittes kann in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt werden.

Dabei wird die Verwendung einer Membran bevorzugt, die eine innere Schicht aus PATBS aufweist.

Auch hier kann in vorteilhafter Weise eine mehrlagige Membran verwendet werden, deren Lagen zumindest bereichsweise miteinander verschweißt sind, insbesondere in einem Kreis- oder Wabenmuster.

Bezüglich der letztgenannten Ausführungsformen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen in Bezug auf vorteilhafte Merkmale der im ersten Schritt verwendeten Membran verwiesen.

In Bezug auf den zweiten Reaktionsschritt wird eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, bei der der osmotische Druck des Kohlendioxids auf der Gas-Seite der Membran erhöht wird. Dadurch lässt sich eine gleichbleibend hohe Konzentration von Kohlendioxid im Bakterienmedium sicherstellen. Dies ist vorteilhaft, da das Kohlendioxid von den Bakterien letztlich zu Methan umgesetzt wird.

Es wird weiterhin eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, bei der die Abtrennung des im zweiten Schritt erzeugten Methans von dem Wasserstoff durch eine Gasverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, erfolgt. In Bezug auf die Vorteile dieser Ausführungsform kann auf die Erläuterungen bezüglich der Auftrennung von Sauerstoff und Wasserstoff verwiesen werden. In Bezug auf den Methanogenese-Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird vorgeschlagen, dass das den Methanogenese-Bakterien zugeführte Kohlendioxid aus Trockeneis gewonnen wird, wobei das Trockeneis ggf. aus einer Luftverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, gewonnen wird. So lässt sich Kohlendioxid bzw. Trockeneis bereitstellen, das praktisch keine Verunreinigungen beinhaltet. Des Weiteren wird der Umgebungsluft Kohlendioxid entnommen, was eine vorteilhafte Auswirkung auf den Treibhauseffekt hat.

Alternativ oder zusätzlich kann das den Methanogenese-Bakterien zugeführte Kohlendioxid aus kohlendioxidreichen Gasströmen, insbesondere aus Industrie- und Verbrennungsprozessen, bereitgestellt werden. Diese Weiterbildung des Verfahrens ist insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung der Kohlendioxidbilanz von Müllverbrennungs- und Kraftwerksanlagen vorteilhaft. So kann aus eigentlich umweltschädlichen Abgasströmen mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens Methan bereitgestellt werden, das als Ausgangsstoff für die chemische Industrie oder zur kohlendioxidneutralen Verbrennung genutzt werden kann.

Im Hinblick auf eine Verbesserung der Energiebilanz und eine Verminderung des Ausstoßes von treibhausaktivem Kohlendioxid wird eine Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem nicht verbrauchtes bzw. nicht umgesetztes Kohlendioxid - insbesondere mittels einer Kühlfalle - zurückgewonnen und in den Prozess rückgeführt wird.

Schließlich ist im Hinblick auf eine zusätzlich verbesserte Methanausbeute des Verfahrens eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der entstehendes überschüssiges Bakte- rienmaterial periodisch oder fortlaufend dem Prozess entnommen und einem Bio- gasprozess zur zusätzlichen Methangewinnung zugeführt wird. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht fortlaufend Biomasse, die aufgrund der festgelegten Anlagengröße von Zeit zu Zeit oder fortlaufend entfernt werden muss. Bei dieser Weiterbildung des Verfahrens kann diese Biomasse, die ansonsten - ggf. mit weiteren Folgekosten - entsorgt werden müsste, einer weiteren sinnvollen Verwendung zugeführt werden.

Im Sinne einer optimierten Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann Wärme aus dem Hydrogenese-Schritt abgeführt werden, insbesondere durch einen Wärmeübertrager oder einer Wärmepumpe. Zum Erhalt einer besonders großen Wärmemenge kann - wie bereits erwähnt - eine schwarze Membran im Hydrogenese- Schritt verwendet werden. Die überschüssige Wärme lässt sich sinnvoll weiterverwenden oder innerhalb des Verfahrens übertragen.

Dabei kann Wärme zwischen dem Hydrogenese-Schritt und dem Methanogenese-Schritt übertragen werden. Mit anderen Worten lässt sich Abwärme aus dem Hydrogenese- Schritt in vorteilhafter Weise für die Methanogenese verwenden. Da die Methanogenese jedoch im Allgemeinen auf einem deutlich höheren Temperaturniveau stattfindet als die Hydrogenese, bietet sich hierbei die Verwendung einer Wärmepumpe an.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung des Teilschrittes der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Teilschrittes der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Methan gewonnen wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des gesamten Verfahrens gemäß gezeigter

Ausführungsform und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Membrananordnung zur

Abtrennung gasförmiger (Zwischen-) Produkte von dem Reaktionsgemisch bzw. dem Bakterienmedium, und Fig. 5 eine schematische Darstellung zweier Ausführungsformen von mehrlagigen

Membranen, die bevorzugt zur Gasabtrennung im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der vorgeschlagenen Ausführungsform des Gesamtverfahrens. Dieser erste Teil bezieht sich auf die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Peptide mit Hydrogenase-Aktivität und die Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs vom Wasserstoff. Zu Beginn des Verfahrens wird ein wässriges Reaktionsgemisch 1 mit den Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität in einem Hydrogenese-Bioreaktor 2 bereitgestellt. Das wässrige Reaktionsgemisch 1 enthält zudem eine Pufferlösung, zum Beispiel eine 20mM Phosphat- Pufferlösung pH 7,0, sowie NADH, ZnTPPS und Methylviologen und ist vom Gasraum des Bioreaktors 2 durch eine Membran 3 aus CLPE getrennt. Das bereitgestellte Reaktionsgemisch wird stetig mit einer Pumpe 4 durchmischt, und, vorteilhafterweise, im Kreislauf geführt.

Das Reaktionsgemisch 1 wird von der Umgebung durch eine im Wesentlichen transparente Scheibe 5 getrennt. Aufgrund der Einstrahlung von Licht (hu), insbesondere dem Sonnenlicht produzieren die verwendeten Peptide Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Zwischenprodukte können durch die Membran 3 in den Gasraum des Bioreaktors 2 übertreten und abgezogen werden.

Alternativ, und auch bei für das Verfahren ungünstigen Lichtverhältnissen, können dem Hydrogenese-Reaktor mittels einer über die Elektroden 6 angelegten Spannung direkt und gegebenenfalls zusätzlich Elektronen zugeführt werden, die letztlich zur Aktivierung der Peptide führen.

Zur Erhöhung des osmotischen Drucks von Sauerstoff auf der Reaktionsgemisch-Seite des Reaktors 2, wird auf der auf der Gas-Seite des Reaktors der entstehende Sauerstoff direkt mit den Wasserstoff abgezogen. Zudem wird der Gasphase stetig ein weiteres Inertgas zugegeben, in diesem Fall Stickstoff, was den Übertritt des entstehenden Sauerstoffs von der Reaktionsgemisch-Seite zur Gas-Seite der Membran 3, also in den Gasraum des Bioreaktors 2, unterstützt. In weiter vorteilhafter Weise können im Reaktionsgemisch zeitgleich Sauerstoff und Sauerstoffradikale gebunden werden. Dazu kann dem Bioreaktor 2 ein Bindemittel zugegeben werden. Geeignete Bindemittel sind beispielsweise Hämoglobine, Myoglobine, Porphyrin, Hydrazin oder Terpene. Die verwendeten Bindemittel können auf verschiedene Weise regeneriert werden, wozu auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen wird. Sofern das oder die Bindemittel elektrochemisch regeneriert werden, sind innerhalb des Bioreaktors 2 Elektroden angebracht, die hier nicht dargestellt sind.

Die Auftrennung der Zwischenprodukte Sauerstoff und Wasserstoff erfolgt über eine Gasverflüssigung 7 und über eine Fraktionierung 8.

Dem Bioreaktor 2 kann fortlaufend überschüssige Wärme entnommen werden. Dazu wird bevorzugt ein Wärmeübertrager verwendet (nicht dargestellt). Des Weiteren kann im Hinblick auf eine verbesserte Energiebilanz Wärme aus dem Bioreaktor 2 mittels einer Wärmepumpe (nicht dargestellt) abgezweigt und dem Bioreaktor 10 für die Methanogenese (siehe Fig. 2) auf einem höheren Temperaturniveau zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des zweiten Schrittes der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, der sich auf die Erzeugung von Methan aus dem im ersten Schritt erzeugten Wasserstoff und die Abtrennung des gewonnenen Methans bezieht.

Der im ersten Schritt gewonnene Wasserstoff wird einem weiteren Bioreaktor 10 zugeführt. In diesem Bioreaktor 10 liegt eine wässrige Lösung von Methanogenese- Bakterien 9 vor, die von dem Gasraum des Bioreaktors 10 durch eine Membran 1 1 abgetrennt ist. Die Membran 1 1 besteht wie für den ersten Schritt gemäß Fig. 1 aus CLPE. Den in wässriger Lösung vorliegenden Methanogenese-Bakterien wird sowohl Wasserstoff als auch Kohlendioxid zugeführt. Dazu wird - bspw. aus einem Gasverflüssigungsverfahren stammendes - Kohlendioxid in der Trockeneiserzeugung 12 in Trockeneis umgewandelt.

Die Edukte Kohlendioxid und Wasserstoff werden der Bakterienlösung unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur von ungefähr 60°C zugeführt. Des Zudem werden der Bakterienlösung fortlaufend geeignete Nährstoffe zugegeben. Sowohl die Bakterienlösung als auch die Gase im Gasraum des Bioreaktors 10 werden fortlaufend durch Pumpen 13 umgewälzt.

In erfindungsgemäßer Weise produzieren die Methanogenese-Bakterien aus dem zugeführten Wasserstoff und Kohlendioxid durch die Einstellung geeigneter Umgebungsbedingungen und durch die Zuführung von Nährstoffen 14 Methan (ChU). Das entstandene Methan kann durch die Membran 1 1 aus CLPE in den Gasraum des Bioreaktors 10 diffundieren. Zur Verhinderung einer übermäßigen Diffusion von Wasserstoff und Kohlendioxid in den Gasraum wird der osmotische Druck der beiden Edukte auf der Gas-Seite der Membran 1 1 erhöht.

Obwohl die Methanogenese prinzipiell unter anaeroben Bedingungen durchgeführt wird, kann es in den Methanogenese-Bakterien intrazellulär zum Auftreten oder sogar zu einer Anreicherung von Sauerstoff und/oder von Sauerstoffradikalen kommen. Dieser intrazelluläre Sauerstoff behindert jedoch die Methanerzeugung. Deswegen wird als vorteilhafte Ausführungsform vorgeschlagen, den intrazellulären Sauerstoff der Methanogenese-Bakterien zu binden. Dazu kann - wie bei den Peptiden mit Hydrogenese-Aktivität - ein geeignetes Bindemittel zugegeben werden. Solch ein Bindemittel kann beispielsweise biochemisch oder chemisch wirken, um den intrazellulären Sauerstoff zu binden. Geeignete Bindemittel umfassen Myoglobin, Porphyrin, Hydrazin oder Terpene.

In bevorzugter Weise wird das Bindemittel nach der Aufnahme von intrazellulärem Sauerstoff regeneriert. Dabei kann wie bezüglich der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität beschrieben vorgegangen werden.

Das Gasgemisch aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Methan 15 kann aus dem Gasraum des Bioreaktors 10 entnommen werden. Danach wird zunächst in einer Kühlfalle 16 das Kohlendioxid abgetrennt und in den Kreislauf rückgeführt. Die Auftrennung der verbleibenden Komponenten Wasserstoff und Methan erfolgt über eine Gasverflüssigung 17 und eine nachgeschaltete Fraktionierung 18. Der abgetrennte Wasserstoff wird ebenfalls in den Prozess rückgeführt.

Übrig bleibt das Produkt Methan (CH4) in hoher Reinheit. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des gesamten Verfahrens. Dabei wird deutlich, wie der im ersten Schritt gewonnene Wasserstoff als Edukt für den zweiten Schritt übergeleitet und verwendet wird. Auch im zweiten Schritt entsteht durch das stetige Wachstum der verwendeten Methanogenese-Bakterien andauernd überschüssiges Biomaterial, welches zur weiteren Methangewinnung im Biogas-Verfahren ausgeschleust wird.

Zu den weiteren einzelnen Verfahrensschritten wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zu Fig. 1 und Fig. 2 verwiesen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren laufen folgende Brutto-Reaktionen ab:

1. Schritt (Fig. 1): 2 H ₂ 0 -> 2 H ₂ + 0 ₂ Hier kann durch das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Einsatz von 1 mg Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität mehr als 0,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 1 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 1 ,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 2 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 2,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 3 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 3,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 4 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 4,5 Liter Wasserstoff, insbesondere bis zu ca. 4,67 Liter Wasserstoff pro Liter Reaktionsgemisch und Stunde erzeugt werden, was einer deutlich erhöhten Wasserstoff Produktion gegenüber der Wasserstoffproduktion mittels Algenreaktoren entspricht. Im Gegensatz dazu sind für Algenreaktoren sehr viel niedrigere Wasserstoffproduktionsraten üblich. Insbesondere sind für Algenreaktoren beispielsweise von Wasserstoffproduktionsraten 8ml Wasserstoff pro Liter und Stunde bekannt.

Weiterhin können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens pro 1 mg Peptid mit Hydrogenase-Aktivität mehr als 500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 1000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 1500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 2000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 2500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 3000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere bis zu 3500 μηηοΙ Wasserstoff pro Minute gewonnen werden. 2. Schritt (Fig. 2): C0 ₂ + 4 H ₂ -> CH ₄ + 2 H ₂ 0

Gesamt (Fig. 3): C0 ₂ + 2 H ₂ 0 - 2 0 ₂ + CH ₄ Bei dem hier exemplarisch aufgezeigten Ansatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können 0,124 Liter, insbesondere mehr als 0,248 Liter, insbesondere mehr als 0,372 Liter, insbesondere mehr als 0,496 Liter, insbesondere mehr als 0,62 Liter, insbesondere mehr als 0,744 Liter, insbesondere mehr als 0,868 Liter, insbesondere mehr als 0,992 Liter, insbesondere mehr als 1 ,1 16 Liter, insbesondere bis zu ca. 1 ,16 Liter reines, Kohlendioxid-neutrales Methan erzeugt werden.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Festlegung der erfindungsgemäß verwendeten Membrane 3, 1 1. Dabei wird in dem Verfahren sowohl bei der Wasserstoffgewinnung durch Algen als auch bei der Methangewinnung durch Methanogenese-Bakterien vorzugsweise eine Membran 3, 1 1 aus CLPE verwendet, um den Übertritt von gasförmigen Produkten aus einem wässrigen Medium zu ermöglichen.

Diese Fig. zeigt in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht, wie die Membran 3, 1 1 aus CLPE in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung verankert wird, um eine möglichst sichere Festlegung der Membran 3, 1 1 zu erreichen.

Diese Art der Festlegung der Membran ist dabei im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, zur Ausführung des Verfahrens jedoch nicht zwingend notwendig. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung zweier Ausführungsformen mehrlagiger Membranen, welche bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Die Membranen 3, 1 1 bestehen aus zumindest zwei Lagen, können beispielsweise eine innere Schicht aus PATBS aufweisen. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit sind die Lagen der Membranen 3, 1 1 zumindest bereichsweise miteinander verscheißt. In Fig. 5 links ist ein Kreismuster dargestellt. Die Kreise können sich berühren oder auch geringfügig voneinander beabstandet sein. In Fig. 5 rechts sind die verschiedenen Lagen der Membran 3, 1 1 in einem Wabenmuster miteinander verschweißt, wodurch eine erhöhte Druckstabilität erreicht ist. Bei Verwendung der bevorzugten Membranen sowohl im Bioreaktor 2 als auch im Bioreaktor 10 kann der Druck auf der Gas-Seite der Membran erhöht oder verringert werden, ohne dass diese versagt. Demzufolge ist insbesondere der osmotische Druck von Sauerstoff auf der Gas-Seite von Reaktor 2 weiter verringerbar und der Druck von Kohlendioxid auf der Gas-Seite von Reaktor 10 weiter steigerbar.

Die Membran 3 im Bioreaktor 2 kann aus schwarzem Material gefertigt sein. Dadurch fällt im Bioreaktor 2 ein größerer Überschuss an Wärme an, die auf die bereits beschriebene Art und Weise vorteilhaft nutzbar ist.

Abschließend sei hervorgehoben, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die beanspruchte Lehre erörtert, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Bezugszeichenliste

1 Hydrogenese-Reaktionsgemisch

2 Hydrogenese-Bioreaktor

3, 11 Membran

4, 13 Pumpe

5 Scheibe

6 Elektroden

7, 17 Gas-/Luftverflüssigung

8, 18 Fraktionierung

9 Methanogenese-Reaktionsgemisch

10 Methanogenese-Bioreaktor

12 Trockeneiserzeugung

14 Nährstoffe

15 Methanogenese-Gasgemisch

16 Kühlfalle