Eine Biobrennstoffzelle ist ein Gerät, das aus biologischen Materialien auf direktem Weg durch Redoxreaktionen Strom erzeugt. Dies steht im Gegensatz zur konventionellen Nutzung von Biokraftstoffen zur Stromerzeugung aus der Wärme, die durch die Verbrennung des Materials entsteht. Das Prinzip der Biobrennstoffzellentechnologie besteht darin, verschiedene natürliche Prozesse nachzuahmen, die in lebenden Organismen zur Energiegewinnung genutzt werden. In manchen Fällen können Bakterien in diesen Brennstoffzellen eine Rolle spielen. Ab 2011 zeigen Biobrennstoffzellen Potenzial als alternative Energiequelle und in verschiedenen medizinischen und biotechnischen Anwendungen.
Lebende Organismen gewinnen Energie aus der Oxidation von Kohlenhydraten, die durch Photosynthese in Pflanzen erzeugt und von Tieren als Nahrung aufgenommen werden. Enzyme erleichtern die Reaktionen, bei denen Kohlenhydrate durch die Entfernung von Elektronen in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden, die dann in Adenosintriphosphat (ATP)-Molekülen gespeichert werden. In einer Biobrennstoffzelle werden Elektronen verwendet, die durch die Oxidation organischer Moleküle – normalerweise Kohlenhydrate, wie in lebenden Organismen – erzeugt werden, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die Idee, diese biologischen Prozesse zur Stromerzeugung zu nutzen, gibt es schon seit den 1960er Jahren, aber frühe Versuche, eine praxistaugliche Biobrennstoffzelle zu bauen, stießen auf Schwierigkeiten.
Eine Biobrennstoffzelle besteht typischerweise aus einem Behälter, der durch eine durchlässige Barriere in zwei Abschnitte unterteilt ist. In einem Abschnitt liefert die Oxidation eines Kohlenhydrats – zum Beispiel Glukose – Elektronen. Im anderen Abschnitt findet eine Reduktionsreaktion statt, die diese Elektronen nutzt. Durch Verbinden der beiden Elektroden kann ein Strom von der Elektrode im Oxidationsabschnitt – der Anode – zur Elektrode im Reduktionsabschnitt – der Kathode – erzeugt werden.
Eines der größten praktischen Probleme, die die Entwicklung von Biobrennstoffzellen behinderten, bestand darin, einen effizienten Weg zu finden, die aus dem Kohlenhydrat freigesetzten Elektronen in die Anode zu bringen. Die Elektronen werden zunächst im oxidierenden Enzym gespeichert und würden im natürlichen Prozess chemisch in ATP-Moleküle überführt. Es gibt zwei mögliche Methoden, um Elektronen aus dem Enzym in die Anode einer Biobrennstoffzelle zu extrahieren.
Beim Direct Electron Transfer (DET)-Verfahren muss das Enzym an die Anode gebunden werden. Dies kann chemisch oder durch andere Verfahren erfolgen, beispielsweise durch den Aufbau der Anode aus einem Netz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, an denen das Enzym adsorbiert wird. Diese Verfahren führen zu einer verringerten Aktivität des Enzyms und folglich zu einem Effizienzverlust, aber dies ist zum Zeitpunkt des Schreibens ein Bereich laufender Forschung und verbesserter Techniken könnte entwickelt werden.
Die andere Methode des Elektronentransfers ist als Mediated Electron Transfer (MET) bekannt. Dies erfordert keinen Kontakt des Enzyms mit der Anode; stattdessen werden die Elektronen an ein anderes Molekül mit niedrigerem Redoxpotential weitergegeben, das die Elektronen dann an die Anode abgibt. Auch diese als Mediator bekannte Verbindung muss ein höheres Redoxpotential aufweisen als die Anode. Dieser zusätzliche Schritt ist mit einem Energieverlust verbunden, sodass die Brennstoffzelle in der Praxis weniger effizient ist, als sie theoretisch sein könnte.
Biobrennstoffzellen sind ein aktives Forschungsgebiet und verschiedene mögliche Lösungen für diese Probleme werden untersucht. Zu den Möglichkeiten gehört der Einsatz von Bakterien in mikrobiellen Brennstoffzellen. Eisenreduzierende Bakterien, die unter anaeroben Bedingungen leben, sind besonders vielversprechend, da sie Eisen in seiner Oxidationsstufe +3 auf natürliche Weise in die Oxidationsstufe +2 reduzieren. Das Eisen kann dann an der Anode ein Elektron abgeben, in seinen +3-Zustand zurückkehren und als natürliches Vermittlermolekül wirken, indem es Elektronen von den Bakterien auf die Anode überträgt.
Die Hauptvorteile von Biobrennstoffzellen sind, dass sie umweltfreundlich sind, keine teuren Katalysatoren benötigen und gängige, kostengünstige und leicht nachwachsende Rohstoffe verwenden. Die Hauptnachteile von Biobrennstoffzellen sind ihre Ineffizienz und geringe Leistungsabgabe. Ab 2011 besteht jedoch die Hoffnung, dass diese Probleme überwunden werden können und sich neue Möglichkeiten eröffnen. Dazu gehören nicht nur billige, saubere und erneuerbare Energie, sondern auch die Aussicht auf implantierte Biobrennstoffzellen, die mit körpereigenen Substanzen betrieben werden und medizinische Geräte wie Herzschrittmacher antreiben.