Die Biophotolyse betrifft die Mikroorganismen Grünalgen und Cyanobakterien. Cyanobakterien haben weder einen Zellkern noch Chloroplasten. Ein großer Vorteil ist, dass sie leicht zu kultivieren sind und nur auf CO₂ und anorganische Stoffe angewiesen sind.

Bei Bakterien vermehren sich die Mikroorganismen durch Zellteilung, während die meisten Algenstämme zur sexuellen Fortpflanzung fähig sind. Algen können gentechnisch so verändert werden, dass ihr Stoffwechselverhalten beeinflusst wird und dadurch zur Wasserstoffproduktion manipuliert werden.

Bei der Photosynthese entziehen die Mikroorganismen dem Wassermolekül, angetrieben durch das Sonnenlicht, Elektronen. Durch den Oxidationsprozess entsteht Sauerstoff und mit Hilfe der freigesetzten Elektronen über einen Reduktionsschritt der gewünschte Wasserstoff. Da Sauerstoff und Wasserstoff nicht - wie bei der Elektrolyse - durch eine Membran getrennt sind, hemmt der Sauerstoff bei der direkten Photolyse die Wasserstoffproduktion. Bei dem indirekten Verfahren wird der Oxidations- und Reduktionsschritt räumlich und zeitlich getrennt bzw. entzerrt, um die Effizienz des Verfahrens zu erhöhen.

Das Verfahren steckt technologisch noch in den Kinderschuhen, weshalb ein wirtschaftlicher Einsatz in den nächsten Jahren nicht in Frage kommt.

Die Grundidee der mikrobiellen Elektrolyse ist bereits seit über 100 Jahren bekannt. Sogenannte exoelektrogene Mikroorganismen verstoffwechseln Biomasse in einer galvanischen Zelle an der Anode. Dabei werden Elektronen und H⁺-Ionen erzeugt. Beide diffundieren durch eine Membran zur Kathodenseite. Dabei wird zwischen der Anode und der Kathode eine zusätzliche Spannung angelegt. An der Kathode findet die von der Elektrolyse bekannte Reduktionsreaktion der Wasserstoffprotonen zu molekularem Wasserstoff statt. Die dafür benötigte elektrische Energie ist deutlich geringer als bei der klassischen Elektrolyse, da ein Teil des Stroms von den Bakterien geliefert wird.

Der Vergärungsprozess von Biomasse zur Wasserstofferzeugung erfolgt zum einen anaerob unter Lichteinfluss als Photofermentation und zum anderen als Dunkelfermentation ohne Licht. Bei der Dunkelfermentation schließt sich die Wasserstoffproduktion durch anaerobe Mikroorganismen an den eigentlichen Fermentationsprozess zur Biogaserzeugung an, nutzt aber nur die ersten drei Prozessschritte. Wie Abbildung 1 zeigt, entsteht der Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid nach dem dritten der insgesamt vier Prozessschritte zur Biogasbildung. Um den vierten Schritt - die Methanogenese - bei der fermentativen Wasserstofferzeugung zu verhindern, werden die wasserstoffzehrenden und methanbildenden Mikroorganismen vor Erreichen von Schritt 3 (Acetogenese) z. B. durch Erhitzen eliminiert.

Die Photofermentation                    

Bei der Photofermentation wird Biomasse anaerob unter Lichteinfluss durch eine Reihe photosynthetischer Bakterien wie Rhodobacter sphaeroides aus der Gruppe der violetten photosynthetischen Bakterien oder ein Bakterium aus der Gruppe der grünen photosynthetischen Bakterien in Wasserstoff umgewandelt.

Neben Glucose, Alkoholen und Glycerin können auch kurzkettige und Fettsäuren als Ausgangsstoffe verwendet werden. Diese Bandbreite an nutzbaren Kohlenstoffquellen ermöglicht die Verwertung von Lebensmittelabfällen oder Abwässern aus der Lebensmittelproduktion zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion mittels

Photofermentation.

Die chemische Formel lautet: $$ \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6}+6 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow 6 \mathrm{CO}_{2}+12 \mathrm{H}_{2} $$

Die Effektivität des Umwandlungsprozesses und die Stabilität des Fermentationsprozesses hängen davon ab, dass kein Sauerstoff in den Bioreaktor gelangt und dass die Zusammensetzung der Mikroben an die verwendete Substratmischung angepasst ist. In der Regel werden nur wenige Prozent des verfügbaren Lichts genutzt.  Die Technologie befindet sich noch in einem frühen Stadium der Entwicklung. 

Die dunkle Fermentation

Der grundsätzliche Ablauf der dunklen Fermentation wurde bereits in Abbildung 1 beschrieben.

Die Ausgangsstoffe sind kohlenhydrathaltige Abwässer, zum Beispiel aus der Lebensmittel- und Agrarindustrie, wie Brauereien, oder aus der Textilindustrie.

Der letzte der drei Umwandlungsschritte ist der Abbau von Glukose (Zucker) zu Wasserstoff, Kohlendioxid und Essigsäure.

Die chemische Formel lautet: $$ \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow 2 \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}+4 \mathrm{H}_{2} $$

Fazit

Aus heutiger Sicht scheinen die Verfahren der Fermentation, insbesondere der Dunkelfermentation, geeignet zu sein, größere Mengen an Wasserstoff im industriellen Maßstab bereitzustellen.