Photosynthese Allgemeine Einführung und Grundlagen Maik Hintze Studienstiftung

Photosynthese Allgemeine Einführung und Grundlagen Maik Hintze Studienstiftung des deutschen Volkes Sommerakademie Salem 2008

Was ist Photosynthese? n n Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie durch Organismen Aufbau energiereicher organischer Materie aus energieärmerer anorganischer Materie mit Hilfe von Lichtenergie http: //photoscience. la. asu. edu/photo syn/education/learn. html n Zentraler Prozess im globalen Ökosystem

Generelle Chemische Formel: n 2 H 2 A + CO 2 → + 2 A +H 2 O + Eukaryoten

5, 7 x 1024 J 3 x 1021 J → Jährliche globale Biomasseproduktion durch Photosynthese: ~ 1011 t Trockenmasse http: //www. akg. softpoint. de/projekte/comenius/zonen/Ecosystem/Foliageforest/Level 3 Nahrungsbeziehungen%20 und%20 Stoffkrei sl%E 4 ufe-Energiefluss. htm

Chemischer Prozess n Zweistufiger Prozess: 1. Die Lichtreaktion (Primär-/ Photoreaktion) Ø 2. Die Dunkelreaktion (Sekundär-/ Synthesereaktion) Ø n Produziert biochemische Energie und Reduktionskraft Assimiliert CO 2 in organische Moleküle Diese zwei Prozesse sind für Zellen unzertrennbar

Die Lichtreaktion n Benötigt ein Membransystem: Photonenenergie wird absorbiert und zur Erzeugung eines elektrochemischen H+Gradient benutzt Ausnutzung des H+Gradienten zur ATPSynthese Berg, Jeremy M. ; Tymoczko, John L. ; and Stryer, Lubert. New York: W. H. Freeman and Co. ; c 2002

Die Photosynthese benötigt Membransysteme Purpurbakterien Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. New York: W. H. Freeman & Co. ; c 1999 Chloroplasten der Grünpflanzen

Absorption der Photonen Zeit und Effizienz? ? Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c 2002

Antennenkomplexe fangen Photonen ein Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c 2002

Unterschiede Solarzelle – Photosystem Solarzelle trennt Ladung in gleichem Material, in dem auch Anregung erfolgt n LHC hat Photonenabsorption und Ladungstrennung stofflich getrennt (Kohlenstoffbasierte Photovoltaik-Zellen) → Höhere Effizienz der Ladungstrennung → Höhere Maximalspannung pro Element n

Oxidation von Wasser liefert Elektronen nach n n n P 680 wird durch die Ladungstrennung zu P 680+ oxidiert P 680+ ist ein starkes Oxidationsmittel Elektronen werden einem Manganzentrum entzogen, das seinerseits Wasser oxidiert Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. New York: W. H. Freeman & Co. ; c 1999

Elektronenfluss um pumpen + H zu Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c 2002 o Local creation of an ~1 V electrochemical potential difference across a 40 -Å low dielectric membrane region o No more than six chlorophyll-type pigments are necessary for this process

Der Protonengradient der ATP -Synthese Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter New York and London: Garland Science ; c 2002

ATP-Synthase konvertiert den Protonengradienten in nutzbare Energie n n n ATP-Synthase ist ein Motorprotein Protonengradient treibt ATP-Synthase an Transmembranärer Protonenfluss durch das Protein wird zur ATPSynthese ausgenutzt

2. Die Dunkelreaktion n Die in der Lichtreaktion bereitgestellte chemische Energie wird zur Synthese energiereicher Substanzen genutzt Durch Fixierung von CO 2 und unter Verbrauch von H 2 O entstehen zunächst Zucker dienen als Ausgangsstoffe aller anderer organischer Verbindungen

Der CALVIN-Zyklus

Ru. Bis. CO n n n Ineffizientes Enzym Wechselzahl ca. 3 -7 s-1 Unerwünschte Nebenreaktion: Photorespiration Scheinbare Ineffizienz evtl. Anpassungsprozess an suboptimale Reaktionsbedingungen Membrangebundene Multiproteineinheit http: //www. steve. gb. com/images/molecules/p roteins/rubisco. jpg http: //www. palaeos. com/Eukarya/Lists/Eu. G lossary/Images/Rubisco. gif

Photosynthese Die Zukunft der Energie Dorothea Paulssen Studienstiftung des deutschen Volkes Sommerakademie Salem 2008

Heutige Situation n Unsere derzeitige Energieversorgung basiert größtenteils auf durch Photosynthese nutzbar gemachter Sonnenenergie Ø Nicht erneuerbar Ø Kohlenstoff war dem globalen Kohlenstoffkreislauf lange entzogen

Erneuerbare Photosynthetische Produkte n Biomasse Totes biologisches Material, dessen Kohlenstoffdioxid vor relativ kurzer Zeit der Atmosphäre entzogen wurde n Photosynthetische Pflanzen (Holz) n Abfall n Biotreibstoff Feste, flüssige oder gasförmiger Treibstoff, der aus Biomasse gewonnen wurde und eine höhere Energiedichte als Biomasse hat oder eine effizientere Nutzung der gespeicherten Energie erlaubt n Biodiesel Nicht auf Erdöl basierende Dieselart, die aus kurz kettigen Alkylestern besteht, durch Transesterifikation von biol. Ölen hergestellt wurder und die ohne technische Umstellungen in heutigen Dieselmotoren verwendet werden kann

Treibstoffart Spezifische Energiedichte (MJ/kg) Hydrogen (H 2) 120 – 142 Erdgas 38 – 50 Erdöl 41. 868 Diesel 48. 1 Kohle 29. 3 – 33. 5 Sonnenblumenöl (C 18 H 32 O 2) 39. 49 Olivenöl (C 18 H 34 O 2) 39. 25 - 39. 82 Biodiesel 37. 8 Ethanol (CH 3 -CH 2 -OH) 23. 4 – 26. 8 Holz (C 6 H 10 O 5)n 16 – 21

Nachteile heutiger Biotreibstoffe und Biomasse n Begrenzte Menge an Energie, die durch Fermentierung oder Verbrennung von Abfällen gewonnen werden kann n Sektor muss aber noch ausgebaut werden n n Maximum bei ca. 100 bis 130 TWh/a Anbaufläche für photosynthetische Pflanzen ist nicht ausreichend n n Konkurrenz mit Nahrungsmittelindustrie Negative Energiebilanz Ø Nachhaltigkeit nicht gegeben

Lösungen 1: Biotreibstoffe der „zweiten Generation“ n n EU Energy Commission Optimierung der Nutzung landwirtschaftlicher Produkte n n n Nicht essbare Anteile von Nahrungspflanzen, nicht essbare Pflanzen oder industrieller Abfall (Holzchips, Obstschalen etc. ) Reduzieren der Treibhausgasemissionen um 90% verglichen mit Erdöl Nachhaltig, bezahlbar und umweltverträglich

Lösung 2: Photobioreaktoren n Ein Apparat oder System, das eine biologisch aktive Umwelt unterstützt. n n n Abgeschlossen Lichtquelle Photosynthetische Algen oder Bakterien http: //claytonbodiecornell. greenoptions. com/ 2007/11/13/algae-biodiesel-first-industrialalgae-plants-go-online/

Lösung 2: Schema eines Photobioreaktors

Lösung 2: Vorteile I n Geringere Inanspruchnahme von Land n n n 4. 6 to 18. 4 l/m 2 pro Jahr → 7 bis 30 -mal so viel wie Pflanzen Geringerer Wasserverbrauch (99% weniger), auch Meerwasser und Schmutzwasser Schnelles Wachstum Ölproduktion nahe am theoretischem Limit Wachstum unter verschiedensten Rahmenbedingungen (auch kalten Temperaturen)

Lösung 2: Vorteile II n Synthese unterschiedlichster Produkte n n Produktion bei verschiedensten Größenordnungen möglich n n n Polyethylene, Wasserstoff, diverse Öle, Isoprenoids, verschiedene Alkohole Ideal geeignet für die industrielle Produktion Flexible Technologie Kopplung mit anderen Kraftwerken möglich n n Carbon Sequestration: 82. 3% - 50. 1% Nitrogen oxides: 85. 9% (+/-2. 1%)

Zahlen vom Freitag: n Energiebilanz von First-generation biofuels n Abfall n n Maximum bei ca. 100 bis 130 TWh/a Kopplung mit anderen Kraftwerken möglich n n Carbon Sequestration: 82. 3% - 50. 1% Nitrogen oxides: 85. 9% (+/-2. 1%)

Lösung 2: Geschätzte Kosten n n Wikipedia: $5– 10/kg NREL's research: n n n n Um alle Treibstoffe in den USA zu ersetzen: 140. 8 billion gallons of biodiesel Benötigte Fläche: 3, 85 Millionen Hektar (9. 5 million acres compared with 450 million acres used for crop farming, and the over 500 million acres used as grazing land for farm animals). Landosten insgesamt: $308 Milliarden Operating costs insgesamt pro Jahr: $46. 2 Milliarden per year for all the algae farms Derzeitige Kosten der Ölimporte pro Jahr: $100 -150 Milliarden Dr. Krassen Dimitrov n n $853/bbl, $20. 31/gal 8 -30 kg C/m² yr

Lösung 2: Was gibt es bereits n Green. Fuel Technologies Corporation n n Algae. Link n n n n Dr. Isaac Berzin , MIT, 2001 $60 pro sequestrierter Tonne CO 2, CO 2: 40%; Nitrogen Oxides: 85% Institut für Getreideverarbeitung (IGV) Niederlande, seit 5 Jahren Hoher Gewinn, hohe Photoeffizienz 50 cents pro gallon Algae Start ups: Bio Fuel Systems, Aquaflow Bionomic Corporation, Algae. Fuel, Solix, Sar. Tec, Eco Energy, Oilgae Etablierte Unternehmen: Shell, BP, E. ON Hanse, Royal Dutch Shell and U. S. aircraft maker Boeing Etablierte Unternehmen der chemischen Synthese Craig Venter http: //oakhavenpc. org/cultivatin g_algae. htm

Lösung 2: n Biowasserstoff n n Interessante Forschungsergebnisse Wirtschaftlichkeitsgrenze liegt bei einer Energieeffizienz von 710% Winter 2007: Professor Anastasios Melis erreichte eine Energieeffizienz von 15% Eine Algenfarm von der Größe Texas um den globalen Energieverbrauch zu decken Sommer 2008: Botryococcus braunii – “die Ölproduzierende Alge” n n n Prof. Makoto Watanabe von der Tsukuba Universität Comprising chains of 23 to 40 carbon atoms, algae deposit these hydrocarbons on the outside of their cell walls Algenfarm der Größe Yorkshire benötigt um Energiebedarf zu decken

Lösung 2: Nachteile n Die meiste Forschung findet im privaten Sektor statt n “There is a hype-driven rush into renewable energy and biofuels. Some companies offer compelling new technologies, while others are dubious ideas, often contradicting the laws of thermodynamics. Sorting the real technologies with promise from the snake-oil vendors will require a firm grasp of reality and solid grounding in the laws of physics. ” Dr. Dimitrov Krassen n Der Teufel liegt im Detail n Neuartige Technologie

Lösung 3: Künstliche Photosynthese n n Imitation des natürlichen Apparates der Photosynthese, um diese nutzbar zu machen oder für menschliche Zwecke zu optimieren Entwicklung von anorganischen oder teilweise anorganischen Systemen, die den photosynthetischen Apparat nachempfinden In vivo oder in vitro Veränderung des natürlichen Apparates der Photosynthese Ziel: Optimierung der Energiegewinnung und technische Diversifikation der Energiegewinnungsmöglichkeiten

Lösung 3: n Verbesserung herkömlicher Solarzellen n Höhere Effizienz Billigeres Material (organische Verbindungen) Bsp: GRÄTZEL Zellen n Verbesserungsansätze für die Photovoltaik dye-sensitized solar cell (DSSc or DSC) http: //www. waldorfschuledarmstadt. de/cpo 4/_data/Waldorfschule_Da_Farbstoff. Solarzelle. pdf Bsp: Wassersplittung mit Licht durch einen Katalysator n n Versuche seit 30 Jahren Titanium Dioxide, Ruthenium trisbipyridines, Iridium dioxide, organische Verbindung

Lösung 3: Ru. Bis. Co n Transgenetische Pflanzen oder Grünalgen mit Ru. Bis. Co Genen von anderen Algenarten (Galdieria partita) n n n Ru. Bis. Co Variante mit höherer Spezifität Tabak Pflanzen mit Ru. Bis. Co Variante von Rhodospirillum rubrum In vitro Modifizierung Ru. Bis. COs um Effizienz zu steigern n Protein Engineering n n Molecular Ecolution Directed Evolution

Lösung 3: Integrierter Ansatz 1. Stromerzeugung 2. H 2 -Erzeugung electricity Catalytic electrolysis – H 2 generator electricity bio. -mimetic polymer photovoltaic generators National grid H 2 CO 2 4. Outputs Zucker, Stärke Etc. 3. CO 2 -Fixierung Bio-energetic converters NADP+ ADP Calvin cycle reactors NADPH, ATP Biotreibstoffe

Wer fördert n n EU USA n n n Israel Arabische Länder Australien und Neuseeland China, Japan, Korea n n n Aquatic Species Program Food, Conservation, and Energy Act of 2008 ($288 billion -> $118 million total for biomass research and development) Sunshine Project Chinese Academy of Engineering Aber auch andere…

Ausblick n Aller Voraussicht nach wird die Photosynthese für die Energiegewinnung der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen

Vielen Dank!

Referenzen http: //www. faz. net/s/Rub 80665 A 3 C 1 FA 14 FB 9967 DBF 46652868 E 9/Doc~E 4 E 0 FED 18 D 1 D 14969 A 12 DBEB 846362998 ~ATpl~Ecommon~Scontent. html http: //greentechnolog. com/2007/02/biodiesel_algae_production_process. html n http: //www. cavitationtechnolgies. com/? gclid=COPm 7 fn. Nnp. UCFQQHuwod. W 0 Zzk. Q n http: //www. chinapost. com. tw/life/science%20&%20 technology/2008/07/17/165911/Algae-is. htm http: //wobblingworld. wordpress. com/2008/06/20/japanese-scientist-believes-algae-producing-diesel-is-enormous-energychange-catalyst/ http: //www. nni. nikkei. co. jp/FR/TNKS/Nni 20080520 D 20 HH 027. htm n n n n n n n http: //www. carboncatalog. org/blog/2008/07/17/algae-biofuel-isaac-berzin/ http: //www. thebioenergysite. com/news/1407/brazil-fuels-algae-research-with-us 28 -million http: //www. thebioenergysite. com/news/1398/biogas-nord-looking-at-38 -million http: //www. algaebiofuelsummit. com/? gclid=CKPoz. JLTnp. UCFQS-ugod 2 Eykkg http: //lib. bioinfo. pl/pmid: 17379512 http: //www. bioenergyinternational. com/ http: //www. algaebiofuelsummit. com/? gclid=CKXEh. Z_Knp. UCFRm. Mugod. Jg. OZj w http: //lib. bioinfo. pl/pmid: 17379512 http: //www. euractiv. com/en/energy/biofuels-generation/article-165951 http: //claytonbodiecornell. greenoptions. com/2007/11/13/algae-biodiesel-firstindustrial-algae-plants-go-online/ http: //library. wur. nl/wda/dissertations/dis 3423. pdf http: //www. bmbf. de/de/12360. php http: //www. berlinews. de/artikel. php? 14891 http: //www. mstonline. de/news/events/bundes-algen-stammtisch http: //www. dradio. de/dlf/sendungen/forschak/725875/ http: //greenoptions. com/tag/technology http: //www. primaryinfo. org/algae-diesel. htm http: //www. solarnavigator. net/biofuels. htm http: //biofuel. exclusivetips. net/ http: //econ. worldbank. org/WBSITE/EXTERNAL/EXTDEC/EXTRESEARC H/EXTWDRS/EXTWDR 2008/0, , content. MDK: 21501336~page. PK: 64167689~ pi. PK: 64167673~the. Site. PK: 2795143, 00. html http: //www. fao. org/DOCREP/003/W 3732 E/w 3732 e 06. htm#b 102. 3. 10. %20 Algal%20 production%20 cost http: //www. fao. org/docrep/w 7241 e 06. htm http: //www. bioreactor. org/ http: //www. youtube. com/watch? v=En. OSn. JJSP 5 c http: //www. algaefuels. org/photobioreactor. htm http: //en. phyco. org/wiki/Photobioreactor http: //www. igv-gmbh. de/ http: //news. cnet. com/Photos-Betting-big-on-biodiesel---page-3/2009 -1043_3 -57143363. html? hh. Test=1&tag=st. next http: //www. solixbiofuels. com/html/why_algae. html [email protected] com http: //goldbook. iupac. org/B 00662. html http: //www. bioprodukte-steinberg. de/index. php? op=kontakt http: //www. fao. org/DOCREP/003/W 3732 E/w 3732 e 06. htm#b 102. 3. 10. %20 Algal%20 production%20 cost http: //www. igv-gmbh. de/ http: //www. solarbiofuels. org/biofuels/Templates/biohydrogen. html http: //www. citeulike. org/user/bcl/article/2667516 http: //www. sciencedirect. com/science? _ob=Article. URL&_udi=B 6 WXV-4 M 4 CN 5 S 1&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_version=1&_url. Versio n=0&_userid=10&md 5=267784 bac 61878 cc 7 cd 2193 f 812 f 805 b http: //www. oilgae. com/algae/oil/yield. html http: //www 1. eere. energy. gov/biomass/abcs_biofuels. html http: //www. environmentalgraffiti. com/business/will-algae-beat-its-competitors-to-becomethe-king-source-of-biofuels/237 http: //www. unh. edu/p 2/biodiesel/article_alge. html http: //www. environblog. com/2008/06/algae-oil-production-disadvatages-benefits. html http: //www. pnas. org/content/103/19/7203. full http: //www. fao. org/docrep/w 7241 e 04. htm#Top. Of. Page http: //biotechnologyresearch. blogspot. com/2007/09/genetically-modified-algae-couldbe. html http: //www. scienceagogo. com/news/20050605231841 data_trunc_sys. shtml http: //www. spiegel. de/auto/aktuell/0, 1518, 452010, 00. html http: //www. economist. com/science/displaystory. cfm? story_id=9861379 http: //www. heise. de/tr/result. xhtml? url=/tr/artikel/94306&words=Benzin&T=Benzin http: //umweltinstitut. org/faq/agro-kraftstoffe/grundlagen 524. html http: //www. sciencedirect. com/science? _ob=Article. URL&_udi=B 6 TCW-3 VB 3 BG 06&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C 000 050221&_version=1&_url. Version=0&_userid=10&md 5=c 9 ec 53 c 886 c 8 c 8 fee 1 730 ccd 0 d 9140 a 3 http: //www. life. uiuc. edu/govindjee/whatisit. htm http: //www. sciencedaily. com/releases/2008/06/080603102752. htm http: //www. uniseo. org/biomass. html http: //www. uni-bielefeld. de/biologie/Algenbiotechnologie/kruse/Energyconversion. html http: //www. rsbs. anu. edu. au/biofuels/Solutions. html Collings, Anthony and Christa Critchley (ed. ): „Artificial Photosynthesis – from basic biology to industrial application“. Weinheim: WILEY-VCH Verlag Gmb. H & Co. KGa. A, 2005.