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Projekt
ESCAPE 2.0: Etablierung einer skalierbaren Bioreaktorplatform für die kathodische obligat anaerobe Elektrobiosynthese
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr. Miriam Agler-Rosenbaum; Professor Dr. Falk Harnisch
Fachliche Zuordnung
Bioverfahrenstechnik
Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445388719
Die mikrobielle Elektrosynthese (MES) ermöglicht die Nutzung elektrischer Energie und damit von Elektronen als Reaktanten für die mikrobielle Produktion von Chemikalien. Mit ihrem Potenzial für autotrophe Bioprozesse haben insbesondere streng anaerobe Mikroorganismen für kathodische MES im letzten Jahrzehnt großes Forschungsinteresse auf sich gezogen. Bisher liegt der Schwerpunkt noch auf der Untersuchung des mikrobiellen Katalysators und möglicher Bioproduktionswege und -produkte. Für MES ist jedoch keine Bioprozessinfrastruktur etabliert und es wird eine Vielzahl von Reaktoren verwendet, die keinen Vergleich zulassen. In den meisten Systemen im Labormaßstab führen physiologische Stressfaktoren, z. B. durch an der Anode entstehenden Sauerstoff, zu nachteiligen Auswirkungen und damit zu einer geringeren MES-Leistung. Daher ist eine funktionale und skalierbare Bioprozessinfrastruktur dringend erforderlich, um MES den Weg zur industriellen Umsetzung zu ebnen. Ziel des Projekts ESCAPE 2.0 (Etablierung einer skalierbaren Bioreaktorplattform für kathodische obligate anaerobe Elektrobiosynthese – Projektphase 2.0) ist es daher, mit den in der ersten Förderphase gewonnenen Erkenntnissen zum physiologischen Stress des Bakteriums Clostridium ljungdahlii einen vielseitigen und skalierbaren Elektrobioreaktor für leistungsstarke kathodische MES zu entwickeln. Bei der Durchführung dieser Forschung bauen die Partner HKI und UFZ auf ihre gemeinsame hervorragende Grundlage in der mikrobiellen Elektrochemie und Technologie auf. Dabei gliedert sich ESCAPE 2.0 in zwei gemeinsame und drei individuelle Arbeitspakete für jeden Partner. Das Rückgrat bildet die kontinuierliche Spiegelung reaktorspezifischer und reaktionsspezifischer Leistungsindikatoren, um die Etablierung einer Elektrobioreaktorplattform zu ermöglichen. C. ljungdahlii – als Modellacetogen und vielversprechende anaerobe Bioproduktionsplattform – wird als Beispiel für elektroautotrophe Biokatalysatoren dienen. Es wird eine umfassende physiologische Stresscharakterisierung durchgeführt, gefolgt von der Entwicklung spezifischer Biosensoren sowie einer Erweiterung des Produktprofils von C. ljungdahlii durch rationale Molekular- und Verfahrenstechnik. Reaktorkomponenten (z. B. Elektrodenreaktionen) sowie Architektur (z. B. Schikanen oder Gasrecycling) werden in einem kombinierten modellierungs- und experimentellen Ansatz entworfen und konstruiert. Die Elektrobioreaktoren werden anhand des Modellbakteriums mit vollständigen Kohlenstoff- und Elektronenbilanzen einem Benchmarking unterzogen. Schließlich wird ESCAPE 2.0 zu Elektrobioreaktoren im 1-L- oder sogar bis zu 3-L-Maßstab führen, die den Betrieb und die detaillierte physiologische Charakterisierung von streng anaeroben MES in verschiedenen Betriebsmodi (z. B. Batch- oder Durchflussmodus) ermöglichen. Die fertigen Elektrobioreaktoren werden auch mit anderen elektrotrophen Bakterien getestet und anderen Partnern des SPP-Konsortiums zur Verfügung gestellt.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
