Magnetitanoden zur Hemmung der Sauerstoffproduktion und zur Vermeidung von Membranen bei der mikrobiellen Elektrosynthese

• Antragsteller: Professor Largus Angenent, Ph.D.; Professor Dr. Andreas Kappler
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445506379

Die mikrobielle Elektrosynthese ist eine neuartige Biosynthesestrategie, mit großem Potential bei der Herstellung von höherwertigen Chemikalien und Kraftstoffen bei gleichzeitiger Senkung der Kohlendioxidkonzentration in der Umwelt. In den letzten Jahren hat sich die Kathodenleistung in der mikrobiellen Elektrosynthese bei direkter oder mediator-basiertem Elektronenübertragungs mit anaeroben Mikroben signifikant verbessert. Bisher wurde die Anodenleistung jedoch nicht ausreichend untersucht, obwohl sie für einen geschlossenen Stromkreis und die Übertragung der elektrischen Energie für die Elektrosynthese wichtig ist. Der für strikt anaerobe autotrophe Mikroorganismen toxische Sauerstoff wird in der Elektrosynthese an der Anode gebildet. Um den toxischen Effekt von Sauerstoff zu begrenzen, wird eine Membran verwendet, die die Anoden- und Kathodenkammer trennt, und den Kontakt zwischen Mikroben und Sauerstoff verhindert. Der Einsatz einer Membran erhöht nicht nur die Wartungskosten, sondern verringert auch die Produktionseffizienz durch die Einführung eines zusätzlichen Innenwiderstandes. Darüber hinaus verursacht der elektroosmotische Fluss innerhalb der Membran zwangsläufig einen gewissen Sauerstofftransfer zum Katholyten an. Daher ist das Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines neuen Anodensystems, um gleichzeitig die Sauerstoffentwicklung zu hemmen und die Verwendung einer Membran zu vermeiden. Dies würde es letztlich ermöglichen, die mikrobielle Elektrosynthese in einer einzigen Kammer durchzuführen. Eisenmineralien aus der Umwelt sind sehr redoxaktiv und von Natur aus reichlich vorhanden. Konkret schlagen wir hier vor, dass Magnetit (Fe3O4), ein gemischtvalentes Fe-Mineral (d.h. enthält Fe(II) als auch Fe(III)), als alternatives Anodenmaterial verwendet werden könnte, da die Oxidation von Fe(II) thermodynamisch vorteilhafter als die Entwicklung von Sauerstoff ist. Wir werden insbesondere: (1) die Magnetitanodenstabilität während der Sauerstoffhemmung überprüfen; (2) die in-situ Reversibilität der Magnetitanode untersuchen, um die langfristige mikrobielle Elektrosynthese aufrechtzuerhalten; und (3) die Leitfähigkeit und Regeneration der Magnetitanode verbessern, um die Anwendung von Magnetitanoden in bioelektrochemischen Systemen im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Wir werden Methanothermobacter thermoautotrophicus und Clostridium ljungdahlii als anaerobe Mikroben verwenden, um die Effizienz der Magnetitelektroden für die Elektrosynthese zu quantifizieren. Die kristalline Strukturänderung von Magnetitmineralien während ihrer Funktion als Anodenmaterial wird mit Hilfe mehrerer spektroskopischer Techniken untersucht. Schließlich werden wir ein vier-Elektroden-Einkammer-System zur Anwendung in kommerziellen Systemen implementieren, welches die in-situ Wiederherstellung von Magnetitanoden verwendet. Das mechanistische Verständnis zur Funktionsweise einer Magnetitanode ist entscheidend für eine leistungsfähige mikrobiellen Elektrosynthese.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2240: Bioelektrochemische und ingenieurwissenschaftliche Grundlagen zur Etablierung von Elektro-Biotechnologie für die Biosynthese - eBiotech