Elektrokatalytische Reduktion von Kohlenstoffdioxid und in-situ Umsetzung der erzeugten Intermediate durch acetogene Mikroorganismen (Ecat-acetogens II)

• Antragsteller: Dr. Tim-Patrick Fellinger; Professor Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445928567

Acetogene Bakterien können in wässrigen Medien durch Reduktion von CO2 mit H2 Chemikalien produzieren, CO ist jedoch die bevorzugte Kohlenstoff- und Elektronenquelle. Folglich ist die Kopplung der CO2-Elektrolyse mit der bakteriellen Fermentation innerhalb eines integrierten bioelektrokatalytischen Systems (BES) vielversprechend, wenn CO2-Reduktionskatalysatoren für die Erzeugung von CO im komplexen biotischen Elektrolyten verfügbar sind. In der ersten Förderperiode wurde ein Standard-Rührkesselreaktor mit einer PEM-Elektrolysezelle zur CO2-Umsetzung gekoppelt, was eine Potentialkontrolle und Trennung der Anode ermöglichte. Neuartige M-N-C-Elektrokatalysatoren für die kathodische CO2-Reduktion und die konkurrierende Wasserstoffentwicklung ermöglichten eine in-situ-Versorgung acetogener Bakterien mit CO und H2. Der prinzipielle Funktionsnachweis für das konzipierte BES konnte am Beispiel von Clostridium ragsdalei erfolgreich gezeigt werden. Im Vergleich zu anderen BES beweist zwar der sehr niedrige ohmsche Zellwiderstand das hohe Potenzial dieses BES zur in-situ CO2-Reduktion mit hohen Produktionsraten und hoher Energieeffizienz. Neben der erforderlichen Reduktion elektrochemischer Nebenreaktionen besteht jetzt aber die zentrale Herausforderung darin, bisher nicht zuortbare Spannungsverluste zu reduzieren. Die bisherigen Ergebnisse deuten auf einen Katalysatorabbau während der Autoklaviervorgangs und auf eine unklare, aber schädliche Auswirkung des Bakterienmediums hin. Darüber hinaus könnte die H2- und CO-Umwandlungskinetik von C. ragsdalei dafür verantwortlich sein, dass im BES bisher keine vollständige Umwandlung der an der Kathode erzeugten Gase beobachtet wurde. Das Ziel der zweiten Förderperiode ist daher: (1) Die Faradaysche Effizienz der CO2-Reduktion durch Modifikationen des Kathodenkatalysators zu erhöhen, um eine Degradation während des Autoklavierens zu vermeiden. (2) Die Identifizierung und der Ersatz der Bestandteile des Bakterienmediums, die einen schädlichen Einfluss auf den Katalysator haben. (3) Die Reinigung der Katalysatoroberfläche durch Integration des CO2-Eintrags direkt auf oder in die Kathode („selbstreinigende Kathode“) und damit eine weitere Verbesserung des Stofftransports von CO2 zur Gasdiffusionselektrode. (4) Die Ermittlung der H2- und CO-Umwandlungskinetik von C. ragsdalei, um die Auswahl optimaler Betriebszustände des BES mit hohen CO- und H2-Umsätzen zu ermöglichen. (5) Die systematische Optimierung des BES durch die Identifikation einzelner Spannungsverluste (Spannungsverlustanalyse). Damit sollen optimale Bedingungen für die energieeffiziente Elektrofermentation von Ethanol, Acetat und 2,3-Butandiol mit C. ragsdalei unter Verwendung von CO2 und Elektronen verfügbar gemacht werden. Darüber hinaus wird das „Ecat-acetogens“-Team zur Zusammenarbeit und zum Wissenstransfer zwischen den Projekten von eBiotech beitragen, einschließlich des Austauschs von Katalysatoren und des Benchmarking verschiedener BES.

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