Struktur-Funktions-Zusammenhänge elektroaktiver Biofilme in mikrobiellen Brennstoff- und Elektrolysezellen

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Gescher
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448818898

Ziel des beantragten Projektes ist es, übertragbare Regeln für die Anwendung elektroaktiver Biofilme in Anoden-assistierten Prozessen zu etablieren. Dafür soll die Biofilmbildung bzw. Effizienz der Biokatalyse gemessen als Stromdichte mit dem Einfluss äußerer Faktoren korreliert werden. Zu den Einflussfaktoren, die untersucht werden sollen, gehört die Oberflächenchemie der Elektrode, das Elektrodenpotential, das elektrische Feld an der Elektrode sowie der Einfluss der Zugabe leitfähiger Elektronenshuttle und Partikel in die Biofilmmatrix. Dabei soll nicht nur die maximale Stromdichte, sondern auch die Langzeitaktivität und Homogenität des Biofilm-Biokatalysators untersucht werden. Die Fähigkeit einiger Mikroorganismen eine Elektrode als terminalen Elektronenakzeptor ihrer Atmungskette zu verwenden kann für eine Vielfalt von Prozessen benutzt werden, zu denen die Abwasserreinigung und die Elektroden-assistierte Fermentation gehören. Für alle Systeme gilt, dass die Prozesseffizienz mit der erreichten Stromdichte steigt. Nichtsdestotrotz fehlt es bis dato an breit anwendbaren Regeln dazu, wie elektroaktoaktive Biofilme durch die Prozessbedingungen oder die Zugabe leitfähiger Substanzen nachhaltig in ihrer Aktivität optimiert werden können. Daher sollen im Rahmen des hier beantragten Projektes Prozess- und Design-Regeln für den Aufbau von Anoden-Biofilmen formuliert werden. Prof. Stom und seine Arbeitsgruppe werden den Einfluss der Elektrodenoberflächenchemie, der Polarisation der Elektrode und des elektrischen Feldes an der Elektrode auf die Biofilmbildung und Elektronentransferrate untersuchen. Prof. Gescher und sein Team werden Methoden zur nachhaltigen Integration leitfähiger Substanzen in die Biofilmmatrix etablieren. Darüber hinaus sollen Einflussfaktoren für eine potentielle Heterogenität des Biofilmkatalysators über die Zeit hinweg evaluiert werden. Beide Aktivitäten werden in den Arbeitsgruppen integriert werden, um die Leistung mikrobieller Brennstoffzellen in der Abwasserreinigung bzw. die Produktion von Plattformchemikalien in Anoden-assistierten Fermentationen zu steigern. Schlussendlich werden beide Arbeitsgruppen daran arbeiten einen skalierbaren Reaktor so weiterzuentwickeln, dass er die Anwendung der Designregeln unterstützt und werden mit diesem Reaktor die Skalierbarkeit der Technologien untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Devard Stom, bis 3/2022