Verständnis der Vorteile und Kompromisse bei der Kopplung kathodischer und anodischer Prozesse in kontinuierlichen elektroenzymatischen Reaktionskaskaden

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Plumeré; Professor Dr. Volker Sieber
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536434374

In beantragten Forschungsprojekt wird ein Ansatz vorgestellt, bei dem Prozesse mit gepaarten Elektroden mit enzymatischen Reaktionskaskaden integriert werden, so dass redoxneutrale Prozesse kontinuierlich in einem Durchflusssystem durchgeführt werden können. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die Vorteile und Kompromisse zu untersuchen, die mit der Kopplung reduktiver und oxidativer Prozesse in verschiedenen gepaarten Elektrodenkonfigurationen verbunden sind. Die vorgeschlagene Modellkaskade umfasst die vollständige Umwandlung von Glukose in Ethanol und Kohlendioxid unter Einsatz von sechs Enzymen in einem redox- und pH-neutralen System. Im Rahmen der Studie werden mehrere kritische Forschungsfragen behandelt. Dazu gehören die Bewertung des Einflusses des Elektrodenpotenzials auf gekoppelte biokatalytische Prozesse, die Untersuchung der Auswirkung von Reduktionspotenzialen auf die bioelektrokatalytische Geschwindigkeit und Selektivität sowie die Entwicklung von Strategien zum Umgang mit Konzentrationsgradienten innerhalb des Systems. Darüber hinaus werden Anstrengungen zur Stabilisierung des Systems in Fällen unternommen, in denen die Reaktionen nicht ideal im Gleichgewicht sind. Die Stabilität und Leistung ausgewählter Enzyme unter gepaarten bioelektrokatalytischen Bedingungen wird ebenfalls gründlich untersucht. Darüber hinaus werden die Kompromisse und Vorteile der kontinuierlichen Durchführung von oxidativen und lytischen Reaktionen sowie die Vorteile der gleichzeitigen Durchführung mehrerer oxidativer Reaktionen untersucht. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten werden in verschiedene Arbeitspakete gegliedert sein, die jeweils auf spezifische Aspekte der gepaarten (elektro-)biokatalytischen Prozesse abzielen. Die Ergebnisse dieser Studie bergen ein erhebliches Potenzial für die Entwicklung effizienter bioelektrochemischer Zellen, die auf gekoppelten Reaktionen basieren. Die Ergebnisse werden nicht nur das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen innerhalb solcher Systeme vertiefen, sondern auch wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung von Enzymkaskaden liefern, die für zahlreiche industrielle Prozesse entscheidend sind. Insgesamt zielt diese Forschung darauf ab, das volle Potenzial von gekoppelten elektro-biokatalytischen Prozessen zu erschließen und neue Wege für nachhaltige und umweltfreundliche technologische Anwendungen zu eröffnen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2240: Bioelektrochemische und ingenieurwissenschaftliche Grundlagen zur Etablierung von Elektro-Biotechnologie für die Biosynthese - eBiotech
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Ammar Al-Shameri, Ph.D.; Dr. Kannasoot Kanokkanchana