ESCAPE – Teil II: Etablierung einer skalierbaren Bioreaktorplatform für die kathodische obligat anaerobe Elektrobiosynthese
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. 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. Batchoder Durchflussmodus) ermöglichen. Die fertigen Elektrobioreaktoren werden auch mit anderen elektrotrophen Bakterien getestet und anderen Partnern des SPP-Konsortiums zur Verfügung gestellt.
Publikationen
Abdollahi M, Al Sbei S, Rosenbaum MA, Harnisch F (2022) The oxygen dilemma: The challenge of the anode reaction for microbial electrosynthesis from CO2. Frontiers in Microbiology, 13. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.947550
Boto ST, Bardl B, Harnisch F, Rosenbaum MA (2023) Microbial electrosynthesis with Clostridium ljungdahlii benefits from hydrogen electron mediation and permits a greater variety of products. GreenChem. https://doi.org/10.1039/D3GC00471F
Partner
Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology – Hans-Knöll-Institute
Chair for Synthetic Biotechnology
Helmholtz-Centre for Environmental Research
Department of Environmental Microbiology
Mitarbeitende
Prof. Dr. Miriam A. Rosenbaum
Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology – Hans-Knöll-Institute
Chair for Synthetic Biotechnology
Prof. Dr. Falk Harnisch
Helmholtz-Centre for Environmental Research
Department of Environmental Microbiology
Dr. Santiago Treceño Boto
Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology – Hans-Knöll-Institute
Bio Pilot Plant Department
Sara Al-Sbei
Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology – Hans-Knöll-Institute
Bio Pilot Plant Department
Maliheh Mirabadi
Helmholtz-Centre for Environmental Research
Department of Environmental Microbiology