ESCAPE: Establishing a scalable bioprocess reactor platform for cathodic obligate anaerobic electrobiosynthesis

Die mikrobielle Elektrosynthese (MES) stößt auf großes und zunehmendes Forschungsinteresse. Die MES ermöglicht die Nutzung elektrischer Energie (Elektronen) durch Mikroorganismen zur Herstellung von wertschöpfenden Verbindungen, vor allem unter Verwendung von CO2 als Kohlenstoffquelle. Diese MES basiert auf elektroautotrophen Mikroorganismen, die Elektronen von der Kathode aufnehmen und diese zur CO2-Fixierung über den Wood-Ljungdahl-Weg nutzen, wobei CO2 sowohl als terminaler Elektronenakzeptor als auch als Baustein dient.

Eine der größten Herausforderungen für MES auf der Grundlage von Elektroautotrophen ist die Konstruktion und der Betrieb der mikrobiellen elektrochemischen Reaktoren, die auch als bioelektrochemische Systeme (BES) bezeichnet werden. Bei BES kann es sich um Ein-Kammer-Systeme handeln, bei denen Anode und Kathode derselben Lösung zugewandt sind, oder um Zwei-Kammer-Systeme, bei denen beide Elektroden durch eine Membran getrennt sind. In jedem Fall schädigt der an der Anode aus der Wasserspaltung entstehende Sauerstoff, der in die Kathode gelangt, die obligat anaeroben Bakterien schwer. Daher besteht ein dringender Bedarf an Lösungen, die eine künftige Skalierung und Nutzung der elektroautotrophen MES ermöglichen. ESCAPE zielt darauf ab, neuartige kathodische Elektrobioreaktoren zu entwickeln, um diesen Forschungsbedarf durch die Integration von Bioverfahrenstechnik am UFZ und mikrobiologischer Wissenschaft am HKI zu decken.

Im Rahmen von ESCAPE wird eine eingehende elektrochemische und physiologische Charakterisierung von zwei autotrophen Modellbakterien in Abhängigkeit von der Entwicklung der BES-Reaktion durchgeführt. Die beiden kathodischen obligat anaeroben Bakterien, Clostridium ljungdahlii und Desulfosporosinus orientis, werden in etablierten autotrophen Gasfermentern (H2/CO2) und Targetelektrobioreaktoren gezüchtet. Unter den beiden Bedingungen werden umfangreiche Leistungs- und physiologische Daten gewonnen, z. B. CO2-Aufnahme und -Freisetzung, pH-Wert, Biomasse und Metabolitenproduktion. Die Erstellung von Transkriptom- und Proteom-Profilen soll Aufschluss über mögliche Stressreaktionen geben, die durch das Eindringen von Sauerstoff, einen unzureichenden Wasserstoffgehalt oder die mikrobielle elektrochemische Kultivierung verursacht werden. Die Messungen der Stressreaktion in BES werden dann für eine gezielte Entwicklung besserer MES-Elektrobioreaktoren genutzt.

Die größte Herausforderung für die Elektrochemie und die Reaktortechnik ist der Schutz der kathodischen mikrobiellen Umgebung vor anodischem Sauerstoff. Um eine ausreichend anoxische Umgebung an der Kathode zu schaffen, werden mehrere Wege parallel beschritten. Die Membranmaterialien werden systematisch charakterisiert und verbessert, z. B. hinsichtlich ihrer Beständigkeit und Sauerstoffdurchlässigkeit. Darüber hinaus werden Alternativen zur anodischen Wasserspaltung untersucht, z. B. durch Verwendung von Opferanoden oder durch Ausnutzung elektroorganischer Reaktionen. Parallel dazu werden neue Reaktorarchitekturen und die Skalierung von BES für anaerobe MES, z. B. mittels Rapid Prototyping, entwickelt und anschließend mit Clostridium ljungdahlii und Desulfosporosinus orientis verglichen. Schließlich wird eine Skalierung auf Bioprozessebene stattfinden, die eine Plattform für die Bioprozesscharakterisierung mit verschiedenen anaeroben MES-Biokatalysatoren bietet.

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. Front Microbiol 13, 947550.

Partner

Leibniz-HKI

Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology – Hans-Knöll-Institute
Chair for Synthetic Biotechnology

UFZ Helmholtz Zentrum für Umweltforschung

Helmholtz-Centre for Environmental Research
Department of Environmental Microbiology

Mitarbeitende

Prof. Dr. Miriam Rosenbaum

Prof. Dr. Miriam A. Rosenbaum

Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology – Hans-Knöll-Institute
Chair for Synthetic Biotechnology

Sara Al-Sbei

Sara Al-Sbei

Leibniz Institute for Natural Products Research and Infection Biology – Hans-Knöll-Institute
Chair for Synthetic Biotechnology

Prof. Dr. Falk Harnisch

Prof. Dr. Falk Harnisch

Helmholtz-Centre for Environmental Research
Department of Environmental Microbiology

Maliheh Mirabadi

Maliheh Mirabadi

Helmholtz-Centre for Environmental Research
Department of Environmental Microbiology

Weitere Projekte