Wat zijn de toepassingen van donkere fermentatie en elektro-fermentatie voor CO2-conversie?

In de huidige tijd wordt de wereld geconfronteerd met enorme hoeveelheden kooldioxide (CO2), vast afval en gemeentelijk afvalwater die jaarlijks in het milieu vrijkomen door menselijke activiteiten. Deze enorme hoeveelheden koolstofhoudende afvalproducten vormen een uitdaging voor onze samenleving, vooral vanwege de hoge kosten van traditionele technologieën voor het verwerken van afval. Dit heeft geleid tot de zoektocht naar alternatieve manieren om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en petroleum-afgeleide synthetische producten te verminderen, die bijdragen aan de uitstoot van CO2 in de atmosfeer.

In dit kader biedt de circulaire economie een belangrijk model voor het sluiten van de grondstoffencyclus. Dit kan worden bereikt door het gebruik van microbieel elektrochemische technologieën (MET), die elektroactieve micro-organismen benutten om bio-elektrochemische reacties te katalyseren. Deze reacties zetten koolstofhoudende afvalstoffen om in bio-energie en bioproducten. De afbraak van organisch materiaal in deze systemen gebeurt via processen zoals donkerfermentatie (DF) en elektro-fermentatie (EF), welke als alternatieven dienen voor traditionele verwerkingsmethoden.

In elektro-fermentatie wordt de invloed van een externe spanning toegepast om de fermentatiepaden te sturen. Het doel is om de productie van bepaalde stoffen zoals azijnzuur of butyraat te bevorderen door de overdracht van elektronen van een externe bron. Deze technologie maakt gebruik van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie of windenergie, waarmee de opgeslagen chemische energie in de organische stoffen kan worden omgezet in nieuwe, waardevolle producten.

Donkere fermentatie (DF) is een andere benadering die zich richt op de anaerobe afbraak van organisch materiaal zonder de noodzaak van externe elektronenoverdracht. In DF worden stoffen zoals glucose afgebroken door waterstof producerende bacteriën die pyruvaat omzetten in waterstofgas (H2), kooldioxide (CO2) en acetyl-CoA, dat vervolgens kan worden omgezet in een breed scala aan organische zuren. Dit proces heeft bijzonder veel potentieel voor het omzetten van organisch afval in herbruikbare en duurzame energiebronnen zoals waterstof.

De prestaties van zowel DF als EF hangen sterk af van de redoxpotentiaal van het elektrolyt en de interactie tussen de elektroden en de micro-organismen. Het vermogen van de elektroden om elektronen te accepteren of af te geven, beïnvloedt de fermentatiepaden door de verhouding van NADH/NAD+ te sturen, een sleutelfactor in het metabolisme van cellen. Deze verhouding bepaalt hoe energie wordt geproduceerd en wordt gebruikt binnen de cellen voor metabolische processen. Het is dan ook essentieel om deze balans goed te begrijpen en te optimaliseren om de productiviteit van DF- en EF-processen te verbeteren.

De verdere ontwikkeling van deze technologieën biedt belangrijke kansen voor het opschalen van deze processen naar industriële toepassingen. Toch zijn er verschillende uitdagingen die moeten worden overwonnen, zoals de efficiëntie van electronoverdracht, de stabiliteit van de gebruikte micro-organismen, en het op grote schaal integreren van deze systemen in bestaande infrastructuren. De wetenschap achter de biologische systemen en de optimalisatie van fermentatieomstandigheden zal cruciaal zijn om het potentieel van CO2-conversie technologieën volledig te benutten.

De toepassing van donkere fermentatie en elektro-fermentatie zal bijdragen aan een duurzamere benadering van afvalverwerking, de productie van hernieuwbare energie en de vermindering van de CO2-uitstoot. Het biedt een belangrijke stap in de richting van een circulaire economie, waar afval niet slechts wordt gezien als een probleem, maar als een waardevolle grondstof voor de productie van biochemische stoffen, bio-energie en andere duurzame producten.

Hoe Electro-Fermentatie het Metabolisme van Microben Kan Stimuleren: De Rol van Elektronenoverdracht en Substraatkenmerken

In elektro-fermentatie (EF) wordt het elektrodeoppervlak niet alleen als een elektronacceptor of -donor gebruikt, maar ook als een krachtig hulpmiddel voor het sturen van de metabolische routes van fermenterende bacteriën. Bij het gebruik van elektroactieve bacteriën, zoals Geobacter sulfurreducens, kan de elektrochemische stimulatie via elektroden leiden tot de productie van waardevolle metabolieten zoals ethanol, wanneer glycerol als substraat wordt gebruikt. Deze bacteriën kunnen elektroactieve eigenschappen aanleren of versterkt worden door genetische modificatie om verschillende koolstofbronnen om te zetten, wat hen bijzonder geschikt maakt voor toepassingen in duurzame biotechnologie.

Deze interacties zijn niet enkel beperkt tot de elektroactieve bacteriën. Fermenterende bacteriën die substraat omzetten in metabolieten zoals waterstofgas (H2), formiaat en acetaat kunnen als tussenpersonen fungeren in de productie van andere doelgerichte producten. In dit proces zijn er synergetische interacties tussen de fermenterende bacteriën en elektroactieve bacteriën, vergelijkbaar met de werking van een microbiele brandstofcel (MFC), waar de elektroactieve bacteriën de anode-respiration uitvoeren en de fermenterende bacteriën zorgen voor de levering van metabolieten. Dit syntropische gedrag resulteert in thermodynamisch gunstige omstandigheden die de effectiviteit van het proces bevorderen door fermentatiebijproducten te verwijderen.

De biofilm die zich op de elektroden vormt, speelt hierbij een sleutelrol. Deze biofilm heeft een gelaagde structuur, waarbij elektroactieve bacteriën zich het dichtst bij de elektroden bevinden en fermenterende bacteriën zich verder van de elektroden bevinden. De dikte van de biofilm kan echter een beperkende factor zijn voor electronenoverdracht, aangezien een toename van de dikte de overdracht van elektronen kan verminderen. Dit leidt tot een gradient binnen de biofilm, zowel wat betreft de redoxmediatoren als de pH, wat de efficiëntie van het hele proces kan beïnvloeden.

De keuze van het substraat is essentieel voor de effectiviteit van de EF. Duurzame en hernieuwbare koolstofbronnen zijn noodzakelijk, en het is belangrijk dat deze geen concurrentie vormen voor voedselproductie. Biomassa-afval, zoals rioolslib, afvalwater, biodieselresidu's, en reststromen uit de zuivelindustrie, zijn veelbelovende opties. Rioolslib, bijvoorbeeld, bevat een breed scala aan organische stoffen en kan omgezet worden in biogas, biodiesel, bioplastics en bio-ethanol. Het gebruik van dergelijke hernieuwbare bronnen kan helpen de kosten te verlagen en tegelijkertijd de circulaire economie te bevorderen.

Bij het werken met afvalwater en slib zijn er echter uitdagingen. De ophoping van vluchtige vetzuren (VFA's) kan de pH verlagen, wat de activiteit van de microben verstoort. Een alkalisch milieu (pH tussen 7,0 en 12,0) is dan gunstig voor de productie van korteketenvetzuren (SCFA’s) zoals azijnzuur en propionzuur. Dit helpt de activiteit van de bacteriën te optimaliseren en voorkomt dat de zure milieucondities de fermentatie negatief beïnvloeden.

Wat ook van belang is, is dat de enzymen die betrokken zijn bij microbiële activiteit vaak gevoelig zijn voor pH-schommelingen. Het reguleren van de pH is cruciaal, vooral voor acidogene fermentatie, die gericht is op de productie van VFAs. In het bijzonder gedijen de meeste acetonogene bacteriën bij een licht zure pH (5,5–6,5), terwijl een alkalische pH het transport van onverdunde VFAs door de celmembraan vergemakkelijkt. Verder beïnvloedt de temperatuur de activiteit van de bacteriën, wat bepalend is voor de snelheid van de reactie en de productie van gewenste metabolieten.

Bij de productie van VFAs in het kader van zowel donkere fermentatie (DF) als elektro-fermentatie (EF), moeten deze factoren zorgvuldig worden beheerd om de opbrengst en efficiëntie van het proces te maximaliseren. Substraatkeuze, pH-regulatie, en temperatuurmanagement zijn allemaal kritische elementen voor het bereiken van optimale fermentatieomstandigheden. Het aanpassen van deze parameters kan de yield van de gewenste producten aanzienlijk verbeteren.

Hoe werkt Shewanella in microbieel elektrosynthese en bio-elektrochemische systemen?

Microbieel elektrosynthese en bio-elektrochemische systemen (BES) vormen een innovatieve benadering waarin microbiële metabole processen en elektrochemie worden gecombineerd om duurzame productie van waardevolle chemicaliën en energie mogelijk te maken. In tegenstelling tot traditionele anaerobe fermentatietechnologieën overwinnen deze systemen thermochemische beperkingen door een efficiëntere omzetting van substraten en verbeterde elektronenoverdracht, wat het mogelijk maakt om een breed scala aan materialen te verwerken, inclusief complexe organische afvalstoffen. BES opereren in uiteenlopende omstandigheden, zoals anaërobe omgevingen, bij hoge temperaturen en in zowel alkalische als zure pH’s, wat leidt tot lagere operationele kosten en een verbeterde milieuprestatie.

De bacteriegroep Shewanella onderscheidt zich als een modelorganisme vanwege haar veelzijdige respiratiecapaciteiten en het vermogen om zowel direct als indirect elektronen over te dragen aan elektroden. Ze kunnen diverse organische en anorganische substraten benutten, waaronder zuurstof, thiosulfaat, nitraat, dimethylsulfoxide en elementair zwavel. Door hun genetische toegankelijkheid en uitgebreide genoomanalyse zijn er meer dan 200 stammen geïdentificeerd, die afkomstig zijn uit uiteenlopende milieus zoals diepzeesedimenten, vislichamen en afvalstoffen.

Shewanella is facultatief anaeroob en heterotroof, wat betekent dat het zich kan aanpassen aan veranderende redoxomstandigheden. Deze flexibiliteit komt voort uit het bezit van verschillende terminale reductasen en overlappende elektronentransportroutes. In natuurlijke ecosystemen spelen Shewanella-bacteriën een cruciale rol in het afbreken van organisch materiaal door de producten van fermentatieve bacteriën zoals lactaat en aminozuren te gebruiken, waarbij zij als elektronenacceptoren diverse geoxideerde metalen en verbindingen reduceren.

Het begrip van de fysiologie van Shewanella draagt niet alleen bij aan de ecologische kennis van koolstofafbraak in het milieu, maar is ook fundamenteel voor het optimaliseren van BES. Micro-organismen die elektronen extracellulair kunnen overdragen, exoelectrogens genoemd, zijn de drijvende krachten achter microbiële brandstofcellen (MFC's) en microbiële elektrolytische cellen (MEC's). Deze systemen maken het mogelijk om bio-elektriciteit te genereren of specifieke chemicaliën, zoals waterstofgas, te produceren met hoge efficiëntie en lage CO₂-uitstoot.

Het potentieel van Shewanella in BES blijkt uit de succesvolle toepassing in MFC’s met soorten als Shewanella oneidensis MR-1, die hoge vermogensdichtheden kunnen bereiken. MEC’s richten zich vooral op de productie van schone energiedragers zoals waterstof, terwijl MFC’s meer gericht zijn op energieterugwinning uit biomassa. Het vermogen van Shewanella om verschillende substraten te benutten en elektronentransfer te faciliteren, maakt het een sleutelspeler in de ontwikkeling van een circulaire koolstofbio-economie.

Naast het inzicht in microbiële elektronenoverdracht is het ook essentieel om de interactie tussen micro-organismen en elektroden te begrijpen op moleculair en genetisch niveau. Dit opent de deur naar gerichte aanpassingen van micro-organismen om hun efficiëntie te verhogen binnen BES. Tevens is de rol van biofilmvorming, extracellulaire elektrochemische communicatie en het effect van omgevingsfactoren op de activiteit van Shewanella van groot belang om te beheersen voor het opschalen van deze technologieën.

Voor de lezer is het belangrijk te beseffen dat BES-systemen niet alleen technologische innovaties zijn, maar ook diepe ecologische implicaties hebben. Ze sluiten de kringloop van koolstof door CO₂-omzetting, verminderen afval en creëren nieuwe bioproducten met minder milieubelasting. De ontwikkeling van BES en de inzet van exoelectrogene bacteriën zoals Shewanella kunnen bijdragen aan een duurzaam energiesysteem dat fossiele brandstoffen kan vervangen en de milieu-impact van industrieën kan reduceren.

Hoe Kan Elektrofermentatie de Microbiële Productie en Duurzaamheid Verbeteren?

Elektrofermentatie (EF) is een opkomende technologie die bio-elektrochemische principes combineert met microbiële fermentatieprocessen om de productie van biochemische verbindingen te verbeteren. Deze methode biedt een veelbelovende oplossing voor de beperkingen van traditionele fermentatietechnieken, die vaak worden gehinderd door terugkoppelinginhibitie en het onvermogen om gewenste producten op grote schaal te produceren. De toepassing van een elektrisch potentiaal in deze systemen heeft geleid tot aanzienlijke vooruitgangen in zowel de productie van biobrandstoffen als in de afbraak van organisch afval.

Een van de belangrijkste uitdagingen van conventionele fermentatieprocessen is de terugkoppelinginhibitie, waarbij de ophoping van metabolieten in de cellen de groei en stofwisseling van micro-organismen verstoort. Dit kan de productie van koolstofneutrale precursoren, zoals waterstof, belemmeren. Recent onderzoek heeft echter aangetoond dat het integreren van elektrofermentatie (EF) met traditionele fermentatieprocessen, zoals fotofementatie en elektroactieve bacteriën, kan helpen deze beperkingen te overwinnen. Dit proces maakt gebruik van elektroden die als elektronenverzamelaars fungeren, wat het gelijktijdig produceren van zowel geoxideerde als gereduceerde producten mogelijk maakt (Ikeda et al., 2021a, 2021b).

Electrofermentatie heeft ook de potentie om de productie van waterstof en andere nuttige verbindingen uit verschillende afvalstromen te bevorderen. Door het integreren van EF in microbiële elektrolysecellen wordt de productie van bioethanol verbeterd, en kunnen lignocellulose materialen effectief worden omgezet in biobrandstoffen. Dit biedt niet alleen voordelen voor de industrie, maar speelt ook een cruciale rol in het bevorderen van recycling en milieubescherming door het hergebruik van afval (Wang et al., 2023a, 2023b).

De toepassing van elektrochemische principes in combinatie met microbiële fermentatie kan het metabolisme van bacteriën regelen, de redoxbalans optimaliseren en de productie van specifieke stoffen verbeteren. Dit wordt mogelijk gemaakt door exo-elektrogene bacteriën die buiten de cellen elektronen kunnen overdragen, wat de efficiëntie van de processen verhoogt. Deze techniek is veelbelovend voor het produceren van biochemische stoffen en brandstoffen uit hernieuwbare bronnen en regeneratieve energieën, waardoor het een duurzamer alternatief biedt voor bestaande chemische processen (Fruehauf et al., 2020).

Het is belangrijk om te begrijpen dat EF niet alleen de fermentatieprocessen zelf verbetert, maar ook een bredere impact heeft op de efficiëntie van industriële processen. De optimalisatie van fermentatie-omstandigheden, zoals het aanpassen van de elektrodenpotentiaal, kan leiden tot hogere productopbrengsten en een betere controle over de pH en redoxstatus van het systeem. Hierdoor kan EF bijvoorbeeld de productie van ethanol en andere belangrijke chemicaliën zoals 2, 3-butanediol verbeteren zonder aanzienlijke verliezen in opbrengst (Martínez-Ruano et al., 2023).

Een ander belangrijk aspect van elektrofermentatie is de toepassing ervan in complexere microbiële processen zoals de fermentatie in de pens van herkauwers. Onderzoek toont aan dat het gebruik van een elektrisch potentiaal tijdens de pensfermentatie de biomassa van micro-organismen kan verhogen, de opname van droge stof kan bevorderen en de productie van vluchtige vetzuren kan verhogen, wat bijdraagt aan een verbeterde voedingswaarde van het diervoeder (López-Hernández et al., 2023).

Naast de bekende micro-organismen zoals Clostridium autoethanogenum, Zymomonas mobilis en Saccharomyces cerevisiae, worden ook andere bacteriën zoals Aspergillus niger en Bacillus licheniformis gebruikt in EF-processen om een breed scala aan chemicaliën te produceren. De inzet van elektrofermentatie heeft het potentieel om de productie van waardevolle stoffen zoals alcoholen, organische zuren en thermostabiele lipasen te optimaliseren, wat de economische haalbaarheid van deze technologie vergroot (Dhungana & Rajbhandaari, 2022; Garuba et al., 2020).

Het succes van elektrofermentatie in industriële toepassingen hangt af van de verdere verfijning van de technologie en de diepgaande kennis van de processen die plaatsvinden op cellulair en elektrochemisch niveau. Er is een voortdurende behoefte aan onderzoek om de controlemechanismen van EF te verbeteren en de processen op grotere schaal rendabel te maken. Echter, de vooruitzichten voor EF zijn veelbelovend, en de technologie heeft het potentieel om de productie van biochemische producten te transformeren op een manier die duurzamer en economisch haalbaarder is dan traditionele methoden.

Wat zijn de belangrijkste mechanismen en materialen die de prestaties van bio-elektrochemische systemen verbeteren?

In de zoektocht naar duurzame en efficiënte alternatieven voor platinacathodes, heeft onderzoek zich gericht op het verbeteren van de overdracht van elektronen van micro-organismen naar de kathodische terminal. Verschillende benaderingen worden onderzocht om de interfaciale contacten en het oppervlak van de kathode te verbeteren. Het bevestigen van nanodeeltjes aan de kathode via koolstofnanobuizen, geconjugeerde oligoelectrolyten (COEs), koolstofnanobuizen op gereflecteerd glasachtig koolstof (NanoWeb-RVC) en nano-nikkel zijn enkele van de technieken die zijn toegepast om deze overdracht te bevorderen (Bajracharya et al., 2022; Yan et al., 2015). Bovendien is gebleken dat grafeen-geëmodificeerde biocathodes in een MES-systeem de bio-elektrochemische waterstofproductie niet alleen ondersteunen, maar zelfs verbeteren.

De rol van microbieel biofilm werd eveneens onderzocht. Dit biofilm, dat zich in wezen aan de kathode vormt, is verrijkt aan de positief geladen anodische zijde. Echter, door de negatieve modificaties van de kathode ontstaat een repellerende interactie aan de kathodische zijde, wat bijdraagt aan de verandering van de zeta-potentiaal en hydrophobiciteit van de cellen in het biofilm. Dit kan de efficiëntie van de elektrochemische omzetting verhogen, aangezien de biofilm in staat is om elektriciteit te verbruiken voor de metabolische processen (Liang et al., 2019; Philips et al., 2016).

Op het niveau van de micro-organismen zijn gram-negatieve metaal-reducerende bacteriën zoals Shewanella en Geobacter de meest onderzochte soorten met betrekking tot extracellulaire elektronoverdracht. Deze micro-organismen gebruiken extracellulaire elektrontransfer (EET) om metalen te reduceren, waarbij deze metalen fungeren als elektronacceptoren. De multiheme c-type cytochromen die aanwezig zijn in Geobacter en Shewanella vergemakkelijken EET door gebruik te maken van onoplosbare metalen (hydr)oxiden als acceptoren van elektronen (Paquete et al., 2022). Dit mechanisme kan effectief worden toegepast in biocellen die gericht zijn op duurzame energieproductie.

Bij de keuze van materialen voor de anode speelt niet alleen de chemische stabiliteit een rol, maar ook de invloed van de gebruikte materialen op de productie van gassen zoals waterstof en methaan in MEC-systemen. Onderzoek toont aan dat het gebruik van een gemodificeerde grafietvezeldoek met multiwandige koolstofnanobuizen, ondersteund door nikkel, de methaanproductie met 52% verhoogde (Blasco-Gómez et al., 2017). Daarnaast worden alternatieve materialen zoals ijzer (Fe) en legeringen als Ti/Ru en Ti/RuO2 onderzocht als kosteneffectieve oplossingen voor het verminderen van operationele kosten in methaanproductie (Bhagchandanii et al., 2020).

De regulatie van het elektrisch potentieel is dus van groot belang voor de prestaties van een bio-fermentatiesysteem. Door de juiste spanning toe te passen, kan de productie van biobased producten zoals methaan en waterstof aanzienlijk worden geoptimaliseerd. De keuze van materialen voor de elektrodes, de configuratie van het systeem en de aard van het substraat spelen een sleutelrol in de efficiëntie van de elektrofermentatie.