Hoe kunnen bio-elektrochemische systemen bijdragen aan duurzame afvalwaterbehandeling en herwinning van metalen?

Bio-elektrochemische systemen (BES) bieden veelbelovende oplossingen voor zowel het behandelen van afvalwater als het herwinnen van waardevolle metalen, door gebruik te maken van biologische processen in combinatie met elektrochemische reacties. Deze systemen maken gebruik van micro-organismen die reageren met organisch materiaal en via elektrodeprocessen energie genereren. Er is steeds meer aandacht voor BES vanwege de potentiële voordelen die ze bieden, zoals energieproductie, het verwijderen van verontreinigingen en de herwinning van metalen, wat deze systemen aantrekkelijk maakt voor duurzame toepassingen.

De toepassing van dubbele MFC's, zoals die gebruikt door Jadhav en Ghangrekar, is een voorbeeld van hoe BES tegelijkertijd kunnen bijdragen aan de verwijdering van zowel ammoniak als organische stoffen uit afvalwater. Deze systemen hebben aangetoond dat ze hoge efficiënties kunnen bereiken bij het verwijderen van ammonium-nitrogeen en de chemische zuurstofvraag (COD). Door het proces van anaerobe ammoniumoxidatie (anammox) te integreren, kan ammonium worden geoxideerd, terwijl tegelijkertijd energie wordt geproduceerd. Dit biedt een interessante manier om zowel milieuproblemen op te lossen als energie te genereren, zonder de energie-intensieve beluchting die normaal gesproken nodig is in conventionele geactiveerde slibprocessen.

Daarnaast zijn er studies uitgevoerd die aantoonden dat een twee-fasen proces, bestaande uit fermentatie door Aspergillus awamori gevolgd door behandeling met een MFC, de efficiëntie van COD-verwijdering aanzienlijk kan verbeteren. Dit proces heeft bijgedragen aan een grote afname van vaste stoffen in suspensie, wat het potentieel heeft voor industriële afvalwaterbehandeling. Het gebruik van sedimentmicrobiële brandstofcellen (SMFC’s) voor de in situ sanering van aquacultuursedimenten heeft ook aangetoond dat ze de waterkwaliteit kunnen verbeteren en tegelijkertijd bio-elektrochemische energie kunnen genereren.

Er zijn vier primaire mechanismen voor metaalherwinning in BES:

1. Directe metaalherwinning met abiotische kathodes: Metalen zoals goud, zilver, vanadium, koper en ijzer, die een hoog redox-potentiaal hebben, kunnen direct worden gereduceerd aan de kathode, zonder externe energie-invoer.

2. Metaalherwinning met abiotische kathodes en externe energiebronnen: Voor metalen met een lager redox-potentiaal dan de BES-anode, zoals nikkel, wordt een externe stroombron toegepast om elektronen van de anode naar de kathode te sturen, waardoor de reductie van deze metalen mogelijk wordt.

3. Metaalherwinning met biocathodes: Micro-organismen zoals Trichococcus pasteurii en Pseudomonas aeruginosa kunnen metalen reduceren door ze als externe elektronacceptoren te gebruiken, wat leidt tot de reductie van meer toxische metaalvormen naar minder toxische vormen.

4. Metaalherwinning met biocathodes en externe stroombronnen: Voor metalen met een laag redox-potentiaal kan de herwinning van metalen worden verbeterd door een externe stroom toe te passen, wat de elektrochemische reductie faciliteert en metalen uit oplossing verwijdert.

Door deze mechanismen kunnen waardevolle metalen uit afvalwater worden teruggewonnen, wat BES tot een duurzame en energie-efficiënte oplossing maakt in vergelijking met conventionele methoden.

BES worden ook steeds vaker onderzocht voor de synthese van waardevolle producten. In veel gevallen wordt methaan geproduceerd als bijproduct van anaerobe fermentatie. Bij BES kunnen elektronen en CO2 die vrijkomen bij de microbiële oxidatie van organisch materiaal aan de anode, naar de kathode worden geleid, waar ze methaan produceren. Dit proces biedt voordelen boven conventionele biogasproductie, vooral doordat het de productie van methaan loskoppelt van de oxidatie van organisch materiaal. Deze scheiding vergemakkelijkt de efficiënte opslag en transport van methaan, wat bijdraagt aan de algehele duurzaamheid van het proces.

Bij de reductie van CO2 tot methaan is een theoretische spanning van ongeveer -0,224 V vereist, maar in de praktijk zijn veel lagere spanningen nodig vanwege aanzienlijke overpotentiëlen. Onder geschikte omstandigheden kunnen micro-organismen methaan produceren met een efficiëntie tot 96%, wat het mogelijk maakt om methaan te genereren bij een snelheid van 200 mmol CH4 per dag per vierkante meter. Het gebruik van BES voor methaanproductie biedt niet alleen een mogelijkheid voor hernieuwbare energieproductie, maar vermindert ook de afhankelijkheid van conventionele energie-intensieve processen.

Het is belangrijk te begrijpen dat BES veel verder gaan dan alleen de behandeling van afvalwater of de productie van energie. Deze systemen bieden een geïntegreerde benadering van zowel milieubehoud als duurzame energieproductie, waarbij afvalstromen nuttig kunnen worden omgezet in waardevolle hulpbronnen. De veelzijdigheid van BES opent nieuwe mogelijkheden voor industriële toepassingen, wat betekent dat de technologie niet alleen in de laboratoria moet blijven, maar ook op grotere schaal kan worden toegepast.

Wat is de rol van elektro-fermentatie in duurzame productieprocessen en het circulaire koolstofeconomie?

Een belangrijk aspect van elektro-fermentatie is de manier waarop het wordt toegepast in combinatie met gemengde culturen van micro-organismen. In tegenstelling tot traditionele fermentatietechnieken, waarbij vaak één specifieke soort microbe de hoofdrol speelt, biedt de elektro-fermentatie de mogelijkheid om verschillende micro-organismen samen te laten werken, wat de efficiëntie en diversiteit van het eindproduct vergroot. Dit proces wordt vaak aangedreven door een externe elektrische stroom, die het metabolisme van de micro-organismen beïnvloedt en hun productiviteit verhoogt.

De keuze van elektroden en de spanning die wordt toegepast, spelen een belangrijke rol in de richting van de geproduceerde stoffen. Dit maakt elektro-fermentatie bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij specifieke eindproducten gewenst zijn, zoals de productie van biobrandstoffen, oplosmiddelen, of zelfs waardevolle biochemische stoffen zoals L-lactaat en butanol. De mogelijkheid om verschillende soorten organisch afval om te zetten in nuttige producten maakt elektro-fermentatie ook tot een veelbelovende technologie voor de hergebruik van afvalstromen, zoals afvalwater of organisch afval.

In de context van de circulaire koolstofeconomie biedt elektro-fermentatie bovendien de mogelijkheid om koolstofdioxide (CO2) om te zetten in waardevolle stoffen. Dit proces kan direct bijdragen aan de reductie van broeikasgasemissies door CO2 uit de atmosfeer te verwijderen en om te zetten in bruikbare producten. Bijvoorbeeld, elektro-fermentatie kan de productie van vluchtige vetzuren zoals azijnzuur en butyraat stimuleren, die gebruikt kunnen worden als hernieuwbare grondstoffen voor de chemische industrie.

Daarnaast zijn er belangrijke uitdagingen verbonden aan het opschalen van elektro-fermentatieprocessen. De efficiëntie van elektronentransfermechanismen tussen micro-organismen en elektroden is een cruciale factor die het succes van deze technologie bepaalt. Het verbeteren van deze mechanismen, bijvoorbeeld door genetische modificatie van micro-organismen of door het gebruik van innovatieve elektrodematerialen, is een actief onderzoeksgebied. Dergelijke verbeteringen kunnen de kosten verlagen en de algehele prestaties van elektro-fermentatiesystemen verbeteren, waardoor ze aantrekkelijker worden voor industriële toepassingen.

Verder is het belangrijk te begrijpen dat elektro-fermentatie een belangrijke rol speelt in de bredere context van bio-elektrochemische systemen, waarbij ook andere processen zoals microbiele brandstofcellen (MFC's) en microbiele elektrolysecellen (MEC's) betrokken zijn. Deze systemen kunnen niet alleen duurzame energie produceren, maar ook waardevolle chemicaliën uit diverse organische stoffen, wat bijdraagt aan een meer circulaire benadering van de chemische industrie. Het gebruik van dergelijke technologieën kan helpen om een breed scala aan afvalstromen te verwerken, van stedelijk afvalwater tot industriële bijproducten, en tegelijkertijd bij te dragen aan de energietransitie.

In dit licht is het essentieel om te benadrukken dat de toepassingen van elektro-fermentatie zich niet beperken tot de chemische productie. Ook de bioremediatie en het milieuonderhoud profiteren van deze technologie. Zo kunnen elektro-fermentatiesystemen helpen bij het saneren van verontreinigde bodems en wateren door elektroactieve micro-organismen te stimuleren die schadelijke stoffen afbreken en omzetten in minder schadelijke verbindingen. Dit opent nieuwe perspectieven voor het herstel van vervuilde omgevingen, wat steeds belangrijker wordt in het licht van de wereldwijde milieuproblemen.