Hoe Bio-elektrochemische Systemen Duurzame Energie en Behandeling van Water Kunnen Verbeteren

De integratie van enzymatische cascades in bio-elektrochemische cellen (EFC’s) maakt het mogelijk om complexe biochemische reacties te faciliteren, terwijl driedimensionale elektrodeconstructies het beschikbare oppervlak voor enzymatische interacties vergroten. Ondanks deze vooruitgangen blijft de hoge productieprijs van gezuiverde enzymen een belangrijke uitdaging die de grootschalige commercialisering van EFC's belemmert (Minteer et al., 2007).

Een opmerkelijke toepassing van MSC’s was het gebruik van deze cellen bij het aanpakken van algenbloei in zoetwatersystemen. In dit systeem werden de biomassa van Microcystis aeruginosa en Chlorella vulgaris, in combinatie met lakewater, als substraat gebruikt in microbiële brandstofcellen (MFC’s). Dit systeem maakte het mogelijk om gelijktijdig elektriciteit te genereren en afvalwater te behandelen. In een andere studie werd algenbiomassa uit een fotobioreactor gebruikt, die vervolgens werd verwerkt in een anaerobe vergister om als MFC-feedstock te dienen. Een specifiek MSC-ontwerp, waarbij een fotobioreactor werd gebruikt met Chlorella bij de anode, vertoonde een efficiëntie van licht-naar-elektriciteit van 0,04%, met een gemiddelde vermogensdichtheid van 14 mW/m². Bovendien bereikte Synechocystis PCC6803 een stroomdichtheid van 539 mA/m² bij hoge lichtintensiteit (10.000 lx), terwijl het 625 mmol CO2/m³ vastlegde, zonder dat een mediator of externe koolstofbron in de anolyte nodig was. De efficiëntie van MSC's kan worden verbeterd door fotobioreactorconfiguraties te verfijnen, de elektronenoverdracht tussen algen en de bioanode te optimaliseren, het elektrode-oppervlak te vergroten en de groei van elektroactieve biofilms te bevorderen. Het dubbele voordeel van CO2-vastlegging en de directe omzetting van zonne-energie in elektriciteit benadrukt het potentieel van MSC’s als een duurzame energietechnologie (De Schamphelaire & Verstraete, 2009; Madiraju et al., 2012; Strik et al., 2008b, 2011; Wang et al., 2012a).

De keuze van plantensoorten voor PMFC’s is van het grootste belang, omdat deze direct invloed heeft op de hoeveelheid en samenstelling van de rhizodeposities die beschikbaar zijn voor de microbiële gemeenschap. Planten die meer exudaten en andere organische verbindingen in de bodem afgeven, bevorderen over het algemeen een hogere bio-elektriciteitsproductie. Diverse studies hebben verschillende plantensoorten onderzocht voor PMFC-toepassingen, met opmerkelijke voorbeelden zoals ‘Reed manna gras’ (Glyceria maxima), rijst (Oryza sativa) en ‘Spartina anglica’. Onder deze, hebben PMFC’s die gebruik maken van ‘Pennisetum setaceum’, ook bekend als fonteingras, de hoogste duurzaamheid aangetoond in termen van energieproductie. In deze systemen werd de maximale energie-output bereikt van 163 mW/m², wat van ‘Pennisetum setaceum’ een veelbelovende kandidaat maakt voor toekomstige PMFC-toepassingen. In een andere studie werden PMFC’s op basis van ‘Spartina anglica’ verbeterd door de integratie van zuurstof-reducerende biocathodes, wat de prestaties op lange termijn aanzienlijk verbeterde. Deze systemen bereikten een piekvermogen van 240 mW/m² gedurende een periode van twee weken, wat het potentieel aantoont van het gebruik van geïntegreerde biocathodes om de efficiëntie van PMFC’s te verbeteren. Zulke vooruitgangen benadrukken het belang van niet alleen het selecteren van optimale plantensoorten, maar ook het integreren van aanvullende technologieën om de energie-output te verhogen (De Schamphelaire et al., 2010; Helder et al., 2012; Strik et al., 2008a; Wang et al., 2012a; Wetser et al., 2015).

Microbiële desalineringscellen (MDC’s) zijn een geavanceerde technologie die het elektrochemische potentieel tussen de anode en kathode in MFC’s benut om zout direct uit water te verwijderen. Dit systeem werd voor het eerst geïntroduceerd door Cao et al. als de eerste demonstratie van waterdesalinisatie in combinatie met MFC-technologie (Cao et al., 2009). Het onderscheidende kenmerk van MDC’s is de integratie van een derde of middelste compartiment tussen de anode en kathode, dat specifiek is ontworpen voor desalinisatiedoeleinden. Dit compartiment is gescheiden van de anode door een anionenuitwisselingsmembraan (AEM) en van de kathode door een kationenuitwisselingsmembraan (CEM), waardoor selectieve ionentransport mogelijk wordt gemaakt. Het basisprincipe van de werking van MDC’s wordt gedreven door de metabolische activiteit van bacteriën bij de anode. Deze bacteriën oxideren biologisch afbreekbare organische substraten, waarbij elektronen en protonen vrijkomen. De elektronen worden via een extern circuit naar de kathode overgedragen, terwijl tegelijkertijd anionen zoals sulfaat (SO₄²⁻) en chloride (Cl⁻) die in het zoutwater van het desalinisatiecompartiment aanwezig

Hoe Microbiële Electro-synthese van CO2 Bijdraagt aan Duurzame Bio-energieproductie

Een van de sleutels tot succes in microbiële elektrosynthese is het gebruik van zogenaamde biocathodes, waar specifieke bacteriën zoals Shewanella oneidensis of Geobacter sulfurreducens worden ingezet om elektronen over te dragen naar CO2, wat het mogelijk maakt om deze te reduceren tot nuttige producten. Het proces vereist de integratie van microbiële brandstofcellen (MFC) met elektrode-technologie, waarbij een stroom van elektronen via elektroden wordt gedwongen om biochemische reacties aan te drijven die CO2 omzetten.

Een belangrijke ontwikkeling in dit veld is het gebruik van gasdiffusie-elektroden die de efficiëntie van de omzetting van CO2 verhogen. Hierbij wordt CO2 direct via de gasfase naar de kathode geleid, waardoor het proces aanzienlijk versnelt en de productiviteit van de bioproducten verbetert. Onderzoekers hebben ook aangetoond dat genetische modificatie van de gebruikte bacteriën kan leiden tot verbeterde prestaties bij het produceren van specifieke producten zoals butanol, isobuteen of aceton, die belangrijke chemicaliën en brandstoffen zijn in industriële toepassingen.

Wat betreft CO2 sequestratie, kan microbiële elektrosynthese een belangrijke rol spelen door het vastleggen van CO2 uit de atmosfeer en het omzetten naar organische moleculen die als alternatieven voor fossiele brandstoffen kunnen dienen. Dit biedt niet alleen een manier om broeikasgassen te reduceren, maar creëert ook een circulaire economie waarin CO2 wordt hergebruikt in plaats van toegevoegd aan de atmosfeer.

Hoewel microbiële elektrosynthese veelbelovend is, zijn er nog enkele uitdagingen die moeten worden overwonnen om het commercieel levensvatbaar te maken. De efficiëntie van CO2-reductie, de stabiliteit van de biocathodes en de kostprijs van de technologie blijven belangrijke obstakels. Bovendien vereist de technologie een aanzienlijke hoeveelheid energie, wat de duurzaamheid van het proces kan beïnvloeden. Daarom is er veel onderzoek gericht op het verbeteren van de energie-efficiëntie van deze systemen, evenals het ontwikkelen van goedkopere materialen voor de elektroden en biocatalysatoren.

Verder is het belangrijk om de bredere milieu-impact van microbiële elektrosynthese te overwegen. Hoewel het proces zelf kan helpen bij het verminderen van CO2-uitstoot, is de bron van de elektriciteit die nodig is voor de elektrolyse een cruciale factor. Het gebruik van hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne-energie of windenergie, kan de algehele duurzaamheid van het proces aanzienlijk verbeteren. Dit zal ervoor zorgen dat het proces niet alleen CO2-neutraler is, maar ook bijdraagt aan de energietransitie naar een duurzamere toekomst.

In de toekomst kan microbiële elektrosynthese niet alleen bijdragen aan de productie van bio-energie, maar ook de bredere chemische industrie transformeren. De ontwikkeling van nieuwe biotechnologische processen die CO2 omzetten in hoogwaardiger producten, zoals bioplastics of andere duurzame chemicaliën, biedt grote kansen. Dit zal niet alleen de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen, maar ook de noodzaak voor traditionele energie-intensieve chemische productieprocessen verlichten.

Het is echter belangrijk om te benadrukken dat microbiële elektrosynthese niet als een panacee moet worden gezien, maar als een van de vele technologieën die bijdragen aan een meer duurzame toekomst. De integratie van verschillende technologieën, waaronder hernieuwbare energieproductie, koolstofvastlegging en -omzetting, en duurzame productontwikkeling, zal essentieel zijn om de wereldwijde uitdagingen op het gebied van klimaatverandering en energievoorziening aan te pakken.

Hoe Elektronenoverdracht de Productie van Bio-brandstoffen via Electro-Fermentatie Versterkt

In systemen die gebaseerd zijn op geleidende extracellulaire elektronenoverdracht (conductor-gebaseerde EET), genereren micro-organismen hoge stroomdichtheden terwijl ze elektronen door gespecialiseerde biologische structuren, zoals pili of nanodraden, transporteren. Deze biologische uitsteeksels fungeren als geleiders voor elektronen, waarbij ze elektronen van de micro-organismen naar elektronendragers zoals cytochromen overdragen. Deze mechanisme is opmerkelijk doordat het gebruik maakt van fysieke uitsteeksels voor elektronenoverdracht, wat het mogelijk maakt om elektrische energie efficiënt over te dragen over langere afstanden. De nanodraden vertonen eigenschappen die doen denken aan metalen, zoals verhoogde temperatuur en verminderde geleidbaarheid bij een toename van de stroom, wat de overdracht van elektronen vergemakkelijkt maar ook de efficiëntie van microbieel elektrolytisch systeem (MES) kan beïnvloeden.

Bij sommige micro-organismen, zoals de ijzer-corrogerende en elektro-methanogene archea Methanococcus maripaludis, worden elektronen direct geabsorbeerd via oppervlakte-geassocieerde redoxenzymen zoals hydrogenasen en vermoedelijk formaat dehydrogenasen. Deze enzymen, die vrijkomen van de cellen en zich aan geschikte redox-actieve oppervlakken hechten, katalyseren de vorming van waterstof of formiaat, waarbij de cellen snel deze verbindingen consumeren om de ophoping van producten te voorkomen. Hydrogenasen en formaat dehydrogenasen kunnen ook elektronen opnemen van kathodische oppervlakken en de productie van kleine oplosbare verbindingen katalyseren die vervolgens dienen als substraat voor andere micro-organismen die waterstof gebruiken.

Een andere vorm van indirecte overdracht is via kunstmatige redoxmediatoren (ARMs), zoals methylviologen en neutral red, die eerst worden geoxideerd en vervolgens hun elektronen overdragen aan flavine mononucleotide (FMN). Dit stelt de FMNH2 in staat om cytochromen te activeren, wat de overdracht van elektronen naar metalen oxiden mogelijk maakt. In sommige gevallen kunnen deze mediator-moleculen ook direct hun overtollige elektronen aan metalen oxiden overdragen.

In acetogenen en methanogenen speelt waterstof de belangrijkste rol als elektrondonor, geproduceerd tijdens het primaire metabolisme van de organismen. Deze micro-organismen kunnen elektrochemisch waterstof en formiaat consumeren of produceren om hun redoxstatus in evenwicht te houden, zonder de noodzaak van kunstmatige mediatoren. Sommige organismen zoals Candida melibiosica kunnen ook elektronen overdragen via primaire metabolieten zonder de betrokkenheid van externe mediatoren, wat deze mechanismen bijzonder interessant maakt voor toepassingen in biotechnologische processen.

De toepassing van electro-fermentatie voor de productie van bio-brandstoffen zoals biomethaan, biowaterstof, bio-ethanol en biobutanol heeft grote potentie. Dit wordt mogelijk door de directe of indirecte interactie van micro-organismen met elektroden, waarbij verschillende factoren zoals het gebruikte organisme, de opstelling van de kamer, het type fermentatie, de toegepaste spanning en de elektroden invloed hebben op de opbrengst. De productie van biomethaan bijvoorbeeld kan snel worden getransporteerd via pijpleidingen, gecombineerd met aardgas of in vloeibare vorm voor lange-afstandsvervoer. Biomethaan heeft de potentie om een essentiële energiebron te worden voor decarbonisatie, aangezien het de voordelen van aardgas biedt, zoals opslag en flexibiliteit, zonder de bijbehorende koolstofuitstoot.

Bij de productie van biomethaan worden anaerobe kamers gebruikt die een substraat bevatten dat de groei van micro-organismen ondersteunt. Electro-fermentatie gebeurt door twee elektroden te verbinden, wat leidt tot de productie van biomethaan in gasvorm. Dit gas kan na de fermentatie worden verzameld, maar moet vaak worden gezuiverd om onzuiverheden zoals waterstof en kooldioxide te verwijderen voordat het verder kan worden verwerkt.

Het is belangrijk voor de lezer te begrijpen dat de keuze van de gebruikte technologie en de omstandigheden waaronder electro-fermentatie plaatsvindt, aanzienlijke invloed kan hebben op de efficiëntie van de biofuelproductie. Er is een toenemende belangstelling voor het integreren van deze technologieën binnen het kader van de circulaire economie, waarbij organische afvalstromen worden omgezet in waardevolle producten. Het benutten van dergelijke processen kan niet alleen bijdragen aan de verduurzaming van de energievoorziening, maar ook aan het verminderen van afval en het bevorderen van een duurzamer gebruik van hulpbronnen.

Hoe dragen elektro-fermentatie en biomassageneraties bij aan duurzame bio-ethanolproductie?

De tweede generatie biomassa probeert dit probleem te omzeilen door gebruik te maken van niet-eetbare residuen zoals rijstkaf, tarwestro, maïsstengels, olijvenafval, bagasse, kokosvezels en pulpafval uit de papierindustrie. Daarnaast worden chitine en chitosan, gewonnen uit schaaldieren, als alternatieve grondstoffen onderzocht. De omzetting van deze lignocellulosehoudende biomassa vereist complexe processen: fysieke en chemische voorbehandeling, detoxificatie, hydrolyse, fermentatie en uiteindelijk zuivering via distillatie en moleculaire filtratie. Ondanks de technologische vooruitgang is de ethanolopbrengst uit deze generatie lager dan uit de eerste generatie.

De derde generatie bestaat uit micro- en macroalgen. Deze foto-autotrofe organismen nemen efficiënt CO₂ op tijdens de groei en slaan koolhydraten op zoals cellulose, zetmeel, pentosen en hexosen. Algen hebben het voordeel dat ze geen lignine bevatten, snel groeien en geen druk uitoefenen op de voedselvoorziening. Bovendien kunnen ze in diverse afvalwaterstromen overleven en bijdragen aan waterzuivering en nutriëntenkringloop. Sommige microalgen bevatten essentiële lipiden die ook inzetbaar zijn voor de productie van biodiesel.

Een innovatieve ontwikkeling binnen dit veld is elektro-fermentatie. Hierbij worden elektrochemische processen gekoppeld aan microbiële fermentatie om het redox-evenwicht te beïnvloeden. In een elektro-fermentatiesysteem kunnen in de anodische kamer opgewekte elektronen worden gebruikt om de vorming van vluchtige vetzuren (VFA’s) te remmen en de productie van alcoholen te stimuleren. Door middel van reductieve elektro-fermentatie wordt de beschikbaarheid van NADPH verhoogd, een cruciale cofactor bij de synthese van waardevolle stoffen zoals mevalonaat — een belangrijke precursor voor diverse biochemische verbindingen. Door genetische manipulatie, zoals het verwijderen van het adhE-gen bij E. coli C43 (DE3), wordt de productie van acetyl-CoA verhoogd, wat leidt tot verbeterde mevalonaatsynthese.

In pogingen om de productie van succinaat te verhogen, werd E. coli Suc260 onderworpen aan elektro-fermentatie met neutraal rood als elektronenshuttle. Dit leidde tot een productieverbetering van 9,59% in vergelijking met klassieke anaerobe fermentatie, bij een gelijkwaardige groei en glucoseverbruik. De feitelijke opbrengst van 0,8 g/g bleef echter onder de theoretische maximumopbrengst van 1,12 g/g, mogelijk vanwege inefficiëntie van neutraal rood als shuttle.

Het is essentieel om het bredere systeemdenken rondom deze technologieën te begrijpen. Elke generatie biomassa komt met specifieke ecologische, economische en technologische overwegingen. De overstap naar niet-eetbare en genetisch geoptimaliseerde bronnen moet gepaard gaan met een heroverweging van de integratie binnen bestaande industriële ecosystemen, afvalbeheer en energieterugwinning. Tegelijkertijd is elektro-fermentatie geen op zichzelf staande oplossing, maar een versterkend instrument binnen het bredere geheel van bio-raffinage. De keuze van de juiste biomassa, aangepaste micro-organismen en elektrochemische parameters zal bepalend zijn voor de effectiviteit van toekomstige toepassingen.