In microbiële elektrochemische systemen (MEC’s) wordt externe spanning toegepast om de elektronentransfer van de anode naar de kathode te vergemakkelijken, wat waterstofproductie aan de kathode mogelijk maakt. Dit proces onderscheidt zich van Microbial Fuel Cells (MFC's), doordat de kathodische kamer in MEC’s onder anaerobe omstandigheden wordt gehouden, wat essentieel is voor de efficiënte productie van waterstof. Echter, de aanwezigheid van CO2 en methanogene microben in dit milieu kan leiden tot de vorming van methaan, wat de waterstofopbrengst verlaagt. Er zijn verschillende benaderingen voorgesteld om de methaanproductie te beperken, waaronder periodieke beluchting van de kathodekamer, pH-aanpassingen, verkorte retentietijden, hittebehandeling van het microbiële inoculum en het gebruik van chemische remmers om de activiteit van methanogenen te onderdrukken.

De waterstofgeneratie in MEC’s wordt beïnvloed door het systeemontwerp en het type gebruikte substraten. In vergelijking met MFC's produceren MEC's doorgaans hogere stroomdichtheden vanwege de toegepaste externe spanning, die de kathodische beperkingen verlicht. Interessant is dat MEC's gevoed kunnen worden door MFC's, waarbij meerdere MFC's worden aangesloten om de nodige spanning voor waterstofontwikkeling te leveren. Een aanzienlijk voordeel van MEC's is de verminderde afhankelijkheid van dure metalen katalysatoren zoals platina. In plaats daarvan kunnen microbiële gemeenschappen zich op koolstof-gebaseerde kathodes ophopen, wat leidt tot biokathodes die de opstarttijd van het systeem verkorten en stroomdichtheden genereren die vergelijkbaar zijn met de anodes.

Naast de productie van waterstof bieden MEC’s ook het potentieel om waardevolle chemicaliën te genereren via bio-elektrochemische processen. Kathodische reacties kunnen onder andere de reductie van protonen tot waterstof, de reductie van zuurstof tot waterstofperoxide, en de conversie van CO2 naar methaan of acetaat omvatten. Deze ontwikkelingen onderstrepen de rol van bio-elektrochemische systemen in de duurzame productie van biobrandstoffen en de synthese van waardevolle chemicaliën, zoals organische zuren en alcoholen, uit kosteneffectieve grondstoffen of kooldioxide.

Microbiële electrosynthese (MES), ook wel bio-elektrosynthese genoemd, is een innovatieve toepassing van bio-elektrochemische systemen. MES maakt gebruik van de reducerende kracht die wordt gegenereerd door anodische oxidatie om de vorming van waardevolle producten aan de kathode te bevorderen. In dit proces spelen kathodische biokatalysatoren, meestal in de vorm van gehechte biofilms, een cruciale rol in de reductie van terminale elektronenacceptoren voor de synthese van deze producten. De efficiëntie en selectiviteit van het bio-elektrosyntheseproces worden beïnvloed door verschillende factoren, zoals het type biokatalysator die de redoxreactie faciliteert, de keuze van de terminale elektronenacceptor en de beschikbaarheid van elektrochemisch actieve redoxmediatoren of reducerende equivalenten.

De biokathodes spelen een essentiële rol in microbiële electrosynthese, omdat ze bestaan uit microbiële gemeenschappen die kathodische reductiereacties aandrijven, wat leidt tot de vorming van verschillende gereduceerde producten. Enkele van de bekendste producten die via microbiële electrosynthese worden gevormd, zijn acetaat, ethanol en boterzuur. Deze gereduceerde verbindingen worden gesynthetiseerd door gebruik te maken van de elektronentransfercapaciteiten van biokathodes, die zijn geoptimaliseerd voor specifieke reacties, afhankelijk van het type micro-organisme dat wordt gebruikt en de geboden omstandigheden.

MES richt zich primair op de conversie van CO2 naar meer-koolstof organische verbindingen via elektriciteit-gedreven microbiële katalyse aan de kathode. Dit aspect van MES heeft aanzienlijke aandacht gekregen, omdat het een veelbelovend alternatief biedt voor het vastleggen van elektrische energie in de vorm van chemische bindingen in organische producten, waarmee elektrische energie effectief wordt omgezet in chemische energie. De mogelijkheid van MES om CO2 te reduceren tot bruikbare organische verbindingen, zoals acetaat en andere meer-koolstofmoleculen, heeft aangetoond dat het potentieel heeft als technologie voor koolstofvangst en -benutting. Bovendien kan MES worden gebruikt voor de reductie of oxidatie van andere organische grondstoffen, waardoor de reikwijdte verder wordt uitgebreid dan alleen CO2-reductie.

De concepten achter MES werden gedemonstreerd in vroege studies, die aantoonden dat microbiële katalyse effectief CO2 kan reduceren tot organische verbindingen wanneer elektrische stroom aan de kathode wordt geleverd. Dit bewijs van concept heeft de deur geopend voor verder onderzoek naar MES als een nieuwe strategie voor de duurzame productie van chemische verbindingen met behulp van hernieuwbare elektriciteit. Naast de milieuvoordelen wordt MES ook onderzocht voor zijn economische potentieel, omdat het een pad biedt voor de productie van waardevolle chemicaliën op een manier die hernieuwbare energiebronnen integreert met microbiële katalyse.

Naast MEC's en MES is er ook belangstelling voor enzymatische brandstofcellen (EFC's), die specifieke enzymen gebruiken om de oxidatie van brandstoffen te katalyseren, wat chemische reacties mogelijk maakt voor diverse toepassingen. Deze enzymen kunnen zowel op het elektrodeoppervlak worden geïmmobiliseerd als in de elektrolyt worden verspreid. Vroege onderzoeken hebben de haalbaarheid aangetoond van het gebruik van microben en enzymen in bio-brandstofcellen, waarbij met name glucose-oxidase werd benadrukt als een belangrijke biokatalysator. Glucose-oxidase is vanwege zijn uitzonderlijke thermische stabiliteit en hoge specificiteit voor glucose-elektro-oxidatie breed geïntegreerd in biomedische apparaten, zoals pacemakers en micro-actuatoren.

EFC’s werken door selectieve enzymactiviteit aan zowel de anode als de kathode te benutten, waardoor de noodzaak voor een membraan tussen de compartimenten wordt geëlimineerd. Een belangrijke beperking van enzymatische katalysatoren is echter de gedeeltelijke oxidatie van brandstof, wat kan leiden tot ongewenste warmteproductie door nevenreacties, wat de stabiliteit van de enzymen negatief beïnvloedt. Om de duurzaamheid van enzymen te verbeteren, hebben onderzoekers methoden onderzocht zoals het encapsuleren van enzymen in micellepolymers, die pH-buffering en een hydrofobe omgeving bieden om degradatie te verminderen.

EFC’s hebben hoge energiedichtheden, maar hun relatief lage vermogen maakt ze vooral geschikt voor toepassingen met een laag vermogen, zoals draadloze sensorsystemen en draagbare energiebronnen. Om de efficiëntie van EFC's te verbeteren, worden multi-enzymsystemen vaak verkozen boven enkel-enzymconfiguraties, omdat ze een grotere conversie van substraten mogelijk maken en de algehele systeemprestaties verbeteren.

Hoe synthetische elektronentransferketens de efficiëntie van bio-elektrochemische reactors verbeteren

De efficiëntie en controle over elektronenoverdrachtprocessen kunnen aanzienlijk worden verbeterd door de ontwikkeling en implementatie van synthetische redox-actieve eiwitten en routes, zoals recentelijk aangetoond door onderzoekers. Deze innovaties hebben het potentieel om de prestaties van bio-elektrochemische reactors (BER) te verbeteren door de beweging van elektronen tussen micro-organismen en elektroden te optimaliseren. Dit kan leiden tot een hogere efficiëntie van energieconversie en de productie van waardevolle stoffen.

Synthetische biologie speelt een cruciale rol bij de ontwikkeling van microbiele celfabrieken met verbeterde biosynthetische capaciteiten. Door kunstmatige paden in het genetische materiaal van micro-organismen in te voegen, kunnen wetenschappers nieuwe soorten biobrandstoffen, farmaceutica en waardevolle chemische stoffen creëren op basis van hernieuwbare grondstoffen. Deze genetisch gemodificeerde micro-organismen kunnen specifiek worden aangepast om verschillende stoffen, inclusief afvalmaterialen, efficiënt te gebruiken, wat bijdraagt aan de duurzaamheid en circulaire processen in de bio-elektrochemische systemen. Zo kunnen bijvoorbeeld genetisch gemodificeerde micro-organismen landbouwafval of industrieel afval omzetten in biobrandstoffen, waarmee zowel afval wordt verminderd als duurzame energie wordt opgewekt.

Naast de productie van energie biedt synthetische biologie ook mogelijkheden voor het ontwikkelen van biosensoren en actuatoren die bio-elektrochemische systemen kunnen monitoren en regelen. Geïngineerde micro-organismen kunnen worden geprogrammeerd om te reageren op specifieke milieuprikkels of chemische signalen, wat directe controle mogelijk maakt over bio-elektrochemische processen. Deze biosensoren kunnen veranderingen in de concentraties van stoffen die worden verwerkt, de oxidatie-reductieomstandigheden of de aanwezigheid van bepaalde verontreinigingen detecteren. Deze informatie is essentieel voor het verbeteren van de reactorprestaties en het handhaven van de algehele stabiliteit van het proces.

De vooruitgangen in bio-elektrochemische reactors worden grotendeels aangedreven door innovaties in microbieel engineering, die zijn bereikt door genetische modificaties en de toepassing van synthetische biologie. Genetische modificaties verbeteren de eigenschappen van micro-organismen, zoals hun vermogen om elektronen over te dragen en hun metabolische prestaties. Synthetische biologie daarentegen ontwikkelt nieuwe paden en systemen om de bio-elektrochemische processen efficiënter en adaptiever te maken. Deze vooruitgangen vergroten de effectiviteit en capaciteit van bio-elektrochemische systemen en breiden hun toepassingen uit, wat op zijn beurt bijdraagt aan de ontwikkeling van duurzame biotechnologische oplossingen voor energieproductie, afvalbeheer en de productie van waardevolle chemicaliën.

De integratie van geavanceerde technieken in microbieel engineering zal van cruciaal belang zijn om het volledige potentieel van bio-elektrochemische technologieën te benutten, naarmate dit vakgebied zich verder ontwikkelt. Deze technologische innovaties, samen met de evolutie van synthetische biologie, zullen de sleutel vormen voor de overgang naar een koolstofneutrale economie.

In de komende jaren zullen er aanzienlijke vooruitgangen worden geboekt in de efficiëntie van elektrochemische processen, die ook belangrijke technologische uitdagingen met zich meebrengen. Van het verbeteren van de katalysatorefficiëntie en de productselectiviteit tot het ontwikkelen van stabiele elektroden en elektrolytmaterialen, de vooruitgang zal het gebruik van duurzame energiebronnen mogelijk maken en de productontwikkeling bevorderen. De juiste technologieën en processen zullen het mogelijk maken om bio-elektrochemische reactors in industriële toepassingen op grote schaal te integreren, wat kan bijdragen aan het realiseren van een circulaire koolstofeconomie.

Wat zijn de meest veelbelovende technieken voor het benutten van voedselafval voor energieproductie?

De wereld staat voor de uitdaging om duurzame energiebronnen te ontwikkelen en tegelijkertijd de enorme hoeveelheden voedselafval die jaarlijks worden gegenereerd, effectief te beheren. Het gebruik van micro-organismen en geavanceerde fermentatietechnieken biedt veelbelovende mogelijkheden voor het omzetten van voedselafval in waardevolle producten zoals biobrandstoffen, bio-energie en andere waardevolle bijproducten.

Microbiële brandstofcellen (MFC’s) vormen een van de innovaties die deze uitdaging aanpakt. In recente studies wordt aangetoond hoe MFC’s gebruikt kunnen worden om voedselafval om te zetten in energie, door organische materialen in het afval te fermenteren en daarbij elektriciteit te genereren. Dit proces is niet alleen efficiënt, maar biedt ook een duurzame oplossing voor de verwerking van afvalwater uit de voedingsindustrie, waar vet, olie en vetachtige stoffen (FOG) vaak voor verontreiniging zorgen.

De conversie van voedselafval, zoals bakkerijproducten en resten van de zuivelindustrie, via elektrofermentatie, heeft aanzienlijke aandacht gekregen als potentieel middel om energie te produceren. Elektrofermentatie maakt gebruik van elektrische stroom om de activiteit van micro-organismen te stimuleren, wat leidt tot een verhoogde productie van biobrandstoffen zoals ethanol en waterstof. Verschillende onderzoeken, zoals die van Chandrasekhar et al. (2021), tonen aan dat elektro-fermentatie uit voedselafval mogelijk kan worden geoptimaliseerd door zowel voorafgaande fermentatie als elektrolyse in een gecombineerd proces te gebruiken, wat de efficiëntie van de energieproductie aanzienlijk verhoogt.

Met name de verwerking van vetten, oliën en vetten (FOG) uit afvalwater van restaurants en de voedingsindustrie speelt een cruciale rol. Onderzoek heeft aangetoond dat vetten, olie en vetachtige stoffen kunnen worden geëxtraheerd en verwerkt tot biobrandstoffen, wat zowel de verontreiniging van afvalwater vermindert als de energieproductie bevordert. Methoden zoals co-vergisting en biologische behandelingssystemen bieden daarbij effectieve benaderingen voor het beheer van FOG.

Tegelijkertijd is het belangrijk om te begrijpen dat de productie van bio-energie uit voedselafval niet zonder uitdagingen komt. Een van de grootste obstakels is het effectief beheren van de variabiliteit in de samenstelling van voedselafval. Verschillende soorten afval, zoals gestolde vetten uit de vleesverwerkende industrie of restproducten van zuivel, kunnen specifieke behandelingsmethoden vereisen. Ook de vraag naar geschikte micro-organismen die efficiënt kunnen worden ingezet bij de fermentatie van deze diverse afvalstromen, blijft een onderwerp van actief onderzoek.

Desondanks bieden de vooruitgangen in dit vakgebied enorme kansen voor het creëren van een circulaire economie, waarin voedselafval niet alleen wordt verwerkt, maar ook wordt omgezet in waardevolle energie en producten. Dit sluit aan bij bredere initiatieven voor het verduurzamen van de voedingsindustrie en het verminderen van de ecologische voetafdruk van voedselproductie.

Belangrijk is dat naast de technieken voor fermentatie en bioconversie, ook de breedte van de impact op het milieu en de economie moet worden meegenomen. Er is een groeiend besef dat de volledige keten van voedselverwerking en afvalbeheer, inclusief het verminderen van voedselverspilling, essentieel is voor het succes van deze technologieën. De mogelijkheden om lokaal geproduceerde biobrandstoffen te integreren in het bestaande energienetwerk kunnen niet alleen bijdragen aan duurzamere energieproductie, maar ook economische voordelen opleveren, vooral in regio’s waar voedselafval in overvloed beschikbaar is.

Hoe elektrofementatie het metabolisme van microben en de productie van waardevolle stoffen beïnvloedt

In de afgelopen jaren heeft de technologie van elektrofementatie (EF) een belangrijke rol gespeeld in het verbeteren van de productie van waardevolle stoffen, zoals ethanol en lipasen, door het reguleren van het metabolisme van microben. Deze technologie maakt gebruik van externe elektrische potentiëlen om micro-organismen te stimuleren en hun metabolische paden aan te passen. Door de relatie tussen intracellulaire redoxparameters en de opregulatie van genen die verband houden met specifieke metabolieten te onderzoeken, kunnen microben via EF systemen belangrijke producten produceren die mogelijk nuttig zijn voor industriële toepassingen.

Microbial Fuel Cells (MFCs), een type biochemische energie-systeem (BES), bieden veelbelovende mogelijkheden voor toepassingen zoals bioremediatie en hernieuwbare energieproductie. MFC's gebruiken organisch afval om bio-elektriciteit te genereren, wat kan helpen om zowel vervuilende stoffen uit afvalwater te verwijderen als bio-elektriciteit te produceren. De opzet van een MFC bestaat typisch uit een anode, een kathode en een protonenuitwisselingsmembraan dat de twee kamers van de cel scheidt. Het verhogen van de efficiëntie van energieproductie in deze cellen is een belangrijk doel, omdat dit de integratie van MFC’s in bestaande rioolwaterzuiveringsinstallaties mogelijk maakt en bijdraagt aan een schoner en groener milieu, vooral in ontwikkelingslanden.

EF technologie, die industriële fermentatie met elektrochemie combineert, maximaliseert de efficiëntie van fermentatieprocessen door de koolstofefficiëntie, de groei van microben en de terugwinning van producten te verbeteren. Deze aanpak kan leiden tot verminderde substraatbenutting, hogere koolstofefficiëntie en verbeterde productherstel, vooral wanneer hernieuwbare elektriciteit wordt gebruikt. Door elektrochemische acetaat als substraat voor fermentatie in te zetten, kunnen kosten worden verlaagd, de stabiliteit van de marktprijzen worden verbeterd, en de productie van chemicaliën en voedsel worden verduurzamen. Dit laat zien hoe elektrochemie en precisie-fermentatie samen kunnen bijdragen aan milieuvriendelijke productieprocessen.

De stimulatie van het microbieel metabolisme in EF-systemen vereist elektrochemische prikkels die de fermentatieomstandigheden aanpassen en de overdracht van elektronen vergemakkelijken. Elektrische energie kan worden gebruikt om microbiele cellen te activeren om meer waardevolle chemicaliën of brandstoffen te produceren. Door elektronenoverdrachtsmediaties zoals fenazine-1-carboxylzuur in te zetten, kan het metabolisme van microben worden veranderd om meer gereduceerde metabolieten te creëren, wat de efficiëntie van de extracellulaire elektronentransfer bevordert. De combinatie van microbiele katalyse en bio-elektrochemie in een tweedimensionale biofilm-elektrodenreactor bevordert de groei van elektroactieve bacteriën die verantwoordelijk zijn voor het ontkleuren van water, wat resulteert in hoge ontkleuringspercentages bij de behandeling van verfdumpt water.

Het combineren van elektrochemie en fermentatie heeft aangetoond de productopbrengsten aanzienlijk te verhogen. Onderzoek naar Clostridium autoethanogenum toonde aan dat het toepassen van een extern potentieel de opbrengst van biomassa, acetaat en lactaat verhoogde. Evenzo toonden studies met Clostridium pasteurianum aan dat het aanpassen van het oxidatie-reductiepotentieel via elektrochemische controle de molare opbrengst van 1,3-propaandiol aanzienlijk verhoogde. Het gebruik van redoxmediaties zoals Neutral Red en Brilliant Blue in bio-elektrochemische systemen heeft de productiesynthese verder geoptimaliseerd, waardoor de opbrengsten van 1,3-propaandiol en n-butanol toenamen.

EF-technologie maakt het mogelijk de elektrochemische parameters te optimaliseren die van invloed zijn op het fermentatieproces. Deze technologie kan de efficiëntie van bioprocessen verbeteren door direct elektronen uit te wisselen met de elektrodenoppervlakken of indirect door gerichte metabolische paden te activeren via de toepassing van elektrische energie. Dit kan de productopbrengsten maximaliseren, de koolstofefficiëntie verbeteren, en de ontwikkeling van microben optimaliseren, terwijl substraatbenutting en productremming tot een minimum worden beperkt.

Een van de grootste uitdagingen in traditionele fermentatiemethoden is het balanceren van de redoxequivalenten van substraten en producten, wat de variëteit aan stoffen die efficiënt gegenereerd kunnen worden, beperkt. De afwezigheid van een theoretisch kader voor het begrijpen en beheersen van het EF-proces vormt bovendien een obstakel voor optimalisatie, aangezien dynamische elektrodepotentiaalregulatie noodzakelijk is om de gewenste productopbrengsten te maximaliseren. Dit vraagt om innovatieve reactorontwerpen die de penetratie van zuurstof naar de kathode minimaliseren en de efficiëntie van elektrochemische syntheseprocessen verbeteren.

In de industriële praktijk wordt de reactorconfiguratie beïnvloed door verschillende factoren, zoals de bedrijfskosten, de fabricagekosten, het type elektrodenmateriaal, het gebruik van redoxmediaties, de keuze van scheiders en de vereisten voor de fermenter. De meest gebruikte reactorconfiguratie voor bench-scale elektrochemische systemen is de "H-type" opstelling, die bestaat uit twee secties gescheiden door een geladen uitwisselingsmembraan. Deze configuratie vergemakkelijkt de onafhankelijke werking van de anode en kathode. En hoewel de zogenaamde enkelkamerreactoren eenvoudiger te gebruiken en te vervaardigen zijn, zijn ze ook veelbelovend voor specifieke toepassingen. De keuze van elektroden, het type microbiële inoculum en het substraat zijn allemaal bepalend voor de efficiëntie van het elektrochemische fermentatieproces.

Hoe beïnvloeden verschillende golven en kamernummers de efficiëntie van golfenergie-apparaten?
Wat zijn de klinische kenmerken en prognose van Wiskott-Aldrich syndroom en gerelateerde aandoeningen?
Hoe verschilt hXAS van sXAS en wat is de impact op batterijonderzoek?
Hoe hybride beeldvormingstechnologieën de geneeskunde transformeren: De rol van optoacoustic imaging