Micro-organismen spelen een cruciale rol in de werking van microbiele elektrochemische systemen (MES's), die een breed scala aan toepassingen hebben, van duurzame energieproductie tot waterzuivering. Het overdragen van elektronen van microben naar elektrodeoppervlakken is een essentieel proces voor deze systemen. Dit kan op twee manieren gebeuren: via directe elektronentransfer (DET) of gemedieerde elektronentransfer (MET). Beide mechanismen zijn van fundamenteel belang voor het functioneren van MES's, maar de werking en effectiviteit ervan zijn afhankelijk van het type micro-organismen en de specifieke omgevingsomstandigheden.

Directe elektronentransfer (DET) vindt plaats wanneer microben, vaak aangeduid als exoelectrogenen of elektroactieve micro-organismen, rechtstreeks contact maken met het elektrodeoppervlak en elektronen overdragen zonder tussenkomst van externe mediator moleculen. Dit proces is bijzonder efficiënt, omdat het de noodzaak van extra electron shuttles elimineert. De meeste microben die DET mogelijk maken, produceren speciale elektroactieve componenten zoals bacteriële nanodraden, cytochromen in de celwand, of andere conductieve lagen die de stroom van elektronen naar de elektrode vergemakkelijken. Zo produceert Shewanella oneidensis MR-1 nanodraden die fungeren als geleiders voor extracellulaire elektronentransfer, wat essentieel is voor de efficiëntie van bio-elektrische signalen in microbiele brandstofcellen (MFC's). Bovendien kunnen sommige microben, zoals Shewanella putrefaciens, elektroactieve metabolieten uitscheiden die de elektronentransfer naar de elektrode vergemakkelijken, zelfs zonder direct contact met de elektrode. In sommige gevallen is dit proces ook te vinden bij eukaryotische micro-organismen, zoals Candida albicans, waar de mitochondriale ademhalingsketen een sleutelrol speelt in het elektronentransfermechanisme.

Aan de andere kant vereist gemedieerde elektronentransfer (MET) de tussenkomst van redox-mediatoren om elektronen van de microbe naar de elektrode te transporteren. Deze mediatoren kunnen zowel van nature voorkomen, zoals redox-mediatoren die door de microbe zelf worden afgescheiden, als extern worden toegevoegd, zoals kunstmatige elektron shuttles. MET wordt vaak gebruikt in systemen waarin de micro-organismen geen natuurlijke capaciteit hebben om direct met de elektrode te communiceren. Het voordeel van MET is de mogelijkheid om de efficiëntie van elektronentransfer te verbeteren door gebruik te maken van goed gedefinieerde redoxreacties, die de toepassing in veel verschillende bio-elektrochemische systemen mogelijk maken. Een bekend voorbeeld is het gebruik van 2,6-dichloorfenolindofenol (DCIP) als mediator om de celviabiliteit in verschillende microben te monitoren, zoals Saccharomyces cerevisiae en Candida albicans.

Er zijn verschillende toepassingen van MES's die zich onderscheiden op basis van hun specifieke doelstellingen. Microbiele brandstofcellen (MFC's) bijvoorbeeld, richten zich op de productie van elektriciteit door het afbreken van organisch materiaal aan de anode. Microbiele elektrolyscellen (MEC's) gebruiken daarentegen een externe spanning om de productie van waterstof of andere waardevolle chemicaliën via microbiele katalyse te stimuleren. Microbiele ontziltingssystemen (MDC's) kunnen niet alleen zout water ontzilten, maar ook elektriciteit genereren door het metabolisme van microben te combineren met ionenuitwisseling.

Wat betreft de effectiviteit van de bio-elektrochemische processen, hangt veel af van het vermogen van micro-organismen om elektronen efficiënt naar de elektrode over te dragen. De keuze van microben en de specifieke omstandigheden in het systeem (zoals de pH, temperatuur en het type beschikbare substraten) kunnen de prestaties van een MES aanzienlijk beïnvloeden. Terwijl DET doorgaans efficiënter is, biedt MET de mogelijkheid om MES's breder toe te passen op systemen met minder elektroactieve microben.

Naast het begrijpen van de werking van DET en MET, is het belangrijk om te erkennen dat deze mechanismen een dynamische interactie hebben met hun omgeving. De ontwikkeling van nieuwe technologieën, zoals dual-mediator systemen, kan de efficiëntie van electronentransfer aanzienlijk verbeteren. Dit kan ook betekenen dat bestaande systemen verder geoptimaliseerd kunnen worden voor gebruik in verschillende industriële toepassingen, van duurzame energieproductie tot milieuvriendelijke waterzuivering en chemische productie.

Het is ook van belang te begrijpen dat de complexiteit van deze systemen verder gaat dan alleen de overdracht van elektronen. Er spelen meerdere biochemische en fysische factoren een rol in de prestaties van MES's, die verder moeten worden onderzocht voor het verbeteren van hun effectiviteit. Innovaties op dit gebied zullen waarschijnlijk leiden tot nieuwe toepassingen van MES's in sectoren zoals de hernieuwbare energieproductie en de duurzame chemische synthese, waarbij de microben een actieve rol blijven spelen in het behalen van deze milieuvriendelijke doelen.

Wat zijn de belangrijkste kenmerken van microbiele brandstofcellen en elektrolyse cellen voor duurzame energieproductie?

Microbiële brandstofcellen (MFC’s) genereren elektrische energie door gebruik te maken van de metabolische processen van micro-organismen die organische verbindingen oxideren. Dit proces vindt plaats op de anode, die dient als oppervlakte voor de hechting van microben, die vervolgens elektronen afgeven bij de oxidatie van organische stoffen. Deze elektronen stromen door een extern circuit naar de kathode, wat resulteert in de productie van elektriciteit. Het concept werd voor het eerst gedemonstreerd door Potter in 1911, maar sindsdien is het onderzoek naar microbiële elektrochemische systemen (BES’s) aanzienlijk uitgebreid.

De efficiëntie van MFC’s hangt sterk af van de aanwezigheid van exoelectrogene bacteriën. Dit zijn micro-organismen die in staat zijn om elektronen van gereduceerde organische stoffen naar de anode over te dragen. De biologische film die zich op de anode vormt, is de sleutel tot het succes van deze systemen. Deze micro-organismen, zoals Shewanella en Geobacter, worden vaak bestudeerd vanwege hun vermogen om efficiënt elektronen te transporteren. Hoewel pure culturen van deze bacteriën veelbelovend zijn, blijkt uit onderzoek dat gemengde microbiële culturen op de anode betere en stabielere resultaten leveren. Een specifiek soort bacterie, de Geobacteraceae, speelt een cruciale rol in het verhogen van de stroomdichtheid van MFC’s.

De interacties tussen verschillende bacteriesoorten binnen een biofilm zijn essentieel voor het afbreken van complexe organische stoffen. Verschillende bacteriën dragen bij aan de afbraak van organisch materiaal op verschillende stadia, waardoor een breed scala aan stoffen kan worden verwerkt. Dit proces maakt het mogelijk om zelfs zeer resistente verontreinigende stoffen, zoals die in afvalwater, af te breken en tegelijkertijd elektrische energie te genereren. Het gebruik van bacteriële gemeenschappen in plaats van enkelvoudige bacterieculturen optimaliseert de prestaties van MFC’s doordat de diversiteit de afbraak van een breed scala aan organische vervuiling mogelijk maakt.

Naast de microbiële gemeenschappen spelen ook verschillende technische factoren een rol in de prestaties van MFC’s. De natuur van het substraat, de potentiaal van de anode en de chemie van het elektrolyt zijn cruciaal voor het bevorderen van de elektronentransfer en het maximaliseren van de elektriciteitsproductie. De geleidbaarheid van het elektrolyt moet zorgvuldig worden gecontroleerd. Te hoge geleidbaarheid kan de groei van de bacteriën belemmeren, terwijl te lage geleidbaarheid de efficiëntie van het systeem vermindert.

Halofiele bacteriën hebben in BES’s veelbelovende resultaten opgeleverd, vooral in omgevingen met een hoge zoutconcentratie. In een experiment met bacteriële gemeenschappen uit zoutmoerasomgevingen werd een stroomdichtheid bereikt van 85 A m−2, wat wijst op het potentieel van deze bacteriën voor energieproductie in mariene en hypersaliene omgevingen. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van BES’s in gebieden met een hoge zoutconcentratie, zoals kustgebieden en andere zoutwateromgevingen.

De efficiëntie van MFC’s wordt ook beïnvloed door de eigenschappen van de elektroden. Ruwe grafietelektroden bevorderen een betere hechting van microben en elektronenoverdracht, wat de stroomproductie aanzienlijk verbetert in vergelijking met gladde elektroden. Bovendien heeft het gebruik van materialen met een groot oppervlak, zoals grafietborstels, koolstofvilt en koolstofnanobuizen, de stroomdichtheid verhoogd. Deze materialen vergemakkelijken de kolonisatie van bacteriën en versterken de interactie tussen de elektroactieve microben en de elektroden, wat leidt tot een efficiëntere elektronenoverdracht en betere prestaties van het systeem.

Naast koolstofmaterialen zijn ook metalen elektroden onderzocht voor microbiële elektronentransfer. Titanium-substraten gecoat met iridium of tantalumoxide worden bijvoorbeeld getest vanwege hun duurzaamheid en geleidbaarheid. Hoewel platina de hoogste stroomdichtheden vertoont, blijken poreuze koolstofanoden doorgaans beter presterende metalen elektroden te overtreffen. De verschuiving van platte naar driedimensionale elektroden heeft ook geleid tot aanzienlijke verbeteringen in de prestaties van de elektroden.

De kathode is van even groot belang voor de prestaties van MFC’s. Het ontwerp en de materialen van zowel de anode als de kathode spelen een cruciale rol in het bepalen van de interne weerstand van het systeem, wat direct invloed heeft op de efficiëntie van de energieproductie. Door de materialen en de structuren van de elektroden te optimaliseren, kunnen aanzienlijke verbeteringen in de efficiëntie van MFC’s worden bereikt.

In een breder perspectief kan de toepassing van BES-technologieën bijdragen aan duurzame energieoplossingen. Het gebruik van microbiële brandstofcellen en elektrolyse cellen biedt een veelbelovende manier om hernieuwbare energie te genereren, waarbij de focus ligt op het afbreken van organische vervuiling en het benutten van natuurlijke bacteriële processen voor energieproductie. Bij de ontwikkeling van deze technologieën is het essentieel om de balans te vinden tussen microbiële gemeenschappen, de materiaalkeuze voor elektroden en de omgevingsfactoren die de prestaties beïnvloeden.

Wat zijn de uitdagingen en toekomstige mogelijkheden van elektrofermentatie?

De economische haalbaarheid van elektrofermentatie op industriële schaal blijft een raadsel. Terwijl deze technologie veelbelovend lijkt voor de productie van biochemische stoffen, is de infrastructuur voor elektrochemie, zoals hoogpresterende elektroden en energievoorzieningen, extreem duur. Dit vormt een belangrijke belemmering voor grootschalige toepassing. Verder is de schaalvergroting van elektrofermentatietechnologieën een onderwerp van discussie. Verdere studies zijn noodzakelijk om te bepalen of de grootschalige inzet van elektrofermentatie mogelijk is (Bhagchandanii et al., 2020; Chandrasekhar et al., 2021; Kumar et al., 2018; Salar-García et al., 2024). Ook is er de uitdaging van de microbiële geschiktheid: niet alle bacteriestammen zijn geschikt voor elektrofermentatie. Het vinden van geschikte stammen die onder invloed van externe elektroden kunnen overleven, blijft een actief onderzoeksgebied. Ondanks de successen van sommige bacteriën en gisten in elektrofermentatie, blijft de diversiteit en robuustheid van de stammen een beperkende factor (Gong et al., 2020).

De industriële toepassingen van elektrofermentatie zijn veelomvattend en reiken veel verder dan de productie van brandstoffen, bioplastics, medicijnen en voedsel. Door de stofwisseling van microben nauwkeurig te reguleren en biochemische reacties te versnellen, belooft elektrofermentatie nieuwe mogelijkheden voor de lage-kost, hoge-volume productie van waardevolle chemicaliën. Een van de meest aantrekkelijke toepassingen is de productie van bio-brandstoffen, zoals bio-ethanol, biobutanol en methaan. Traditionele bio-brandstoffen zijn afhankelijk van substraten en bijproducten, maar elektrofermentatie lost deze problemen op door de elektronenstroom te reguleren en de opbrengst en zuiverheid te verhogen. Deze elektrochemische regulatie kan bijvoorbeeld de ethanolproductie uit Saccharomyces cerevisiae aanzienlijk verbeteren, waardoor ethanol in grotere hoeveelheden kan worden geproduceerd en vrij is van verontreinigingen (Alberto García Mogollón et al., 2023). Evenzo wordt in de butanolproductie Clostridium acetobutylicum gebruikt, waarbij elektrofermentatie een beter metabolisch fluxbeheer mogelijk maakt, wat de opbrengst van ABE-fermentatie verhoogt (Alberto García Mogollón et al., 2023; Harnisch et al., 2024).

Methaan is een ander belangrijk industrieel product van elektrofermentatie, dat wordt verkregen via microbieel electrosynthese met archaea zoals Methanococcus maripaludis (Wang & Liu, 2024). Elektrofermentatiesystemen hebben al aangetoond dat CO2 en H2O kunnen worden omgezet in methaan, wat een duurzame manier biedt om biogas te genereren met lage milieu-impact (Virdis et al., 2022).

Naast bio-brandstoffen kan elektrofermentatie ook bioplastics produceren, zoals polyhydroxyalkanoaten (PHA), en biologisch afbreekbare polymeren die door bacteriën worden geproduceerd. Het altereren van het redox-evenwicht in de fermentator maakt de productie van PHA uit bacteriën zoals Ralstonia eutropha mogelijk, wat de opbrengst verhoogt en de kosten verlaagt ten opzichte van traditionele bioplasticfabricage. Dit zou wereldwijd het probleem van plasticvervuiling kunnen verminderen door een milieuvriendelijke alternatieve bron van bioplastics aan te bieden (Dalton et al., 2022).

Verder kan elektrofermentatie waardevolle biochemische stoffen zoals organische zuren (bijv. succinezuren, melkzuur), alcoholen en bioactieve verbindingen produceren. Elektrofermentatie kan bijvoorbeeld de kosten verlagen voor de productie van succinezuur, dat een belangrijke tussenstap is in de productie van andere industriële chemicaliën, door de elektronenstroom te volgen en de beste paden voor microbiële koolstoffixatie te vinden (Alberto García Mogollón et al., 2023; Bhagchandanii et al., 2020; Joshi et al., 2019; Salar-García et al., 2024).

In de farmaceutische sector kan elektrofermentatie antibiotica, aminozuren en secundaire metabolieten omzetten door de stofwisseling van microben te verbeteren, wat de biosynthese bevordert. Het nauwkeurig afstemmen van de redoxstatus maakt de selectieve biosynthese van uiterst complexe moleculen mogelijk die anders te moeilijk of te duur zouden zijn om chemisch te synthetiseren of via traditionele fermentatie te produceren. Dit geldt vooral bij de productie van natuurlijke producten die van groot therapeutisch belang zijn, zoals polyketiden en niet-ribosomale peptide-antibiotica (Bhagchandanii et al., 2020; Ferraiuolo et al., n.d.).

Elektrofermentatie biedt ook voordelen voor voedselverwerking, met name voor de verhoging van de opbrengst van veilige voedselzuren zoals melkzuur en citroenzuur, die veel gebruikt worden als conserveermiddelen, smaakstoffen en zuurmakers. Daarnaast kan elektrofermentatie de microbiële fermentatiepaden verfijnen die we gebruiken voor voedselconservering, kaasmaken en het creëren van smaakstoffen, zodat we duurzamere en efficiëntere producten kunnen maken (Aguirre-Garcia et al., 2024; Bhagchandanii et al., 2020).

De milieuvriendelijke en duurzame voordelen van elektrofermentatie zijn eveneens aanzienlijk. Door de combinatie van elektrochemische inputs en hernieuwbare elektriciteit kan elektrofermentatie de koolstofemissies van biochemische productie aanzienlijk verminderen. In de productie van bio-brandstoffen en bioplastics maakt elektrofermentatie het mogelijk om CO2 rechtstreeks als grondstof te gebruiken voor de productie van nuttige chemicaliën zoals methaan, ethanol en organische zuren. Dit ondersteunt de inspanningen voor koolstofvangst en -benutting, wat bijdraagt aan het verminderen van de klimaatverandering door het creëren van koolstofneutrale toeleveringsketens (Bhagchandanii et al., 2020; Dessì et al., 2021).

Elektrofermentatie maximaliseert ook de energie-efficiëntie door de noodzaak voor chemische energie (zoals glucose of andere koolhydraten) als elektronendonor te elimineren. Het direct leveren van elektronen via elektroden helpt de totale energieconsumptie van microbiële fermentaties te verlagen. Dit is vooral belangrijk voor bio-brandstoffen, waar energie-intensieve substraten kunnen worden vervangen door goedkope, hernieuwbare elektriciteit (Bhagchandanii et al., 2020; Jia et al., 2020).

Electrofermentatie kan ook een waardevol instrument zijn in de groeiende beweging van ‘waste-to-wealth’, waarbij organische afvalstromen uit de landbouw, voedselverwerking of rioolwaterzuiveringsinstallaties als grondstoffen kunnen dienen voor elektrofermentatie. Dit zou waardevolle biochemische stoffen genereren en tegelijkertijd circulaire economieën bevorderen door afval te hergebruiken (Alvarez-Pugliese et al., 2024; Bhagchandanii et al., 2020).

De toekomst van elektrofermentatie ziet er veelbelovend uit, vooral in combinatie met nieuwe technologieën op het gebied van microbiële electrosynthese, synthetische biologie en bio-elektrochemische systemen. Deze ontwikkelingen zouden het mogelijk maken om de schaal van elektrofermentatie naar industriële niveaus op te schalen.

Wat is elektro-fermentatie en hoe verbetert het bioproductie?

Elektro-fermentatie is een baanbrekende ontwikkeling binnen traditionele fermentatieprocessen waarbij elektriciteit, in de vorm van elektronen, wordt ingezet om de microbiële productiviteit te verhogen. Door het directe aan- of afvoeren van elektronen via elektroden, die als een reducerende of oxiderende bron voor micro-organismen fungeren, kan het fermentatieproces nauwkeurig worden gestuurd. Deze techniek maakt het mogelijk om ongewenste bijproducten te elimineren, wat leidt tot een hogere opbrengst en zuiverheid van het beoogde metaboliet. De combinatie van elektrochemische principes met industriële fermentatietechnologieën opent zo nieuwe perspectieven voor efficiëntere bioproductiestrategieën.

Een van de belangrijkste voordelen van elektro-fermentatie is de verbeterde biomassa-opbrengst, die ontstaat door een verhoogde ATP-productie binnen de micro-organismen. Daarnaast biedt het proces betere controle over redoxbalans en pH-variaties in de fermentatieomgeving. Hierdoor kunnen specifieke metabolieten doelgericht worden gesynthetiseerd, wat in conventionele fermentatieprocessen vaak lastiger is. Hoewel de techniek een hogere energiebehoefte en aanzienlijke investeringen in gespecialiseerde apparatuur vergt, tonen recente studies veelbelovende resultaten. Zo kan de productopbrengst tot drie keer worden verhoogd met een relatief geringe energietoevoer. Dit suggereert dat de aanvankelijke kosten zich op termijn ruimschoots terugbetalen, mede doordat de efficiëntie van bio- en chemische producties aanzienlijk verbetert.

Het fundament van elektro-fermentatie berust op het gecontroleerd overdragen van elektronen, wat de metabole flux aanstuurt — de snelheid waarmee metabolieten door biochemische routes bewegen. In cellen spelen redoxparen zoals NAD+/NADH een cruciale rol bij het reguleren van deze flux en het behouden van de oxidatie-reductiepotentiaal (ORP). Een hoog NAD+/NADH-ratio stimuleert opbouwende (anabole) processen en energieopslag, terwijl een laag ratio afbrekende (katabole) processen bevordert, wat leidt tot energieproductie. Elektro-fermentatie kan deze ratio direct beïnvloeden door elektronen van of naar de micro-organismen te sturen via elektroden, wat resulteert in een gerichte aanpassing van metabole routes en een optimalisatie van het eindproduct.

Afhankelijk van het gewenste product kan elektro-fermentatie in twee hoofdvormen optreden: anodische en kathodische elektro-fermentatie. Bij anodische elektro-fermentatie geven micro-organismen elektronen af aan de elektrode, wat leidt tot de productie van geoxideerde verbindingen. Bij kathodische elektro-fermentatie nemen micro-organismen elektronen op van de elektrode, waardoor gereduceerde producten ontstaan. Deze precisie in het sturen van de elektronenstroom maakt het mogelijk om specifiek gewenste metabolieten te produceren, wat een grote stap vooruit is ten opzichte van traditionele methoden.

Een bijzondere rol in elektro-fermentatie is weggelegd voor elektro-actieve bacteriën, ook wel exoelectrogene micro-organismen genoemd. Deze unieke microben kunnen elektronen uit vaste, geleidend materiaal zoals elektroden opnemen of afstaan, een eigenschap die zelden voorkomt bij conventionele organismen. Voorbeelden hiervan zijn Shewanella oneidensis en Geobacter sulfurreducens, die beschikken over een complex cytochroomsysteem om elektronen direct door hun celmembraan te transporteren. Dit directe extracellulaire elektronentransport (Direct EET) is essentieel voor efficiënte elektronenuitwisseling tussen micro-organismen en elektroden.

De interactie tussen microbe en elektrode verloopt via verschillende mechanismen, waaronder directe binding via c-type cytochromen die heemgroepen bevatten om elektronen te transporteren. Deze cytochromen, samen met andere moleculen zoals quinonen en flavinen, spelen een sleutelrol in het katalyseren van de elektronentransfer. Het bidirectionele karakter van de elektronenstroom – van microbe naar elektrode en omgekeerd – biedt flexibiliteit en maakt zowel oxidatieve als reductieve fermentaties mogelijk.

In deze context is het ook van belang te begrijpen dat de richting van elektronenoverdracht wordt gedreven door het verschil in redoxpotentiaal tussen donor en acceptor. Elektronen migreren altijd van een stof met een lagere naar een stof met een hogere oxidatiepotentiaal. Door elektrische stimulatie kan deze elektronenstroom doelgericht worden beïnvloed, waardoor de metabolische routes in micro-organismen kunnen worden heroriënteerd om gewenste producten efficiënter te vormen.

Belangrijk is dat elektro-fermentatie een veelbelovende technologie is voor de duurzame productie van biobrandstoffen zoals ethanol, butanol en methaan, evenals voor de productie van hoogwaardiger chemicaliën. De integratie van elektrochemische principes met microbiële fermentatie biedt niet alleen verbeterde opbrengsten en zuiverheid, maar kan ook bijdragen aan het reduceren van milieu-impact door efficiënter gebruik van grondstoffen en energie.

Naast de mechanistische en technologische aspecten dient men ook het economische en ecologische potentieel van elektro-fermentatie niet uit het oog te verliezen. De investering in apparatuur en energie is aanzienlijk, maar wordt gecompenseerd door verbeterde productiviteit en de mogelijkheid om nieuwe markten te ontsluiten met producten van hogere waarde. Bovendien biedt elektro-fermentatie de kans om afvalstromen en restbiomassa effectiever om te zetten, wat aansluit bij bredere duurzaamheidsdoelstellingen en circulaire economieprincipes.

Hoe Electro-fermentatie de Fermentatieproductie en Kwaliteit Verbetert

Electromagnetische straling die door RFH (Radio Frequency Heating) wordt overgedragen, verwarmt het materiaal direct. Door de langere golflengte van RFH kan de straling dieper doordringen in het product, waardoor een meer uniforme verwarming ontstaat (Altemimi et al., 2019). Dit heeft voordelen voor de behandeling van grondstoffen zoals tarwemeel, waarbij RFH kan helpen schadelijke microben in te schakelen vóór de fermentatie (Villa-Rojas et al., 2017). In vergelijking met traditionele verwar- ming biedt de RFH-techniek een gelijkmatigere temperatuurverdeling. Bovendien is het belangrijk om te vermelden dat RFH, doordat het geen direct contact met het voedsel vereist, effectief vervuiling in het eindproduct voorkomt (Siefarth et al., 2014). Het verwarmingssysteem in RFH-apparaten helpt bovendien de fermentatieomgeving op een constante temperatuur van ongeveer 35 °C te houden, wat ideaal is voor het simuleren van de omstandigheden in een conventionele fermentatietank. De techniek biedt niet alleen voordelen voor de productiviteit van fermentatie, maar heeft ook invloed op het beheer van fermentatieomstandigheden. Omdat het systeem vaak water bevat, is het bijzonder geschikt voor de bereiding van gefermenteerd deeg (Bajd & Serša, 2011).

Een andere veelbelovende techniek voor het verwarmen van de fermentatiemassa is ohmisch verwarmen (OH). Hierbij wordt energie direct in het mengsel overgedragen, wat voorkomt dat de vaste delen binnenin het mengsel beschadigd raken (Knirsch et al., 2010). OH wordt toegepast in verschillende voedselverwerkingsmethoden, waaronder pasteurisatie, blancheren, extractie, fermentatie, dehydratie en sterilisatie (Ferreira et al., 2019). Het voordeel van OH is dat het, met behulp van een sterk elektrisch veld, zowel thermische als niet-thermische effecten kan genereren die de fermentatie ondersteunen. Het is bekend dat elektriciteit de fermentatie versnelt, de cellulaire permeabiliteit verhoogt en de verspreiding van micronutriënten uit het substraat bevordert (Gavahian & Tiwari, 2020). Een ander belangrijk voordeel van OH is dat het de superieure sensorische en voedingswaarde van de producten behoudt en tegelijkertijd milieuvriendelijker is dan traditionele verwarmingsmethoden. Het voorkomt bovendien ongewenste effecten zoals oververhitting of oppervlakteschade aan het eindproduct (Gally et al., 2017).

Electrochemische impedantie spectroscopie (EIS) is in de cellulaire biologie, bioanalyse en geneeskunde een belangrijk hulpmiddel geworden voor het real-time monitoren van biologische processen, waaronder microbiële proliferatie, metabolisme en biofilmvorming (Saulnier et al., 2024). EIS kan zelfs de kleinste veranderingen in de elektrische eigenschappen van bacteriële cellen detecteren, zonder dat er labeling nodig is. Dit biedt waardevolle inzichten in het functioneren van fermenterende micro-organismen. Daarnaast wordt EIS ook ingezet om de gevoeligheid van microben voor antibiotica te onderzoeken, waarbij voltammetrische en amperometrische technieken worden gebruikt om de electronenoverdracht in de cellen te meten (Sundaresan et al., 2022).

Vloeistofchromatografie (LC) is een ander essentieel hulpmiddel voor het volgen van het fermentatieproces. In wijnbereiding bijvoorbeeld wordt het niveau van pyruzaat, een indicator voor het oxidatieproces van NADH, gemeten om de gezondheid van de bacteriën te monitoren tijdens de malo-lactische fermentatie. LC maakt het mogelijk om verschillende organische zuren, die de kwaliteit en stabiliteit van zuivelproducten beïnvloeden, in één analyse te identificeren (Freitag, 2005). Dit helpt niet alleen om de fermentatie efficiënt te volgen, maar ook om de kwaliteit van het eindproduct te waarborgen. Bovendien kunnen LC-methoden, door de verscheidenheid aan verbindingen die tijdens fermentatie worden geproduceerd, waardevolle informatie verschaffen over het verloop en de uitkomst van het fermentatieproces.

Naast conventionele analytische technieken, worden 1H NMR-spectroscopie en Near-Infrared Spectroscopy (NIR) steeds vaker ingezet om fermentatieprocessen te monitoren. NMR wordt bijvoorbeeld gebruikt om de concentratie van extracellularen metabolieten, zoals alanine en fenylalanine, in fermentatie van E. coli te meten (Forsberg et al., 2024). Aan de andere kant wordt NIR spectroscopie gecombineerd met nano-composiet sensor arrays om de actieve componenten in fermentatieprocessen zoals kombucha te identificeren (Kang et al., 2023).

Naast de traditionele fermentatieproducten kunnen elektro-fermentatietechnieken ook nuttig zijn voor de productie van biopolymeren, biodiesel en bio-elektriciteit. Het proces van elektro-fermentatie maakt gebruik van substraten zoals afvalwater met een hoog koolstofgehalte om tussenproducten te genereren, zoals kortketenige vetzuren (SCFA) en vetzuren met een middellange keten (MCFA). Deze verbindingen kunnen worden omgezet in waardevolle chemicaliën, zoals biofuels of ingrediënten voor de farmaceutische industrie (Tharak et al., 2021; Agler et al., 2012).

De productie van SCFA’s speelt een cruciale rol in de verwerking van afvalwater en organische afvalstoffen. De integratie van elektrochemische systemen zoals MEC (Microbial Electrochemical Cells) met anaerobe fermentatie verhoogt de snelheid van conversie van vetzuurmoleculen naar waterstofgas (Marone et al., 2017). Tegelijkertijd kunnen vetzuren met een middenlange keten (C6-C10) worden geproduceerd door een serie metabolische stappen die worden aangedreven door acetogenen en acidogene bacteriën. Het voordeel van deze vetzuren is dat ze, in tegenstelling tot lange keten vetzuren, gemakkelijk uit het fermentatiebroth kunnen worden gescheiden en relatief goedkoop kunnen worden verkregen (Gu et al., 2024).

Naast het produceren van hoogwaardige fermentatieproducten, helpt de toepassing van deze geavanceerde fermentatietechnieken ook bij het beheer van het milieu, doordat afvalmaterialen effectief worden omgezet in waardevolle grondstoffen. De vooruitgang in elektro-fermentatietechnologieën biedt dus niet alleen economische voordelen, maar kan ook bijdragen aan duurzamere productiemethoden in de voedingsindustrie en daarbuiten.

Hoe kunnen elektrochemische karakteriseringstechnieken de prestaties van 2D-SCM-materialen in energieopslagtoepassingen optimaliseren?
Hoe het kiezen van optische lenzen de visuele prestaties beïnvloedt
Wat maakt een smoothie bowl echt voedzaam en lekker?
Waarom de ondergrond van Sandaliotis zijn eigen realiteit bepaalt