Hoe microbiele elektrolysecellen de bio-elektrische productie van energie en waardevolle stoffen bevorderen

De ontwikkelingen in bio-elektrische systemen zoals microbiele elektrolysecellen (MEC) hebben in de afgelopen jaren grote vooruitgangen geboekt. Deze technologieën benutten de unieke eigenschappen van micro-organismen om elektrogene reacties te faciliteren, waarbij elektrische energie wordt opgewekt of gebruikt voor chemische productie. De microbiele elektrolysecel (MEC) is daarbij een veelbelovende oplossing voor zowel duurzame energieproductie als biochemische synthese.

Naast de elektrolyse van water zijn MEC's ook in staat om andere waardevolle stoffen te produceren. Zo kan bijvoorbeeld acetaten worden gesynthetiseerd uit CO2 of organische afvalstoffen. Dit proces wordt vaak aangeduid als elektro-fermentatie, waarbij elektrochemische energie wordt gebruikt om fermentatieprocessen te sturen, die normaal gesproken afhankelijk zijn van metabolische veranderingen in micro-organismen. Electro-fermentatie biedt zo een manier om energie-efficientie en grondstoffenhergebruik in industriële fermentatieprocessen te verbeteren. Dit is een belangrijke stap in de richting van duurzame productieprocessen en circulaire economie.

Een ander belangrijk voordeel van MEC-technologie is de potentie om verschillende vormen van bio-elektriciteit te genereren. Zo kan de microbiele elektrolysecel worden ingezet om niet alleen waterstof te produceren, maar ook andere biochemische producten zoals bio-plastics, zuren en alcoholen. In dit verband zijn er veelbelovende experimenten die de productie van polyhydroxybutyraat (PHB) - een bioplastic - combineren met elektro-fermentatieprocessen. Door de integratie van waterstofbrandstofcellen kunnen deze systemen de efficiëntie van de productie van dergelijke bioproducten aanzienlijk verhogen.

De ontwikkeling van MEC's heeft verschillende voordelen voor de milieu- en energieproductie, waaronder de mogelijkheid om afvalstoffen om te zetten in nuttige producten. Dit vermindert niet alleen de ecologische voetafdruk van industriële processen, maar helpt ook bij het beheer van chemisch afval en het stimuleren van hernieuwbare energieproductie. Daarnaast kan de combinatie van MEC's met anaerobe vergisting leiden tot een nog grotere winst in termen van energieopwekking en CO2-reductie.

Bij het ontwerpen van MEC-systemen is het essentieel om de juiste materialen te kiezen voor de elektroden en de elektrolytoplossing. De prestaties van de MEC hangen sterk af van de gebruikte kathode- en anodematerialen, die zowel de efficiëntie van de elektrochemische reacties als de stroomgeleiding beïnvloeden. Daarnaast moeten de biologisch actieve componenten, zoals elektrogene bacteriën, zorgvuldig geselecteerd worden, omdat zij essentieel zijn voor het verloop van de reacties. Dit geldt vooral voor het optimaliseren van de productie van bio-waterstof of de reductie van CO2 naar waardevolle bioproducten zoals ethanol of aceetaten.

De keuze van de pH en temperatuur zijn ook cruciaal voor het succes van de processen in MEC's. De elektrolyse van water in een MEC vereist bijvoorbeeld specifieke omstandigheden waarbij een juiste pH-balans en temperatuur het rendement van de waterstofproductie beïnvloeden. Verschillende studies hebben aangetoond dat het optimaliseren van deze parameters de efficiëntie van het systeem aanzienlijk kan verhogen. Dit geldt ook voor de efficiëntie van fermentatieprocessen in elektro-fermentatiesystemen, waarbij een nauwkeurige controle van de omgeving de opbrengst van biochemische producten zoals zuren of alcoholen kan verhogen.

Naast de technische aspecten is het ook van belang om te begrijpen dat MEC's, hoewel veelbelovend, nog steeds in de ontwikkelingsfase verkeren. Er moeten nog verschillende technische uitdagingen worden overwonnen, zoals het verbeteren van de stabiliteit van de systemen op lange termijn en het verminderen van de kosten van de gebruikte materialen. De integratie van MEC's in commerciële toepassingen kan pas echt effectief zijn wanneer deze technologieën schaalbaar en economisch haalbaar zijn.

De vooruitgang in de microbiele elektrolyseceltechnologie biedt veelbelovende mogelijkheden voor de toekomst van duurzame energieproductie en industriële biochemische processen. Dit type bio-elektrische systemen heeft het potentieel om de manier waarop we omgaan met energie en chemische producten fundamenteel te veranderen, wat niet alleen gunstig is voor het milieu, maar ook voor de economische haalbaarheid van duurzame productie.

Wat maakt de reductie van CO2 in bio-elektrochemische systemen zo uitdagend?

Een van de grootste uitdagingen bij het gebruik van CO2 als elektronenacceptor in bio-elektrochemische systemen (BES) is de enorme elektronenbehoefte die nodig is voor de synthese van organische verbindingen. Hoewel de theoretische reductiepotentialen van butyraat naar butanol (−0,37 V vs. SHE) en van CO2 naar butanol (−0,30 V vs. SHE) vergelijkbaar zijn, verschillen de elektronenvereisten drastisch. De omzetting van butyraat naar butanol vereist slechts vier elektronen, terwijl de omzetting van CO2 naar butanol 24 elektronen vraagt. Dit betekent een zesvoudige toename in stroomvraag en een aanzienlijk hogere energie-input. Daarnaast verloopt de reductie van CO2 naar butanol waarschijnlijk via meerdere tussenstappen, die elk gepaard gaan met efficiëntieverliezen. CO2 wordt doorgaans verkregen uit atmosferische emissies of industriële afvalgassen, bijvoorbeeld van kolencentrales, wat de reactiesnelheid kan beperken en geografische beperkingen oplegt aan de productie. Deze factoren maken de praktische toepassing van BES voor CO2-reductie complex en bemoeilijken het efficiënt en schaalbaar produceren van methaan of butanol.

De biogeactiveerde kathodes in BES kunnen in drie configuraties worden toegepast. De eerste configuratie omvat een biologisch actieve anode en kathode, waarbij organisch materiaal in afvalwater de anode voedt en microbiële elektrosynthese plaatsvindt aan de kathode. De tweede en derde configuraties gebruiken een chemisch aangedreven anode, die respectievelijk direct verbonden is met een biokathode of indirect biologische reacties aan de kathode ondersteunt. Deze flexibiliteit in opstellingen maakt het mogelijk BES-systemen te optimaliseren voor diverse bio-elektrochemische toepassingen.

Ondanks deze technologische ontwikkelingen ondervinden microbieel aangedreven brandstofcellen (MFC’s) nog steeds aanzienlijke belemmeringen voor grootschalige commercialisering. Belangrijkste obstakels zijn een beperkte vermogensoutput, hoge kosten van elektrode-materialen en membraanscheiders, schaalbaarheidsproblemen en inefficiënte energieomzetting. MFC’s functioneren als spanningsbronnen met interne weerstand, wat spanningsverliezen veroorzaakt en het uiteindelijke vermogen beperkt. Deze verliezen kunnen worden onderverdeeld in activeringsverliezen door trage reactiekinetiek, concentratieverliezen door beperkte massatransport, ohmse verliezen door weerstand binnen het systeem en coulombische verliezen door inefficiënte elektronenoverdracht. Activeringsverliezen ontstaan onder meer door trage overdracht van elektronen door micro-organismen en langzame zuurstofreductie, wat leidt tot hoge overpotentialen. Concentratieverliezen treden op wanneer reactanten sneller verbruikt worden dan aangevuld kunnen worden, bijvoorbeeld zuurstof aan de kathode. Ohmse verliezen zijn het gevolg van weerstand bij het transport van elektronen en ionen, beïnvloed door de geleidbaarheid van elektroden, externe circuits en elektrolyt. Coulombische verliezen ontstaan wanneer elektronen worden afgeleid naar niet-elektriciteitsgenererende reacties zoals methanogenese, of wanneer oxidanten naar de anode migreren.

Elektrodematerialen spelen een fundamentele rol in de prestaties van BES. Ideale materialen combineren hoge elektrische geleiding met grote oppervlakte en porositeit, ter ondersteuning van microbieel aanhechting en biofilmvorming. Mechanische sterkte, schaalbaarheid, biocompatibiliteit en chemische stabiliteit zijn eveneens cruciaal voor langdurige exploitatie. Gangbare materialen zoals grafiet en platina bieden goede geleiding maar zijn kostbaar, wat hun commerciële inzet beperkt. Membranen die elektrodekamers scheiden dragen bij aan ionenuitwisseling maar introduceren ook problemen zoals verminderde protonpermeabiliteit, verlies van substraten, zuurstofterugdiffusie, verhoogde interne weerstand, pH-onbalans en biofouling. Deze factoren belemmeren de efficiëntie en bemoeilijken het opschalen van BES.

Belangrijk is te beseffen dat de toekomst van BES niet alleen afhankelijk is van technologische doorbraken in materialen en ontwerp, maar ook van de integratie van deze systemen in bestaande industriële en milieu-infrastructuren. Efficiënte CO2-reductie vereist naast verbetering van elektrochemische processen ook een holistische benadering waarbij beschikbaarheid van CO2-bronnen, energetische balans, en milieueffecten integraal worden meegewogen. Het begrijpen van de onderliggende microbiële processen en hun interactie met materialen en elektrochemie is essentieel om deze technologie te optimaliseren en commercieel haalbaar te maken.

Hoe bio-elektrochemie bijdraagt aan koolstofsequesterering en duurzame biotechnologie

In de strijd tegen klimaatverandering en de toenemende CO2-uitstoot wordt er wereldwijd gezocht naar innovatieve oplossingen om koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen en langdurig op te slaan. De voordelen van koolstofsequesterering zijn onmiskenbaar: het kan bijdragen aan de vermindering van de opwarming van de aarde door het terugbrengen van CO2-niveaus. Een aantal geavanceerde technieken, zoals geologische opslag en synthetische biologie, maken gebruik van zowel biologische als elektrotechnische processen om dit doel te bereiken.

Een van de meest veelbelovende benaderingen is het gebruik van bio-elektrochemie, waarbij micro-organismen en elektrode-interacties samenkomen om CO2 vast te leggen en te hergebruiken. De fundamenten van bio-elektrochemie zijn geworteld in het principe van elektrontransfer: micro-organismen kunnen elektronen van een elektrode ontvangen of afgeven, wat hen in staat stelt om koolstofverbindingen om te zetten in andere nuttige producten zoals biofuels of chemische verbindingen. Dit proces kan plaatsvinden via directe elektrontransfer (DET), waarbij micro-organismen rechtstreeks contact maken met de elektrode, of via gemedieerde elektrontransfer (MET), waarbij kleinere moleculen de elektronen tussen de micro-organismen en de elektrode transporteren.

In veel gevallen is het nodig om de interactie tussen micro-organismen en elektroden verder te optimaliseren. Dit kan door gebruik te maken van nanomaterialen die de oppervlakte van koolstofelektroden vergroten, waardoor de geleiding en de adhesie van micro-organismen verbeteren, wat leidt tot een snellere elektrontransfer. Het ontwerpen van reactorconfiguraties zoals bio-elektrochemische cellen (BEC) en microbieel elektrolysecellen (MEC) verhoogt de efficiëntie van de interactie tussen micro-organismen en elektroden, wat cruciaal is voor het maximaliseren van de electronenoverdracht en het verbeteren van de algehele prestaties van het systeem.

Deze systemen kunnen een breed scala aan toepassingen hebben. Zo wordt de technologie van elektro-fermentatie ingezet voor afvalvalorisatie, waar micro-organismen CO2 omzetten in nuttige stoffen zoals biogas of methaan. Ook in de biofuelproductie speelt deze techniek een cruciale rol, waarbij micro-organismen helpen bij het omzetten van organisch materiaal in brandstoffen. Dit biedt niet alleen voordelen voor het milieu, maar kan ook leiden tot economische voordelen door de productie van hernieuwbare energie.

Daarnaast zijn er systemen die de rol van microbieel consortia benadrukken, waarbij verschillende soorten micro-organismen samenwerken om de fermentatie- en metabolische processen te verbeteren. Dit verhoogt niet alleen de efficiëntie van electronoverdracht, maar versterkt ook de stabiliteit en robuustheid van het proces. Co-culturen, zoals de combinatie van Clostridium acetobutylicum en Methanobacterium, verbeteren de algehele prestaties en verhogen de duurzaamheid van biotechnologische processen die gebaseerd zijn op elektrochemie.

Naast de directere toepassingen, zoals biofuelproductie of CO2-opslag, biedt bio-elektrochemie ook veelbelovende mogelijkheden voor bioremediatie en energieopslag. De micro-organismen die in deze systemen worden gebruikt, kunnen verontreinigende stoffen afbreken en tegelijkertijd nuttige energie genereren. Dit opent nieuwe deuren voor het ontwikkelen van circulaire economie-modellen waarin afval wordt omgezet in waardevolle producten en energie.

Hoe wordt elektrofermentatie toegepast in de industrie voor de productie van bioalcoholen?

De vraag naar alcohol, vooral ethanol, als krachtig alternatief voor energie blijft wereldwijd toenemen (Mathew et al., 2015). Historisch gezien werd alcohol geproduceerd door middel van verschillende fermentatietechnieken, die meestal 48 tot 90 uur in beslag nemen om hun maximale concentratie te bereiken. Bioethanol is een duurzame, ecologische, hoog-octaan en koolstofarme brandstof voor voertuigen, voornamelijk gewonnen uit monosacchariden (suikers) en polysacchariden (zetmeel en cellulose) die in planten aanwezig zijn (Abel et al., 2021). Omdat het een koolstofneutrale brandstof is, stoot het 32-62% minder broeikasgassen uit dan benzine (Abel et al., 2021; An et al., 2015). Bioethanol wordt gewonnen uit voedselgewassen zoals suikerriet, maïs, tarwe, suikerbiet melasse en suikerriet melasse. Vanwege ethische bezwaren verschuiven onderzoekers hun belangstelling naar lignocellulose biomassa, zoals maïsstro, rijststro en tarwestro voor de productie van ethanol. Lignocellulose biomassa bestaat uit cellulose, hemicellulose en lignine. Omdat lignine moeilijk af te breken is, vereist het een voorafgaande behandeling (gescheiden hydrolyse en fermentatie [SHF]), wat de totale productiekosten verhoogt (Vega et al., 2024). Verschillende gecombineerde productiesystemen zijn ontwikkeld, zoals geconsolideerde bioprocessen (CBP), geavanceerde gelijktijdige saccharificatie en fermentatie (SSF), en gelijktijdige saccharificatie en co-fermentatie (SSCF) voor de productie van bioethanol (Dhungana et al., 2022). Deze systemen verminderen de totale productietijd, de operationele kosten en de inhibitoren, en verhogen de snelheid van hydrolyse door enzymatische hydrolyse en fermentatie in één reactor te integreren (Foust et al., 2009).

Er wordt verondersteld dat het gebruik van een lignocellulolytisch (of ligninolytisch en cellulolytisch) microbieel consortium in één reactor voor gelijktijdige saccharificatie en elektro-fermentatie (SSEF) de behoefte aan chemicaliën en een rigoureuze voorafgaande behandelingsaanpak zal elimineren (Joshi et al., 2018). Bovendien is er een integratieve methode ontwikkeld die de productie van MEC (Microbial Electrolysis Cells) combineert om bioethanol en waterstof te produceren, terwijl tegelijkertijd fenolische chemicaliën en hun derivaten (furfural) uit de bijproducten van bioethanol worden afgebroken (Kumar et al., 2018).

De ontwikkeling van elektro-fermentatie biedt de mogelijkheid om alcoholen efficiënter en kosteneffectiever te produceren. Dit kan leiden tot minder afhankelijkheid van traditionele fermentatietechnieken die vaak veel tijd en middelen vereisen. De integratie van elektro-fermentatie in de industriële productie kan de productiesnelheid verhogen, de kosten verlagen en de milieu-impact verminderen door het gebruik van alternatieve, hernieuwbare grondstoffen. Het gebruik van MEC's voor de productie van bioalcoholen, zoals ethanol en butanol, heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele processen, waaronder lagere operationele kosten, kortere productiecycli en de mogelijkheid om meer diverse substraten te gebruiken, zoals lignocellulose biomassa en afvalmaterialen.

De voordelen van elektro-fermentatie zijn verder uitgebreid door recente ontwikkelingen in het gebruik van micro-organismen in combinatie met elektrochemische technologieën. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor het opwekken van verschillende bio-gebaseerde producten, zoals waterstof, butanol, 1,3-propanediol en acetaat, uit diverse substraten zoals afvalwater, glycerol en organisch afval. De keuze van de elektroden en het voltage in de cellen speelt een cruciale rol in het optimaliseren van de opbrengst van de gewenste producten.

Naast de technologische vooruitgangen die door elektro-fermentatie worden geboden, is het ook essentieel om rekening te houden met de bredere industriële en ecologische implicaties van deze processen. Er moet aandacht worden besteed aan de integratie van deze technologieën in bestaande productiesystemen, de haalbaarheid van grootschalige implementatie en de kosten-batenanalyse van het gebruik van alternatieve grondstoffen ten opzichte van conventionele fermentatiebronnen. Ook de milieueffecten van de geproduceerde bijproducten, zoals fenolische stoffen, moeten worden gemonitord om ongewenste effecten te voorkomen.