Hoe de Integratie van Hernieuwbare Energie en Microbiële Engineering de Efficiëntie van Bio-elektrochemische Systemen Kan Verbeteren

Hernieuwbare energie, zoals zonne- en windenergie, biedt ongekende mogelijkheden voor het verduurzamen van bio-elektrochemische processen, zoals die gebruikt worden in bio-elektrochemische reactoren (BER's). De overvloed aan zonne-energie, vooral in gebieden met hoge zoninstraling, biedt een betrouwbare en hernieuwbare bron van elektriciteit gedurende de dag. Zonnepanelen kunnen elektriciteit genereren die direct kan worden ingezet voor bio-elektrochemische processen, zoals de afbraak van organische stoffen aan de anode of de conversie van CO2 naar waardevolle producten aan de kathode.

Windenergie biedt een aanvullende bron van schone en duurzame elektriciteit, vooral in gebieden met sterke en constante wind. Windturbines kunnen de kinetische energie van de wind omzetten in elektrische energie, die vervolgens direct kan worden geleverd aan bio-elektrochemische systemen. Door de combinatie van zonne- en windenergie wordt het mogelijk om de elektriciteitsvoorziening voor BER's te stabiliseren, met name op momenten dat zonne-energie niet beschikbaar is, bijvoorbeeld 's nachts of bij bewolking. Het gelijktijdige gebruik van deze twee hernieuwbare energiebronnen biedt de mogelijkheid om een continue en betrouwbare stroom van elektriciteit te waarborgen, wat anders vaak een uitdaging is bij het gebruik van afzonderlijke hernieuwbare bronnen.

Om de efficiëntie van de integratie van zonne- en windenergie te verbeteren, spelen geavanceerde netwerktechnologieën en energiemanagementsystemen een cruciale rol. Deze systemen zorgen voor een effectieve verdeling van de opgewekte energie, waardoor een constante en adequate elektriciteitsvoorziening voor de bio-elektrochemische processen mogelijk wordt. Daarnaast kunnen opslagoplossingen zoals batterijen, supercondensatoren en waterstofopslag de effectiviteit en betrouwbaarheid van dergelijke hybride systemen verder verbeteren. Deze opslagtechnologieën maken het mogelijk om overtollige elektriciteit die tijdens piekproductie wordt gegenereerd, op te slaan voor gebruik op momenten van lage productie, zoals 's nachts of bij windstille omstandigheden.

Een van de meest veelbelovende methoden om hernieuwbare energie te integreren met BER's is waterstofopslag. Overtollige elektriciteit van zonne- en windenergie kan worden gebruikt om waterstof te produceren via elektrolyse. Deze waterstof kan vervolgens worden opgeslagen en als energiebron dienen voor bio-elektrochemische processen of andere toepassingen. In microbiële elektrolysecellen (MEC's) kan waterstof worden toegevoegd om de waterstofproductie te stimuleren, of het kan direct worden gebruikt in microbiële brandstofcellen (MFC's) als substraat voor elektriciteitsproductie.

De combinatie van hernieuwbare energiebronnen met efficiënte energieopslagoplossingen kan de duurzaamheid en het lange-termijn potentieel van bio-elektrochemische systemen aanzienlijk verbeteren. De doorbraak van nieuwe technologieën en de voortdurende vooruitgang in zowel hernieuwbare energie als energieopslag bieden enorme kansen voor de productie van duurzame biobrandstoffen en chemicaliën. Het is dan ook van groot belang om de technische uitdagingen van deze systemen te blijven onderzoeken en te verbeteren, zodat ze op grote schaal kunnen worden toegepast voor milieuvriendelijke en economisch haalbare oplossingen.

Tegelijkertijd spelen innovaties in microbiële engineering een belangrijke rol in het verbeteren van de prestaties van bio-elektrochemische reactoren. Door genetische modificaties kunnen micro-organismen worden aangepast om hun metabolische efficiëntie, stressbestendigheid en elektronentransfercapaciteit te verbeteren. Het gebruik van technologieën zoals CRISPR-Cas9 heeft het mogelijk gemaakt om de genen van elektroactieve bacteriën zoals Geobacter en Shewanella aan te passen om de productie van eiwitten die betrokken zijn bij de elektronentransfer naar en van elektroden te verhogen. Deze genetische modificaties verbeteren de prestaties van bio-elektrochemische systemen door de efficiëntie van de elektronentransfer te vergroten, een cruciaal aspect voor het succes van deze systemen.

Daarnaast speelt synthetische biologie een steeds grotere rol in het ontwerpen van nieuwe microbiële systemen. Door het creëren van volledig nieuwe biologische componenten en netwerken kunnen wetenschappers micro-organismen ontwikkelen die specifiek ontworpen zijn voor complexe taken binnen bio-elektrochemische processen. Dit kan leiden tot efficiëntere microbiële consortia die in staat zijn om ingewikkelde biochemische processen uit te voeren en verschillende stoffen om te zetten in gewenste bio-producten, zoals biobrandstoffen of waardevolle chemicaliën. Een veelbelovend voorbeeld is het gebruik van synthetische consortia die in staat zijn om organische stoffen af te breken en vervolgens de gevormde tussenproducten om te zetten in biofuel door andere gemodificeerde microben.

De toekomst van bio-elektrochemische systemen en de circulaire koolstofeconomie hangt nauw samen met de voortdurende ontwikkeling van zowel hernieuwbare energiebronnen als microbiële engineering. Door deze twee technologieën effectief te combineren, kunnen we een robuust, duurzaam en efficiënt systeem creëren voor de productie van schone energie en waardevolle chemicaliën.

Wat is de rol van elektro-fermentatie in de industriële productie van biochemische stoffen?

In een anaerobe reactor gebruiken methanogenen doorgaans waterstof, formiaat en acetaat, afkomstig van pure chemicaliën of verschillende soorten biowaste, als substraten voor de productie van biomethaan (Kumar et al., 2018; Wang et al., 2009). Acetoclaste methanogenen volgen het eerste pad (met acetaat als substraat), terwijl hydrogenotrofische methanogenese het tweede pad volgt (met waterstofgas als substraat) (Wang et al., 2009). Factoren zoals pH, hydraulische verblijftijd, substraatbelasting, temperatuur, C/N-verhouding, acclimatisatieduur en substraatcompositie beïnvloeden de productie van biogas. Op laboratoriumschaal is het eenvoudig om twee of meer van deze factoren te beheren voor een bepaald experimenteel opzet. Echter, op grote schaal is het moeilijk om controle te behouden over langere periodes, vooral wanneer het gaat om de samenstelling van de voeding. Het werd benadrukt dat, hoewel het optimaliseren van dergelijk voeder veelbelovend is, het wordt beperkt door de grote organische inhoud van gras- en maïsilage, die het grootste deel van het biogas produceert (Mézes et al., 2017). Een tijdelijke daling in de voederkwaliteit kan de energiegewassen in de substraten verhogen, wat de biogasproductie zou versnellen. Een grondige economische evaluatie van elke landbouwbiogasinstallatie is wenselijk, aangezien energiegewassen minder land nodig hebben dan voedselgewassen (Kumar et al., 2018; Mézes et al., 2017).

Naast de bovengenoemde primaire parameters is er onderzoek gedaan naar hoe microbiale populaties zich ontwikkelen tijdens de werking. Naast eerdere co-feeding technieken heeft de acclimatisatie van gemengde culturen (gedefinieerd of ongedefinieerd) veelbelovende resultaten laten zien in het verbeteren van de prestaties en de consistentie van het proces (Kumar et al., 2018; Wang et al., 2009). Aan de andere kant kan elektro-fermentatie (EF) op basis van een microbiale elektrocatalytische cel (MEC) verschillende voordelen bieden ten opzichte van traditionele biogasproductie. Methanogenen produceren voornamelijk CH4 uit waterstofgas dat wordt geproduceerd bij de kathode en gedeeltelijk door de omzetting van acetaat tijdens dit proces, waarbij directe elektronacceptie van de kathode plaatsvindt (Logan & Rabaey, 2012). Hierdoor werd een 86% verhoogde CH4-productie genoteerd in vergelijking met traditionele anaerobe vergisting (Villano et al., 2010). Verschillende voorbeelden worden gepresenteerd in Tabel 1. Wanneer het voeder een zeer sterk afvalwater of organische belasting bevat, zijn anaerobe vergisters vereist om EF te ondersteunen, die effectief presteert op zwak-afvalwater. Het is belangrijk te beseffen dat de EF-gebaseerde technologie (zoals die tot nu toe is ontwikkeld) mogelijk niet kan functioneren als een zelfstandig proces en daarom de hulp van andere technieken nodig heeft om een grotere efficiëntie te bereiken. Binnenkort kunnen geïntegreerde bioprocessen nuttig zijn voor de behandeling van afvalwater en -materialen, terwijl tegelijkertijd bio-energie op een duurzame manier wordt geproduceerd.

Bij elektro-fermentatie wordt het effect van elektroden in een microbiele fermentatieve omgeving benut om de elektronendynamiek en reactiesnelheden te verhogen (Moscoviz et al., 2016; Nikhil et al., 2015; Redwood et al., 2012). De inzet van elektroden in een microbiele omgeving maakt bio-elektrochemische systemen (BES) mogelijk, wat de reactiesnelheden beïnvloedt en de synthese van producten uit specifieke substraten bevordert (Appleby, 1971; Stamenkovic et al., 2017). Door de activeringsenergie (Ea) en de activeringswarmte (Ha) te verlagen, worden de beperkingen van conventionele processen omzeild (Villano et al., 2017). De warmte van de adsorptie van de reactie (Had) is gestegen door de verlaagde Ea en Ha, wat leidt tot een verbeterde chemische opbrengst van platformchemicaliën. Het effect van elektrocatalyse op de microbiele omgeving kan de snelheid van de biologische reactieconstanten drastisch veranderen. De fermentatiesnelheid met afvalmateriaal als voeder om verschillende metabolische eindproducten te produceren, waaronder korteketenvetzuren (SCFA) of vluchtige vetzuren (VFA), wordt beschreven in deze context van EF. SCFA’s hebben grote commerciële waarde en worden geproduceerd tijdens de acidogenese van organische substraten. Door het metabolisme van anaerobe microbiomen te benutten, vertoont ketenverlenging momenteel veelbelovende resultaten als bioproces voor de productie van medium-chain fatty acids (MCFA’s) en SCFA’s. SCFA’s zijn rechtlijnige monocarboxylaten met zes tot twaalf koolstofatomen die kunnen worden geproduceerd uit organische afvalstromen zoals voedselafval, organisch afvalwater en afval-gesludge (Stamenkovic et al., 2017; Villano et al., 2017). Vanwege hun beperkte oplosbaarheid in zure omgevingen en hun hoge koolstof/zuurstofverhouding is hun scheiding na productie relatief eenvoudig. SCFA’s zijn veelbelovende en kosteneffectieve tussenproducten voor de synthese van biochemische stoffen en bio-brandstoffen.

Door elektro-fermentatie kunnen geproduceerde SCFA’s ook als waardevolle elektrondonoren dienen in andere bioprocessen. Voor toepassingen als elektrondonoren kan elektro-fermentatie bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van biopolymeren via anaerobe processen, biodieselproductie met fotosynthetische apparatuur en zelfs bio-elektriciteit generatie (Saratale et al., 2017; Sivagurunathan et al., 2018). Aangezien SCFA’s lichte, vervuilingsvrije en gemakkelijk biologisch afbreekbare stoffen zijn, vormen ze een waardevol product voor de textiel-, fruit-, drank-, polymeren- en kunststofindustrieën. Door een acetogene reactie kan voeder of CO2 worden omgezet in SCFA via een reeks microbieel aangedreven metabolische processen. In Tabel 1 worden verschillende voorbeelden van de vorming van SCFA uit verschillende substraten, inclusief afvalmateriaal, gepresenteerd.

De technologie van elektro-fermentatie biedt dus aanzienlijke mogelijkheden voor de verbetering van biochemische synthese en afvalbeheer. Terwijl het op dit moment mogelijk niet een volledig vervangende technologie is voor traditionele processen, kan het in de nabije toekomst deel uitmaken van geïntegreerde systemen die zowel afvalstoffen behandelen als duurzame energie en waardevolle chemicaliën produceren. Het is van belang dat onderzoekers en industrieën zich blijven concentreren op het optimaliseren van deze technologie om de algehele efficiëntie en het economische potentieel te verbeteren, vooral in combinatie met andere biotechnologische processen.