Hur fungerar mikrobiell elektrosyntes (MES) och dess tillämpningar?

Mikrobiell elektrosyntes (MES) är en form av bioelektrokemiska system (BES) där mikroorganismer eller elektroger används för att katalysera den katodiska reduktionen av substrat till värdefulla produkter, med hjälp av en extern strömkälla. Till skillnad från traditionella BES, där både anoder och katoder är abiotiska, involverar MES minst en biotisk elektrod (antingen anoden eller katoden). Denna systemuppbyggnad möjliggör en mer specifik och effektiv produktion av kemiska ämnen genom mikrobiell metabolisk aktivitet.

Vid MES används en biotisk anode där mikrober oxiderar en kolkälla för att generera elektroner som matas in i den externa kretsen. Elektronerna används sedan vid katoden, där olika substrat reduceras till produkter med hjälp av de elektroner som tillförs från den externa strömkällan. Kolkällor kan vara en mängd olika organiska ämnen som acetat, glukos, butyrat eller mer komplexa substanser som stärkelse och cellulosa. Mikrober vid den biotiska anoden utnyttjar dessa kolkällor för att driva sin metabolism och producera de elektroner som krävs för systemets funktion.

Det som skiljer MES från andra bioelektrokemiska system är att det är designat för att utnyttja den externa elektriska energin för att omvandla dessa elektroner till kemisk energi, vilket gör det möjligt att producera en mängd olika produkter, som till exempel väte, väteperoxid eller organiska syror. En ytterligare fördel med MES är dess potential att användas i avloppsvattenbehandling, där mikrober kan oxidera de organiska föroreningarna för att skapa elektroner som sedan kan utnyttjas för att reducera substrat vid katoden.

Vid katoden sker reduktionen av ämnen, och här kan exempelvis väte, formiat, acetat eller etanol produceras beroende på de specifika förhållandena vid elektroden. För att uppnå effektiv produktbildning är val av katodmaterial avgörande, eftersom det påverkar både elektronströmmen och mikrobiell aktivitet. Vanliga material som används är kolbaserade material och rostfritt stål, men även metalllegeringar som platina eller nickel kan användas beroende på produktionsbehov och katalytisk effektivitet.

En av de större utmaningarna med MES är att optimera katodens och anodens material och strukturella egenskaper. Vid biotiska katoder är det önskvärt att ha material med hög yta och god kemisk stabilitet för att underlätta elektronöverföringen till mikroberna, vilket är avgörande för produktiviteten och effektiviteten i systemet. Ett vanligt problem är biofouling på katodens yta, vilket kan hindra den mikrobiella tillväxten och minska produktiviteten på lång sikt.

För att optimera MES-effektiviteten är det också viktigt att förstå de olika mikrobiella kapaciteterna hos de organismer som används. Mikrober som kan assimilera oorganiskt kol, som autotrofa bakterier, används för att fånga upp atmosfäriskt koldioxid och omvandla det till organiska föreningar som kan användas som bränslen eller kemikalier. De mest framstående mikroberna som används i MES är acetogener och metanogener, som omvandlar koldioxid till organiska syror och metan. Det finns även fotoautotrofer, som använder ljusenergi för att fixera koldioxid och producera föreningar som polyhydroxybutyrat eller karotenoider.

En annan aspekt av MES är användningen av elektrofermentation, där gaser som CO och CO2 fixeras för att producera värdefulla kemikalier eller bio-bränslen genom direkt mikrobiell reduktion eller genom produktion av väte som sedan används för reduktion. Denna kapacitet gör MES till en potentiellt viktig teknologi för koldioxidavskiljning och produktion av värdeskapande kemikalier.

En viktig förutsättning för att MES ska kunna användas i praktiken är att både anod och katod är optimerade för att stödja mikrobiell aktivitet och effektivt överföra elektroner. Det är också viktigt att beakta energikostnaden för att driva systemet, eftersom det kan vara svårt att upprätthålla hög produktivitet om energiförbrukningen inte är ekonomiskt hållbar.

Det är också av betydelse att förstå de ekologiska och tekniska utmaningarna som finns vid långsiktig drift av MES. Katodens design och mikrobiell kolonisering är kritiska för att säkerställa en stabil och effektiv process. Biofouling på elektroder, vilket innebär att mikrober eller organismer täcker ytan och hindrar elektronöverföring, är ett vanligt problem som kan minska effektiviteten och livslängden för systemet. Dessutom måste man noggrant överväga kostnaderna för katodmaterial och de eventuella konsekvenserna för långsiktig hållbarhet.

Endtext

Hur elektro-fermentation kan bidra till resursåtervinning från livsmedelsindustriavfall

Elektro-fermentation, en ny och framväxande teknologi, är en lovande metod för att återvinna energi och resurser från organiskt avfall, särskilt från livsmedelsindustrin. Denna metod bygger på användning av elektrokemiska processer, där mikroorganismer spelar en central roll i att omvandla organiska substrat till värdefulla produkter genom elektrokemiska reaktioner. Ett av de mest framstående exemplen på denna teknik är användningen av mikrobiella bränsleceller, som möjliggör konvertering av kemisk energi från avfall till elektricitet samtidigt som vissa restprodukter omvandlas till bioprodukter som kan användas i andra industriella processer.

Flera studier har visat att elektro-fermentation kan förbättra produktionen av biogas, etanol och andra kemikalier genom att använda mikrobial elektricitetsgenerering och elektrosyntes. I en nyligen genomförd studie av Du et al. (2007a) och Du et al. (2007b) beskrivs mikrobiella bränsleceller som lovande för både avloppsvattenrening och produktion av bioenergi. Det är särskilt intressant att dessa celler använder mikroorganismer som en medlare mellan det organiska avfallet och elektroden för att generera elektricitet, vilket är en fördelaktig process för energiåtervinning.

I samband med elektro-fermentation, där elektroner från elektroden används för att driva biokemiska reaktioner, kan avfallsprodukter såsom matavfall och organiskt skräp omvandlas till användbara kemikalier. Det ger möjlighet att skapa en cirkulär ekonomi där avfall inte bara tas om hand, utan också blir en källa för energiproduktion och värdeskapande bioprodukter. Feng et al. (2020) och andra forskare har visat att den elektriska stimuleringen av mikroorganismerna inte bara förbättrar nedbrytningen av organiskt material, utan även optimerar syntesen av bioprodukter som används inom livsmedels- och läkemedelsindustrin.

För att uppnå denna teknologis fulla potential, måste dock flera faktorer beaktas. Processens effektivitet är starkt beroende av mikrobens sammansättning och deras förmåga att överföra elektroner till elektroderna, vilket är avgörande för den energiutvinning som sker. En av de största utmaningarna inom denna teknologi är att skapa stabila och långlivade mikrobiella system som kan upprätthålla en hög prestanda över tid. Enligt Fruehauf et al. (2020) finns det olika processvarianter som har testats för att optimera denna stabilitet, men det återstår fortfarande mycket forskning innan den perfekta mikrobiella plattformen kan etableras.

Det är också viktigt att förstå att elektro-fermentation inte bara handlar om att återvinna energi. Den kan också bidra till att minska mängden farliga ämnen i avfall. Gambino et al. (2017) visade att elektro-fermentation kan användas för att dekantera polycykliska aromatiska kolväten (PAH) i vatten, vilket är avgörande för att minska den förorening som ofta orsakas av industriella processer. I kombination med mikrobiella bränsleceller kan denna teknologi spela en central roll i att skapa renare och mer hållbara produktionsprocesser, särskilt inom livsmedelsindustrin där stora mängder organiskt avfall genereras.

För att säkerställa långsiktig framgång för elektro-fermentation inom avfallshantering är det avgörande att investera i forskning som förbättrar förståelsen av mikrobens metaboliska vägar och hur dessa kan manipuleras för att optimera produktionen av bioenergi och bioprodukter. Forskningsstudier som de av Kengen et al. (2009) har visat att det finns stor potential i att använda specifika mikroorganismer för att effektivisera väteproduktion, vilket också kan appliceras i sammanhang som är relevanta för livsmedelsavfall.

Vidare är det viktigt att beakta de tekniska och ekonomiska aspekterna av att implementera elektro-fermentation på industriell skala. En stor del av forskningen fokuserar på att förbättra skalbarheten av dessa system, vilket gör att den teknologiska processen kan bli mer tillgänglig och effektiv för storskalig användning. Jadhav et al. (2022) poängterar att det finns flera utmaningar när det gäller att skala upp mikrobiella elektro-kemiska system för kommersiell användning, inklusive optimering av reaktorkonfigurationer och användning av mer hållbara elektroder.

Genom att fortsätta utveckla och optimera elektro-fermentation som en metod för att hantera livsmedelsindustriavfall, finns det en stor möjlighet att bidra till en mer hållbar framtid där avfall inte bara ses som ett problem, utan också som en källa för resurser och energi. Denna teknologi har potentialen att revolutionera avfallshantering, minska miljöpåverkan och skapa nya industriella processer som är både ekonomiskt och ekologiskt hållbara.