Elektrofementering (EF) och mikrobiell elektrosyntes (MES) är lovande teknologier för att producera bioenergi och kemikalier på ett hållbart sätt. Genom att använda elektroder för att tillföra eller ta emot elektroner från mikroorganismer, har dessa metoder visat sig vara effektiva för att förbättra utbytet och effektiviteten av produktionen av bioenergi såsom etanol, butanol och metan. Flera studier har bekräftat att användning av elektroder som elektronmottagare eller källor kan markant förbättra produktionen av dessa bränslen, och forskningen fortsätter att utveckla dessa processer för att göra dem mer effektiva och kommersiellt gångbara.

Ett exempel på detta är Shewanella oneidensis, en mikroorganism som framgångsrikt omvandlar glycerol till etanol med hjälp av elektroden som elektronacceptor. Denna metod har visat sig vara effektiv för att öka etanolproduktionen. På samma sätt har genetiskt modifierade Escherichia coli-stammar med modifierade andningskedjor visat sig öka etanolproduktionen från glycerol genom att inkludera tre cytochromer (STC, CymA och MtrA). Ett annat system som kombinerar Clostridium cellobioparum och Geobacter sulfurreducens har också uppnått etanolproduktion upp till 10 g/L från glycerol. Tillsats av mediators som neutral röd, metylblått och kaliumferricyanid har också visat sig förbättra etanolproduktionen i vissa EF-studier.

Användning av anodisk elektrofementering har lett till betydande framsteg. Ett exempel är Cellulomonas uda som används för att producera etanol från cellobios, där ett genetiskt modifierat konsortium av Geobacter sulfurreducens-stammar tar bort oönskade biprodukter. Detta har visat sig ge 2,7–3,7 gånger högre utbyten och produktivitet jämfört med standardfermenteringar. Vid katodisk elektrofementering har Clostridium tyrobutyricum BAS 7 och Clostridium pasteurianum visat på förbättrad butanolproduktion genom att elektroderna tillför elektroner, vilket förändrar NADH-bildningen och gynnar de NADH-beroende vägar som är viktiga för butanolbiosyntesen.

Butanolproduktionen har förbättrats avsevärt genom denna metod. I en studie uppnåddes en maximal butanolkoncentration på 13,31 g/L genom att elektrofermentera vid en konstant potential på +1,32 V. Vidare har den senaste forskningen utforskat elektrofementering för att producera butanol från solvogeniska Clostridia med hjälp av metylviologen och optimering av katodpotentialen. Forskningen har visat en lovande förbättring av butanolproduktionen, och uppnådda resultat visar att detta kan bli en kostnadseffektiv metod för bio-butanolproduktion.

Metanproduktion genom elektrometanogenes har också visat stor potential. Direkt elektronöverföring från katoder till arkeebiofilmer har observerats, särskilt i arter som Methanobacterium palustre. Elektrofementering har visat sig öka metanproduktionen med upp till 50 % genom att tillföra elektroner direkt till mikroorganismer utan behov av extern väteförsörjning. Speciellt har den applicerade spänningen en avgörande roll för att främja tillväxten av väteotrofiska metanogener, och metanproduktionen kan öka med 22,4 % jämfört med traditionell anaerob nedbrytning.

Metodens effektivitet har bekräftats genom användning av grafit i elektrofementeringssystem för att öka metanproduktionen, där den maximala metanproduktionen ökade med 72,2 %. Även om det fortfarande är på forskningsstadiet, har denna metod potential att användas i industriella tillämpningar för metanproduktion, särskilt när det gäller att optimera elektrodförhållandena och mikroorganismpopulationen i reaktorer.

Förutom bioenergi kan EF-teknologi också användas för att producera andra värdefulla kemikalier. Till exempel har elektro-katodisk fermentering av glycerol till 1,3-propanediol (1,3-PDO) med blandade mikrobiella populationer visat att strömmen kan förbättra produktionen av denna kemikalie från 24,8 % till 50,1 %, vilket leder till en metabolsk förskjutning från propionat till 1,3-PDO.

MES och EF har visat sig vara mycket lovande för produktion av både bioenergi och högvärdiga kemikalier. Men dessa teknologier är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium och kräver betydande forskningsinsatser för att de ska kunna implementeras praktiskt och användas industriellt. Det finns fortfarande tekniska och ekonomiska hinder att övervinna, såsom behovet av att utveckla elektroder med högre prestanda och reducera energiförbrukningen, men potentialen för att dessa metoder ska revolutionera industrin är uppenbar.

En av de största fördelarna med MES är att den tillåter användning av koldioxid som substrat, vilket gör det möjligt att omvandla en växthusgas till användbara produkter. Acetate, en av huvudprodukterna i MES, har hög selektivitet och kan användas som en mellanprodukt för att skapa ännu mer värdefulla kemikalier. Produktion av acetic acid med MES har potential att konkurrera med traditionella metoder, som är beroende av fossila bränslen och farliga katalysatorer. Trots att MES fortfarande är dyrt i drift, innebär användningen av biologiska katalysatorer och minskade utsläpp av föroreningar att denna metod har långsiktig potential att bli mer kostnadseffektiv.

Vidare har forskningen visat att fluidiserade bäddreaktorer kan förbättra produktionen av acetate. Genom att optimera dessa system har forskare uppnått betydande förbättringar i produktionstakten och den totala volymen av producerad acetic acid. Detta innebär att MES-teknologi kan få stor betydelse inom livsmedelsindustrin, särskilt i produktionen av vinäger.

Hur elektro-fermentation kan omvandla CO2 till polymerkedjor och andra värdefulla produkter

Elektro-fermentation (EF) är en lovande, men ännu inte fullt utforskad bioteknologisk metod som potentiellt kan revolutionera produktionen av biologiska produkter genom att utnyttja elektricitet för att stimulera mikrobiella processer. Vid denna process används elektroder för att leverera elektroner till mikroorganismer, vilket förändrar deras metabolism och gör det möjligt för dem att producera värdefulla ämnen som polyhydroxybutyrat (PHB) och mevalonat. Den senaste forskningen har visat på ett flertal fördelar med denna teknik, men också på många komplexa utmaningar som fortfarande måste lösas innan den kan skalas upp för kommersiell användning.

I den elektrokemiska miljön sker en rad biokemiska förändringar hos mikroorganismer som kan leda till högre utbyte och effektivare produktion av önskade metaboliter. I ett experiment som involverade Ralstonia eutropha, en bakterie känd för sin förmåga att producera PHB, visades det att elektro-fermentation kunde förbättra syntesen av detta polymer genom att justera de elektrokemiska förhållandena. Forskningen visade även på hur specifika enzymer, som NADH-dehydrogenas och formiatdehydrogenas, är kopplade till ökad PHB-syntes (Li et al., 2023). Denna upptäckt ger ny förståelse för hur vi kan styra mikrobiella cellers genetik och elektrodinteraktioner för att optimera produktionen av biopolymerer.

En annan viktig aspekt av EF är integrationen av specifika biosyntetiska vägar i genetiskt modifierade organismer. Ett exempel på detta är arbetet med Escherichia coli som var genetiskt utrustad med mevalonatvägen. Genom att kombinera denna vägen med elektro-fermentationstekniken, där elektroner tillfördes via elektroder, kunde forskare förbättra produktionen av mevalonat – en viktig byggsten för flera typer av bioenergi och kemikalier. Denna metod resulterade i en märkbar ökning av mevalonatproduktionen under de experimentella förhållandena (Matsumoto et al., 2023). Dessa framsteg visar på potentialen för att ytterligare förbättra mikrobiell produktion av andra högvärdiga kemikalier.

Trots dessa lovande resultat är det fortfarande många tekniska och vetenskapliga utmaningar kvar att övervinna för att elektro-fermentation ska kunna användas på industriell skala. En av de största hindren är den begränsade förståelsen för hur elektroder och mikroorganismer interagerar på molekylär nivå. De nuvarande modeller som har utvecklats för att förstå elektro-fermentationens mekanism är ofta baserade på enkla kulturer och har inte nödvändigtvis applicerbarhet i komplexa mikrobiella samhällen. Eftersom olika mikroorganismer kan reagera på elektroder på mycket olika sätt är det svårt att förutsäga och modellera reaktionerna i blandade mikrobiella kulturer, vilket gör det svårt att designa effektiva reaktorer och processer.

För att kunna skala upp denna teknologi krävs mer forskning för att bättre förstå mikroben-elektrod-interaktioner och för att utveckla designkriterier för reaktorer som är optimerade för EF. I dagens läge använder de flesta EF-processerna bioreaktorer som är specifikt designade och optimerade för särskilda processer, till exempel mikrobiella bränsleceller eller elektrolysatorer för produktion av väte eller metan. Men när det gäller elektro-fermentation för produktion av kemiska metaboliter är det inte nödvändigtvis den höga strömtätheten som är den avgörande designparametern, utan snarare balansen mellan kolflöde och produktivitet. Detta öppnar för möjligheten att använda konventionella anaeroba bioreaktorer utrustade med elektroder för att påbörja uppskalning av elektro-fermentation, vilket skulle kunna sänka kostnaderna och förenkla processen.

Flera faktorer som elektrodens yta, morfologi, topografi och geometri måste också beaktas när man designar nya system för elektro-fermentation. Eftersom dessa faktorer är dåligt förstådda idag är de ett hinder för att fullt ut kunna utnyttja teknologins potential. Det är därför av yttersta vikt att ytterligare forskning inriktas på att kartlägga dessa mikrostrukturernas påverkan på processens effektivitet.

När man överväger elektro-fermentation som ett alternativ för att minska växthusgasutsläpp, såsom koldioxid, bör man också tänka på den bredare bildens potential för en cirkulär kol-ekonomi. Om teknologin utvecklas till en punkt där den kan användas effektivt för att omvandla CO2 till polymerkedjor och andra användbara produkter, skulle den kunna spela en central roll i att skapa ett mer hållbart och resurseffektivt samhälle. Denna process kan, i sin tur, bidra till att minska beroendet av fossila bränslen och ge nya möjligheter för produktion av biopolymerer och andra värdefulla biokemikalier.

Hur risker och utmaningar med förfalskade komponenter hotar säkerheten och innovationen inom elektronik
Vad kan man förvänta sig från fågelskådning vid Tobermory och Hawsen Burn?
Hur du kan skapa din egen fiskeflotta och andra unika aktiviteter längs Oregonkusten
Vad är de främsta tekniska aspekterna för effektiv drift av koncentrerad solenergi (CSP)?