Hur kan mörk jäsning och elektro-jäsning användas för CO2-konvertering och produktion av värdefulla produkter?

Mikrobiella elektrokemiska system (METs) har framträtt som lovande teknologier för att omvandla koldioxid (CO2) och organiskt avfall till bioenergi och bioprodukter. Dessa system är baserade på elektroaktiva mikroorganismer som katalyserar bioelektrokemiska reaktioner, vilket gör det möjligt att omvandla avfall till användbara produkter. En viktig aspekt av dessa system är deras förmåga att separera oxidation och reduktion vid anoden respektive katoden under atmosfäriska förhållanden. En sådan teknik, mikrobiell elektrosyntes (MES), gör det möjligt att reducera CO2 med hjälp av elektroner som doneras vid katoden. Samtidigt innebär elektro-fermentation (EF) kontroll av fermentationsvägar med hjälp av ett externt applicerat elektriskt potential, vilket kan leda till effektivare produktion av värdefulla kemikalier från organiskt avfall.

Ett intressant och relevant system för omvandling av CO2 och organiskt avfall är den mörka jäsningen (dark fermentation, DF), som omvandlar organiskt material till produkter som ättiksyra, butansyra och väte (H2). Mörk jäsning använder en process där mikroorganismer som väteproducerande bakterier omvandlar kolhydrater som glukos till pyruvat genom glykolys, vilket leder till produktionen av ATP och reducerar NADH till NAD+. Enzymer som väteas och pyruvat-ferredoxin-oxidorreductas omvandlar pyruvat till väte, CO2 och acetyl-CoA. När dessa produkter produceras i DF-systemet kan de användas vidare i efterföljande jäsningssteg, vilket gör processen särskilt användbar för biogasproduktion och väteproduktion som ett potentiellt grön bränslealternativ.

Förutom DF, spelar elektro-jäsning en viktig roll i effektiviteten hos dessa system genom att påverka redoxbalansen i miljön vid elektroden. Den så kallade NADH/NAD+ kvoten är central för denna process eftersom den styr cellernas metabolism och energiutvinning. En hög NADH/NAD+ kvot främjar oxidativa processer och underlättar nedbrytning av molekyler för energiproduktion. Denna process, även om den är biologiskt driven, kan vara starkt beroende av externa faktorer, som de elektriska potentialerna och förhållandena runt elektroderna. Genom att finjustera dessa förhållanden är det möjligt att styra både de biologiska och elektro-kemiska processerna för att optimera produktionen av bioenergi och bioprodukter.

Vidare kan det vara intressant att reflektera över det praktiska tillämpandet av dessa teknologier för storskalig CO2-konvertering. Det är viktigt att förstå att de största utmaningarna inte bara ligger i själva den bioteknologiska processen, utan även i den ekonomiska och tekniska infrastrukturen som krävs för att stödja denna typ av cirkulära ekonomi. Detta innefattar utvecklingen av robusta system som är tillräckligt hållbara och effektiva för att kunna hantera stora volymer av avfall och CO2. Det är också väsentligt att överväga de långsiktiga miljöfördelarna som dessa system kan erbjuda, genom att minska mängden koldioxidutsläpp och producera hållbara bioprodukter som kan ersätta fossila bränslen och syntetiska material.

Därför är det inte bara viktigt att förstå de vetenskapliga och tekniska aspekterna av dessa system, utan även att sätta in dem i en bredare kontext av hållbar utveckling och resursåtervinning. I praktiken innebär detta att man måste ta hänsyn till de ekonomiska och samhälleliga förutsättningarna för att implementera sådana teknologier i större skala. Med en global ökning av CO2-utsläpp och en ständigt växande mängd avfall är det avgörande att fortsätta utforska och förbättra dessa processer, för att på sikt möjliggöra en mer hållbar och resurssnål värld.

Hur RFH och OH-tekniker Förbättrar Jäsning och Mikrobiell Kontroll

RFH (Radiofrekvent uppvärmning) överför direkt elektromagnetisk strålning till materialet, vilket skapar en jämnare uppvärmning på grund av den längre våglängden som gör att värmen tränger djupare in i substansen (Altemimi et al., 2019). Denna metod används för att förhindra att skadliga mikrober påverkar processen innan jäsning, till exempel genom att förbehandla vetemjöl (Villa-Rojas et al., 2017). Till skillnad från traditionell uppvärmning ger RFH en mer enhetlig temperaturfördelning. Dessutom, eftersom värmeöverföringen inte involverar direkt kontakt med maten, undviks effektivt föroreningar i den färdiga produkten (Siefarth et al., 2014). Värmen från RFH-apparatens värmespole möjliggör att jäsningsmiljön hålls vid cirka 35°C, vilket efterliknar förhållandena i ett konventionellt jäsningstank.

När det gäller produktiviteten av jäsning och hantering av jäsningsförhållanden erbjuder RFH ytterligare fördelar. Eftersom denna metod kräver en betydande mängd vatten, passar den utmärkt för att producera jäst deg (Bajd & Serša, 2011).

Ohmic uppvärmning (OH), som innebär att en elektrisk ström leds genom smeten, är en annan teknik som får allt mer uppmärksamhet inom livsmedelsbehandling. Energin passerar direkt in i smeten och hindrar att inre fasta delar skadas (Knirsch et al., 2010). OH-tekniken har visat sig användbar i flera livsmedelsbearbetningsprocedurer, inklusive pastörisering, blanchering, extraktion, jäsning, torkning och sterilisering (Ferreira et al., 2019). När det gäller jäsning ger OH både termiska och icke-termiska effekter som kan påskynda processen och minska lagfasen för mikroorganismer. De huvudsakliga effekterna inkluderar snabb temperaturjustering, förbättrad cellpermeabilitet och spridning av mikronäringsämnen från substraten (Gavahian & Tiwari, 2020). OH-tekniken bevarar dessutom de sensoriska och näringsmässiga kvaliteterna på slutprodukten bättre än traditionella metoder och minimerar problem som överhettning och oönskad skalning på ytan (Gally et al., 2017).

Inom cellbiologi och medicin används elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) för att ge viktiga insikter om bakteriers tillstånd. EIS mäter små variationer i de elektriska egenskaperna hos elektroder i realtid och kan därmed analysera biologiska processer som mikrobiell proliferation och biofilmutveckling utan att behöva använda märkning (Saulnier et al., 2024). Andra elektrokemiska metoder, som voltammetri och amperometri, används också för att undersöka mikrobiell aktivitet och resistens mot antibiotika, vilket gör det möjligt att övervaka mikroorganismers förmåga att överföra elektroner till elektroder (Sundaresan et al., 2022).

Vid övervakning av jäsning är vätskekromatografi (LC) ett viktigt verktyg. Pyruvat, som är en indirekt indikator på NADH, är en kofaktor som främjar bakteriell tillväxt. Under vinframställning ger mätning av pyruvinsyra under malo-laktisk jäsning insikt i bakteriernas tillstånd. På samma sätt används LC för att mäta syror som mjölksyra, ättiksyra, propionsyra och smörsyra, som påverkar både kvaliteten och stabiliteten hos mejeriprodukter. Forskning har visat att mängden och variationen av organiska syror i druvsaft är direkt relaterad till dess kvalitet, och detta gäller även vid framställning av surgrädde (Freitag, 2005).

För att producera rekombinanta proteiner föreslår forskare användningen av en pålitlig 1H NMR-metod (Nuclear Magnetic Resonance), som gör det möjligt att övervaka och kvantifiera metaboliter under E. coli-jäsning (Forsberg et al., 2024). Metoden bygger på att kalibrera det elektroniska signalen med en extern referensprov och används för att uppskatta koncentrationen av näringsämnen och metaboliter i jäsningen.

Kombucha-förändringar i mikrofloran har också undersökts med hjälp av en kombination av nära infraröd spektroskopi och en nano-komposit sensorarray för att detektera aktiva komponenter. Forskningen visade att kombuchabrotten innehöll 67 flyktiga kemikalier från 7 olika kemiska familjer, vilket visar på den komplexitet som kan finnas i fermenteringsprocesser (Kang et al., 2023).

Elektrofermentation är ett fält som utforskar hur elektroder kan användas för att förbättra produktionen av biopolymerer och biodiesel eller till och med bioelektricitet. Under syrefria förhållanden kan elektrofermentation användas för att generera kortkedjiga fettsyror (SCFA), som kan användas som mellanprodukter i industriella processer. Detta fenomen har också visat sig vara fördelaktigt för att konvertera fettsyror till vätegas (Marone et al., 2017).

Vid produktion av medelkedjiga fettsyror (MCFA), som till exempel kaprylsyra och kapronsyra, är elektrofermentation effektiv för att extrahera dessa föreningar från jäsningsvätskan. Dessa fettsyror används i många industrier, från biofuelproduktion till framställning av olika råmaterial, och har en fördelaktig egenskap att de är lätta att separera från fermenteringsvätskan med låg kostnad (Agler et al., 2012).

Electro-fermentation har visat sig vara en kraftfull metod för att accelerera och förbättra jäsning och mikrobiell aktivitet, både i traditionella livsmedelsprocesser och i nyare industriella tillämpningar. Metodernas förmåga att bibehålla produktkvalitet och effektivisera produktionen gör dem till ett viktigt verktyg för framtidens hållbara livsmedelsbearbetning och bioenergi.

Hur elektro-fermentation förbättrar produktionen av biogas och andra bioprodukter

Elektro-fermentation, som kombinerar traditionell fermentering med elektrokemiska metoder, erbjuder ett lovande alternativ för att effektivisera produktionen av biogas, alkohol och industriella kemikalier. Trots dess potential är effektiviteten av denna process fortfarande begränsad av långsamma elektronöverföringar, vilket leder till låg produktutbyte. För att öka denna effektivitet kan olika ledande material tillsättas för att förbättra elektronströmmen i systemet. Ytterligare framsteg har lett till användningen av elektroder och processer som drivs under påverkan av elektriska fält.

När mikroorganismerna utsätts för ett elektriskt fält förändras och stabiliseras deras biologiska vägflöden, vilket kan leda till snabbare produktionstider och lägre produktionskostnader. Dock kvarstår stora utmaningar, särskilt i relation till kostnaderna för konstruktionen av dessa system och stabiliteten hos mikrobiella celler vid höga spänningar. Vid högre spänningar kan cellernas livskraft försämras, vilket gör att det fortfarande krävs ytterligare förbättringar för att öka stabiliteten och säkerställa en konsekvent produktivitet.

Det är även viktigt att förstå att elektro-fermentation, trots sina fördelar, inte är en universallösning. Effekten av den elektriska stimuleringen beror i hög grad på den specifika mikroorganismens egenskaper, vilket innebär att metoder för att optimera mikrobiella stammar för dessa processer behövs. Genom att använda exoelektrogener, bakterier som kan överföra elektroner direkt till elektroder, kan man förbättra processens effektivitet. Det krävs dock noggrant optimerade förhållanden för att maximera denna kapacitet.

Vidare innebär implementeringen av elektro-fermentation på industriell nivå inte bara tekniska utmaningar utan också ekonomiska. Utvecklingen av effektiva elektro-fermenteringssystem kräver betydande investeringar i både forskning och infrastruktur. Trots att teknologin har visat lovande resultat för att öka produktionen av växthusgaser som biogas och andra bioprodukter, är frågan om kostnadseffektivitet avgörande för att den ska kunna bli en bredare lösning inom energi- och kemikalieindustrin.

För att maximera potentialen hos elektro-fermentation kan det vara avgörande att förstå de underliggande biologiska och elektrokemiska processerna på en djupare nivå. Det handlar inte bara om att tillämpa elektriska fält på traditionell fermentering, utan om att optimera mikroorganismernas förmåga att överföra elektroner på ett sätt som gynnar både produktionstiden och utbytet. Experimentell forskning som undersöker de olika faktorer som påverkar denna process, som temperatur, pH och näringsämnen, kommer att vara avgörande för att utveckla denna teknologi på ett hållbart sätt.

Därför bör läsaren inte bara fokusera på själva elektro-fermenteringen utan också på de bredare miljömässiga och ekonomiska implikationerna. Elektro-fermentation har potentialen att förändra hur vi producerar energi och kemikalier, men det är en teknologi som kräver finjustering och långsiktig forskning för att nå sin fulla potential. Hållbarheten och effektiviteten i denna process beror i hög grad på förståelsen av de mikrobiella och elektrokemiska mekanismer som ligger till grund för den.

Hur Elektrofermentering Främjar Effektiv Metabolisk Reglering och Produktionen av Biokemiska Substanser

Elektrofermentering, en process som integrerar elektroder med mikrobiell aktivitet, har öppnat nya dörrar för att optimera produktionen av biokemiska ämnen genom mikroorganismer. Genom att införa elektroder i anaeroba digesteringssystem kan man berika bioelektrokemiska system med specifika mikrober, exempelvis Geobacter-species, som koloniserar den anodiska biofilmen och suspenderat slam. Denna process leder till en förbättrad metanogenes, där 50% av metanproduktionen sker genom en okänd metabolisk väg. Här postulerar forskarna en direkt elektronöverföring mellan Geobacter och Methanosaeta, vilket öppnar upp för nya vägar i mikrobiella interaktioner och produktion av energi.

Flera studier har visat potentialen att reglera metaboliska vägar i specifika mikrobiomdrivna fermenteringar genom extramolekylär elektronöverföring (EET) till och från elektroder. Detta optimerar omvandlingen av substrat, som till exempel agroindustriella restprodukter, till önskade produkter. Ett exempel är Flynn et al. (2010), som genetiskt modifierade Shewanella oneidensis för att fermentera glycerol och producera etanol och koldioxid. Detta adresserade obalanserade redoxreaktioner, vilket pekar på denna metods möjliga tillämpning på mer reducerade substrat.

I ett patent (Hafez, 2019) beskrivs en metod där elektrodriven mörkfermentering med ett mikrobiom i en enda kammare bioreaktor används för att producera H2 från olika organiska substrat. Även kemikalier som aceton, butanol, etanol, ättiksyra och smörsyra kan produceras genom liknande metoder med samma system. Toledo-Alarcón et al. (2019) undersökte manipulation av den mikrobiella samhällsstrukturen och metaboliska vägar genom att införa polariserade elektroder för att öka produktionen av H2 i mörkfermentering. Detta tyder på en stor potential för att optimera de biokemiska processerna genom att styra elektronflödet.

Elektrofermentering kan också förbättra glycerolkonversionen och produktutbytet. Selembo et al. (2009) rapporterade att elektrokemiska metoder signifikant ökade produktionen av H2 och bioenergi från ren glycerol. Andra studier visade att glycerolfermentering, när den elektriskt stimulerades, förändrade metabolitproduktionen och ledde till bildandet av alkoholer och medel-långa fettsyror. Däremot förblev produktionen av 1,3-propanediol (1,3-PDO) oförändrad (Dennis et al., 2013). Det har också visats att produktionen av 1,3-PDO från glycerol kan stimuleras genom att tillämpa en potential på 20,9 V eller variera elektriciteten från 1 till 10 A/m² vid den katodiska änden (Zhou et al., 2013, 2015). Forskning har också visat att införandet av en polariserad katod (−700 mV vs. SHE, Standard Hydrogen Electrode) avsevärt ökar produktionen av smörsyra genom att konsumera glukos som substrat av en blandad kultur (Paiano et al., 2019).

I en annan studie rapporterade Dhungana et al. (2023) att samtidig saccarifiering och elektrofermentering förbättrade etanolproduktionen med 12–18% genom användning av svampkonsortier bestående av cellulolytiska isolat som Aspergillus niger och/eller lignocellulolytiska isolat som Ganoderma sessile, samt Saccharomyces cerevisiae (CDBT2). Detta visar på en möjlig väg för att förbättra etanolproduktion genom elektrofermentering.

En grundläggande mekanism för elektrofermentering är att elektroder fungerar som extra elektronkällor och sänkor, vilket möjliggör fullständig kontroll över mikrobiell metabolism. Beroende på reduktionsnivån för det målmetabolit som produceras kan mikrober utnyttja elektroderna som elektronmedlare. Fermenteringsprocessen kan dra fördel av att antingen tillföra eller avlägsna elektroner, vilket är avgörande för att optimera produktdriven elektrofermentering. En studie av en rudimentär EF-modell för glukos och glycerol förutsade mängden metaboliska slutprodukter som kunde skördas. Effektiv kedjelängdsökning i organiska metaboliter kan ske vid ett överskott av redoxcofaktorer som NADH och NADPH, som drivs av katoden för att underlätta specifika reduktionsprocesser. Å andra sidan fungerar anoden, dvs. elektron-sänkan, som en faktor för att förbättra biomassaavkastningen samt förbättra kraftförbrukningen jämfört med konventionell anaerob katabolism. Detta driver på överskott av ATP-syntes och potentiellt ökad biomassa.

Under de senaste åren har fokus för forskning skiftat från exoelektrogene bakterier, som Geobacter och Shewanella, till endoelektrogene mekanismer, där elektronflödet från katoden har en signifikant inverkan på mikrobiell metabol aktivitet. Det har identifierats olika elektronöverföringsmekanismer, som cytochrom dehydrogenaskomplex, periplasmisk väteasmedierad ET och direkt elektronöverföring (DET) via c-typ cytochromer. Dessa mekanismer belyser att elektronöverföring kan bevara energi genom både kopplade och okopplade reaktioner. Nyckelelektronbärare, som cytochromer, ferredoxin, quinoner och flaviner, spelar en avgörande roll i elektrodemikrobinteraktioner och har undersökts för deras katalytiska potential.

I elektrofermentering påverkas mikrobiella katalysatorers interaktioner med elektroder av den applicerade potentialen på elektrodernas yta, vilket inte bara fördubblar den elektrokatalytiska hastigheten utan också gör det möjligt att kontrollera de bakteriemetaboliska vägarna. Denna process är direkt reglerad av den applicerade potentialen och påverkas av närvaron av ledande material i mikrobiomet. Förändringar i externa stimuli påverkar elektronflödets hastighet, vilket ökar specifikationen och plastisiteten i bioelektrokemiska processer.

För att förbättra redoxkinetiken vid den katodiska änden är det fördelaktigt att använda elektroder som främjar ökat reduktionsflöde över produktgenerering. Kolbaserade elektroder som grafitflingor, kolkläde, kolnät och grafit är favoriter på grund av deras ekonomiska fördelar. Dessa elektroder erbjuder högre känslighet, selektivitet och ekonomiskt värde jämfört med ursprungliga elektroder, särskilt när de genomgår ytanpassningar. Tvådimensionella (2D) och tredimensionella (3D) elektrodstrukturer är designade för att tillhandahålla makroporösa konfigurationer med ökad yta för bakterieadhesion och elektrostatiska interaktioner, till skillnad från äldre elektroddesigner.

3D-elektroder främjar effektiv extracellular elektronöverföring (EET) mellan mikroorganismer och elektroder, vilket gör dem mer fördelaktiga än traditionella 2D-elektroder för elektrofermentering.