Hur elektrofermentering kan optimera mikrobiella processer och produktion av värdefulla metaboliter

Geobacter sulfurreducens har visat sig kunna syntetisera etanol med hjälp av glycerol (Gemma, 2014). Vanligtvis, när fermentativa bakterier inte uppvisar elektroaktivt beteende, tillsätts lösningsmedelsmedel som redoxmediatorer i fermenteringsmediet för att skapa en gynnsam extracellulär oxidations-reduktionspotential (ORP) (Thrash & Coates, 2008). Dessa elektrontransportörer, såsom neutral röd och metylviologen, kan genomgå kontinuerliga oxiderings- och reduktionscykler mellan elektroden och de fermentativa bakterierna (Sturm-Richter et al., 2015). Dessutom kan fermenteringsprodukter som H2, formiat och acetat fungera som medier för att syntetisera andra önskvärda produkter (Moscoviz et al., 2016). Det pågår även ansträngningar för att införliva elektroaktiva egenskaper i metabolt modifierade fermentativa stammar och för att ingenjörs elektroaktiva bakteriestammar för att assimilera olika kolbaserade substrat (Flynn et al., 2010).

Elektroderna i elektrofermentering (EF) fungerar som icke-lösliga elektronacceptorer (anod) och donatorer (katod), vilket inte begränsar stegen utan stärker de elektrokemiska reaktionerna. Elektronöverföring mellan elektroder och elektrogener kan ske via direkt kontakt, nanotrådsliknande förlängningar (ledande pili) av elektroaktiva bakterier, redoxmediatorer eller extracellulära polymera substanser som frigörs vid biofilmformation (Choi & Sang, 2016). Dessa elektronöverföringar främjar ett effektivt elektronflöde under anodisk EF och omvandlingen av substrat till önskade reducerade produkter under katodisk EF.

Elektrisk ström i EF anses ofta vara en autonom fermenteringsprocess som underlättas av en elektrod som fungerar som en drivmekanism (Flynn et al., 2010). Medan MFC strävar efter att optimera elektronegenereringseffektiviteten genom elektricitet, fokuserar EF på att använda elektroden för att modifiera de metaboliska vägarna för organisk substratfermentering (Moscoviz et al., 2016). EF-koefficienten här är analog med "coulombisk effektivitet" i MFC, vilket är förhållandet mellan den laddning som levereras av elektriska kretsar och den totala laddning som ackumuleras i den syntetiserade produkten (Choi et al., 2014). Däremot är EF-koefficienten oftast nära noll, vilket innebär att en låg strömstyrka kan ha en betydande inverkan på fermenteringsmönstret. Å andra sidan är homeostas av redoxpar som NADH/NAD+ på cellulär nivå avgörande för cellulär metabolism (Liu et al., 2013). Majoriteten av de enzym som reglerar metabolismen är känsliga för den intracellulära och extracellulära ORP samt elektronöverföringen kopplad till stabiliteten hos NADH/NAD+-förhållandet (Green & Paget, 2004). NADH/NAD+-förhållandet är vidare beroende av elektronöverföringar faciliterade av elektroder och andra elektronbärare (Choi et al., 2012).

Därför anses ett alkaliskt pH (7,0–12,0) vara ett fördelaktigt parameter som underlättar syntesen av kortkedjiga fettsyror (SCFA), särskilt ättiksyra och propionsyra, både i primärt och sekundärt slam (Yang et al., 2014). Dessutom har undersökningar visat att närvaron av saponin eller isolerade stammar som Citrobacter freundii kan öka syntesen av SCFA (Huang et al., 2016; Yang et al., 2015).

Temperatur har en betydande inverkan på de fakultativa bakteriernas funktion, särskilt i relation till de metaboliska processerna vid olika substrat och pH. Det är därför viktigt att noggrant reglera dessa parametrar för att maximera produktiviteten i fermenteringsprocesserna.

Hur Elektro-fermentering Revolutionerar Biokemisk Syntes: Grunder, Tillämpningar och Hållbarhet

Genom att använda en extern elektrisk ström i fermenteraren, tillhandahåller elektro-fermentering en mer exakt styrning över de biokemiska processerna. Detta leder till en process som inte bara maximerar produktivitet och produktselektivitet, utan också bidrar till hållbara produktionsmål. Elektro-fermentering är därmed en viktig underkategori inom det växande området bioelektrokemiska system (BES) och delar de grundläggande fördelarna med mer miljövänliga biokemiska processer. Denna teknik förväntas spela en central roll i framtidens industriella tillämpningar och kan drastiskt förändra hur vi producerar biokemiska produkter på ett mer hållbart sätt.

När det gäller de mikroorganismer som används inom elektro-fermentering, är de ofta anpassade för att hantera både elektro-kemiska och biokemiska processer. Dessa mikroorganismer kan inkludera bakterier, jäst och svampar som alla är kända för sina förmågor att omvandla organiskt material under syrefattiga förhållanden. Deras förmåga att arbeta i samklang med elektrisk energi ger dem en unik fördel i processer som kräver hög precision och effektivitet, särskilt när det gäller att producera värdefulla biokemikalier såsom väte, alkoholer eller organiska syror.

Elektro-fermentering har visat sig vara särskilt användbar i processer som kräver en kontrollerad elektrisk miljö för att optimera reaktionerna. Ett exempel på detta är produktionen av väte genom elektrolys, där periodisk polvändning och justering av pH-nivåer kan förbättra produktionseffektiviteten. Tekniken har också använts för att optimera produktionen av aminosyror som lysin genom att förändra den elektriska miljön runt mikroorganismerna och därmed öka deras metabolisk kapacitet.

Även om elektro-fermentering fortfarande är i en utvecklingsfas, har det redan visat sig vara en mycket lovande teknik för framtida industriella tillämpningar. Genom att öka produktiviteten och minska energi- och resursförbrukningen, kan denna metod bli en avgörande del av den hållbara biokemiska industrin. Förutom att förbättra befintliga processer, öppnar elektro-fermentering dörrar för helt nya sätt att skapa bioprodukter som tidigare var svåra eller omöjliga att tillverka genom traditionella metoder.

För att denna teknik ska kunna uppnå sitt fulla potential krävs det att vi förstår och kontrollerar de elektrokemiska och biologiska interaktionerna i detaljer. Detta inkluderar att identifiera de bästa mikroorganismerna för specifika produktionssyften, samt att optimera de elektriska parametrarna som påverkar dessa mikroorganismers metabolism. Dessutom är det viktigt att förstå de långsiktiga effekterna av att tillämpa elektro-fermentering på stor skala, både när det gäller ekonomisk lönsamhet och miljöpåverkan.

Den framtida utvecklingen av elektro-fermentering kommer också att påverkas av hur snabbt vi kan skapa effektiva och hållbara elektro-kemiska system, samt förbättra tillgången på nya och mer robusta mikroorganismer som kan stå emot de ofta extrema förhållandena i dessa processer. Det är därför inte bara teknologisk innovation som krävs för att driva denna process framåt, utan även en djupare förståelse för mikrobiologiska och elektrokemiska principer som styr dessa reaktioner.

Endtext

Hur biofilmer och elektroder möjliggör effektiv elektronöverföring och stabilitet i mikrobiella bränsleceller

Biofilmer spelar en avgörande roll i mikrobiella bränsleceller och andra bioelektrokemiska system. Dessa biofilmer, som är sammansättningar av mikroorganismer fästa på elektroder, underlättar elektronöverföringen mellan mikrober och elektroder. Det som gör dessa biofilmer särskilt intressanta för bioenergi och miljöteknik är deras förmåga att stödja elektronflödet i system där mikroorganismer kan omvandla organiska ämnen till elektricitet eller andra användbara produkter.

Trots att elektronöverföring via biofilmer är en grundläggande mekanism för dessa system, finns det fortfarande flera faktorer som påverkar dess effektivitet. En sådan faktor är stabiliteten hos mikrobiella biofilmer. För att säkerställa effektivitet och långsiktig funktion krävs stabilisering av biofilmarnas matrix. Detta kan göras genom noggrant val av elektrodmaterial, justering av systemdesignen och optimering av de omgivande miljöförhållandena som pH, temperatur och näringsämnen.

Vidare är elektrodernas material och deras konduktivitet av stor betydelse. Traditionella elektrodmaterial som kol och grafit har visat sig vara effektiva, men nya, mer avancerade material såsom grafennanofibrer erbjuder ännu bättre prestanda när det gäller elektrisk ledningsförmåga och interaktion med mikroorganismer. För att få en stabil och långvarig funktion i system som mikrobiella bränsleceller (MFC), elektrolys-celler (MEC) eller mikrobiella elektrosyntessystem (MES), måste elektroderna vara utformade på ett sätt som maximerar den mikrobiella interaktionen och elektronflödet. En sådan design kan exempelvis innebära att elektroderna är optimalt placerade och att flödesmönster och biomassa hålls under lämpliga förhållanden.

Microbial Electrochemical Systems (MES) är ett område där elektroaktiva mikroorganismer används för att konvertera förnybara resurser, inklusive koldioxid, till värdefulla kemikalier och bränslen. Processen kan styras för att minska koldioxidutsläpp och producera bioenergi. För att effektivisera denna konversion måste forskare noggrant kontrollera elektronflödet och mikroorganismernas metaboliska vägar. Detta görs genom att kontrollera elektrodernas redox-potential, vilket innebär att man påverkar elektronflödet och de specifika metaboliska processerna i mikroorganismerna.

Elektro-fermentation är en annan teknik som använder elektrokemisk kontroll för att styra mikrobiella metaboliska vägar. Genom att manipulera det redox-potentialet som mikroorganismer utsätts för, kan specifika ämnen produceras med högre effektivitet och med färre oönskade biprodukter. Denna metod har potentialen att förbättra bioteknologiska processer genom att maximera produktionen av önskade kemikalier eller bränslen och minska avfallet.

För att systemet ska fungera på bästa sätt, krävs det också att man kan kontrollera de viktigaste enzymatiska stegen i mikroorganismernas energiutvinning. Genom att skapa specifika miljöer på elektroderna kan man antingen främja oxidation eller reduktion. Detta innebär att man kan få mikroorganismerna att producera mer elektricitet i en mikrobiell bränslecell eller effektivisera nedbrytningen av organiskt avfall i bioremedieringsprocesser. På samma sätt kan man genom att öka den reducerande potentialen vid katoden förbättra produktionen av vätegas eller andra reducerade kolföreningar som metan och acetat.

Forskningen kring bioelektrokemiska system är fortfarande i ett expansivt skede, men många framsteg har redan gjorts när det gäller att utveckla nya elektrodmaterial och att förstå hur man kontrollerar de mikrobiella processerna genom elektrokemisk styrning. Denna teknologiska utveckling har potentialen att spela en stor roll i utvecklingen av hållbara och cirkulära kolföretag genom att minska beroendet av fossila bränslen och omvandla avfall och förnybara resurser till värdefulla produkter.

Hur elektro-fermentering och bioelektrokemiska system kan bidra till produktionen av värdefulla kemikalier och biobränslen

Elektro-fermentering, en process där elektroder och mikroorganismer används för att omvandla organiska ämnen till värdefulla produkter, har visat sig vara en effektiv metod för att behandla avfall och samtidigt producera biobränslen och kemikalier. Forskning har visat att denna teknik, som involverar användning av elektroaktiva mikroorganismer i bioelektrokemiska system (BES), kan öka effektiviteten i nedbrytningen av organiskt material och produktionen av värdefulla kemikalier.

I en studie av Kim et al. (2020) undersöktes hur elektroden på en katod, som applicerade en potential på −900 mV i förhållande till Ag/AgCl, påverkade nedbrytningen av glycerol till 1,3-propandiol (1,3-PDO), en industrilösning med stort ekonomiskt värde. Genom att använda Klebsiella pneumoniae L17 som ren kultur och olika elektronmedlare, observerades att denna katodpotential ledde till en ökad produktion av 1,3-PDO (35,5 mM), vilket var nästan tre gånger högre än i en traditionell fermentationsprocess utan bioelektrokemiska system (BES). Detta visade på potentialen hos elektro-fermentering att producera industriella kemikalier från förnybara resurser.

I ett annat exempel kombinerades anaerob nedbrytning av jordbruksavfall med bioelektrolys i ett bioelektrokemiskt system för att producera biogas. Vid en spänning på 40 mV uppnåddes en ökad metanproduktion (175,17 ± 81,39 ml/g COD), jämfört med 105,36 ± 40,73 ml/g COD under kontrollförhållanden utan spänningsförsörjning. Det visade att elektrisk stimulering spelar en viktig roll för att förbättra nedbrytningen av organiskt material och öka produktionen av metan.

Ett intressant område inom detta forskningsfält är produktionen av biopolymerer från elektro-fermentering av organiskt avfall. Biopolymerer som polyhydroxyalkanoater (PHA) och polylaktid (PLA) används i allt större utsträckning inom den biologiskt nedbrytbara plastindustrin. Mikroorganismer, som är centrala i BES, används för att både oxidera och reducera organiska ämnen, vilket gör det möjligt att producera både energi och biopolymerer från jordbruksavfall. PHA är en typ av biopolyester som är mycket lik de plastmaterial som traditionellt tillverkas från fossila bränslen, och som kan användas för att skapa plastprodukter med lägre miljöpåverkan.

Forskningen har också visat att elektro-fermentering är effektiv när det gäller att producera kortkedjade fettsyror (SCFA), en viktig metabolit som bildas under acidogen fermentering. SCFA är mycket eftertraktade inom många industrier, bland annat inom livsmedels-, frukt-, dryckes-, polymer- och plastindustrin. Genom att använda teknologier som kombinerar anaerob fermentering med MEC (mikrobiell elektrolys-cell) kan organiskt avfall och koldioxid omvandlas till SCFA, vilket erbjuder en hållbar metod för att omvandla avfall till värdefulla produkter.

Det är viktigt att förstå att elektro-fermentering är en mångsidig teknologi med flera potentiella användningsområden. Förutom att producera biobränslen och kemikalier, kan denna teknik användas för att effektivisera avfallshantering och ge nya lösningar för hållbar utveckling. De elektriska stimuleringarna som används i dessa system spelar en avgörande roll för att öka effektiviteten i de biologiska processerna, och kan även möjliggöra skapandet av nya typer av bränslen och material som tidigare varit svåra att producera.