Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik (BioVT)

Elektrobiotechnologie

Die Stromgewinnung mit Mikroorganismen in Form der mikrobiellen Brennstoffzelle (MFC, Abgabe von Elektronen an die Arbeitselektrode) ist bereits seit über einem Jahrhundert bekannt und vielfach betrachtet worden. Die mikrobielle Elektrosynthese hingegen (MES, Aufnahme von Elektronen von der Arbeitselektrode) wird erst seit wenigen Jahren detaillierter untersucht, wobei der bisherige Fokus vornehmlich auf der Bioremediation lag. Die Aufnahme von Elektronen von einer Elektrode oder von einer chemischen Substanz (Elektronenmediator) verschiebt das Redoxgleichgewicht des Pyridin Nukleotid Pools des Mikroorganismus in Richtung NADH. Durch diese erhöhte Verfügbarkeit reduzierter Kofaktoren, können die MES Systeme für die Produktion reduzierter Produkte, wie Butanol und Ethanol genutzt werden. Bioelektrochemische Systeme (BES) existieren bisher noch nicht im industriellen Maßstab. Verschiedene Autoren stellten jedoch erste ökonomische Betrachtungen für BES im großen Maßstab auf. Die Autoren berechneten, dass der aktuelle Preis pro Elektron in einem BES niedriger oder vergleichbar ist mit dem Preis eines Elektrons, welches aus Zucker (Saccharose) gewonnen wird. Dabei wurden nur kathodische Reaktionen betrachtet, zusätzliche Wertschöpfung durch eine anodische Reaktion bzw. die Bereitstellung der Elektronen an der Anode durch Mikroorganismen wurden nicht eingerechnet. Erste Dimensionsberechnungen am Beispiel der Lysin-Produktion erreichten zudem vergleichbare Fermentergrößen für ein BES und eine konventionelle Fermentation mit Kosteneinsparungen von 8,4 % in Europa und 18 % in den USA bei Einsatz des BES. Elektrobiotechnologische Prozesse könnten damit in Zukunft kostengünstige Produktionen von Grundchemikalien und Biokraftstoffen erlauben. Das Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit der Entwicklung neuartiger Reaktoren für elektrobiotechnologische Prozesse, der Untersuchung der Elektronentransportprozesse und der Produktbildung unter Anlegen eines Potentials.

Kooperationspartner

Prof. Dr. Dirk Holtmann (TH Mittelhessen)

Prof. Dr. Nils Tippkötter (FH Aachen)

StatusLaufendes Projekt
FördermittelgeberLandesförderung Rheinland-Pfalz (Grundfinanzierung)
Förderzeitraum01/2019-12/2021
Förderkennzeichen-
Mitarbeiter/-InnenM. Sc. Jan-Niklas Hengsbach

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

  • M. Stöckl, C. Schlegel, A. Sydow, D. Holtmann, R. Ulber, K.-M. Mangold (2016) Membrane Separated Flow Cell for Parallelized Electrochemical Impedance Spectroscopy and Confocal Laser Scanning Microscopy to Characterize Electro-Active Microorganisms. Electrochimica Acta 220, 444-452 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.10.057doi.org/10.1016/j.electacta.2016.10.057
  • A. Sydow, Th. Krieg, R. Ulber, D. Holtmann (2017) Growth medium and electrolyte – how to combine the different requirements on the reaction solution in bioelectrochemical systems using Cupriavidus necator. Eng. Life Sci. 17, 781–791 https://doi.org/10.1002/elsc.201600252doi.org/10.1002/elsc.201600252
  • M. Engel, D. Holtmann, R. Ulber, N. Tippkötter (2018) Increased biobutanol production by mediator-less electro-fermentation; Biotechnology Journal, DOI: 10.1002/biot.201800514
  • T. Arinda, L. Philipp, D. Rehnlund, M. Edel, J. Chodorski, M. Stöckl, D. Holtmann, R. Ulber, J. Gescher, K. Sturm-Richter; Addition of Riboflavin-Coupled Magnetic Beads increases Current Production in Bioelectrochemical Systems via the Increased Formation of Anode-Biofilms; Frontiers in Microbiology, section Microbiotechnology, Ecotoxicology and Bioremediation (10) 126; doi: 10.3389/fmicb.2019.00126 
  • M. Engel, A. Gemünde, D. Holtmann, C. Müller-Renno, C. Ziegler, N. Tippkötter, R. Ulber; Clostridium acetobutylicum’s connecting world: cell appendage formation in bioelectrochemical systems; ChemElectroChem (2019) https://doi.org/10.1002/celc.20190165
  • S. Bormann, M.M.C.H. van Schie, T. Pedroso De Almeida, W. Zhang, M. Stöckl, R. Ulber, F. Hollmann, D. Holtmann; H2O2 Production at Low Overpotentials for Electroenzymatic Halogenation Reactions; ChemSusChem 2019, 12, 4759– 4763, DOI : 10.1002/cssc.201902326
  • M. Engel, H. Bayer, D. Holtmann, N. Tippkötter, R. Ulber; Flavin secretion of Clostridium acetobutylicum in a bioelectrochemical system - Is an iron limitation involved? Bioelectrochemistry https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2019.05.014
  • F. Perz, S. Bormann, R. Ulber, M. Alcalde, P. Bubenheim, F. Hollmann, D. Holtmann, A. Liese; Enzymatic oxidation of butane to 2-butanol in a bubble column; ChemCatChem (2020)

    https://doi.org/10.1002/cctc.202000431

  • S. Bormann, D. Hertweck, S. Schneider, J.Z. Bloh, R. Ulber, A.C. Spiess, D. Holtmann; Modeling and Simulation-Based Design of Electroenzymatic Batch  Processes catalysed by Unspecific Peroxygenase from A. aegerita; Biotechnology and Bioengineering (2020) im Druck

  • H. M. Fruehauf, F. Enzmann, F. Harnisch, R. Ulber, D. Holtmann; Microbial electrosynthesis - an inventory on technology readiness level and performance of different process variants; Biotechnology Journal (2020) http://dx.doi.org/10.1002/biot.202000066


  • M. Engel, H. Bayer, R. Ulber, N. Tippkötter  (2017), Electrochemical acetone-butanol-ethanol fermentation: butanol production and side reactions, 5. Workshop der Plattforminitiative Mikrobielle Bioelektrotechnologie der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, Frankfurt
  • M. Engel, A. Gemünde, H. Bayer, R. Ulber, N. Tippkötter (2018) Possibilities for electron transfer during electro-fermentation with Clostridium acetobutylicum, Mikrobielle Elektrotechnologien – Eine Plattforminitiative für Deutschland, Karlsruhe
  • M. Engel, H. Bayer, R. Ulber, N. Tippkötter (2018) Where do flavins in electro-fermentations with Clostridium acetobtuylicum come from?, 4. europäisches Meeting der „International Society for Microbial Electrochemistry and Technology, Newcastle upon Tyne, Großbritannien.
  • M. Engel, H. Bayer, R. Ulber, N. Tippkötter (2018) Kommt es in Elektrofermentationen mit Clostridium acetobutylicum zu einer Eisenlimitierung?, ProcessNet-Jahrestagung und 33. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen 2018, Aachen
  • M. Engel, R. Ulber, N. Tippkötter (2018) Investigation of the product spectrum in electrode assisted acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation, Himmelfahrtstagung 2018: “Heterogeneities – A key for understanding and upscaling of bioprocesses in up-and downstream”, Magdeburg
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