Exploring the solution space for carbon fiber based electrodes in bioelectrochemical systems

• Untersuchung des Lösungsraums für carbonfaserbasierte Elektroden in bioelektrochemischen Systemen

Pötschke, Liesa; Blank, Lars M. (Thesis advisor); Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Microbial Electrochemical Technologies (MET) beschreiben neuartige bioökonomische Technologien für Bereiche wie Abfallverwertung, grüne Synthesen, Bioremediation, u.v.m. Ihr Schlüsselelement sind spezielle - elektroaktive - Mikroorganismen, welche in Bioelektrochemischen Systemen (BES) Elektronen auf eine Elektrode übertragen oder von dieser aufnehmen. Allerdings werden die mikrobiellen Fähigkeiten oft nicht ausgenutzt und stehen so der Marktreife von MET im Weg. In diesem Kontext sollten BES Komponenten, die oft aus elektrochemischen Systemen übernommen werden, besser an die speziellen Bedingungen in BES angepasst werden. Diese Arbeit enthält ein systematisches Screening von kommerziellen Carbonfaser(CF)-Geweben für die Anwendung als Elektroden in BES. Die Untersuchungen umfassen alle Bereiche vom Carbonfilament, der kleinsten Einheit einer CF, bis hin zur Gewebeebene; wobei auch die dreidimensionale Integration der Elektroden in BES Reaktoren betrachtet wird. Vorab werden die zwei bekanntesten elektroaktiven Modellorganismen Geobacter sulfurreducens PCA und Shewanella oneidensis MR-1 bzgl. ihrer Interaktion mit CF Elektroden charakterisiert. Eine Kinetik vom Michaelis-Menten-Typ bringt die bakterielle Stromproduktion mit der Elektronendonor-Konzentration in Zusammenhang. Die Schlüsselparameter jmax (maximale Stromproduktion) und kS,app (apparente Sättigungskonstante bzgl. Elektronendonor) spiegeln die unterschiedlichen Physiologien sowie Elektronen-Transfer-Mechanismen der Organismen wider. Ein Hauptergebnis ist, dass die vielseitige Physiologie von S. oneidensis die Detektion von Elektrodentopologien im µm-Bereich ermöglicht. Die Evaluierung von Materialeigenschaften wird daher in BES mit S. oneidensis durchgeführt. Verschiedene Testreaktoren werden für die Bewertung von Einzelfasern (Fiber BES) und Gewebe (Fabric BES) verwendet, um einzelne Materialeigenschaften möglichst unabhängig untersuchen zu können. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass sowohl die zugrundeliegenden CF-Eigenschaften als auch Webparameter herangezogen werden können, um die bakterielle Stromproduktion zu erhöhen. Ein Haupteinflussparameter ist die Faserart (kontinuierliches multifilament, CM, oder streckgerissenes Garn, SB), wobei SB-Gewebe mit die höchsten Stromdichten aller untersuchten Gewebe erreichen. Auf Gewebe-Ebene werden verschiedene Bindungsarten ausgewertet. Näher untersucht werden Leinwand- und Drehergewebe für den Einsatz in zwei BES-Typen, unterteilt in 1) BES mit undefinierten Mischkulturen und feststoffhaltigen Elektrolyten, wie z.B. Abwasser-behandelnde BES, und 2) BES mit Rein- oder definierten Mischkulturen und feststofffreien Elektrolyten mit Ausnahme der Biomasse. Ein Leinwandgewebe wird exemplarisch für eine Anwendung in BES Typ 1 optimiert. Hierfür werden Webparameter variiert, welche wiederum die Gewebedichte (Grad der Auswebung) und die Materialstärke bestimmen. Es wird deutlich gezeigt, dass die Maximierung von Stromdichte und Materialausnutzung gegeneinander abgewogen werden müssen. Bereits bei geringen Gewebedichten ist ein beträchtlicher Teil des CF Materials nicht für die bakterielle Stromproduktion verfügbar. Das Drehergewebe wird besonders für BES Typ 2 in Erwägung gezogen. Verschiedene Voruntersuchungen zeigen, dass ein solches Elektrodenmaterial besonders vielversprechend ist, da es durch große Poren im cm-Bereich sehr hohe Elektroden-Packungsdichten in gerührten Reaktoren ermöglicht. Insbesondere wird erstmals ein Drehergewebe aus 100 % CF eingeführt. Eine denkbare Anwendung sind traditionelle Bioreaktoren, welche durch Drehergewebe-Elektroden zu BES für die grüne Synthese von Feinchemikalien aufgerüstet werden können.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie [161710]