Elektrobiologie und Ganzzell-Biokatalyse: Die Umwandlung von elektrischer Energie in hochwertige Produkte durch getrennte Anoden- und Kathodenreaktionen.

• Antragsteller: Professor Dr. Ulf-Peter Apfel; Professor Dr. Lars Lauterbach; Professor Dr. Dirk Tischler
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536337083

Dieses interdisziplinäre Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Bioelektrochemie und die Ganzzell-Biokatalyse durch getrennte Anoden-/Kathodenreaktionen für die Produktion von hochwertigen Verbindungen zu erforschen. Für die mikrobielle Synthese an der Kathode wird Escherichia coli mit Modulen zur effizienten Umwandlung von Methan und molekularem Wasserstoff ausgestattet, um die Produktion von Massen- und Feinchemikalien zu ermöglichen. Techniken des Protein-Engineerings werden eingesetzt, um den Elektronentransfer für effiziente elektrogetriebene Biokatalyse zu verbessern. Die Verwendung von H2 als Mediator wird erforscht, um die Methanumwandlung und die Synthese wertvoller Produkte zu optimieren. Eine effiziente elektroenzymatische Bio-Konversion von C1-Quellen an der Anode wird durch die Implementierung einer Enzymkaskade und Elektroden-Engineering erreicht. Dieser Ansatz ermöglicht eine modulare Enzymimmobilisierung, effektiven Elektronentransfer, Stabilität von Mediatoren und einfache Produktentfernung. Lipasen können ebenfalls eingesetzt werden, um die Effizienz des Systems zu verbessern. Um Redoxreaktionen zu optimieren, wird die Zero-Gap-Elektrolyse-Technik zusammen mit selektiv durchlässigen Membranen eingesetzt, um Bakterien und wertvolle Produkte zu schützen. Eine umfangreiche Charakterisierung der Elektrolysezellen mittels Mikroskopie- und Bildgebungstechniken erlaubt die Zusammensetzung und Bedingungen von Anoden- und Kathodenmaterialien zu optimieren. Prozessgestaltung und mathematische Modellierung werden eingesetzt, um elektrogetriebene Syntheseprozesse zu optimieren, unter Berücksichtigung sowohl von H2-getriebenen als auch von CO2-fixierenden Produktionssystemen. Diese Modelle werden die Optimierung von Prozessparametern, Elektroden-Engineering und mikrobieller/enzymatischer Elektrosynthese leiten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2240: Bioelektrochemische und ingenieurwissenschaftliche Grundlagen zur Etablierung von Elektro-Biotechnologie für die Biosynthese - eBiotech