Closing the green loop: Bioelectrochemical production of value-added commodities from CO2 and other bioprocess waste products


En enorm mängd av kemikalier och bränslen som vårt samhälle använder härrör från fossila källor. Detta gör oss beroende av dessa begränsade resurser, som också har extremt negativa effekter på miljön på grund av frisättning av CO2 som är en viktig växthusgas. Klimatförändringen har nu blivit mer uppenbar och beslutsfattare, forskningsinstitutioner och industrin har börjat främja nya alternativa koncept för framställning av kemikalier och bränslen som krävs i våra samhällen. Ett sådant koncept är bioraffinaderiet, där energi och kemikalier framställs från biomassa i stället för råolja, och där ett oberoende av fossila bränslen främjas. Råvaruproduktion från biomassa har expanderat, men industriella bioprocesser (t ex etanoljäsningar) producerar fortfarande stora mängder av CO2 och andra kolhaltiga avfall. Kan kolet inte återanvändas så kommer det att returneras till miljön, vilket minskar miljöfördelarna av bioprocessen.

Ett hållbart alternativ för produktion av energi och kemikalier är att utveckla teknik som kan återanvända och omvandla kolet i denna typ av avfall till "gröna" produkter. En mycket lovande teknik som idag har uppmärksammats av forskare och ingenjörer är bioelektrokemiska system (BES). I BES använder man mikrober som levande "katalysatorer" för att omvandla kemikalier från en form (avfall) till en annan (förädlade produkter). Detta görs via särskilda mekanismer som mikrober har utvecklat för att få energi till sina metaboliska behov genom att utbyta elektroner med fasta mineraler (t ex järn). Efter miljarder år av mikrobiell evolution har denna förmåga spridit sig till många mikroorganismer, och fascinerande elektronöverföringsmekanismer håller nu på att upptäckas. Lika fascinerande är att mikrober kan, istället för att använda mineraler, utbyta elektroner med ledande ytor som kallas elektroder. En mätbar elektrisk ström produceras av denna elektronöverföring som kan kopplas till omvandling av kol-molekyler från en form till en annan (reduceras eller oxideras). Detta är spännande, eftersom det tillåter oss att integrera begreppet mikrobiell elektronöverföring i en bioprocess, där mikrober tillhandahålls med elektroner på ett artificiellt sätt för att omvandla avfallskol till användbara organiska kemikalier.

I detta projekt ligger fokus på bioelektrokemisk omvandling av CO2 och organiska bi- eller avfalls-produkter från bioetanol- och biodieselindustrin. Dessa processer har valts ut eftersom de ligger till grund förstora industrier i Sverige, och därför kan resultaten ha en direkt påverkan på samhället. Mål-produkter kommer att vara främst alkoholer på grund av deras kommersiella värde och användning inom kemi- och energiindustrin. Vissa bevis har nyligen lagts fram för att just dessa omvandlingar kan ske, men det fortfarande en lång väg att vandra innan vi vet vilka produktionsmekanismer som är involverade. Denna typ av kunskap är central för att kunna påvisa vilka produktkoncentrationer och produktionshastigheter som är konkurrenskraftiga med de som uppnås genom de väletablerade, oljebaserade metoderna.

Per definition är bio-elektro-kemiska system ett tvärvetenskapligt område, och därför är ett tvärvetenskapligt angreppssätt som det som föreslås här nödvändigt för att fortsatt utveckling inom området. Projektet startar med en grundlig undersökning av potentiella mikrobiella "katalysatorer"; i) identifiering av vilka mikrober som är viktiga i processen, ii) vilka särskilda elektronöverföringsmekanismer de utnyttjar, och iii) om dessa konkurreras ut eller gynnas när de hamnar tillsammans med andra relevanta mikrober. När de mest effektiva mikrobiella katalysatorerna valts ut kommer mikrob-elektrod-interaktionerna att förbättras genom att utveckla nya elektrodmaterial som modifierats med grafen. Grafen är ett nyupptäckt material med unika elektriska egenskaper som förväntas revolutionera elektronikindustrin. I detta projekt kommer grafen att användas för att underlätta elektronöverföring från elektroden till mikrober, vilket förväntas öka den biologiska omvandlingshastigheten av kolet. Efter att förbättringar av den mikrobiella katalysatorn och elektrodmaterialet har gjorts kommer systemet att integreras i en ny reaktor som är konstruerad för att fungera med avloppsvatten som enda energikälla. Genom att sammanföra experter från industriell bioteknik, miljöbioteknik, BES design och materialteknik, kommer detta projekt ge banbrytande svar på befintliga industriella och samhälleliga frågeställningar.

Participants

Nikolaos Xafenias (contact)

Forskare at Biology and Biological Engineering, Industrial Biotechnology

Funding

Formas

Funding years 2017–2019

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Latest update

2017-03-14