Bakterien mit Strom füttern

Reaktoren für die Elektrobiotechnologie fit machen

  • © André Künzelmann, UFZ.© André Künzelmann, UFZ.
  • © André Künzelmann, UFZ.
  • Abb. 1: Beispielhafte mikrobielle Elektrosynthesen: An der Anode findet die selektive Oxidation eines Edukts zu höherwertigem Produkt statt. An der Kathode wird CO2 zum beispielhaften Produkt Acetat reduziert.
  • Abb. 2: Schematische Darstellung des Reaktor-Gefäßes (grau) mit Magnetrührer am Boden (rot), der inneren Reaktionskammer mit Membran-Fenstern (blau) und des speziellen Reaktordeckels mit Durchführungen (rot).
  • Abb.3: Reaktoreinsatz mit innerer Reaktionskammer, Deckel mit Dichtung, sowie Elektroden (Foto: Sebastian Wiedling, UFZ).

In der Natur sind zahlreiche biologische Prozesse mit der Übertragung von Elektronen verbunden, insbesondere die Stoffwechselprozesse zur Energiegewinnung aller Organismen. Technische Systeme zur elektrischen Energiegewinnung, zur Synthese bestimmter Produkte mittels elektrischen Stroms oder zur elektrischen Signalbildung in Messsystemen basieren auf denselben Grundprinzipien der Elektrochemie. Daher ist die Kopplung von Elektronenflüssen in biologischen und technischen Systemen nur folgerichtig und steht im Mittelpunkt der Elektrobiotechnologie [1].

Breiten wissenschaftlichen Aufschwung erlebte ca. ab den 1980iger Jahren die Entwicklung elektrochemischer Enzym- bzw. Ganzzell-Biosensoren für die klinische Diagnostik, den Lebensmittel- und Umweltbereich. Ganze Zellen oder Enzyme werden auf Elektroden immobilisiert und die analytische Information aus der enzymatisch-elektrochemischen Reaktion der nachzuweisenden Substanz gewonnen. Bekanntestes, längst im Alltag angekommenes Beispiel, ist das Blutzuckermessgerät. Dessen Einwegsensor misst den Blutzuckerspiegel in einem Tropfen Blut mittels eines immobilisierten Enzyms (meist Glucoseoxidase), und der generierte Stromfluss wird im Messgerät verarbeitet und als Messwert angezeigt. Ein Elektronenmediator transportiert dabei die Elektronen zwischen dem katalytisch aktiven Zentrum im Enzym und der Elektrodenoberfläche. Das Prinzip des Elektronentransfers über Elektronenmediatoren wird nicht nur in Biosensoren genutzt [2], sondern wurde auch bei Mikroorganismen gefunden, die in ihrer natürlichen Umgebung Elektronen auf feste Elektronenakzeptoren (z.B. Minerale) übertragen [3]. Dazu gehören beispielsweise Bakterien der Gattungen Geobacter, Shewanella und Pseudomonas. In den letzten 15 bis 20 Jahren wurden immer mehr Mikroorganismen entdeckt, die Elektronen aufnehmen oder abgeben können, und zu bestimmten Syntheseleistungen in der Lage sind [4]. Dies führte zur Entwicklung der Elektrobiotechnologie (oder Bioelektrotechnologie) als interdisziplinärem Forschungsgebiet, in dem mikrobielle oder enzymatische Stoffumwandlungen mit dem Fluss von elektrischem Strom kombiniert und nutzbar gemacht werden [5].

Analog zu biotechnologischen Verfahren, wo Mikroorganismen mit Substraten wie z. B. Glucose gefüttert werden, um bestimmte Produkte zu synthetisieren, werden bei elektrobiotechnologischen Verfahren Mikroorganismen mit Strom „gefüttert“ und so die Syntheseleistung gesteuert (Abb. 1). Ziel ist es, mit neuen ressourcenschonenden und potentiell ökonomischeren Verfahren unter Nutzung regenerativ erzeugten Stroms z. B. erdölbasierte chemische Prozesse zu ersetzen. Am Beispiel der Lysin-Herstellung aus Saccharose wurde bereits gezeigt, dass die mikrobielle Elektrosynthese ein realistisches Marktpotential hat [6]. Daher erlebt das Forschungsfeld national wie international einen rasanten und stetig anhaltenden Aufschwung.

Reaktoren für die Elektrobiotechnologie – konventionelle Bioreaktoren fit machen

Elektrobiotechnologische Prozesse können allerdings nicht mit vorhandenen Bioreaktoren systematisch untersucht, entwickelt oder gar umgesetzt werden. Für die notwendigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten muss die Ausstattung der Reaktoren erweitert werden, um den Strom über Elektroden gezielt in den Reaktor zu leiten. Geeignete Systeme sind derzeit noch nicht kommerziell verfügbar, daher werden elektrobiotechnologische Forschungsarbeiten in kleinen Selbstbau-Reaktoren durchgeführt. Systematische Entwicklungen mit optimaler Prozessüberwachung und –steuerung, die Vergleichbarkeit der Ergebnisse untereinander sowie mit etablierten biotechnologischen Verfahren sind damit ebenso wenig gewährleistet wie das upscaling der Prozesse. Um elektrobiotechnologische Verfahren von Grundlagenuntersuchungen über die Prozessentwicklung bis zum Pilot-Maßstab in die Anwendung zu bringen, ist eine Standardisierung der Reaktortechnik unabdingbar [6-8]. Dabei ist es aus unserer Sicht besonders vorteilhaft, wenn auf etablierte Reaktor-Plattformen zurückgegriffen werden kann.

Das hier vorgestellte Aufrüstset [9] umfasst die grundlegenden Elemente zur Ertüchtigung von konventionellen Bioreaktoren für die Elektrobiotechnologie. Dabei kann bereits vorhandene Technik und Infrastruktur zur Anwendung kommen. Bioreaktoren können so reversibel für konventionelle und elektrobiotechnologische Prozesse eingesetzt werden. Kernelemente sind ein spezieller Reaktordeckel mit zusätzlichen Durchführungen und Anschlussmöglichkeiten für die Elektroden und eine innere Reaktionskammer zur Separation von Anoden- und Kathodenraum mittels einer  ionenselektiven Membran (Abb. 2 und 3). Das Aufrüstset wurde bereits für etablierte elektroaktive Kultivierungen und neuartige elektrobiotechnologische Synthesen im 0,5 l Maßstab verwendet [10, 11]. Dabei konnten neue verfahrenstechnische Erkenntnisse durch die Verwendung des Aufrüstsets und die damit verbundene Implementierung von Meß- und Steuerungstechnik gewonnen werden.

Forschungsbedarf und Perspektiven

Wir konnten zeigen, dass konventionelle Bioreaktoren für die Elektrobiotechnologie „fit gemacht“ werden können. Das hier präsentierte Aufrüstset eignet sich mit seinem Stand der Technik für die akademische Forschung, da der Aufwand zur Sterilisierung des Systems für die Durchführung von Reinkulturstudien noch sehr hoch ist. Viele Materialien und Standardausrüstungen aus dem elektrochemischen Bereich sind für den sterilen biotechnologischen Bereich nicht ausgelegt. Hier besteht noch Forschungsbedarf bei der Konstruktion sowie der Verwendung geeigneter hitzestabiler Materialien, z. B. bezüglich des Membranmaterials und seiner Fixierung auf der inneren Reaktionskammer. Zusätzlich müssen Konstruktion und Komponenten scale-up fähig gestaltet werden, damit das Aufrüstset perspektivisch in der Verfahrensentwicklung und Produktion für elektrobiotechnologische Verfahren eingesetzt werden kann. Da mit dem Aufrüstset bestehende Bioreaktorsysteme reversibel erweitert werden können, wird es Anwendern mit nur minimalen Kenntnissen der Elektrochemie möglich, Aufgabenstellungen in der Elektrobiotechnologie zu bearbeiten. Die Kopplung mit der vorhandenen Reaktorinfrastruktur erlaubt die Nutzung der etablierten Prozessüberwachung und -steuerung. Schließlich kann die Entwicklung eines Einweg-Aufrüstsets den Zeitaufwand des Anwenders weiter minimieren. Schlussendlich können mit Hilfe des Aufrüstsets die Vorteile konventioneller Bioreaktoren als langlebige „Arbeitspferde“ der Biotechnologie auch für Forschung und Entwicklung elektrobiotechnologischer Prozesse genutzt werden. Die stetig wachsende Zahl an Publikationen und beschriebener mikrobieller Elektrobiosyntheseverfahren erfordert die adäquate Verfügbarkeit der Reaktortechnik für die Elektrobiotechnologie. Daher sind wir überzeugt, dass diese technische Entwicklung ihren Weg in den Markt finden wird.

Danksagung

Die Autoren danken der Feinmechanischen Werkstatt des UFZ, insbesondere
Peter Portius und Vitalij Jegorow. F.H. dankt dem Bundesmininsterium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie der Helmholtz-Gemeinschaft für die Förderung seiner Nachwuchsgruppe. Diese Arbeiten wurden im Rahmen des Programms Erneuerbare Energien der Helmholtz-Gemeinschaft durchgeführt.

Autoren
B. Strehlitz1, S. Hunger1, A. Kuchenbuch1, L. F. M. Rosa1, F. Harnisch1

Zugehörigkeiten
1UFZ – Helmholtz-Zentrum für
Umweltforschung, Leipzig, Deutschland

Kontakt 
Dr. Ing. Beate Strehlitz

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Leipzig, Deutschland
Beate.strehlitz@ufz.de

Referenzen
[1] M.A. Rosenbaum et al., Biologie in unserer Zeit 43 (2013) 96. DOI: 10.1002/ biuz.201310502
[2] T. Kaláb & P. Skládal, Electroanalysis 6 (1994) 1004. DOI: 10.1002/elan.1140061114
[3] K. Rabaey et al., The ISME Journal 1 (2007) 9. DOI: 10.1038/ismej.2007.4
[4] C. Koch & F. Harnisch, ChemElectroChem 3 (2016) 1282. DOI: 10.1002/celc.201600079
[5] K. Rabaey & R.A. Rozendal, Nat Rev Micro 8 (2010) 706. DOI: 10.1038/nrmicro2422
[6] F. Harnisch et al., ChemSusChem, 8 (2015) 758. DOI: 10.1002/cssc.201402736
[7] F. Harnisch & K. Rabaey, ChemSusChem 5 (2012)1027. DOI: 10.1002/cssc.201100817
[8] M. Sharma et al., Electrochim Acta 140 (2014)191. DOI: 10.1016/j.electacta.2014.02.111
[9] F. Harnisch et al., Aufrüstset für Bioreaktoren zur Durchführung der mikrobiellen Bioelektrosynthese. (2013) DE102013224673A1, EP3077495A1, US20160312167, WO2015082490A1.
[10] L.F.M. Rosa et al., Engineering in Life Sciences 17 (2017) 77. DOI: 10.1002/elsc.201600105
[11] C. Gimkiewicz et al., ChemElectroChem 3 (2016) 1337. DOI: 10.1002/celc.201600175

 

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Permoserstr. 15
04318 Leipzig, Sachsen
Deutschland
Telefon: +49 341 235 1764

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