Gescher, JohannesJohannesGescher1302114510000-0002-1625-8810Rominger, LeonieLeonieRominger2025-10-222025-10-222025Technische Universität Hamburg (2025)https://hdl.handle.net/11420/58112Mithilfe der mikrobiellen Elektrosynthese (MES) kann Kohlenstoffdioxid aus industriellen Punktquellen mit regenerativ erzeugtem Strom biologisch katalysiert in chemische Energieträger umgewandelt werden. Anoxische MES-Prozesse finden bereits industrielle Anwendung, etwa zur Produktion von Essigsäure oder Methan. Jedoch sind die Biomasseausbeuten gering und das Produktspektrum ist begrenzt. Im Gegensatz dazu ermöglicht die oxische mikrobielle Elektrosynthese (oMES) die Herstellung hochwertiger Produkte sowie Biomasse. Biofilm-basierte oMES-Prozesse sind bislang jedoch unzureichend charakterisiert, insbesondere hinsichtlich ihrer Energieeffizienz. Es fehlen Studien, die die Effizienz über verschiedene Stadien des Biofilmwachstums analysieren. Der Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf das mikrobielle Wachstum, aber auch auf die Effizienz des Prozesses, wurde bisher nicht hinreichend verstanden. Zudem mangelt es an Methoden zur kontinuierlichen Biofilm-Ernte und Untersuchungen zum Einsatz industriellen Rauchgases als Substrat. In dieser Arbeit wurde die oMES mit dem Knallgasbakterium Kyrpidia spormannii betrieben. Das verwendete bioelektrochemische System erlaubte eine nicht-invasive Quantifizierung des Biofilms mittels optischer Kohärenztomographie (OCT). So konntenWachstumskinetiken aufgenommen werden, die das Potential für das schnellste Biofilmwachstum bei -375mV bis -500mV vs. SHE bestimmten. Des Weiteren konnte die Coulomb’sche Effizienz über die Prozessdauer bestimmt werden. In der effizientesten Phase lag diese bei 100 %. An diesem Punkt traten keine systemseitigen Elektronenverluste auf, wodurch die oMES-Kultivierung dieselbe Effizienz wie eine Knallgasfermentation erreichte, jedoch ohne den Nachteil einer explosionsfähigen Gasmischung. Mithilfe einer Modellierung des Biofilmwachstums konnten der Sauerstoffbedarf für die aktuelle Wachstumsphase des Biofilms vorhergesagt und Elektronenverluste durch Sauerstoffreduktion verringert werden. Der Energiebedarf des oMES-Prozesses war mit 35,8 kWh für die Produktion von 1 kg Biotrockenmasse ebenfalls konkurrenzfähig zu einer zweistufigen Knallgasfermentation. Es wurde eine Methode zur Ernte des Biofilms über Wasserstoffblasen entwickelt. Der Biofilm konnte sich nach der partiellen Ernte wieder regenerieren. Die geerntete Biomasse hatte einen Proteingehalt von knapp 62 %. Durch Zugabe eines synthetischen Polymers konnte die initiale Wachstumsphase des Biofilms bis zur vollständigen Elektrodenbedeckung verkürzt werden. Zuletzt wurde gezeigt, dass die Verwendung von industriellem Rauchgas als Substrat keine Inhibierung des Wachstums bewirkte.With the help of microbial electrosynthesis (MES), carbon dioxide from industrial point sources can be converted into chemical energy storages under biocatalysis, using electricity generated from renewable sources. Anoxic MES processes are already being used in industry, for example for the production of acetic acid or methane. However, the biomass yields are low and the range of products is limited. In contrast, oxic microbial electrosynthesis (oMES) enables the produc tion of more valuable products and biomass. However, biofilm-based oMES processes have so far been insufficiently characterised, particularly with regard to their energy efficiency. There is a lack of studies analysing efficiency across different stages of biofilm growth. The influence of oxygen concentration on microbial growth, but also on the efficiency of the process, is not yet sufficiently understood. In addition, there is a lack of methods for continuous biofilm harvesting and investigations into the use of industrial flue gas as a substrate. In this work, the oMES was operated with the Knallgas-bacterium Kyrpidia spormannii. The bioelectrochemical system used allowed non-invasive quantification of the biofilm using optical coherence tomography (OCT). This allowed to record growth kinetics, which determined the potential for the fastest biofilm growth at-375mV to-500mV vs SHE. Furthermore, the Coulombic efficiency could be determined over the process duration. It was 100% in the most efficient phase. At this point, no system-side electron losses occurred, meaning that oMES cultivation achieved the same efficiency as Knallgas fermentation, but without the disadvantage of handling explosive gas mixtures. By modelling biofilm growth, the oxygen demand for the current growth phase of the biofilm could be predicted, and electron losses resulting from oxygen reduction could be reduced. With 35,8kWh for the production of 1kg dry biomass, the energy requirement of the oMES process was also competitive with a two-stage Knallgas fermentation. A method was developed to harvest the biofilm via hydrogen bubbles. The biofilm was able to regenerate after being partially harvested. The harvested biomass had a protein content of around 62%. By adding a synthetic polymer, the initial growth phase of the biofilm until complete electrode coverage could be shortened. Finally, it was shown that the use of industrial flue gas as a substrate did not inhibit growth.dehttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Oxic microbial electrosynthesisKyrpidia spormanniiHydrogen oxidizing bacteriaEnergy efficiencyCoulombic efficiencyNatural Sciences and Mathematics::572: BiochemistryTechnology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.2: Chemical EngineeringNatural Sciences and Mathematics::579: Microorganisms, Fungi and AlgaeDoctoral Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1602210.15480/882.16022Pörtner, RalfRalfPörtnerOther