Gescher, JohannesJohannesGescher1302114510000-0002-1625-8810Golalikhani, MashidMashidGolalikhani2026-06-152026-06-152026Technische Universität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/63475The global energy crisis and fossil fuel impacts highlight the need for sustainable energy carriers such as hydrogen. Microbial electrolysis cells (MECs) can generate hydrogen from organic waste, but their optimization under complex feedstock conditions remains challenging. Accordingly, this study focused on optimizing key parameters to enhance MEC performance. Variation in flow velocity (0.2 and 0.8 mm/s) in Geobacter sulfurreducens and Shewanella oneidensis co-culture biofilms, cultivated in a microfluidic bioelectrochemical system, showed that S. oneidensis exhibited a pronounced flow-dependent response. Higher shear stress produced thinner but more electroactive biofilms, linked to biofilm formation through mechanosensing pathways. To further evaluate system performance, the effects of substrate concentration (20–60%), pH (5–8), and applied anodic potential (−0.2 to +0.4 V vs standard hydrogen electrode [SHE]), in a cylindrical microbial electrolysis cell (Cylindrical-MEC) were also studied. Optimal performance was achieved at 40 % hydrolysate, pH 8, and +0.4 V vs. SHE, yielding a mean current density of 3.4 A/ m² and coulombic efficiencies (CE) of 95 %. Metagenomic and PCA analyses revealed that high anodic potential and alkaline pH enriched Geobacter-dominated communities while suppressing methanogens. In a 10-L rotating disk bioelectrochemical reactor (RDBER), operation at 0.4 V vs. SHE achieved a hydrogen production rate of 30.57 L/m²·d with minimal methane formation. The hydrogen produced under these conditions was subsequently utilized for the autotrophic synthesis of acetoin.Die globale Energiekrise und die Auswirkungen fossiler Brennstoffe unterstreichen die Notwendigkeit nachhaltiger Energieträger wie Wasserstoff. Mikrobielle Elektrolysezellen (MECs) können aus organischen Abfällen Wasserstoff erzeugen, doch ihre Optimierung unter komplexen Rohstoffbedingungen bleibt eine Herausforderung. Dementsprechend konzentrierte sich diese Studie auf die Optimierung wichtiger Parameter zur Verbesserung der MEC-Leistung. Variationen in der Strömungsgeschwindigkeit (0,2 und 0,8 mm/s) in Biofilmen aus Geobacter sulfurreducens und Shewanella oneidensis, die in einem mikrofluidischen bioelektrochemischen System kultiviert wurden, zeigten, dass S. oneidensis eine ausgeprägte strömungsabhängige Reaktion zeigte. Eine höhere Scherspannung führte zu dünneren, aber elektroaktiveren Biofilmen, die über mechanosensorische Wege mit der Biofilmbildung in Verbindung stehen. Um die Systemleistung weiter zu bewerten, wurden auch die Auswirkungen der Substratkonzentration (20–60 %), des pH-Werts (5–8) und des angelegten anodischen Potenzials (−0,2 bis +0,4 V gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode [SHE]) in einer zylindrischen mikrobiellen Elektrolysezelle (Cylindrical-MEC) untersucht. Die optimale Leistung wurde bei 40 % Hydrolysat, pH-Wert 8 und +0,4 V gegenüber SHE erreicht, was eine mittlere Stromdichte von 3,4 A/m² und eine Coulomb-Effizienz von 98 % ergab. Metagenomische und PCA-Analysen zeigten, dass ein hohes anodisches Potential und ein alkalischer pH-Wert zu einer Anreicherung von Geobacter-dominierten Gemeinschaften führten und gleichzeitig Methanogene unterdrückten. In einem 10-L-Scheibentauchkörper, der als bioelektrochemischer Reaktor ausgelegt wurde, wurde bei einem Betrieb von 0,4 V gegenüber SHE eine Wasserstoffproduktionsrate von 30,57 L/m²·d bei minimaler Methanbildung erreicht. Der unter diesen Bedingungen erzeugte Wasserstoff wurde anschließend für die autotrophe Synthese von Acetoin verwendet.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Microbial electrolysis cells, HydrogenAnodic biofilmUpscalingHydrodynamic shear stressTechnology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.6: BiotechnologyDoctoral Thesis10.15480/882.17307Pörtner, RalfRalfPörtner