2024-04-152024-04-15https://hdl.handle.net/11420/47067Bioelektrochemische Reaktorsysteme sind in der Regel oberflächenbegrenzt. Die Größe der Elektrodenoberfläche pro Reaktorvolumen ist der Schlüssel zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute. Gleichzeitig müssen die Elektrodenoberfläche und die elektroaktiven Organismen, die einen Biofilm auf den Elektroden bilden, als ein zusammengesetztes Material betrachtet werden, das im Hinblick auf die Interaktion seiner Komponenten verbessert werden kann. Nicht zuletzt ist es eine Herausforderung, diese oberflächenabhängigen Reaktorsysteme so zu konstruieren, dass Totvolumina vermieden werden und die Architektur des lebenden Ganzzellen-Biokatalysators in Richtung Prozessoptimierung gelenkt wird. Um diese Themen anzugehen, werden wir ein skalierbares bioelektrochemisches Jet-Loop-Reaktorkonzept entwickeln und seine Vielseitigkeit durch den Betrieb als mikrobielle Elektrolyse- und Bioelektrosyntheseplattform zeigen. In der Forschungsrichtung Bioelektrosynthese werden wir ihn mit dem kürzlich isolierten extremophilen Organismus Kyrpidia spormannii betreiben und zielen darauf ab, Biomasse und das Biopolymer Polyhydroxybutyrat aus Kohlendioxid und elektrischer Energie herzustellen. In der Forschungsrichtung mikrobielle Elektrolyse werden wir die Reaktorleistung durch die Herstellung synthetischer leitfähiger Nanodrähte sowie leitfähiger direkter Zell-Zell-Verbindungen erhöhen. Zu diesem Zweck werden wir sowohl Shewanella oneidensis als auch einen derzeit entwickelten Escherichia coli-Stamm als Modellorganismus verwenden und die Plattformchemikalie Acetoin in einer anodengestützten Fermentation herstellen. In beiden Reaktorkonfigurationen werden wir von der additiven Herstellung von 3D-Elektroden sowie deren Funktionalisierung durch leitfähige Polymere profitieren können.Bioelectrochemical reactor systems are typically surface limited. It is the amount of electrode surface area per reactor volume that is key for advancing space-time-yields. At the same time the electrode surface and the electroactive organisms building a biofilm on the electrodes have to be seen as one composite material that can be advanced regarding the interaction of its components. Last but not least it is challenging to construct these surface dependent reactor systems in a way that dead volumes are avoided and the architecture of the living whole cell biocatalyst is steered towards process optimization. To address these topics we will engineer a scalable bioelectrochemical jet loop reactor concept and will show its versatility by operating it as microbial electrolysis as well as bioelectrosynthesis platform. In the bioelectrosynthesis research direction we will operate it with the recently isolated extremophile Kyrpidia spormannii and aim to produce biomass and the biopolymer polyhydroxybutyrate from carbon dioxide and electrical energy. In the microbial electrolysis research direction, we will increase reactor performance by producing synthetic conductive nanowires as well as conductive direct cell-cell connections. To this end we will use Shewanella oneidensis as well as a currently developed Escherichia coli strain as model organism and produce the platform chemical acetoin in an anode assisted fermentation. In both reactor configurations we will be able to benefit from additive manufacturing of 3D-electrodes as well as their functionalization by conductive polymers.SPP 2240: Etablierung von Jet-Loop-Reaktoren als skalierbare bioelektraochemische Reaktorsysteme für anodische und kathodische ProduktionsprozesseSPP 2240: Establishing jet loop reactors as scalable bioelectrochemical reactor systems for anodic and cathodic production processes