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PEM Electrolysis in a Stirred-Tank Bioreactor Enables Autotrophic Growth of Clostridium ragsdalei with CO2 and Electrons

  • Acetogenic bacteria produce CO2-based chemicals in aqueous media by hydrogenotrophic conversion of CO2, but CO is the preferred carbon and electron source. Consequently, coupling CO2 electrolysis with bacterial fermentation within an integrated bio-electrocatalytical system (BES) is promising, if CO2 reduction catalysts are available for the generation of CO in the complex biotic electrolyte. A standard stirred-tank bioreactor was coupled to a zero-gap PEM electrolysis cell for CO2 conversion, allowing voltage control and separation of the anode in one single cell. The cathodic CO2 reduction and the competing hydrogen evolution enabled in-situ feeding of C. ragsdalei with CO and H2. Proof-of-concept was demonstrated in first batch processes with continuous CO2 gassing, as autotrophic growth and acetate formation was observed in the stirred BES in a voltage range of −2.4 to −3.0 V. The setup is suitable also for other bioelectrocatalytic reactions. Increased currents and lowerAcetogenic bacteria produce CO2-based chemicals in aqueous media by hydrogenotrophic conversion of CO2, but CO is the preferred carbon and electron source. Consequently, coupling CO2 electrolysis with bacterial fermentation within an integrated bio-electrocatalytical system (BES) is promising, if CO2 reduction catalysts are available for the generation of CO in the complex biotic electrolyte. A standard stirred-tank bioreactor was coupled to a zero-gap PEM electrolysis cell for CO2 conversion, allowing voltage control and separation of the anode in one single cell. The cathodic CO2 reduction and the competing hydrogen evolution enabled in-situ feeding of C. ragsdalei with CO and H2. Proof-of-concept was demonstrated in first batch processes with continuous CO2 gassing, as autotrophic growth and acetate formation was observed in the stirred BES in a voltage range of −2.4 to −3.0 V. The setup is suitable also for other bioelectrocatalytic reactions. Increased currents and lower overvoltages are however required. Atomically-dispersed M−N−C catalysts show promise, if degradation throughout autoclaving can be omitted. The development of selective and autoclavable catalysts resistant to contamination and electrode design for the complex electrolyte will enable efficient bioelectrocatalytic power-to-X systems based on the introduced BES.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:I. Schwarz, Arielle Rieck, Asad Mehmood, R. Bublitz, L. Bongers, D. Weuster-Botz, Tim-Patrick Fellinger
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):European Chemical Societies Publishing
Jahr der Erstveröffentlichung:2024
Organisationseinheit der BAM:3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher
3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher / 3.6 Elektrochemische Energiematerialien
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Wiley VHC-Verlag
Aufsatznummer:e202300344
Erste Seite:1
Letzte Seite:10
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Freie Schlagwörter:Energy Conversion
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Umwelt
Umwelt / Circular Economy
DOI:10.1002/celc.202300344
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-594766
ISSN:2196-0216
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:07.02.2024
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:07.02.2024
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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