Investigation of Carbon Capture Technology – Optimization of Microbial Electrochemical Cells: A Study on Single-Chamber, Flow Cell, and Zero-Gap Reactor Configurations

Abstract

Dissertation gesperrt bis 07.06.2025!

Das schnelle Wachstum der Weltbevölkerung treibt die Nachfrage nach Ressourcen in die Höhe, was zu einer verstärkten Umweltverschmutzung und einem gesteigerten Energiebedarf führt. Vor diesem Hintergrund wird die Notwendigkeit deutlich, von traditionellen Energiequellen wie Kernkraft und fossilen Brennstoffen auf umweltfreundlichere und kohlenstoffneutrale Alternativen umzusteigen. Hier bieten mikrobielle elektrochemische Technologien eine vielversprechende Möglichkeit, den ökologischen Fußabdruck zu verringern, indem sie industrielle Abfälle in wertvolle Ressourcen umwandeln. Im Zentrum dieser Innovation steht die mikrobielle Elektrosynthese, die durch erneuerbare elektrische Energie angetrieben wird und die Kraft dieser Energie nutzt, um Kohlenstoffquellen in komplexe organische Moleküle umzuwandeln. Diese Moleküle können dann als nachhaltige Treibstoffe oder als Grundstoffe für chemische Produkte genutzt werden. Wenn mikrobielle Elektrosynthese mit erneuerbarer Energie betrieben wird, kann der Prozess nachhaltig durchgeführt werden und zur Kohlenstoffneutralität beitragen, vor allem dank autotropher Mikroben, die Kohlendioxid als einzige Kohlenstoffquelle nutzen. Trotz ihres Potenzials stößt die mikrobielle Elektrosynthese auf mehrere Einschränkungen und technische Herausforderungen, die ihre breite Anwendung verhindern. Zu diesen Herausforderungen gehören geringe Produktausbeuten, ineffizienter Elektronentransfer zwischen Mikroben und Elektroden, eine begrenzte Vielfalt an chemischen Produkten und die dringende Notwendigkeit eines umfassenderen Verständnisses der mikrobiellen Physiologie. Um diese Herausforderungen zu überwinden, ist ein interdisziplinärer Ansatz erforderlich, bei dem Erkenntnisse und Methoden aus der Bioelektrochemie, der Mikrobiologie und dem Ingenieurwesen zusammengeführt werden. Meine Dissertation untersucht die Optimierung der mikrobiellen Elektrosynthese für den industriellen Einsatz. Unter Verwendung von Methanothermobacter thermautotrophicus, der für seine hohen Methanproduktionsraten im Power-to-Gas-Konzept bekannt ist, konzentrierte sich meine Forschung auf die Optimierung der Leistung bioelektrochemischer Zellen in verschiedenen Reaktordesigns. Im ersten Teil ging es um die Entwicklung einer Einkammer bioelektrochemischen Zelle, bei der keine Ionenaustauschmembran benötigt wurde. Dies wurde erreicht, indem die Sauerstoffbildungsreaktion durch eine Kohlenstoffoxidationsreaktion ersetzt wurde und eine Opferanode auf Kohlenstoffbasis verwendet wurde. Der zweite Teil konzentrierte sich auf einen Durchflusselektrolyseur, wobei in Zusammenarbeit mit der Electrochaea GmbH verschiedene Abschaltstrategien unter Verwendung von drei verschiedenen Elektrodenmaterialien (platiniertes Titan, Nickel und Graphit) untersucht wurden. Im letzten Teil wurde eine Zero-Gap bioelektrochemische Zelle untersucht, um die Leistungsunterschiede zwischen einer dampfgespeisten und einer flüssigkeitsgespeisten Anodenkammer zu bewerten und festzustellen, welche Anordnung die höhere Effizienz bietet.

Rapid population growth is leading to increased resource demand, resulting in a surge of pollution and a raised need for energy. This situation highlights the need to transition from traditional energy sources, such as nuclear power and fossil fuels, to more sustainable and carbon-neutral options. Microbial electrochemical technologies have emerged as a possible solution to reduce environmental impact by turning industrial waste into valuable resources. At the heart of this innovation is a process known as microbial electrosynthesis, powered by preferably renewable electrical energy. This process harnesses renewable electrical power to transform carbon sources into complex, electron-rich organic molecules. These molecules can be used as sustainable fuels or raw materials for various chemical products. When powered by renewable energy, microbial electrosynthesis holds the potential to operate sustainably and help to achieve overall carbon neutrality. This is largely thanks to autotrophic microbes, which can reduce carbon dioxide, using it as their only carbon source. Despite its potential, microbial electrosynthesis encounters several limitations and technical challenges that hinder its broader application. These challenges encompass low product yields, inefficient electron transfer between microbes and electrodes, a constrained variety of chemical products, and a pressing need for a more comprehensive understanding of microbial physiology. Addressing these obstacles requires a collaborative interdisciplinary approach, merging insights and methodologies from bioelectrochemistry, microbiology, and engineering. This dissertation specifically targeted the advancement of microbial electrosynthesis for industrial use. Utilizing Methanothermobacter thermautotrophicus, which is known for its high methane production rates in the power-to-gas concept, my research focused on optimizing bioelectrochemical cell performance across different reactor designs. The first part involved developing a single-chamber bioelectrochemical cell that eliminated the need for ion-exchange membranes. This was achieved by substituting the oxygen evolution reaction with a carbon oxidation reaction and employing a sacrificial carbon-based anode. The second part focused on a flow electrolyzer, examining various shutdown strategies using three different electrode materials (platinized titanium, nickel, and graphite) in collaboration with Electrochaea GmbH. Lastly, the final part studied a zero-gap bioelectrochemical cell to evaluate performance differences between a vapor-fed and a liquid-fed anode chamber, assessing which setup offers better operating efficiency.