Bioelektrische Essigsäureproduktion

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502133

Short description (German)

Die bioelektrische Synthese von Essigsäure aus CO2 ist eine kaum erforschte neue Art der Biotransformation. Sie wird in einem bioelektrischen Reaktor durchgeführt, welcher CO2 und Energie liefert. Der Prozess basiert auf der Mikrobiellen Brennstoffzelle (MBZ), welche eine Abwasserreinigung er-möglicht, wo während dem Reinigungsprozess Energie produziert wird. Für diese Biokatalyse werden elektrogene Bakterienstämme eingesetzt, die zwei CO2 Moleküle zu Essigsäure reduzieren. Der Elektronentransfer durch die Zellmembrane bzw. die intermediäre Wasserstoffproduktion werden erforscht, um produktionsrelevante thermochemische und kinetische Bedingungen zu finden. Der künftige integrierte Prozess erlaubt eine wesentliche Reduktion des CO2-Ausstosses in kommunalen Kläranlagen und reduziert den CO2-Abdruck der angeschlossenen Einwohnergemeinden. Das Verfahren stellt auch ein Teilglied zur Erreichung der künftigen zyklischen Wirtschaft dar. Aus der Essigsäure sollen Treibstoffe und Chemikalien herstellt werden. Diese Perspektiven werden durch eine Prozessintegrationsstudie und Wirtschaftlichkeitsanalysen untersucht und das Anwendungspotential aufgezeigt.

Short description (English)

The bioelectric synthesis of acetic acid from CO2 is a new type of biotransformation that has hardly been researched. It is carried out in a bioelectric reactor that supplies CO2 and energy. The process is based on the microbial fuel cell (MFC), which enables wastewater treatment where energy is produced during the treatment process. For this biocatalysis, electrogenic bacterial strains are used that reduce two CO2 molecules to acetic acid. The electron transfer through the cell membrane and the intermediate hydrogen production are investigated to find production-relevant thermochemical and kinetic conditions. The future integrated process allows a significant reduction of CO2 emissions in municipal wastewater treatment plants and reduces the CO2 footprint of the connected municipalities. The process also represents a partial element for achieving the future cyclic economy. Fuels and chemicals are to be produced from acetic acid. These perspectives are examined by a process integration study and economic feasibility studies and the application potential is demonstrated.

Short description (French)

La synthèse bioélectrique d'acide acétique à partir de CO2 est un nouveau type de biotransformation à peine exploré. Elle est réalisée dans un réacteur bioélectrique qui fournit du CO2 et de l'énergie. Le processus est basé sur la pile à combustible microbienne (PBC), qui permet d'épurer les eaux usées et de produire de l'énergie pendant le processus d'épuration. Pour cette biocatalyse, on utilise des souches bactériennes électrogènes qui réduisent deux molécules de CO2 en acide acétique. Le transfert d'électrons à travers la membrane cellulaire ou la production intermédiaire d'hydrogène font l'objet de recherches afin de trouver des conditions thermochimiques et cinétiques pertinentes pour la production. Le futur procédé intégré permettra de réduire considérablement les émissions de CO2 dans les stations d'épuration communales et de réduire l'empreinte carbone des communautés d'habitants qui y sont raccordées. Le procédé constitue également un maillon pour atteindre la future économie cyclique. Il est prévu de produire des carburants et des produits chimiques à partir de l'acide acétique. Ces perspectives sont examinées par une étude d'intégration du processus et des analyses de rentabilité, et le potentiel d'application est mis en évidence.

Final report (German)

Die bioelektrische Synthese von Essigsäure aus CO2 ist kaum erforscht und ein neuer Weg der zukünftigen industriellen Biokatalyse und Biosynthese. Sie wurde in einem bioelektrochemischen Reaktor mit CO2-Zufuhr und elektrischer Energie durchgeführt. Eine Methode, die auf mikrobiellen Elektrolysezellen (MEC) basiert. Sie ermöglichte es, die elektrische Energie aus Biomasse und anderen Quellen zu nutzen, um das Überpotential um 0,9 V auf etwa 0,13 V zu senken. Für diese Biokatalyse wurden elektrogene Bakterien verwendet, die zwei CO2-Moleküle zu Essigsäure reduzieren. Um produktionsrelevante thermochemische und kinetische Bedingungen zu finden, wurde der Protonentransfer über eine Kationenaustauschermembran oder die intermediäre Wasserstoffproduktion untersucht. Die Zukunftsidee ist ein integrierter Prozess, der es ermöglicht, die CO2-Emissionen aus kommunalen Kläranlagen deutlich zu reduzieren und den Kohlenstoff-Fussabdruck der damit verbundenen Industrien und Haushalte zu verringern. Das Verfahren ist ein Mittel zur Verwirklichung der weithin angestrebten Kreislaufwirtschaft. Aus Essigsäure können anschliessend Kraftstoffe und Chemikalien hergestellt werden.

Final report (English)

The bioelectric synthesis of acetic acid from CO2 is hardly researched and a new pathway of future industrial biocatalysis and biosythesis. It was carried out in a bioelectrochemical reactor with CO2 supply and electrical energy. A method based on Microbial Electrolysis Cells (MEC). It enabled to harness electrical energy form biomass and other origin to lower the overpotential by 0.9 V to about 0.13 V. For this biocatalysis, electrogenic bacteria were used, which reduce two CO2 molecules to acetic acid. Proton transfer through cation exchange membrane or intermediate hydrogen production was researched to find production-relevant thermochemical and kinetic conditions. The future idea is an integrated process that allows a significant reduction in CO2 emissions from municipal wastewater treatment plants and to reduce the carbon footprint of associated industries and households. The process is a means to achieve the widely envisioned cyclical economy. Fuels and chemicals are producible subsequently from acetic acid.

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• Final report_english [PDF] 2'055 kB

Final report (French)

La synthèse bioélectrique de l'acide acétique à partir du CO2 fait l'objet de peu de recherches et constitue une nouvelle voie pour la biocatalyse et la biosynthèse industrielles futures. Elle a été réalisée dans un réacteur bioélectrochimique alimenté en CO2 et en énergie électrique. Une méthode basée sur les cellules d'électrolyse microbienne (MEC). Elle a permis d'exploiter l'énergie électrique de la biomasse et d'autres origines pour abaisser le surpotentiel de 0,9 V à environ 0,13 V. Pour cette biocatalyse, des bactéries électrogènes ont été utilisées, qui réduisent deux molécules de CO2 en acide acétique. Le transfert de protons à travers une membrane échangeuse de cations ou la production intermédiaire d'hydrogène ont été étudiés afin de trouver des conditions thermochimiques et cinétiques pertinentes pour la production. L'idée future est un processus intégré qui permet de réduire considérablement les émissions de CO2 des stations d'épuration municipales et de réduire l'empreinte carbone des industries et des ménages associés. Le processus est un moyen de réaliser l'économie cyclique largement envisagée. Les carburants et les produits chimiques peuvent être produits ultérieurement à partir de l'acide acétique.