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Titelaufnahme

Titel
Biocatalytic and Bio-electrocatalytic Reduction of CO2 using Enzymes and Microorganisms / eingereicht von: Dipl.-Ing. Stefanie Schlager
VerfasserSchlager, Stefanie
Begutachter / BegutachterinSariciftci, Serdar Niyazi ; Schwarzinger, Clemens
ErschienenLinz, November 2015
Umfang119 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversität Linz, Univ., Dissertation, 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Biokatalyse / Bio-Elektrokatalyse / CO2 Reduktion / CO2 Recycling / Elektrochemische CO2 Reduktion / Artificial Fuels
Schlagwörter (EN)biocatalysis / bio-electrocatalysis / CO2 reduction / CO2 recycling / electrochemical CO2 reduction / artificial fuels
Schlagwörter (GND)Biokatalyse / Elektrokatalyse / Kohlendioxidemission / Emissionsverringerung / Enzym / Mikroorganismus
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-7034 Persistent Identifier (URN)
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Biocatalytic and Bio-electrocatalytic Reduction of CO2 using Enzymes and Microorganisms [41.96 mb]
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Zusammenfassung (Englisch)

Atmospheric greenhouse gas content, particularly content of carbon dioxide (CO2), is one of the most discussed topics nowadays in science and throughout society. Rising demand on fuels and increasing atmospheric CO2 content initiate the idea of reducing the greenhouse gas on the one hand and regarding CO2 as chemical feedstock for fuels and chemicals on the other hand.

In this work the biocatalytic and bio electrocatalytic reduction of CO2 is presented. Microorganisms and dehydrogenase enzymes are used as catalysts. One approach shows the application of methanogenic microorganisms, grown on a carbon felt electrode, for microbial electrolysis cells (MEC), converting CO2 to methane by electron uptake. Such microorganisms are known for their ability to convert CO2 together with H2 selectively to methane. However up to now, H2 had to be added artificially. This is not practical for sustainable processes in industrial scale due to the necessity of production, storage and transport of the required H2 to the microbial reactors for CO2 conversion. Here the direct electron uptake of the microorganisms from an electrode without adding H2 artificially is shown for the reduction of CO2 to methane.

In a second approach dehydrogenase enzymes are investigated for being addressed electrochemically. Dehydrogenase enzymes are known from natural processes, were co enzymes like Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) deliver electrons and protons for the reduction of CO2 to hydrocarbons. Nevertheless, such co enzymes are oxidized during such reactions and need to be steadily supplied or regenerated. This limits the technical use of enzymes for CO2 reduction to small scale experiments, due to high costs for the supply of co enzymes and the regeneration of such. In this work the substitution of the co enzyme NADH for the reduction of CO2 using dehydrogenase enzymes is presented. Modification of a carbon felt electrode with an alginate-silicate hybrid gel containing dehydrogenase enzymes enables direct electron injection from the electrode into the enzymes and makes the necessity of NADH redundant. This approach is shown for addressing single dehydrogenase enzymes for the conversion of CO2 to formate and for the conversion of butyraldehyde to butanol as well as for addressing three dehydrogenase enzymes at the same time for the reduction of CO2 to methanol.

Both approaches depict direct electron injection into biocatalytic systems. This substitutes the addition of hydrogen and electron equivalents. Further, such electrochemical methods can possibly be driven by renewable energy sources like solar or wind, which are lacking in transport and storage options. Combining biocatalytic reduction of the greenhouse gas CO2 with e.g. solar or wind driven electrochemical systems, offers the possibility of renewable energy storage in fuels and valuable chemicals.

Zusammenfassung (Deutsch)

Der Gehalt an Treibhausgasen in der Atmosphäre, vor allem der Gehalt an Kohlendioxid (CO2) gilt als eines der meist diskutierten Themen in Wissenschaft und Gesellschaft. Die steigende Nachfrage nach Treibstoffen und der gleichzeitige Anstieg an CO2 in der Atmosphäre geben Anlass zur Reduktion von CO2 einerseits und Betrachtung des CO2 als chemischen Rohstoff für Treibstoffe und Chemikalien andererseits.

In dieser Arbeit werden die biokatalytische und die bio-elektrokatalytische Reduktion von CO2 gezeigt. Als Katalysatoren dienen Mikroorganismen und Dehydrogenase Enzyme. Ein Ansatz behandelt die Verwendung von methanogenen Mikroorganismen, welche auf Graphitfilz aufgewachsen werden. Dabei wird CO2 zu Methan durch Elektronenaufnahme der Mikroorganismen konvertiert. Diese Mikroorganismen sind für deren Fähigkeit bekannt, CO2 zusammen mit H2 selektiv zu Methan umzuwandeln. Dennoch war bisher die gezielte Zugabe von H2 notwendig. Dies ist für nachhaltige Prozesse im industriellen Bereich ungeeignet, da es zuvor einer Produktion, Lagerung und eines Transports des H2 zu den mikrobiellen Reaktoren für die Reduktion von CO2 bedarf. In diesem Ansatz wird die direkte Elektronenaufnahme der Mikroorganismen von einer Elektrode gezeigt, wodurch die Reduktion von CO2 zu Methan ohne Zugabe von H2 ermöglicht wird.

In einem zweiten Ansatz werden Dehydrogenase Enzyme für die elektrochemische Adressierung untersucht. Dehydrogenasen sind von natürlichen Prozessen bekannt, in denen Co Enzyme wie Nikotinamid Adenin Dinukleotid (NADH) Elektronen und Protonen für die Reduktion von CO2 zu Kohlenwasserstoffen liefern. Solche Co Enzyme werden während dieser Prozesse jedoch oxidiert und müssen entweder stets nachgeliefert oder regeneriert werden. Diese Anwendung ist daher auf Experimente in kleinen Größenordnungen eingeschränkt, da die Zufuhr von Co Enzymen sowie auch deren Regeneration große Kostenfaktoren darstellen. In dieser Arbeit wird die Substitution des Co Enzyms NADH für die Reduktion von CO2 mit Dehydrogenase Enzymen vorgestellt. Durch die Modifizierung von Graphitfilz Elektroden mit einem Alginat-Silicat Hybrid Gel, in welchem die Enzyme vorgelegt werden, wird der direkte Elektronentransfer von der Elektrode zu den Enzymen ermöglicht. Dadurch wird die Verwendung von NADH überflüssig. Dieser Ansatz zeigt die Adressierung von einzelnen Enzymen für die Konvertierung von CO2 zu Formiat und für die Umwandlung von Butyraldehyd zu Butanol sowie die Adressierung von drei Dehydrogenasen zugleich für die Reduktion von CO2 zu Methanol.

Beide Ansätze beschreiben die direkte Elektronenzufuhr in biokatalytische Systeme. Dadurch wird die Zugabe von Wasserstoff bzw. Elektronen Äquivalenten substituiert. Weiters können zukünftig solche elektrochemischen Methoden durch erneuerbare Energiequellen (Sonne, Wind,), welche weder effizient transportiert noch gespeichert werden können, angetrieben werden. Die Kombination von biokatalytischer Reduktion von CO2 mit, von erneuerbaren Energien betriebener Elektrochemie, stellt eine Möglichkeit zur Speicherung von erneuerbaren Energien in Form von Treibstoffen und hochwertigen Chemikalien dar.