Herstellung Biomimetischer Polymer-Bakterien
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Herstellung biomimetischer Polymer-Bakterien-Komposite zum Einsatz in der mikrobiellen Brennstoffzelle P. Kaiser1, S. Reich2, V. Jérôme1, R. Freitag1 und A. Greiner2 1Lehrstuhl Bioprozesstechnik, Universität Bayreuth 2Lehrstuhl Makromolekulare Chemie II, Universität Bayreuth Motivation Ziel des Projektes ist die Herstellung künstlicher Biofilme, d. h. von Kompositen aus aktiven Ganzzellbiokatalysatoren und einer synthetischen extrazellulären Matrix. Dazu wurde S. oneidensis MR-1 in ein Polyvinylalkohol-Hydrogel (PVA) eingebettet und mittels Elektrospinnen zu einem Vlies verarbeitet. Anschließend wurden die Vliese mit einer sehr stabilen hydrophoben Schicht aus poly(p-xylylen) (PPX) überzogen, damit sich die Vliese nicht in wässriger Lösung auflösen. Abb. 1: Künstlicher Biofilm; versponnene Mikrofasern mit eingelagerten lebenden Bakterien Herstellung der Komposite PPX Bakterienkultur im Schüttelkolben Herstellung Bakterien/ PVA Dispersion a Vitalität und metabolische Aktivität Elektrospinnen der Bakterien/ PVA Dispersion auf Cu-Netz Beschichten des Vlies mit PPX Erhalt des Biokomposits Tag 7 Tag 0 Abbaurate: 0,017 g*L-1*h-1 Abbaurate: 0,022 g*L-1*h-1 Abb. 2: Abbau von Laktat im Nährmedium von S. oneidensis als planktonische Kultur und als Biokomposit Elektrogene Aktivität Abb. 3: Lebend/Tot Färbung mit SYTO-9 und Propidiumiodid der S. oneidensis im Biokomposit vor und nach 7 Tage in Kultur mit LB-Medium, LSM 500x Kulturbedingungen: • Anaerobe Kultur mit Minimalmedium • Batchverfahren für 120 h • Verwendung von 4 cm² großes Biokomposit • Spülen der Kathode mit 0,5 NL*min-1 Luft • Pt-beschichtetes Carbongewebe als Kathode Abb. 4: Aufbau der Mikrobiellen Brennstoffzelle Abb. 5: Elektrische Leistung des Biokomposits im Vergleich zu anderen Kulturarten von S. oneidensis in der Brennstoffzelle nach 120h Kultur Zusammenfassung Der Herstellungsprozess des Biokomposits hat nur einen geringen toxischen Einfluss auf die Bakterien. Die Bakterien sind auch nach 7 Tage in Kultur noch vital und metabolisch aktiv. Durch die Einbettung in Hydrogel sind die Mikroorganismen vor dem direktem Kontakt mit Kupfer geschützt. Die Stromausbeute in der Brennstoffzelle ist zwar geringer als bei planktonischer Kultur, jedoch besitzt das Biokomposit schon annähernd die maximale Leistung direkt nach Kulturbeginn.
