NL1034123C2

NL1034123C2 - Werkwijze voor het verkrijgen van een kathodofiele, waterstof producerende microbiele cultuur, microbiele cultuur verkregen met deze werkwijze en gebruik van deze microbiele cultuur.

Info

Publication number: NL1034123C2
Application number: NL1034123A
Authority: NL
Inventors: Cees Jan Nico Buisman; Hubertus Victor Marie Hamelers; Rene Alexander Rozendal; Adriaan Willem Jeremiasse
Original assignee: Stichting Wetsus Ct Of Excelle
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-01-13
Also published as: WO2009008709A1; CN101784661A; EP2176405A1

Description

Werkwijze voor het verkrijgen van een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur, microbiële cultuur verkregen met deze werkwijze en gebruik van deze microbiële cultuur.

5 De onderhavige uitvinding heeft volgens een eerste aspect betrekking op een werkwijze voor het verkrijgen van een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur.

Volgens verdere aspecten heeft de uitvinding betrekking op de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur en het gebruik van deze microbiële cultuur 10 voor de productie van waterstof.

Verdere aspecten van de uitvinding hebben betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een bifiinctionele bioelektrode waarin de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur wordt toegepast en de bifiinctionele bioelektrode die wordt verkregen met deze werkwijze.

15 Overige aspecten van de uitvinding hebben betrekking op een inrichting voor de productie van waterstof waarin de elektrochemisch actieve, waterstof producerende microbiële cultuur wordt toegepast.

Waterstof producerende kathodes worden typisch gebruikt in water elektrolyse processen. Bij water elektrolyse wordt water onder invloed van een aangebracht 20 potentiaalverschil tussen anode en kathode gesplitst in waterstof en zuurstof volgens de reactie: H2O^H2 + 0.5O2 (1) 25 Bij water elektrolyse vinden de volgende elektrode reacties plaats:

Een zuurstof producerende oxidatie-reactie aan de anode: H20 -» 0.5 02 + 2 H+ + 2 e' (2a) of 2 OH' 0.5 02 + H20 + 2 e (2b) 30 Een waterstof producerende reductie-reactie aan de kathode: 034123 2 2 H+ + 2 e'-> H2 (3a) of 2 H20 + 2 e' -» H2 +2 OH' (3b)

Recentelijk hebben waterstof producerende kathodes ook hun toepassing 5 gevonden in een nieuw soort elektrolyse proces, te weten biogekatalyseerde elektrolyse van opgelost bio-oxideerbaar materiaal (bijv. in afvalwater). Bij biogekatalyseerde elektrolyse wordt bio-oxideerbaar materiaal onder invloed van een potentiaalverschil tussen anode en kathode gesplitst in koolstofdioxide en waterstof. Dit kan schematische worden weergegeven als: 10 [CH20] + H20 -> 2 H2 + C02 (4)

Dit proces is beschreven in de internationale octrooiaanvrage WO 2005/005981 en in de publicatie “Principle and perspectives of hydrogen production through 15 biocatalyzed electrolysis” (International Journal of Hydrogen Energy 2006, 31, 1632-1640) op naam van Rozendal., R.A. et al.

De term biogekatalyseerde elektrolyse is afgeleid uit het feit dat de oxidatie van bio-oxideerbaar materiaal aan de anode wordt gekatalyseerd door elektrochemisch actieve micro-organismen. De waterstof producerende reductie-reactie aan de kathode 20 daarentegen wordt in zijn standaard uitvoering net zoals bij water elektrolyse chemisch gekatalyseerd (bijv. met platina). Bij biogekatalyseerde elektrolyse van opgelost bio-oxideerbaar materiaal (bijv. in afvalwater) vinden de volgende elektrode reacties plaats:

De oxidatie van bio-oxideerbaar materiaal aan de anode, schematische weergegeven door: 25 [CHzO] + H20 C02 + 4 H+ + 4 e' (5)

Een waterstof producerende reductie-reactie aan de kathode: 30 4 H+ + 4 e' 2 H2 (6a) of 4 H20 + 4 e' -> 2 H2 + 4 OH' (6b) 3

Omdat waterstof producerende elektrolyse processen plaatsvinden onder invloed van een potentiaalverschil tussen anode en kathode, wordt energie verbruikt. Deze energie kan worden ingebracht door een vermogensbron. In principe geldt dat hoe hoger 5 het voor elektrolyse benodigde voltage, hoe hoger het verbruik van elektrische energie per hoeveelheid geproduceerde waterstof. Energieverliezen in het elektrolyse proces verhogen h et b enodigde v oltage end aarmee d us d e b enodigde h oeveelheid e lektrische energie per hoeveelheid geproduceerde waterstof. Ook bij de elektrode reacties kunnen dergelijke energieverliezen optreden. Energieverlies aan een kathode wordt ook wel 10 kathode overpotentiaal genoemd en wordt uitgedrukt in Volts (V).

Over het algemeen hebben overpotentialen de eigenschap dat ze toenemen (d.w.z. energieverlies wordt groter) bij een toenemende stroomdichtheid (d.w.z. toenemende reactiesnelheid). Dit is ook het geval voor kathode overpotentialen. De relatie tussen de kathode potentiaal en stroomsdichtheid kan worden weergegeven in een zogenaamde E-j 15 curve of polarisatiecurve, die de kathode potentiaal weergeeft als functie van de stroomdichtheid (j).

Een kathode is over het algemeen samengesteld uit twee elementen, te weten een ladingsverdeler van een elektrisch geleidend materiaal en een katalysator om de kathodereactie te versnellen. Koolstof is een veelgebruikte ladingsverdeler, aangezien het 20 een lage kostprijs, een hoge elektrische geleiding en een hoge chemische resistentie heeft. Echter, met alleen een ladingsverdeler zonder katalysator is de elektrochemische productie van waterstof aan een kathode kinetisch gezien zeer langzaam. Hierdoor kunnen grote overpotentialen (d.w.z. grote energieverliezen) al ontstaan bij relatief lage stroomdichtheden. Als katalysator voor elektrochemische waterstof productie aan een 25 kathode wordt vaak gebruik gemaakt van platina.

Voor water elektrolyse processen is platina inderdaad een zeer effectieve kathode katalysator, die de overpotentiaal tot een minimum kan beperken bij zeer hoge stroomdichtheden (bijv. 0.025 V overpotentiaal bij 1.08 A/cm2 zoals beschreven in het boek Electrochemical oxygen technology geschreven door Kinoshita, K.; John Wiley & 30 Sons, Inc.: New York, 1992).

4

Helaas blijkt platina om meerdere redenen een veel minder geschikte kathodekatalysator te zijn voor biogekatalyseerde elektrolyse. Ten eerste is platina een zeer duur materiaal. Daar komt bij dat de stroomdichtheden van biogekatalyseerde elektrolyse typisch 3 tot 5 ordes van grootte lager zijn dan die bij water elektrolyse 5 (d.w.z. ordegrootte -0.00001-0.001 A/cm2). Hierdoor is de hoeveelheid geproduceerd waterstof per hoeveelheid platina bij biogekatalyseerde elektrolyse veel lager dan bij water elektrolyse. Dit maakt de toepassing van platina bij biogekatalyseerde elektrolyse veel te duur om tot een commercieel interessant proces te kunnen komen.

Verder is gebleken dat platina bij biogekatalyseerde elektrolyse lang niet zo 10 effectief werkt als bij water elektrolyse, zoals beschreven in de publicatie “Principle and perspectives of hydrogen production through biocatalyzed electrolysis” (International Journal of Hydrogen Energy 2006, 31, 1632-1640) op naam van Rozendal., R.A. et al. Bij een stroomdichtheid van slechts 0.00005 A/cm2 was de kathode overpotentiaal al meer dan 0.28 V. De relatief milde condities die typische voorkomen bij 15 biogekatalyseerde elektrolyse processen kunnen een mogelijke reden zijn voor deze lage effectiviteit van de platina katalyse bij biogekatalyseerde elektrolyse. Met relatief milde condities worden o.a. bedoeld, de lage temperatuur (bijv. kamertemperatuur), de lage druk (bijv. atmosferische druk), en de milde pH (bijv. pH 7).

De hoge kostprijs van platina in combinatie met de relatief lage stroomdichtheden 20 bij biogekatalyseerde elektrolyse en de relatief lage effectiviteit van platina katalyse onder de typische condities van biogekatalyseerde elektrolyse processen maken het interessant om op zoek de gaan naar alternatieve manieren om elektrochemische productie van waterstof aan een kathode te katalyseren.

25 Stand van de techniek

Er is in het verleden reeds eerder aandacht besteed aan de problemen van het gebruik van platina als kathode katalysator in de context van (bio)brandstofcellen en elektrolyse cellen. In deze context is onder andere gekeken naar biologische katalysatoren. Onder (bio)brandstofcel wordt verstaan “een elektrochemisch ‘apparaat’ 30 dat continu chemische energie omzet in elektrische energie (en enige warmte) zolang brandstof en oxidator worden toegevoerd” (Hoogers, G, “Fuel Cell Technology 5

Handbook”, CRC Press 2003). In een elektrolyse cel gebeurt het omgekeerde: elektrische energie wordt geïnvesteerd om gewenste chemische reacties te laten verlopen (Bard, A.J., Faulkner, L.R., “Electrochemical Methods, Fundamentals and Applications”, Wiley 2001), oftewel elektrische energie wordt omgezet in chemische energie (en enige 5 warmte). Voorbeelden van elektrolyse processen zijn water elektrolyse en biogekatalyseerde elektrolyse.

In de internationale octrooiaanvraag W02004/015806 wordt een roestvrijstalen elektrode beschreven waarvan het oppervlak bedekt is met een biofïlm (in W02004/015806 gedefinieerd a Is “een film bestaande uit micro-organismen afkomstig 10 van biologisch water zoals zeewater, rivierwater etc., die zich spontaan hebben afgezet op een oppervlak”), die bedoeld is om de reactie aan de elektrode van een brandstofcel te katalyseren. De biofilm wordt gevormd door de elektrode in een medium onder te dompelen dat de groei van biofilms bevordert en tegelijkertijd een polarisatiepotentiaal aan te brengen op de elektrode (waarde tussen -0.5 en 0.0 V t.o.v. een standaard kalomel 15 elektrode). De met biofilm bedekte elektrode van een brandstofcel kan zowel een kathode als een anode zijn. In geval van een kathode katalyseert de biofilm zuurstofreductie. In geval van een anode katalyseert de biofilm een anodische brandstofcel reactie. Echter, de octrooiaanvraag richt zich niet op mogelijke biofilm toepassingen voor katalyse van elektrochemische waterstof productie aan een kathode in een elektrolyse cel, noch 20 beschrijft deze aanvraag hoe een elektrochemisch actieve microbiële cultuur die geschikt is voor elektrochemische waterstof productie verkregen zou kunnen worden.

Het gebruik van een biofilm op een kathode wordt ook beschreven in de octrooiaanvraag JP11057782 en door Sakakibara & Kuroda (Biotechnology and Bioengineering, vol. 42, pag. 535-537, 1993). Echter, deze referenties beschrijven de 25 abiotische productie van waterstof aan de kathode, dat vervolgens door de biofilm gebruikt wordt om nitraat te reduceren tot stikstof en water. In dit geval is dus geen sprake van een microbiële cultuur die de productie van waterstof aan de kathode katalyseert, maar van een biofilm die elektrochemisch gevormd waterstof consumeert.

Tatsumi et al. (Analytical Chemistry, vol. 71, pag. 1753-1759, 1999), Tsujimura 30 et al. (Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 3, pag. 1331-1335, 2001) Lojou et al. (Electroanalysis, vol. 14, pag. 913-922, 2002) beschrijven het gebruik van elektroden met 6 geïmmobiliseerde Desulfovibrio vulgaris Hildenborough (DvH) cellen voor de productie en/of oxidatie van waterstof. De cellen werden geïmmobiliseerd door een suspensie met betreffende cellen op te sluiten tussen een membraan en een elektrisch geleidend drager materiaal. Voor hun katalytische werking op de elektrode vereisen deze DvH cellen 5 echter extern toegevoerde redox mediatoren.

Naast biofilm toepassingen zijn er ook systemen beschreven in de literatuur en in octrooiaanvragen waarbij geïsoleerde enzymen (en niet hele micro-organismen) als biokatalysator werden toegepast. Guiral-Brugna et al. (Journal of Electroanalytical Chemistry, vol. 510, pag. 136-143, 2001) en Morozov et al. (International Journal of 10 Hydrogen Energy, vol. 27, pag. 1501-1505, 2002) beschrijven mediator-loze waterstofproductie aan elektroden gemaakt van koolstof materiaal met geïmmobiliseerde hydrogenases. Morozov et al. (Russian Journal of Electrochemistry, vol. 38, pag. 97-102, 2002) lieten bovendien zien dat van één van dergelijke elektroden, 50% van de oorspronkelijke activiteit was behouden na een conservering van een half jaar in buffer 15 oplossing bij 4°C. In de octrooiaanvraag W02004/114494 wordt een brandstofcel beschreven die gebruik maakt van geïmmobiliseerde hydrogenases aan de anode voor het katalyseren van waterstof oxidatie en geïmmobiliseerde oxidases aan de kathode voor het katalyseren van zuurstof reductie. De immobilisatie kan worden bewerkstelligd middels sorptie uit een waterige oplossing of middels chemische binding. In US 2006/0159981 20 wordt een biologische brandstofcel beschreven die bestaat uit een anode met een bevestigd anode enzym en een kathode met een bevestigd kathode enzym. Het enzym op de anode katalyseert de oxidatie van een niet nader omschreven reductor en het enzym op de kathode katalyseert de reductie van een niet nader omschreven oxidator.

Uit het voorgaande blijkt dat, in het geval dat geïsoleerde hydrogenases werden 25 gebruikt als katalysator voor de elektrochemische waterstof productie aan een kathode er geen mediatoren nodig waren om een katalytisch effect te bewerkstelligen. Het gebruik van geïsoleerde hydrogenases heeft echter als nadeel dat deze geïsoleerde hydrogenases enkel na een bewerkelijke zuivering kunnen worden verkregen. Voorts missen geïsoleerde hydrogenases de vereiste stabiliteit voor langdurige toepassing en hebben ze 30 geen zelf-regenererend vermogen. Wanneer hele micro-organismen als katalysator voor de elektrochemische waterstof productie aan een kathode werden gebruikt waren tot nu 7 toe altijd extern toegevoegde mediatoren (bijvoorbeeld methyl viologen of cytochroom C3) nodig om een katalytisch effect te bewerkstelligen. Het gebruik van mediatoren heeft als nadeel dat dit kostbare verbindingen zijn met in een aantal gevallen een hoge toxiciteit.

5

Omschrijving van de uitvinding

De onderhavige uitvinding beoogt een alternatief te bieden voor de kathodesystemen voor de elektrochemische waterstof productie die tot dusver beschreven zijn. De vinding verschaft hiervoor volgens een eerste aspect een werkwijze voor het 10 verkrijgen van een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur. De werkwijze omvat de stappen van: (i) het verschaffen van een bioelektrode omvattende een elektrochemisch actieve microbiële cultuur op een elektrische geleider, welke microbiële cultuur in staat is tot waterstof oxidatie; 15 (ii) het plaatsen van de bioelektrode in een medium, het voedingsmedium dat geschikt is om de fysiologie van de microbiële cultuur te ondersteunen; (iii) het op de bioelektrode aanbrengen van een potentiaal die lager is dan de evenwichtpotentiaal van het HVH2 redoxkoppel in het voedingsmedium;

De bioelektrode welke in de werkwijze wordt verschaft omvat een 20 elektrochemisch actieve microbiële cultuur op een elektrische geleider. Deze microbiële cultuur is in staat is tot waterstof oxidatie. Met de term elektrochemisch actieve microbiële cultuur wordt in het kader van de onderhavige uitvinding bedoeld een cultuur van micro-organismen die een elektrode direct, dat wil zeggen zonder gebmik va extern toegevoerde redox mediatoren, kunnen gebruiken als elektronendonor (kathodofiele 25 organismen) dan wel als elektronenacceptor (anodofiele organismen). Het bestaan van dergelijke anodofiele organismen is bekend in het vakgbied uit onder andere “Principle and perspectives of hydrogen production through biocatalyzed electrolysis” (International Journal of Hydrogen Energy 2006, 31, 1632-1640) op naam van Rozendal., R. A. et al. en in “Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached 30 to electrodes” Applied and Environmental Microbiology 2003, 69, 1548-1555 op naam van Bond, D. R. en Lovley, D. R.).

8

De microbiële cultuur is aanwezig op een elektrische geleider, dat wil zeggen een materiaal d at e en elektrische s troom k an g eleiden. A ls e lektrische g eleider i s k oolstof, bijvoorbeeld in de vorm van koolstofvilt of koolstofpapier of grafietvilt of grafïetpapier bijzonder geschikt. De deskundige kan echter geschikte andere materialen selecteren.

5 Naar een elektrische geleider wordt in deze beschrijving en de conclusies tevens verwezen met de term ladingsverdeler.

De elektrochemisch actieve microbiële cultuur die aanwezig is op de bioelektrode is in staat tot waterstof oxidatie. Waterstof oxidatie is een proces waarbij H2 wordt omgezet naar protonen en elektronen volgens de omgekeerde reactie van bovenstaande 10 reactievergelijking (3a en/of 3b). De deskundige zal begrijpen dat de reacties volgens reactievergelijking 3a en 3b overeenkomstige reacties zijn, en dat reactie 3a wordt verkregen door links en rechts 2 OH' weg te strepen uit reactie 3b. De organismen van een elektrochemisch actieve microbiële cultuur die in staat is tot waterstof oxidatie zijn hierbij in staat om de gevormde elektronen direct, dat wil zeggen zonder een extern 15 toegevoerde redox mediator, af te geven aan een anode als elektronen acceptor.

In de werkwijze volgens de uitvinding wordt de bioelektrode geplaatst in een medium, het voedingsmedium, dat geschikt is om de fysiologie van tenminste een deel van de organismen in de microbiële cultuur te ondersteunen. Ondersteuning van de fysiologie wil hierbij zeggen dat de organismen metaboolactief kunnen zijn. In het kader 20 van de huidige uitvinding is met name metabole activiteit van de organismen in de microbiële cultuur met betrekking tot waterstof vorming via bijvoorbeeld één of meer van de bovenstaande reacties 3a en 3b van belang. Media die geschikt zijn als voedingsmedium zijn bekend voor de deskundige. Een dergelijk geschikt medium is bijvoorbeeld Postgate's medium. Andere geschikte media staan beschreven in 25 voorbeelden 1 en 2.

Voor waterstofproductie is het verder van belang dat het voedingsmedium een lage zuurstof spanning heeft. Het medium is derhalve bij voorkeur microaerofïel, en met meer voorkeur in hoofdzaak anaëroob.

Over het algemeen is een waterige oplossing van sporenelementen die verder een 30 koolstof bron, bij voorkeur kooldioxide, omvat met een pH van 2-10, zoals pH 3-9, bij voorkeur pH 5-7 geschikt.

9

Om groei van methanogene organismen, die watersof consumeren, te beperken heeft het de voorkeur om een lage pH van beneden pH 5,0, zoals beneden pH 4,0, te gebruiken. Bekend is dat methanoge organismen worden geremd door een dergelijke lage pH waarde. Daarnaast kan groei van methanogene bacteriën worden geremd door de 5 concentratie kooldioxide te minimaliseren nadat de microbiele cultuur voldoende is gegroeid. Een Pco2 van beneden 0,0003 atmosfeer, zoals beneden 0,0002 of beneden 0,0001 atmosfeer kan hiervoor worden gebruikt.

In de werkwijze volgens de uitvinding wordt een potentiaal aangebracht op de bioelektrode die lager is dan de evenwichtpotentiaal in het voedingsmedium van het 10 H+/H2 redoxkoppel. De evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel in het voedingsmedium kan door de vakman bepaald worden op theoretische basis (op basis van kennis van de samenstelling van het voedingsmedium en de overige reactiecondities). Verder kan de evenwichtspotentiaal in een aantal gevallen bepaald worden door het bepalen van het open-circuit voltage van een cel. Het aanbrengen van de potentiaal kan 15 met behulp van een potentiostaat of een andere geschikte elektrische vermogensbron.

Voor elektrochemisch actieve micro-organismen die aangepast zijn aan waterstof oxidatie, waarbij elektronen worden afgegeven aan de als anode functionerende ladingsverdeler van de elektrode betekent de overschakeling naar een potentiaal die lager is dan de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redox koppel in het voedingsmedium een 20 omkering van hun elektro-chemische reactie. Doordat deze potentiaal onder de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 koppel ligt zullen de cellen gedwongen zijn om de reactie in de richting van proton reductie te katalyseren. Aldus zullen ze op elektro-actieve wijze waterstof produceren.

De in stap (iii) van de werkwijze aangebrachte potentiaal is bijvoorbeeld 25 tenminste 5, 10, 15, 20, 25, 40, 50, 60 mV lager dan de e venwichtspotentiaal van het H+/H2 redox koppel in het voedingsmedium, zoals meer dan 70, 80, 90, 100, 120, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 of meer dan 1000 mV lager dan de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redox koppel in het voedingsmedium.

30 Hierbij zijn voor bepaalde toepassingen geringe verschillen van de opgelegde potentiaal ten opzichte van de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redox koppel 10 voordelig, daar hiermee organismen worden geselecteerd die met een geringe energie investering H2 kunnen produceren.

De opgelegde potentiaal kan worden aangebracht met behulp van een vermogensbron. Als vermogensbron is bijvoorbeeld een potentiostaat bijzonder geschikt.

5 Een dergelijke potentiostaat kan gekoppeld worden aan een referentie elektrode, bijvoorbeeld een standaard waterstofelektrode, een kalomelelektrode of een Ag/AgCl elektrode, om de potentiaal van de bioelektrode nauwkeurig te regelen ten opzichte van de evenwichtpotentiaal van het H+/H2 koppel in het voedingsmedium. Het gebruik van een potentiostaat is echter niet noodzakelijk en elke andere elektrische vermogensbron, 10 waarvan de deskundige begrijpt dat deze geschikt is om een potentiaal aan te brengen op de bioelektrode kan worden gebruikt.

Op alternatieve wijze kan de potentiaal geregeld worden onder de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel, door deze evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel te verschuiven, zoals te verlagen, bijvoorbeeld door het verlagen van 15 de pH van het voedingsmedium en/of het verlagen van de waterstof spanning of door andere veranderingen in de reactie condities zoals de temperatuur, zoals bekend is voor de deskundige. De evenwichtspotentiaal van het H+/H2 koppel is bijvoorbeeld 0,0 V bij pH 0,0 onder standaard condities (T= 25 °C en Ph, = 1 atm) Bij pH 7,0 is deze evenwichtspotentiaal onder dezelfde standaard condities -0,42 V. Hieruit is een 20 potentiaal stijging van ±60 mV per pH eenheid af te leiden. Een pH verlaging van het voedingsmedium kan aldus ook gebruikt worden om een aanwezige potentiaal op een kathode een waarde te laten krijgen, die onder de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel in het voedingsmedium ligt.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze wordt de bioelektrode 25 verkregen door een bioanode, omvattende een elektrochemisch actieve microbiële cultuur op een ladingsverdeler, welke microbiële cultuur in staat is tot oxidatie van een biologisch oxideerbare koolstofverbinding te plaatsen in een voedingsmedium, dat in staat is de fysiologie van tenminste een deel van de microbiële cultuur te ondersteunen, bij een potentiaal die hoger is dan de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redox koppel in 30 het voedingsmedium. Dit geschiedt onder condities van limitatie van de biologisch oxideerbare kooIstofVerbinding in de aanwezigheid van waterstof. De aangebrachte 11 potentiaal kan bijvoorbeeld tot 1000 mV, tot 800 mV, zoals tot 500 mV hoger zijn dan de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redox koppel in het voedingsmedium. Bij voorkeur is de aangebrachte potentiaal tot 200 mV hoger, zoals tot 150 mV, 100 mV, of 50 mV hoger.

5 Geschikte biologisch oxideerbare koolstof verbindingen kunnen door de deskundige worden geselecteerd. Voorbeelden van geschikte biologisch oxideerbare koolstof verbindingen zijn bijvoorbeeld kortketenige (Ci-Có) organische zuren, zoals melkzuur, azijnzuur en gedissocieerde vormen hiervan, kortketenige (Ci-Có) alcoholen, zoals ethanol en propanol of koolhydraten zoals glucose, fructose, lactose of sacharose.

10 Door deze stap wordt op de bioanode een elektrochemisch actieve microbiële cultuur geselecteerd die in staat is tot waterstof oxidatie bijvoorbeeld via een reactie die omgekeerd verloopt aan de reactie weergegeven in bovenstaande reactievergelijking 3a of 3b. De uitvinders van de huidige uitvinding hebben gevonden dat een dergelijke elektrochemisch actieve microbiële cultuur, die in staat is tot waterstof oxidatie, 15 elektrochemisch waterstof kunnen produceren bij een potentiaal lager dan de evenwichtspotentiaal van het HVH2 redox koppel in het voedingsmedium waarin zij zich bevinden.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze is een biologisch niet-oxideerbare koolstofbron, zoals een kooldioxide bron aanwezig onder 20 condities van limitatie van de biologisch oxideerbare koolstofverbinding . De aanwezigheid van een koolstofbron maakt microbiële groei mogelijk. Een kooldioxide bron is bijvoorbeeld kooldioxide of een oplossing die H2CO3 en/of HCO3' en/of CO32’ bevat.

Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat het overenten van de kathodofiele, 25 waterstof producerende microbiële cultuur op een ladingsverdeler. Door het overenten van de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur kan deze cultuur op eenvoudige wijze verveelvoudigd worden en/of kan een veelvoud elektrodes met de kathodofiele microbiële cultuur worden verkregen. Het overenten kan geschieden op elke geschikte wijze die voor de deskundige bekend is voor het overenten van micro-30 organismen.

12

Een verder aspect van de uitvinding heeft betrekking op een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur. Een dergelijke microbiële cultuur die zonder gebruik van externe redox mediatoren in staat is om op elektro-chemische wijze waterstof te produceren is niet eerder beschreven. De microbiële cultuur bevat micro-organismen 5 die in staat zijn om waterstof te produceren door middel van protonreductie en/of waterreductie, zoals beschreven in bijvoorbeeld reactievergelijkingen 3a en 3b. De microbiële cultuur kan een monocultuur zijn of een gemengde cultuur. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de microbiële cultuur verkrijgbaar met de werkwijze volgens de uitvinding voor het verkrijgen van de genoemde microbiële cultuur.

10 Verdere aspecten van de uitvinding hebben betrekking op het gebruik van een microbiële cultuur volgens de uitvinding voor de productie van waterstof. Zoals boven beschreven is de microbiële cultuur geschikt voor de productie van waterstof.

Weer verdere aspecten van de onderhavige uitvinding hebben betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een bioelektrode welke bijvoorbeeld geschikt is als 15 biokathode, bijvoorbeeld voor gebruik in biogekatalyseerde elektrolyse van water. De werkwijze omvat het verschaffen van een lichaam van een elektrisch geleidend materiaal en het aanbrengen van een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur op het oppervlak van het elektrisch geleidend materiaal.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is dit een werkwijze waarbij: 20 (i) het verschafte lichaam van het elektrisch geleidend materiaal twee gescheiden oppervlakken omvat; (ii) op een eerste oppervlak, het kathode-oppervlak, de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur wordt aangebracht; (iii) op een tweede oppervlak, het anode-oppervlak, een katalysator voor een 25 elektrochemische oxidatiereactie wordt aangebracht.

Aldus wordt in deze werkwijze gebruik gemaakt van de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur volgens de uitvinding.

In de werkwijze wordt een lichaam van een elektrisch geleidend materiaal of wel een ladingsverdeler verschaft. In het kader van deze uitvinding wordt met de term 30 ladingsverdeler bedoeld een materiaal dat elektrische lading kan geleiden. Geschikte 13 ladingsverdelers zijn bijvoorbeeld koolstof, bijvoorkeur koolstofpapier, een koolstofplaat, grafietpapier, een grafietplaat of een elektrisch geleidend metaal zoals koper of titaan.

In de werkwijze wordt het op het oppervlak van het lichaam van de elektrische geleider een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur volgende de 5 uitvinding aangebracht. Het aanbrengen kan op elke wijze waarvan de deskundige begrijpt dat deze geschikt is voor het aanbrengen van een microbiële cultuur.

Het lichaam omvat volgens een voorkeursuitvoeringsvorm twee gescheiden oppervlakken. Hiermee wordt bedoeld dat de twee oppervlakken gescheiden moeten kunnen worden van elkaar dusdanig dat één oppervlak dienst kan doen als kathode en het 10 ander dienst kan doen als anode. Dit kan bij voorbeeld door het lichaam te selecteren als een in hoofdzaak twee dimensionaal lichaam zoals een plaatvormig lichaam, bij voorkeur een vlakke plaat.

In deze voorkeursuitvoeringsvorm wordt op het eerste oppervlak, het kathode oppervlak een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur volgende de 15 uitvinding aangebracht. Op een tweede oppervlak, het anode oppervlak, wordt een katalysator voor een elektrochemische oxidatie reactie, bijvoorbeeld een anaërobe oxidatie reactie, aangebracht. De katalysator kan elke geschikte katalysator zijn en het aanbrengen kan op elke wijze waarvan de deskundige begrijpt dat deze geschikt is voor het aanbrengen van het gebruikte type katalysator. De katalysator kan bijvoorbeeld 20 worden geselecteerd uit de groep van platina en/of een elektrochemisch actieve microbiële cultuur die in staat is tot elektrochemische oxidatie, bijvoorbeeld een anaërobe oxidatie, van een biologisch oxideerbaar substraat, zoals een biologisch oxideerbare koolstofverbinding. Laatst genoemde microbiële cultuur kan organismen omvatten uit de groep van Geobacter sulferreducens, Shewanella putrefaciens, Geobacer metallireducens 25 en Rhodoferax ferrireducens of andere organismen uit de genera waartoe deze genoemde species behoren of een consortium van deze organismen.

De bifiinctionele bioelektrode die wordt verkregen met de bovenbeschreven voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze omvat een lichaam van een ladingsverdeler, welk lichaam twee gescheiden oppervlakken omvat, met op het eerste oppervlak, het 30 kathode oppervlak, een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur en op het 14 tweede oppervlak, het anode oppervlak, een katalysator voor een elektrochemische oxidatie reactie.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op de bioelektrode, in het bijzonder een bifunctionele bioelektrode, die wordt verkregen met deze werkwijze. De 5 kenmerken van deze bioelektrode en de bifunctionele bioelektrode alsmede die van de in de conclusies genoemde voorkeursuitvoeringsvormen zullen voor de vakman duidelijk zijn uit de beschrijving betreffende de werkwijze voor de vervaardiging van deze bifunctionele bioelektrode.

Volgens een verder aspect heeft de uitvinding betrekking op een inrichting. Deze 10 inrichting is geschikt voor gebruik als elektrolyse inrichting. De inrichting omvat een aantal compartimenten, met in elk der compartimenten een op afstand van elkaar geplaatste anode en een kathode. Op de anode is er een katalysator voor de elektrochemische oxidatie van een oxideerbaar substraat en op de kathode een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur. Verder is er tussen de anode en 15 kathode een iongeleidende scheiding aanwezig is, die het aantal compartimenten deelt in een kathodedeelcompartiment aan de zijde van de kathode en een anodedeelcompartiment aan de zijde van de anode. In de kathode deelcompartimenten is een voedingsmedium aanwezig, dat geschikt is voor het ondersteunen van de fysiologie van de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur. De inrichting omvat 20 verder middelen voor het toevoeren aan de anodedeelcompartimenten van een substraatmedium omvattende het oxideerbaar substraat en middelen voor het afvoeren van waterstof uit de kathodedeelcompartimenten. Voorts is er een elektrische verbinding tussen een aantal anodes en een aantal kathodes.

De iongeleidende scheiding kan een kation of anion geleidend materiaal zijn, 25 zoals een kation selectief membraan, een anion selectief membraan of een bipolaire membraan. Ook (micro)poreuze membranen zoals microfïltratie, ultrafiltratie of nanofiltratie membranen zijn geschikt. Dergelijke materialen zijn bekend voor de deskundige.

Een inrichting voor elektrolyse van het bovengenoemde type is op zich bekend in 30 het vakgebied. De elektrolyse inrichting volgens de uitvinding onderscheidt zich echter van die welke bekend zijn in de stand der techniek door de aanwezigheid van een 15 kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur op de kathode. In het kader van deze beschrijving betekent de term een aantal één of meer.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de elektrolyse inrichting is het aantal compartimenten een veelvoud compartimenten. Het veelvoud compartimenten is 5 onderverdeeld in een eerste en een tweede eindstandig compartiment en een aantal daar tussen gelegen tussencompartimenten. Hierbij is het aantal anodes en kathodes alternerend aanwezig in de inrichting. Verder is in deze uitvoeringsvorm de elektrische verbinding tussen het aantal anodes en het aantal kathodes ingericht als een elektrische verbinding tussen de anode en kathode van aangrenzende tussencompartimenten, een 10 elektrische verbinding tussen de kathode van het eerste eindstandigcompartiment en de anode van het aan het eerste eindstandigcompartiment grenzende tussencompartiment, een elektrisch verbinding tussen de anode van het tweede eindstandigcompartiment en de kathode van het aan het tweede eindstandigcompartiment grenzende tussencompartiment en een elektrisch verbinding tussen de anode en kathode van de eindstandige 15 compartimenten. Deze elektrische verbindingen zijn dusdanig, dat elke anode elektrisch verbonden is met één kathode.

De elektrolyse inrichting volgens deze uitvoeringsvorm kan worden vorm geven als een stack van elektrolyse cellen.

De elektrische verbinding tussen een aantal anodes en kathodes omvat volgens 20 een verdere voorkeursuitvoeringsvorm een vermogensbron voor het instellen van de potentiaal van de kathode. Indien een vermogensbron aanwezig is zal deze voor een stack op genomen zijn in de elektrisch verbinding tussen de anode en kathode van de eindstandige compartimenten.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvormen van de elektrolyse inrichting 25 omvat de katalysator voor de elektrochemische oxidatie van een oxideerbaar substraat op de anodes een katalysator uit de groep omvattende platina en/of een micro-organisme geselecteerd uit de groep van Geobacter sulferreducens, Shewanella putrefaciens, Geobacer metallireducens en Rhodoferax ferrireducens andere organismen uit de genoemde genera of een consortium van een of meer organismen hieruit. Van deze 30 organismen is bekend dat ze anodofiel kunnen werken.

16

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvormen van de elektrolyse inrichting zijn de anodes en kathodes van de tussencompartimenten ingericht als bifunctionele elektrodes volgens de uitvinding. Door de lage interne weerstand van de bifunctionele elektrode is de interne weerstand van de elektrolyse richting tevens verlaagd ten opzichte 5 van een elektrolyse inrichting uit de stand der techniek met een vergelijkbaar elektrode oppervlak.

Volgens een verder aspect heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het produceren van waterstof. De werkwijze omvat: (i) het verschaffen van een inrichting voor elektrolyse volgens de uitvinding; 10 (ii) het aan de anodedeelcompartimenten toevoeren van een substraatmedium omvattende een oxideerbaar substraat; (iii) het aanbrengen van een potentiaal op het aantal kathodes welke potentiaal ligt onder de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel in het voedingsmedium; 15 (iv) het afvoeren van het waterstof geproduceerd aan de kathode.

Het aan de anodedeelcompartimenten toevoeren van het substraat medium kan op elke geschikte wijze zoals (continue) verpomping. Het oxideerbaar substraat kan elk geschikt substraat zijn zoals bekend voor de deskundige. Het substraatmedium kan bijvoorbeeld een afvalwaterstroom zijn met een hooggehalte aan organische 20 verbindingen.

Het aanbrengen van de potentiaal op het aantal kathodes welke potentiaal ligt onder de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel kan met behulp van een eventuele vermogensbron waarmee een anode en kathode zijn verbonden in de elektrolyse inrichting volgens de uitvinding. Op alternatieve wijze kan zoals boven 25 beschreven de potentiaal geregeld worden onder de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel, door deze evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel te verschuiven, zoals te verlagen, bijvoorbeeld door het verlagen van de pH van het voedingsmedium en/of het verlagen van de waterstof spanning.

De op de kathode opgelegde potentiaal is bij voorkeur dusdanig, dat een gewenste 30 hoeveelheid H2 wordt geproduceerd per tijdseenheid. Deze gewenste hoeveelheid H2 kan vooraf worden vastgesteld. Een ander mogelijk criterium voor de productie van H2 is de 17 geïnvesteerde energie in de vorm van de opgelegde potentiaal. Een hogere energie investering kan de kostprijs van het geproduceerd H2 doen stijgen. De deskundige zal in staat zijn om de opgelegde potentiaal te optimaliseren met betrekking tot kostprijs van de waterstof.

5 Het waterstof, dat aan de kathode deelcompartimenten wordt geproduceerd kan op elke geschikte wijze worden afgevoerd voor direct gebruik en/of opslag.

Figuurbeschriiving

De uitvinding wordt nu nader toegelicht aan de hand van de navolgende 10 voorbeelden en de bijgesloten figuren, die niet-limiterende uitvoeringsvoorbeelden geven van de uitvinding.

Figuur IA-1C toont een overzicht van een uitvoeringsvorm van de werkwijze voor het verkrijgen van de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur;

Figuur 2 toont een uitvoeringsvorm van een elektrolyse inrichting volgens de 15 uitvinding;

Figuur 3 toont een detail van de biokathode van de elektrolyse inrichting van figuur 2;

Figuur 4 toont een doorsnede door een bifunctionele elektrode volgens de uitvinding; 20 Figuur 5 toont een detail van de doorsnede door de bifunctionele elektrode van figuur 4;

Figuur 6 toont een andere uitvoeringsvorm van een elektrolyse inrichting volgens de uitvinding, die gebruik maakt van de bifunctionele elektrode;

Figuur 7 toont een polarisatiecurve van de stroomdichtheid als functie van de 25 kathodepotentiaal, zoals verkregen met behulp van de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur en twee referentie experimenten;

Figuur 8 toont het volume waterstof als functie van de tijd voor een proef, waarin de kathodofiele microbiële cultuur is gebruikt, en een referentie experiment;

In de werkwijze volgens de uitvinding wordt in een uitvoeringsvorm gebruik 30 gemaakt van een elektrochemische cel 1 zoals wordt weergegeven in figuur IA, IB, 1C. Een dergelijke cel bestaat bijvoorbeeld uit twee compartimenten 2, 3 gescheiden door een 18 iongeleidende scheiding 4 (bijvoorbeeld Nafion® 117). Een c ompartiment 3 bevat een koolstofstaaf elektrode 5. Deze elektrode dient als de bio-elektrode (werk elektrode) en is verbonden met een als vermogensbron functionerende potentiostaat 6. Het andere compartiment 2 bevat een met de vermogensbron verbonden platina elektrode 7 die dient 5 als tegen elektrode. In het bio-elektrode compartiment kan tevens een referentie elektrode worden geplaatst (niet weergegeven in figuur IA, IB, 1C). Beide compartimenten 2, 3 worden gevuld met een geschikt medium (bijvoorbeeld een medium bestaande uit 0.74 g/L KC1, 1.36 g/L KH2P04) 0.28 g/L NH4CI, 0.84 g/L NaHC03', 0.1 g/L CaCI2-2H20, 1 g/L MgSC>4'7H20 and 1 mL/L sporen elementen).

10 Het bio-elektrode compartiment 3 van de elektrochemische cel 1 wordt geënt met elektrochemisch actieve micro-organismen afkomstig uit het anode compartiment van een biogekatalyseerde elektrolyse cel. Vervolgens wordt deze cultuur in de weergegeven uitvoeringsvorm gevoed met acetaat en waterstof en gecontroleerd bij een potentiaal van +0.1 V (vs. standaard waterstof elektrode; NHE) en pH 7. Elektrochemisch actieve 15 micro-organismen vormen onder deze condities een biofilm 8 op de bio-elektrode en leveren een anodische stroom. Vervolgens wordt de pH verlaagd naar bijvoorbeeld pH 6 en de potentiaal naar -0.1 V (vs. NHE) en na aanpassing van de biofilm 8 bij deze condities wordt de bio-elektrode gevoed met waterstof en medium waarin enkel bicarbonaat als koolstofbron is opgelost om waterstof oxiderende micro-organismen 8a te 20 selecteren (Figuur 1B). Nadat onder deze condities een constante stroom wordt gegenereerd, wordt de potentiaal van de bio-elektrode verlaagd naar -0.65 V (vs. NHE, bij pH 6) zodat de anodische stroom verandert in een kathodische stroom (Figuur 1C). De biofilm 8a zal na deze potentiaalverlaging waterstof produceren. Aldus is een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur 8a verkregen.

25 Figuur 2 toont een overzicht van een biogekatalyseerde elektrolyse inrichting. De biogekatalyseerde elektrolyse cel bevat vergelijkbare onderdelen als de elektrochemische cel van figuur 1C, te weten twee compartimenten 2, 3, gescheiden door een iongeleidende scheiding 4. Beide compartimenten 2, 3 bevatten in dit geval een bioelektrode. De bioelektrode 5 in compartiment 3 bevat een kathodofiele waterstof producerende 30 microbiële cultuur 8a volgens de uitvinding. De bioelektrode 7 in compartiment 2 (de anode) bevat een anodofiele microbiële cultuur 10, welke in staat is een biologisch 19 oxideerbare koolstofverbinding om te zetten in CO2, H+ en elektronen. De aan de anode 7 geproduceerde elektronen worden via een elektrisch circuit geleid naar de kathode 5. Hier worden de elektronen door de kathodofiele microbiële cultuur 8 gebruikt om protonen te reduceren tot H2. In het elektrisch circuit is een vermogensbron 6 opgenomen voor het 5 leveren van de benodigde energie. De protonen worden gevormd in het anodecompartiment 2, en stromen via de iongeleidende scheiding 4 (bijvoorbeeld een Nafion membraan) naar het kathodecompartiment 3. De biologisch oxideerbare koolstofverbinding OM is afkomstig van afvalwater, dat via een inlaat 11 het anodecompartiment 2 intreedt. Het verwerkte afvalwater verlaat via uitlaat 12 als effluent 10 het anodecompartiment. CO2 en H2 verlaten respectievelijk het anodecompartiment en kathodecompartiment via de uitlaten 13 en 14. Het geproduceerde waterstof kan verder worden afgevoerd voor opslag en/of gebruik.

Figuur 3 toont een schematisch overzicht van de protonreductie reactie, die wordt gekatalyseerd door de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur in de 15 biofilm 8a op de kathode 5. Het schematisch overzicht beoogt niet een stoichiometrische weergave van de reactie te presenteren.

Figuur 4 toont een bifunctionele elektrode 15 volgens de uitvinding. De bifiinctionele elektrode 15 omvat een elektrische geleider 16, hier een koolstofplaat. Op de koolstofplaat 16 is op één oppervlak een film van een kathodofiele microbiële cultuur 20 8a aangebracht. Op het andere oppervlak van de koolstofplaat 16 is een katalysator voor een oxidatiereactie aangebracht. In dit geval een biofilm van een anodofiele microbiële cultuur.

Figuur 5 geeft schematisch de reacties weer, die plaatsvinden aan beide zijden van de bifunctionele elektrode 15. Dit schematisch overzicht beoogt wederom niet een 25 stoichiometrische weergave van de reacties weer te geven. Zichtbaar is dat aan de anodezijde een biologisch oxideerbare koolstofverbinding (OM) wordt omgezet door de anodofiele micro-organismen in elektronen, CO2 en H+. De elektronen stromen door de elektrische geleider 16 naar de kathodezijde, waar zij door de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur 8a worden gebruikt om protonen te reduceren tot H2.

30 De bifunctionele elektrode kan worden toegepast in een elektrolyse inrichting volgens de uitvinding. Een uitvoeringsvorm van een elektrolyse inrichting is 20 weergegeven in figuur 6. Deze elektrolyse inrichting 17 omvat een veelvoud bifunctionele elektroden 15 volgens de uitvinding. De bifunctionele elektroden 15 zijn geplaatst tussen een eindstandige anode 18 en een eindstandige kathode 19. De bifunctionele elektroden 15 vormen compartimenten tussen de eindstandige anode en 5 eindstandige kathode. Deze compartimenten worden door een iongeleidende scheiding 4 onderverdeeld in een anodedeel compartiment 20 en een kathodedeel compartiment 21. Aan de anodedeel compartimenten wordt een voedingsstroom 22 toegevoerd, die afvalwater bevat. Biologisch oxideerbare koolstofverbindingen in het afvalwater worden door de anodofiele biofilm 10 omgezet tot protonen, CO2 en elektronen. De protonen 10 stromen door de protongeleidende scheiding 4 naar het kathodedeelcompartiment 21.

CO2 verlaat het anodedeelcompartiment via een uitlaat 22, bijvoorbeeld tezamen met het effluent van het afvalwater.

De elektronen die aan de anodezijde van een bifunctionele elektrode worden gegenereerd, worden door het elektrisch geleidend materiaal van de bifunctionele 15 elektrode direct geleid naar de kathodezijde van de bifunctionele elektrode. De elektronen die aan de monofunctionele eindstandige anode worden gegenereerd worden via een elektrisch circuit geleid naar de monofunctionele eindstandige kathode. In dit elektrisch circuit is een vermogensbron 6 aangebracht. Aan de kathodezijde van de bifunctionele elektroden 15 worden de elektronen gebruikt door de kathodofiele waterstof 20 producerende microbiële cultuur 8a voor de reductie van protonen. Hierbij wordt waterstof geproduceerd, dat de kathodedeel compartimenten 21 verlaat via een uitlaat 23. De vermogensbron 6 levert voldoende elektrische energie voor de productie van waterstof in het systeem. Door de geringe elektrische weerstand in de bifunctionele elektroden, is de elektrische weerstand in deze inrichting lager dan een inrichting uit de 25 stand der techniek met een vergelijkbaar elektrode oppervlak.

Voorbeelden Voorbeeld 1

Een elektrochemische cel werd gemaakt van glas. De cel bestond uit twee 30 compartimenten gescheiden door een kationselectief membraan (Nafion® 117) met een oppervlak van 9.5 cm2. Een compartiment (volume: 1L) bevatte een koolstofstaaf 21 elektrode met een oppervlak van 10 cm2. Deze elektrode diende als de bio-elektrode (werk e lektrode) en w as v erbonden m et e en p otentiostaat 6 ( μAutolablII, E co C hemie B.V., Nederland). Het andere compartiment (volume: 100 mL) bevatte een met de potentiostaat verbonden platina elektrode 7 (1.25 cm ) die verticaal georiënteerd was 5 t.o.v. de bio-elektrode en die diende als tegen elektrode. De afstand van beide elektroden tot het membraan bedroeg 1 cm. In het bio-elektrode compartiment werd tevens een Ag/AgCl, 3 M KC1 referentie elektrode geplaatst. Beide compartimenten werden gevuld met een medium bestaande uit 0.74 g/L KC1, 1.36 g/L ΙΟ^ΡΟ^ 0.28 g/L NH4CI, 0.84 g/L NaHCCb', 0.1 g/L CaCXrlYizQ, 1 g/L MgS(V7H20 and 1 mL/L sporen elementen.

10 Het bio-elektrode compartiment van de elektrochemische cel werd geënt met elektrochemisch actieve micro-organismen afkomstig uit het anode compartiment van een biogekatalyseerde elektrolyse cel, vervolgens gevoed met acetaat en waterstof en gecontroleerd bij een potentiaal van +0.1 V (vs. standaard waterstof elektrode; NHE) en pH 7. Elektrochemisch actieve micro-organismen vormden onder deze condities een 15 biofilm op de bio-elektrode en leverden anodische stroom. Vervolgens werd de pH verlaagd naar pH 6 en de potentiaal naar -0.1 V (vs. NHE) en na aanpassing van de biofilm bij deze condities werd de bio-elektrode gevoed met waterstof en medium waarin enkel bicarbonaat als koolstofbron was opgelost om waterstof oxiderende micro-organismen te selecteren. Nadat onder deze condities een constante stroom werd 20 gegenereerd, werd de potentiaal van de bio-elektrode verlaagd naar -0.65 V (vs. NHE, bij pH 6) z odat d e a nodische s troom v eranderde i n e en k athodische s troom. In d e d aarop volgende week nam de kathodische stroom toe tot een waarde van 1 A/m2 bio-elektrode oppervlak terwijl de potentiaal constant op -0.65 V (vs. NHE) werd gehouden. De toename van de kathodische stroomdichtheid bij gelijkblijvende condities wees op een 25 aanpassing van de microbiële gemeenschap in de biofilm. De gemeten kathodische stroomdichtheid (1 A/m ) was meer dan twee keer zo hoog als die gemeten met een platina gekatalyseerde elektrode zoals gebruikt in een voorgaande studie (Rozendal et al., International Journal of Hydrogen Energy, vol. 31, pag. 1632-1640, 2006) onder vergelijkbare condities (pH 7 en een kathode potentiaal van -0.71 V). Waterstof werd 30 gedetecteerd in de gasfase van het bio-elektrode compartiment (met behulp van een Shimadzu GC-2010 gaschromatograaf).

22

Voorbeeld 2

Het experiment beschreven in voorbeeld 1 werd herhaald in een enigszins gewijzigde opzet. Er werd nu gebruik gemaakt van een cel ontwerp bestaand uit 4 5 plexiglas platen. De 2 binnenste platen vormden de anode en kathode compartimenten, terwijl de 2 buitenste platen dienden als verwarmingsmantel en versteviging. De binnenste platen bevatten kanalen (kanaaldiepte: 1 cm) voor vloeistof transport (volume: 0.25 L) en een headspace voor gas accumulatie (volume 0.029 L). Tussen de binnenste platen waren 2 grafiet vilten elektroden (effectief oppervlak: 250 cm2), gescheiden door 10 een kationselectief membraan (Fumasep® FKE, 20 x 30 cm) geplaatst. De beide elektroden werden verbonden met een potentiostaat (Wenking Potentiostat/Galvanostat KP5V3A, Bank IC, Duitsland) De bio-elektrode was de werk elektrode. De Ag/AgCl, 3 M KC1 referentie elektroden (QM710X, ProSense BV, Nederland) werden verbonden met Haber-Luggin capillairen. De Haber-Luggin capillairen werden op korte afstand van 15 de elektroden geplaatst om het ohmse spanningsverlies tussen de referentie elektrode en werk of tegen elektrode te minimaliseren. Het bio-elektrode compartiment werd gevuld met m edium z oals o mschreven i n v oorbeeld 1. Het t egen e lektrode c ompartiment w as gevuld met een oplossing van hexacyanoferraat(III) wanneer de bio-elektrode anodisch werd bedreven en met een oplossing van hexacyanoferraat(II) wanneer de bio-elektrode 20 kathodisch werd bedreven.

Het bio-elektrode compartiment van de elektrochemische cel werd geënt met elektrochemisch actieve micro-organismen afkomstig uit het anode compartiment van een biogekatalyseerde elektrolyse cel, vervolgens gevoed met acetaat en waterstof en gecontroleerd bij een potentiaal van +0.1 V (vs. standaard waterstof elektrode; NHE) en 25 pH 7. Elektrochemisch actieve micro-organismen vormden onder deze condities een biofilm op de bio-elektrode en leverden anodische stroom. Vervolgens werd de bio-elektrode gevoed met waterstof en medium waarin natrium bicarbonaat als enige koolstofbron was opgelost om waterstof oxiderende micro-organismen te selecteren. Nadat een constante stroom werd gegenereerd bij een potentiaal van -0.2 V (vs NHE), 30 werd de potentiaal van de bio-elektrode verlaagd naar -0.7 V (vs. NHE; pH 7) zodat de anodische stroom veranderde in een kathodische stroom. De kathodische stroom nam in 23 de daarop volgende tijd toe tot een waarde van 1.1 A/m2 bio-elektrode oppervlak terwijl de potentiaal constant op -0.7 V (vs. NHE) werd gehouden. De toename van de kathodische stroom bij gelijkblijvende condities wees op een aanpassing van de microbiële gemeenschap in de biofilm. De zo gevormde biokathode werd vervolgens 5 gevoed met medium dat geprepareerd was zonder koolstofbron.

Bij een kathode potentiaal van -0.7 V (vs NHE, bij pH 7) bleek, zoals is weergegeven in figuur 7, dat de kathodische stroomdichtheid van de biokathode (gesloten cirkels) 4 maal zo groot was als de kathodische stroom van een controle kathode (open cirkels) die niet geinoculeerd was met elektrochemisch actieve micro-organismen. De 10 gemeten kathodische stroom (1.1 A/m2) van de biokathode is vergelijkbaar met de stroom gemeten in voorbeeld 1. De kathodische stroomdichtheid van een gemiddelde platina gekatalyseerde elektrode uit een voorgaande studie (Rozendal et al., International Journal of Hydrogen Energy, vol. 31, pag. 1632-1640, 2006) onder vergelijkbare condities (pH 7 en een kathode potentiaal van -0.71 V) is in figuur 7 weergegeven als X. Analyse van het 15 geproduceerde gas (met behulp van een Shimadzu GC-2010 gaschromatograaf) toonde aan dat waterstof werd geproduceerd met een gemeten efficiency van 50% (op basis van elektronen naar H2). De hoeveelheid geproduceerde waterstof is weergegeven in figuur 8. Deze hoeveelheid waterstof was voor de biokathode (gesloten cirkels) ongeveer 10 keer zo hoog als die aan de controle kathode (open cirkels). In een experiment waarin de 20 biokathode werd gevoed met koolmonoxide daalde de kathodische stroom van de biokathode. Koolmonoxide staat bekend als een remmer van hydrogenases, de enzymen die waterstof productie in waterstof producerende micro-organismen katalyseren. De daling van de kathodische stroom is een indicatie dat elektrochemisch actieve micro-organismen de waterstof productie aan de biokathode katalyseren. Na verwijdering van 25 koolstofmonoxide van de biokathode middels het flushen met stikstof herstelde de kathodische stroom zich tot 1.1 A/m2. De controle kathode werd geënt met elektrochemisch actieve micro-organismen door het effluent van de biokathode te koppelen aan het influent van de controle kathode. Na 8 dagen werd de controle kathode ontkoppeld van de biokathode en gevoed met het eerder omschreven 10 mM bicarbonaat 30 medium. In de daaropvolgende 10 dagen nam de stroom aan de ‘controle’ kathode toe van -0.3 A/m2 tot -1.0 A/m2. Dit wijst op groei van elektrochemisch actieve micro- 24 organismen aan de ‘controle’ kathode. Tevens wees elektronen microscopie uit dat op de biokathode en de nabeënte ‘controle’ kathode een microbiële film aanwezig was. Hiermee is dus aangetoond dat een biokathode voor waterstof productie ook verkregen kan worden door het enten van de elektrochemisch active micro-organisms afkomstig van 5 een reeds opererende biokathode voor waterstof productie.

1034123

Claims

1. werkwijze voor het verkrijgen van een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur omvattende: 5 (i) het verschaffen van een bioelektrode omvattende een elektrochemisch actieve microbiële cultuur op een elektrische geleider, welke microbiële cultuur in staat is tot waterstof oxidatie; (ii) het plaatsen van de bioelektrode in een medium, het voedingsmedium, dat geschikt is om de fysiologie van tenminste een deel van de organismen in 10 de microbiële cultuur te ondersteunen; (iii) het op de bioelektrode aanbrengen van een potentiaal die lager is dan de evenwichtpotentiaal van het H+/H2 redoxkoppel in het voedingsmedium.

2. werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de bioelektrode wordt verkregen door: 15 a) het verschaffen van een bioanode, omvattende een anodofiele elektrochemisch actieve microbiële cultuur op een elektrische geleider, welke microbiële cultuur in staat is tot waterstof oxidatie, geplaatst in een voedingsmedium dat geschikt is voor de ondersteuning van de fysiologie van tenminste een deel van de microbiële cultuur; 20 b) het in de aanwezigheid van waterstof onder condities van limitatie van een biologisch oxideerbare koolstofverbinding aanbrengen van een potentiaal op de bioanode hoger dan de evenwichtspotentiaal van het H+/H2 redox koppel in het voedingsmedium.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij een biologisch niet-oxideerbare koolstofbron, zoals een kooldioxide bron aanwezig is onder condities van limitatie van de biologisch oxideerbare koolstofverbinding.

4. Een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur. 30 1034123

5. Een microbiële cultuur volgens conclusie 4, welke verkrijgbaar is met de werkwijze volgens een der conclusies 1-3.

6. Gebruik van een microbiële cultuur volgens een der conclusies 4-5, als 5 elektrochemische katalysator voor de productie van waterstof.

7. werkwijze voor het vervaardigen van een bioelektrode, omvattende het verschaffen van een lichaam van een elektrisch geleidend materiaal en het aanbrengen van een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur op het oppervlak van het 10 elektrisch geleidend materiaal.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij: (iv) het verschafte lichaam van het elektrisch geleidend materiaal twee 15 gescheiden oppervlakken omvat; (v) op een eerste oppervlak, het kathode-oppervlak, de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur wordt aangebracht; (vi) op een tweede oppervlak, het anode-oppervlak, een katalysator voor een elektrochemische oxidatiereactie wordt aangebracht. 20

9. Werkwijze volgens een der conclusies 7-8, waarbij het lichaam in hoofdzaak tweedimensionaal is, zoals bij voorkeur een plaatvormig lichaam.

10. Werkwijze volgens een der conclusies 7-9, waarbij de katalysator voor de 25 anaërobe oxidatiereactie wordt geselecteerd uit de groep omvattende platina en/of een elektrochemisch actieve microbiële cultuur die in staat is tot oxidatie van een biologisch oxideerbare koolstofVerbinding.

11. Een bifunctionele bioelektrode omvattende een lichaam van een elektrisch 30 geleidend materiaal, welk lichaam twee gescheiden oppervlakken omvat, met op het eerste oppervlak, het kathode-oppervlak, een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur en op het tweede oppervlak, het anode oppervlak, een katalysator voor een elektrochemische oxidatie reactie.

12. Een bifiinctionele bioelektrode volgens conclusie 11, waarbij het lichaam in 5 hoofdzaak tweedimensionaal is, zoals bij voorkeur een plaatvormig lichaam, met meer voorkeur een vlakke plaat.

13. Een bifunctionele bioelektrode volgens een der conclusies 11-12, waarbij de katalysator voor de anaërobe oxidatie reactie geselecteerd is uit de groep omvattende 10 platina en/of een elektrochemisch actieve microbiële cultuur die in staat is tot oxidatie van een biologisch oxideerbare koolstofverbinding.

14. Inrichting omvattende een aantal compartimenten, met in elk der compartimenten een op afstand van elkaar geplaatste anode en een kathode met op de 15 anode een katalysator voor de elektrochemische oxidatie van een oxideerbaar substraat en op de kathode een kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur, waarbij verder tussen de anode en kathode een iongeleidende scheiding aanwezig is, die het aantal compartimenten deelt in een kathodedeelcompartiment aan de zijde van de kathode en een anodedeelcompartiment aan de zijde van de anode, met in het 20 kothodedeelcompartiment een voedingsmedium voor de ondersteuning van de fysiologie van de kathodofiele, waterstof producerende microbiële cultuur en waarbij de inrichting verder middelen omvat voor het toevoeren van een substraatmedium omvattende het oxideerbaar substraat aan de anodedeelcompartimenten en middelen voor het afvoeren van waterstof uit de kathodedeelcompartimenten en voorts er een elektrische verbinding 25 is tussen een aantal anodes en een aantal kathodes.

15. Inrichting volgens conclusie 14, waarbij de elektrische verbinding tussen een anode en een kathode een vermogensbron omvat.

16. Inrichting volgens conclusie 14 waarbij het aantal compartimenten een veelvoud compartimenten is onderverdeeld in een eerste en een tweede eindstandig compartiment en een aantal daar tussen gelegen tussencompartimenten, waarbij in de inrichting de anodes en kathodes alternerend aanwezig zijn, en waarbij de elektrische verbinding tussen het aantal anodes en het aantal kathodes is ingericht als een elektrische verbinding tussen de anode en kathode van aangrenzende tussencompartimenten, een 5 elektrisch verbinding tussen de kathode van het eerste eindstandigcompartiment en de anode van het aan het eerste eindstandigcompartiment grenzende tussencompartiment, een elektrisch verbinding tussen de anode van het tweede eindstandigcompartiment en de kathode van het aan het tweede eindstandigcompartiment grenzende tussencompartiment en een elektrisch verbinding tussen de anode en kathode van de eindstandige 10 compartimenten, dusdanig dat elke anode elektrisch verbonden is met één kathode.

17. Inrichting volgens conclusie 16, waarbij de elektrische verbinding tussen de anode en kathode van de eindstandige compartimenten een vermogensbron omvat.

18. Inrichting volgens een der conclusies 14-17, waarbij de katalysator voor de elektrochemische oxidatie van een oxideerbaar substraat op de anodes een katalysator omvat uit de groep omvattende platina en/of een micro-organisme geselecteerd uit de groep van Geobacter sulferreducens, Shewanella putrefaciens, Geobacer metallireducens en Rhodoferax ferrireducens, andere organismen uit de genoemde genera of een 20 consortium van een of meer organismen hieruit.

19. Inrichting volgens een der conclusies 16-18, waarbij de anodes en kathodes van de tussencompartimenten zijn ingericht als bifunctionele elektrodes volgens conclusies 11-13. 25

20. Werkwijze voor het produceren van waterstof omvattende: (i) het verschaffen van een inrichting volgens een der conclusies 14-19; (ii) het aan de anodedeelcompartimenten toevoeren van een substraatmedium 30 omvattende een oxideerbaar substraat; (iii) het aanbrengen van een potentiaal op het aantal kathodes die lager is dan de evenwichtpotentiaal van het H+/H2 redox koppel in het voedingsmedium; (iv) het afvoeren van het waterstof geproduceerd aan de kathode. 1 0 3 4 1 2 3