Jan-Niklas Hengsbach

• Cathodic electro-fermentation is an emerging technology with promising potential for industrial application, particularly for enhancing the production of various biotechnologically relevant metabolites. It is based on the combination of traditional industrial fermentation processes with electrochemical approaches. This dissertation investigates two specific application areas of this technology. Firstly, succinate biosynthesis with Actinobacillus succinogenes and secondly, the enhancement of butanol production during acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation with Clostridium acetobutylicum. Key influencing factors are systematically analysed, including the selection of different mediator molecules, the effect of various electrical potentials, the impact on intracellular redox balance, and initial concepts for process scale-up. Cathodic electro-fermentation led to an increased product yield in both processes. Regarding A. succinogenes, increased NADH availability was also observed in the stationary phase. The results of the study help select suitable mediators for electron transfer, with neutral red currently delivering the most favorable results. For electrified ABE fermentation, successful scale-up was achieved in a newly developed reactor design that allows the use of a rotating electrode serving simultaneously as a stirrer and working electrode. Despite these advances, significant challenges remain. The molecular and biochemical mechanisms underlying the product-enhancing effects of electric potentials are still not fully understood. Furthermore, process scalability continues to represent a key barrier. Nevertheless, the results clearly demonstrate the strong potential of cathodic electro fermentation. Continued research should therefore pave the way for future industrial implementation of this technology.
• Die kathodische Elektrofermentation ist eine neuartige Technologie mit vielversprechendem Potenzial für die industrielle Anwendung, insbesondere zur Steigerung verschiedenster biotechnologisch relevanter Stoffwechselprodukte. Sie basiert auf der Kombination traditioneller industrieller Fermentationsprozesse mit elektrochemischen Ansätzen. Die vorliegende Dissertation untersucht zwei spezifische Anwendungsbereiche dieser Technologie. Zum einen die Succinatbiosynthese mit Actinobacillus succinogenes, zum anderen die Steigerung der Produktion von Butanol in der Aceton-Butanol-Ethanol (ABE)-Fermentation mit Clostridium acetobutylicum. Es werden systematisch zentrale Einflussfaktoren analysiert, darunter die Auswahl verschiedener Mediatormoleküle, die Wirkung unterschiedlicher elektrischer Potentiale, der Einfluss auf den intrazellulären Redoxzustand sowie erste Konzepte zur Skalierung. Durch die kathodische Elektrofermentation konnte in beiden Prozessen eine Erhöhung der Produktausbeute erzielt werden. Bei A. succinogenes wurde in der stationären Phase zudem eine gesteigerte NADH-Verfügbarkeit beobachtet. Die Untersuchungen ermöglichen eine Eingrenzung geeigneter Mediatoren für den Elektronentransfer, wobei Neutralrot derzeit die besten Ergebnisse liefert. Für die elektrifizierte ABE-Fermentation gelang eine erfolgreiche Hochskalierung in ein neu entwickeltes Reaktordesign, das den Einsatz einer rotierenden Elektrode als kombinierte Rühr- und Arbeitselektrode erlaubt. Trotz dieser Fortschritte bestehen weiterhin erhebliche Herausforderungen. Die zugrunde liegenden molekularen und biochemischen Mechanismen der produktionserhöhenden Wirkung elektrischer Potentiale sind bislang nur unzureichend verstanden. Auch die Skalierbarkeit der Prozesse bleibt weiterhin eine zentrale Hürde. Dennoch verdeutlichen die Ergebnisse das große Potenzial der kathodischen Elektrofermentation. Somit sollte weitere Forschung den Weg für eine zukünftige industrielle Anwendung dieser Technologie ebnen.