On-line monitoring of electroactive biofilms on the electrodes of bioelectrochemical systems by means of heat transfer biofilm sensors

Bioelektrochemische Systeme (BES) sind eine vielversprechende Technologie für die Energie- und Ressourcenrückgewinnung aus Abfallströmen. Die Fähigkeit von elektroaktiven Mikroorganismen
zur direkten Elektronenübertragung auf einen festen externen Elektronenakzeptor ermöglicht es den bakteriellen Stoffwechsel mit elektrochemischen Systemen zu verknüpfen. Die am prominentesten untersuchten BES sind mikrobielle Brennstoffzellen (MBZ) und ihre Integration in die Abwasseraufbereitung. Das Upscaling und der stabile Langzeitbetrieb von MBZ bleibt jedoch eine Herausforderung. ... mehrDie Nutzung elektroaktiver Biofilme geht, wie bei anderen produktiven Biofilmen, auch mit dem Kompromiss zwischen einem dicken Biofilm, der eine hohe Anzahl von Bakterienzellen tragen kann, und den Beschränkungen des Massen- und Ladungstransports als Folge der diffusiven oder elektrischen Limitierungen, einher. Für einen stabilen Langzeitbetrieb ist die Kontrolle der Biofilmstruktur innerhalb eines optimalen Bereichs für den Einsatz von BES in der Abwasseraufbereitung entscheidend.
Hauptziel dieser Dissertation war die Untersuchung der Anwendbarkeit eines wärmeleitenden Biofilmsensors auf den Anoden eines BES zur Identifizierung von Limitierungen des Stofftransports im Biofilm, die durch eine übermäßige Biofilm-Akkumulation hervorgerufen werden. Zwei Kernaspekte wurden in dieser Arbeit aufgezeigt. Erstens wurde ein kommerziell erhältlicher Biofilmsensor in verschiedene Durchflusszellen auf einem kohlenstoffbasierenden Elektrodenmaterial integriert, das typischerweise in BES verwendet wird. Die Sensitivität des Sensors wurde für die Umwandlung des dimensionslosen Sensorsignals in einen strukturellen Biofilmparameter (z.B. mittlere
Dicke) bestimmt. Die Einflüsse von Material und Geometrie des Substratums, sowie der hydrodynamischen Bedingungen auf die Sensormessung wurden identifiziert und quantifiziert. Die beste Sensorsensitivität im Bereich von unter 1 µm³/(µm²×a.u.) wurde bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten (27 cm/s) auf einem flachen Substratum gemessen. Ein theoretisches Modell, das Materialeigenschaften, die Geometrie des Substratums und die hydrodynamischen Bedingungen berücksichtigt, wurde für die Vorhersage der Sensorsensitivität entwickelt, was eine Integration in verschiedene Systeme ermöglicht.
Zweitens wurde der optimale Bereich für die Dicke eines anodischen Abwasserbiofilms in einer mikrobiellen Elektrolysezelle (MEZ) bestimmt. Die maximale Stromdichte in der MEZ lag im Bereich von 3,5 A/m² bei einer mittleren Biofilmdicke auf der Anode von 100 - 150 µm. Dickere Biofilme zeigten eine abnehmende Leistung als Folge der zunehmenden Substratlimitierung und pH-Gradienten, zusammen mit einem zunehmenden elektrischen Leitungswiderstand im Biofilm.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Notwendigkeit der Kontrolle der anodischen Biofilmdicke in BES für einen stabilen Langzeitbetrieb. Biofilmsensoren, insbesondere der in dieser Arbeit untersuchte
Wärmeleitungssensor, stellen eine praktikable Option für die Unterstützung der Biofilmkontrolle in technischen Systemen dar.

Bioelectrochemical systems (BES) are a promising technology for the energy and resource recovery from waste streams. Utilizing the ability of electroactive bacteria to transfer electrons to an external solid acceptor enables the linking of the bacterial metabolism with electrochemical systems. Most prominently investigated among the BES are microbial fuel cells (MFC) and their integration into wastewater treatment. Upscaling and long-term stable operation of MFCs, though, remains challenging. Electroactive biofilms like other productive biofilms face the trade-off between thick biofilms harboring a high count of bacterial cells and the mass and charge transport limitations as a consequence of the diffusive or electrical constraints. ... mehrFor long-term stable operation the control of the biofilm structure within an optimal range will be crucial for the viability of the technology in wastewater treatment.
The main objective of this dissertation was to investigate of the applicability of a heat transfer biofilm sensor on the anodes of a bioelectrochemical system to support the detection of limiting conditions caused by excess biofilm accumulation.
Two major aspects were demonstrated within this thesis. Firstly, a commercially available biofilm sensor was integrated into different flow cells on a carbonaceous electrode material, commonly applied in BES. The sensor sensitivity was determined for the conversion of the dimensionless sensor signal into a structural biofilm parameter (e.g., mean thickness). Influences of substratum material and geometry, as well as hydrodynamics on the sensor measurement were identified and quantified. Most favorable sensor sensitivities in the range of below 1 µm³/(µm²×a.u.) were found at high flow velocities (27 cm/s) on a planar substratum. A theoretical model incorporating material properties, geometry and hydrodynamic conditions was developed for the prediction of the sensor sensitivity, allowing for an integration into various systems.
Secondly, the optimal range for the anodic biofilm thickness was determined for an electroactive biofilm cultivated from wastewater in a microbial electrolysis cell (MEC). The maximum current density in
the MEC was in the range of 3.5 A/m² with a mean biofilm thickness on the anode of 100 - 150 µm. Thicker biofilms displayed a deteriorating performance as a consequence of increased substrate
limitations and pH gradients, along with increasing electrical charge resistance. The results from this thesis show the necessity to control the anodic biofilm thickness in BES for a long-term stable operation. Biofilm sensors, especially the heat transfer sensor investigated in this thesis, present a viable option for the support of biofilm control in technical systems.