Bioelectrochemical systems (BES) for sustainable energy production and product recovery from organic wastes and industrial wastewaters

RSC Advances

Volumn 2, Issue 4, 2012, Pages 1248-1263

  Pant, Deepak ^a   Singh, Anoop ^b   Van Bogaert, Gilbert ^a   Irving Olsen, Stig ^b   Singh Nigam, Poonam ^c   Diels, Ludo ^a   Vanbroekhoven, Karolien ^a  

^a FLEMISH INSTITUTE FOR TECHNOLOGICAL RESEARCH VITO   (Belgium)

^b TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMARK   (Denmark)

^c UNIVERSITY OF ULSTER   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ALTERNATIVE MATERIALS; BIOELECTROCHEMICAL SYSTEMS; CHEMICAL ENERGY; CONVENTIONAL FUEL; CURRENT LIMITATION; ELECTRICITY GENERATION; ELECTROCHEMICAL REDUCTIONS; INDUSTRIAL WASTEWATERS; INNOVATIVE DESIGN; LIGNOCELLULOSIC BIOMASS; LOW STRENGTH WASTEWATER; MICROBIAL ELECTROLYSIS CELLS; ORGANIC SUBSTRATE; ORGANIC WASTES; PRODUCT RECOVERY; PRODUCT SYNTHESIS; SUSTAINABLE ENERGY;

CATALYSTS; DESIGN; ELECTRIC GENERATORS; ELECTROLYTIC CELLS; ELECTROLYTIC REDUCTION; PRECIOUS METALS;

WASTES;

EID: 84859130349     PISSN: None     EISSN: 20462069     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c1ra00839k     Document Type: Review

References (162)

1. M. C. Potter Proc. R. Soc. London, Ser. B 1911 84 260 276
2. M. C. Potter Proc. Univ. Durham Phil. Soc. 1910 3 245 249
3. M. C. Potter Proc. R. Soc. London, Ser. A 1915 91 465 480
4. M. C. Potter Zentralbl. F. Bakt., Paras u. Infekt. (II) 1929 78 56 65
5. B. Cohen J. Bacteriol. 1931 21 18 19
6. D. Sell, Biotechnology, vol. 10 Special Processes, 2001, 5 10, Wiley VCH
7. J. C. Biffinger B. R. Ringeisen Recent Pat. Biotechnol. 2008 2 150 155
8. B. H. Kim H. J. Kim M. S. Hyun D. H. Park Shewanella putrefaciens, J. Microbiol.Biotechnol. 1999 9 127 131
9. D. H. Park J. G. Zeikus Biotechnol. Bioeng. 2003 81 348 355
10. D. Xing Y. Zuo S. Cheng J. M. Regan B. E. Logan Environ. Sci. Technol. 2008 42 4146 4151
11. K. Noll, In: Fuel cell technology: Reaching towards commercialization, Ed., N. Sammes, 2006, 277-296
12. K. Rabaey R. A. Rozendal Nat. Rev. Microbiol. 2010 8 706 716
13. N. S. Lewis MRS Bull. 2007 32 808 820
14. J. H. Brown W. R. Burnside A. D. Davidson J. P. DeLong W. C. Dunn M. J. Hamilton N. Mercado-Silva J. C. Nekola J. G. Okie W. H. Woodruff W. Zuo BioScience 2011 61 19 26
15. M. Winter R. J. Brood Chem. Rev. 2004 104 4245 4269
16. H. Liu, In: Anaerobic Biotechnology for Bioenergy Production: Principles and Applications (ed., S. K. Khanal,), Wiley-Blackwell, Oxford, UK., 2008, 221-246
17. C. Gallert A. Henning J. Winter Water Res. 2003 37 1433 1441
18. C. Li H. H. P. Fang Environ. Sci. Technol. 2007 37 1 39
19. B. E. Logan Environ. Sci. Technol. 2004 38 160A 167A
20. D. P. Lies M. E. Hernandez A. Kappler R. E. Mielke J. A. Gralnick D. K. Newman Appl. Environ. Microbiol. 2005 71 4414 4426
21. J. C. Biffinger J. Pietron R. Ray B. Little B. R. Ringeisen Biosens. Bioelectron. 2007 22 1672 1679
22. M. H. Osman A. A. Shah F. C. Walsh Biosens. Bioelectron. 2011 26 3087 3102
23. M. Rosenbaum Z. He L.T. Angenent Curr. Opin. Biotechnol. 2010 21 259 264
24. D. P. B. T. B. Strik R. A. Timmers M. Helder K. J. J. Steinbusch H. V. M. Hamelers C. J. N. Buisman Trends Biotechnol. 2011 29 41 49
25. X. Cao X. Huang P. Liang K. Xiao Y. Zhou X. Zhang B. E. Logan Environ. Sci. Technol. 2009 43 7148 7152
26. M. Mehanna P. D. Kiely D. F. Call B. E. Logan Environ. Sci. Technol. 2010 44 9578 9583
27. K. S. Jacobson D. M. Drew Z. He Bioresour. Technol. 2011 102 376 380
28. X. Chen X. Xia P. Liang X. Cao H. Sun X. Huang Environ. Sci. Technol. 2011 45 2465 2470
29. F. Harnisch U. Schröder Chem. Soc. Rev. 2010 39 4433 4448
30. A.K. Marcus C.I. Torres B.E. Rittmann Bioresour. Technol. 2011 102 253 262
31. B. Erable L. Etcheverry A. Bergel Biofouling 2011 27 319 326
32. K. Rabaey, L. T. Angenent, U. Schröder, J. Keller, London: IWA Publishing, 2009, pp. 524
33. D. R. Lovley Nat. Rev. Microbiol. 2006 4 497 508
34. D. R. Lovley Curr. Opin. Biotechnol. 2008 19 564 571
35. D. Pant G. Van Bogaert L. Diels K. Vanbroekhoven Bioresour. Technol. 2010 101 1533 1543
36. D. Pant A. Singh G. Van Bogaert Y. Alvarez Gallego L. Diels K. Vanbroekhoven Renewable Sustainable Energy Rev. 2011 15 1305 1313
37. F. R. Hawkes, J. R. Kim and G. Premier, in: Bioelectrochemical systems: From extracellular electron transfer to biotechnological application, K. Rabaey, L. T. Angenent, U. Schroder, and, J. Keller, (editors), Integrated Environmental Technology Series, 2010, London, New York: IWA Publishing
38. I. S. Kim K. J. Chae M. J. Choi W. Verstraete Environ. Eng. Res. 2008 13 51 65
39. B. E. Logan B. Hamelers R. Rozendal U. Schrorder J. Keller S. Freguia P. Aelterman W. Verstraete K. Rabaey Environ. Sci. Technol. 2006 40 5181 5192
40. M. H. Osman A. A. Shah F. C. Walsh Biosens. Bioelectron. 2010 26 953 963
41. B. E. Logan, Microbial Fuel Cells. John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. 2008, pp. 200
42. J. R. Kim G. C. Premier F. R. Hawkes J. Rodriguez R. M. Dinsdale A. J. Guwy Bioresour. Technol. 2010 101 1190 1198
43. S. Ke Z. Shi H. H. P. Fang Int. J. Environ. Pollut. 2005 23 65 80
44. Y. Kadra and G. Sibioni, 17th World energy Congress held in Houston, Texas, USA, September 1998. http://87.224.35.44/tech-papers/17th-congress/2-3- 09.asp (Last accessed on 19 April, 2010)
45. R. A. Rozendal E. Leone J. Keller K. Rabaey Electrochem. Commun. 2009 11 1752 1755
46. K. Rabaey S. Bützer S. Brown J. Keller R. A. Rozendal Environ. Sci. Technol. 2010 44 4315 4321
47. D. R. Lovley Microbe 2006 1 323 329
48. B. E. Logan J. M. Regan Trends Biotechnol. 2006 14 512 518
49. B. E. Logan D. Call S. Cheng H. V. M. Hamelers T. H. J. A. Sleutels A. W. Jeremiasse R.A. Rozendal Environ. Sci. Technol. 2008 42 8630 8640
50. S. Cheng B. E. Logan Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007 104 18871 18873
51. H. J. Kim H. S. Park M. S. Hyun I. S. Chang M. Kim B. H. Kim Enzyme Microb. Technol. 2002 30 145 152
52. B. E. Logan and S. Grot, US patent application. 2006, 2006.588.022
53. R. A. Rozendal H. V. M. Hamelers G. J. W. Euverink S. J. Metz C. J. N. Buisman Int. J. Hydrogen Energy 2006 31 1632 1640
54. M. Sun G. -P. Sheng Z. -X. Mu X. -W. Liu Y. -Z. Chen H. -L. Wang H. -Q. Yu J. Power Sources 2009 191 338 343
55. J. Ditzig H. Liu B. E. Logan Int. J. Hydrogen Energy 2007 32 2296 2304
56. R. C. Wagner J. M. Regan S. -E. Oh Y. Zuo B. E. Logan Water Res. 2009 43 1480 1488
57. E. Lalaurette S. Thammannagowda A. Mohagheghi P. -C. Maness B. E. Logan Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 6201 6210
58. L. Lu N. Ren D. Xing B. E. Logan Biosens. Bioelectron. 2009 24 3055 3060
59. P. A. Selembo J. M. Perez W. A. Lloyd B. E. Logan Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 5373 5381
60. H. Hu Y. Fan H. Liu Water Res. 2008 42 4172 4178
61. R. A. Rozendal H. V. M. Hamelers R. J. Molenkamp C. J. N. Buisman Water Res. 2007 41 1984 1994
62. D. F. Call M. D. Merrill B. E. Logan Environ. Sci. Technol. 2009 43 2179 2183
63. B. Tartakovsky M. -F. Manuel H. Wang S. R. Guiot Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 672 677
64. S. Sakai T. Yagishita Biotechnol. Bioeng. 2007 98 340 348
65. R. D. Cusick B. Bryan D. S. Parker M. D. Merrill M. Mehanna P. D. Kiely G. Liu B. E. Logan Appl. Microbiol. Biotechnol. 2011 89 2053 2063
66. S. C. Barton J. Gallaway P. Atanassov Chem. Rev. 2004 104 4867 4886
67. J. Kim H. Jia P. Wang Biotechnol. Adv. 2006 24 296 308
68. W. Gellett M. Kesmez J. Schumacher N. Akers S. D. Minteer Electroanalysis 2010 22 727 731
69. S. Fishilevich L. Amir Y. Fridman A. Aharoni L. Alfonta J. Am. Chem. Soc. 2009 131 12052 12053
70. S. D. Minteer B. Y. Liaw M. J. Cooney Curr. Opin. Biotechnol. 2007 18 228 234
71. I. Ivanov T. Vidaković-Koch K. Sundmacher Energies 2010 3 803 846
72. I. Willner Y. -M. Yan B. Willner R. Tel-Vered Fuel Cells 2009 9 7 24
73. E. I. Solomon U. M. Sundaram T. E. Machonkin Chem. Rev. 2006 96 2563 2606
74. P. Aelterman, K. Rabaey, L. De Schamphelaire, P. Clauwaert, N. Boon and W. Verstraete, In: Bioenergy (ed., J.D. Wall, C.S. Harwood, A.L. Demain). Washington, D.C. ASM Press, 2008, 307-322
75. X. Jiang J. Hu L. A. Fittzgerald J. C. Biffinger P. Xie B. R. Ringeisen C. M. Lieber Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010 107 16806 16810
76. T. H. Pham P. Aelterman W. Verstraete Trends Biotechnol. 2009 27 168 178
77. B. E. Logan Nat. Rev. Microbiol. 2009 7 375 381
78. V. Sharma P. P. Kundu Enzyme Microb. Technol. 2010 47 179 188
79. G. Reguera K. D. McCarthy T. Mehta J. S. Nicoll M. T. Tuominen D. R. Lovley Nature 2005 435 1098 1101
80. Y. A. Gorby S. Yanina J. S. McLean K. M. Rosso D. Moyles A. Dohnalkova T. J. Beveridge I. S. Chang B. H. Kim K. S. Kim D. E. Culley S. B. Reed M. F. Romine D. A. Saffarini E. A. Hill L. Shi D. A. Elias D. W. Kennedy G. Pinchuk K. Watanabe S. Ishii B. Logan K. H. Nealson J. K. Fredrickson Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006 103 11358 11363
81. V. G. Debabov Mikrobiologiya 2008 77 149 157
82. A. E. Franks N. Malvankar K. P. Nevin Biofuels 2010 1 589 604
83. M. Y. El-Naggar G. Wanger K. M. Leung T. D. Yuzvinsky G. Southam J. Yang W. M. Lau K. H. Nealson Y. A. Gorby Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010 107 18127 18131
84. A. Singh D. Pant N. E. Korres A. S. Nizami S. Prasad J. D. Murphy Bioresour. Technol. 2010 101 5003 5012
85. S. Ladanai and J. Vinterbäck, Report 013, SLU, Institutionen för energi och teknik, Swedish University of Agricultural Sciences, Department of Energy and Technology, 2009, ISSN 1654-9406, Uppsala
86. V. Dornburg D. van Vuuren G. van de Ven H. Langeveld M. Meeusen M. Banse M. van Oorschot J. Ros G. J. van den Born H. Aiking M. Londo H. Mozaffarian P. Verweij E. Lysen A. Faaij Energy Environ. Sci. 2010 3 258 267
87. Z. Ren T. E. Ward J. M. Regan Environ. Sci. Technol. 2007 41 4781 4786
88. G. Mohanakrishna S. Venkata Mohan P.N. Sarma Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 3440 3449
89. S. Kalyuzhnyi Pure Appl. Chem. 2008 80 2115 2124
90. E. Tveritinova M.Sc. Thesis. University of Jyväskylä/School of Business and Economics 2008
91. A. D. Cuéllar M. E. Webber Environ. Sci. Technol. 2010 44 6464 6469
92. M. Balat Biomass Bioenergy 2005 29 32 41
93. B. Steubing R. Zah P. Waeger C. Ludwig Renewable Sustainable Energy Rev. 2010 14 2256 2265
94. C. Panoutsou J. Eleftheriadis A. Nikolaou Energy Policy 2009 37 5675 5686
95. H. Yang K. C. Abbaspour Desalination 2007 212 238 250
96. R. M. Harrison, The Royal Society of Chemistry, Redwood Books Ltd., UK, 1999
97. T. Asano Water Sci. Technol. 2002 43 24 33
98. A. Singh B. M. Smyth J. D. Murphy Renewable Sustainable Energy Rev. 2010 14 277 288
99. P. S. Nigam A. Singh Prog. Energy Combust. Sci. 2011 37 52 68
100. A. Singh P. S. Nigam J. D. Murphy Bioresour. Technol. 2011 102 10 16
101. J. K. Pittman A. P. Dean O. Osundeko Bioresour. Technol. 2011 102 17 25
102. O. Bailey E. Worrell Lawrence Berkeley National Laboratory Study 2005 43
103. F. Meggers H. Leibundgut Energy Build. 2011 43 879 886
104. J. J. Fornero M. Rosenbaum L. T. Angenent Electroanalysis 2010 22 832 843
105. D. Pant A. Singh Y. Satyawali R. K. Gupta J. Environ. Biol. 2008 29 79 84
106. J. Sun Y. -Y. Hu Z. Bi Y. -Q. Cao Bioresour. Technol. 2009 100 3185 3192
107. Y. Mu K. Rabaey R. A. Rozendal Z. Yuan J. Keller Environ. Sci. Technol. 2009 43 5137 5143
108. L. Liu F. -B. Li C. -H. Feng L. Xiang-zhong Appl. Microbiol. Biotechnol. 2009 85 175 183
109. Z. Li X. Zhang J. Lin S. Han L. Lei Bioresour. Technol. 2010 101 4440 4445
110. Y. Cao Y. Hu J. Sun B. Hou Bioelectrochemistry 2010 79 71 76
111. B. Y. Chen M. M. Zhang C. T. Chang Y. ding K. L. Lin C. S. chiou C. C. Hsueh H. Xu Bioresour. Technol. 2010 101 4737 4741
112. P. Bhatt M. S. Kumar S. Mudliar T. Chakrabarti Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 2007 37 165 198
113. S. M. Strycharz S. M. Gannon A. R. Boles A. E. Franks K. P. Nevin D. R. Lovley Environ. Microbiol. Rep. 2010 2 289 294
114. F. Aulenta A. Catervi M. Majone S. Panero P. Reale S. Rossetti Environ. Sci. Technol. 2007 41 2554 2559
115. F. Aulenta A. Canosa P. Reale S. Rossetti S. Panero M. Majone Biotechnol. Bioeng. 2009 103 85 91
116. H. Pham N. Boon M. Marzorati W. Verstraete Water Res. 2009 43 2936 2946
117. F. Aulenta V. D. Maio T. Ferri M. Majone Bioresour. Technol. 2010 101 9728 9733
118. S. J. You Q. L. Zhao J. Q. Jiang J. N. Zhang S. Q. Zhao J. Environ. Sci. Health. Part A 2006 41 2721 2734
119. J. R. Jambeck L. Damiano Environmental Research and Education Foundation (EREF) project report 2010 112
120. W. Habermann E. H. Pommer Appl. Microbiol. Biotechnol. 1991 35 128 133
121. J. Greenman A. Gálvez L. Giusti I. Ieropoulos Enzyme Microb. Technol. 2009 44 112 119
122. A. Gálvez J. Greenman I. Ieropoulos Bioresour. Technol. 2009 100 5085 5091
123. S. Puig M. Serra M. coma M. Cabre M. D. Balaguer J. Colprim J. Hazard. Mater. 2011 185 763 767
124. K. L. Straub B. Schink Appl. Environ. Microbiol. 2004 70 5744 5749
125. M. Sun Z. X. Mu Y. P. Chen G. P. Sheng X. W. Liu Y. Z. Chen Y. Zhao H. L. Wang H. Q. Yu L. Wei F. Ma Environ. Sci. Technol. 2009 43 3372 3377
126. K. Rabaey K. van de Sompel L. Maignien N. Boon P. Aelterman P. Clauwaert L. de Schamphelaire H.T. Pham J. Vermeulen M. Verhaege P. Lens W. Verstraete Environ. Sci. Technol. 2006 40 5218 5224
127. M. Sun Z. H. Tong G. P. Sheng Y. Z. Chen F. Zhang Z. X. Mu H. L. Wang R. J. Zeng H. Q. Yu L. Wei F. Ma Biosens. Bioelectron. 2010 26 470 476
128. F. Zhao N. Rahunen J. R. Varcoe A. J. Roberts C. Avignone-Rossa A. E. Thumser R. C. T. Slade Biosens. Bioelectron. 2009 24 1931 1936
129. H. V. M. Hamelers A. Ter Heijne T. H. J. A. Sleutels A. W. Jeremiasse D. P. B. T. B. Strik C. J. N. Buisman Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010 85 1673 1685
130. J. M. Foley R. A. Rozendal C. K. Hertle P. A. Lant K. Rabaey Environ. Sci. Technol. 2010 44 3629 3637
131. K. P. Nevin T. L. Woodard A. E. Franks Z. M. Summers D. R. Lovley mBio 2010 1 2 10.1128/mBio.00103-10
132. K. Rabaey A. Johnstone A. Wise S. Read R. A. Rozendal Biotech. International 2010 7 6 8
133. P. Clauwaert, J. Desloover, C. Thoeye, G. De Gueldre and W. Verstraete, 2010, IWA, World Water Conference, Montreal, http://iwawaterwiki.org/xwiki/bin/ view/EventsExtra/FullTitle (Accessed on 15 March 2011)
134. R. A. Rozendal H. V. M. Hamelers G. J. W. Euverink S. J. Metz C. J. N. Buisman Environ. Sci. Technol. 2006 40 5206 5211
135. H. S. Lee B. E. Rittman Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 920 927
136. S. Cheng D. Xing D. F. Call B. E. Logan Environ. Sci. Technol. 2009 43 3953 3958
137. P. Clauwaert W. Verstraete Appl. Microbiol. Biotechnol. 2009 82 829 836
138. D. Lovley Environ. Microbiol. Rep. 2010 3 27 35
139. P. Clauwaert R. Toledo D. v. d. Ha R. Crab W. Verstraete H. Hu K. M. Udert K. Rabaey Water Sci. Technol. 2008 57 575 579
140. D. Call B. E. Logan Environ. Sci. Technol. 2008 42 3401 3406
141. A. Wang W. Liu S. Cheng D. Xing J. Zhou B. E. Logan Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 3653 3658
142. K. J. J. Steinbusch H. V. M. Hamelers J. D. Schaap C. Kampman C. J. N. Buisman Environ. Sci. Technol. 2010 44 513 517
143. K. J. J.Steinbusch H. V. M. Hamelers C. J. N. Buisman Water Res. 2008 42 4059 4066
144. I. S. Kim J. K. Jang G. C. Gil M. Kim H. J. Kim B. W. Cho B. H. Kim Biosens. Bioelectron. 2004 19 607 613
145. J. M. Tront J. D. Fortner M. Plötze J. B. Hughes A. M. Puzrin Biosens. Bioelectron. 2008 24 586 590
146. G. T. R. Palmore and G. M. Whitesides, In: Enzymatic conversion of biomass for fuels production. (ed., E. Himmel, J. O. Baker, and, R. P. Overend,), American Chemical Society, 1994, 271-290
147. P. Clauwaert P. Aelterman T. H. Pham L. De Schamphelaire M. Carballa K. Rabaey W. Verstraete Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008 79 901 913
148. B. E. Logan Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010 85 16665 21671
149. A. Dewan H. Beyenal Z. Lewandowski Environ. Sci. Technol. 2008 42 7643 7648
150. M. Di Lorenzo T. P. Curtis I. M. Head K. Scott Water Res. 2009 43 3145 3154
151. M. Di Lorenzo K. Scott T. P. Curtis I. M. Head Chem. Eng. J. 2010 156 40 48
152. F. Zhao R. C. T. Slade J. R. Varcoe Chem. Soc. Rev. 2009 38 1926 1939
153. F. Zhang S. A. Cheng D. Pant G. Van Bogaert B. E. Logan Electrochem. Commun. 2009 11 2177 2179
154. D. Pant G. Van Bogaert M. De Smet L. Diels K. Vanbroekhoven Electrochim. Acta 2010 55 7709 7715
155. F. Zhang D. Pant B. E. Logan Biosens. Bioelectron. 2011 30 49 55
156. F. Harnisch U. Schröder ChemSusChem 2009 2 921 926
157. W. -W. Li G. -P. Guo-Ping Sheng X. -W. Liu H. Q. Yu Bioresour. Technol. 2011 102 244 252
158. H. -Y. Wang A. Bernarda C.-Y. Huang D.-J. Lee J.-S. Chang Bioresour. Technol. 2011 102 235 243
159. M. Zhou M. Chi J. Luo H. He T. Jin J. Power Sources 2011 196 427 4435
160. R. A. Rozendal H. V. M. Hamelers K. Rabaey J. Keller C. J. N. Buisman Trends Biotechnol. 2008 26 450 459
161. E. H. Yu S. Cheng K. Scott B. Logan J. Power Sources 2007 171 275 281
162. K. Rabaey P. Girguis L. K. Nielson Curr. Opin. Biotechnol. 2011 22 371 377