Hybrid elektro-biosystem opcykler kuldioxid til energirige langkædede forbindelser

Kunstig upcycling af kuldioxid (CO₂ ) til værditilvækstprodukter på en bæredygtig måde repræsenterer en mulighed for at tackle miljøproblemer og realisere en cirkulær økonomi.

Men sammenlignet med let tilgængelige C1/C2-produkter, effektiv og bæredygtig syntese af energirige langkædede forbindelser fra CO₂ er stadig en kæmpe udfordring.

Et fælles forskerhold ledet af prof. Xia Chuan fra University of Electronic Science and Technology i Kina, prof. Yu Tao fra Shenzhen Institute of Advanced Technology ved det kinesiske videnskabsakademi og prof. Zeng Jie fra University of Science og Technology of China, har udviklet et hybridt elektro-biosystem, der kobler rumligt adskilt CO₂ elektrolyse med gærgæring, som effektivt omdannede CO₂ til glukose.

Resultaterne blev offentliggjort i Nature Catalysis den 28. april.

Det foreslåede rumligt afkoblede elektro-biosystem inkluderer CO₂ elektrolyse og gærgæring. Det kan konvertere CO₂ til glucose eller fedtsyrer med både høj titer og højt udbytte.

"Eddikesyre er ikke kun hovedbestanddelen i eddike, men også en af ​​de fremragende biosyntetiske kulstofkilder. Den kan omdannes til andre stoffer i livet, såsom glukose. Eddikesyre kan opnås ved direkte elektrolyse af CO₂ , men med ultra-lav effektivitet. Vi foreslår derfor en to-trins strategi til at konvertere CO₂ til eddikesyre, med CO som mellemprodukt," sagde prof. Zeng.

Derfor omdannede forskerne først CO₂ ind i CO i en membranelektrodesamling ved hjælp af en Ni-N-C enkeltatom-katalysator og udviklede derefter en korngrænse-rig Cu (GB_Cu)-katalysator til acetatproduktion fra elektrokemisk CO-reduktion.

GB_Cu udviste en høj acetat-faradaic-effektivitet på op til 52 % ved -0,67 V i forhold til en reversibel brintelektrode i en typisk tre-elektrode flow-cellereaktor, der anvender 1,0 M KOH vandig elektrolyt.

"Men det acetat, der produceres af konventionelle elektrokatalytiske enheder, blandes altid med elektrolytsalte, som ikke kan bruges direkte til biologisk gæring," sagde prof. XIA.

For at tackle denne udfordring udviklede forskerne et porøst fast elektrolytreaktorudstyr med tykke anionbyttermembraner til ren eddikesyreopløsningsseparation og oprensning. Det arbejdede kontinuerligt og stabilt i 140 timer under en strømtæthed på -250 mA cm ^-2 , som opnåede en ultraren eddikesyreopløsning med en relativ renhed på ~97% vægt.%.

I den følgende mikrobielle fermentering slettede forskerne alle definerede hexokinase-gener (glk1, hxk1, hxk2, YLR446W og emi2) i Saccharomyces cerevisiae for at muliggøre mikrobevækst på ren eddikesyre og effektiv frigivelse af glucose in vitro.

Overekspressionen af ​​heterolog glucose-1-phosphatase forbedrede glucosetiteren yderligere. S. cerevisiae blev fodret med titreret acetat fra elektrolyse, hvilket gav en gennemsnitlig glucosetiter på 1,81 ± 0,14 g·L ^-1 , svarende til et højt udbytte på 8,9 μmol per gram gær per time. Lignende resultater blev observeret i S. cerevisiae fodret med ren eddikesyre.

Derudover blev en konstrueret S. cerevisiae til produktion af frie fedtsyrer fodret via titreringsacetat fra elektrolyse, med et samlet antal frie fedtsyrer (C₈ ~C₁₈ ) titer på 500 mg·L ^-1 .

Ren og koncentreret eddikesyre fra elektrokemisk CO₂ reduktion tjente som kulstofkilde til S. cerevisiae-fermentering. En sådan platform for langkædede produkter er lovende til praktisk brug i stor skala.

"Denne demonstration er et udgangspunkt for at realisere lysreaktionsfri kunstig syntese af vigtige organiske produkter fra CO₂ ," sagde prof. Yu. + Udforsk yderligere

Ny opdagelse kan forbedre industrielle gærstammer