Schematiskt diagram av koldioxidsyntes in vitro av långkedjiga livsmedelsmolekyler med hög energi. Kredit:SIAT
Konstgjord återcirkulation av koldioxid (CO2 ) till förädlade produkter på ett hållbart sätt representerar en möjlighet att ta itu med miljöfrågor och förverkliga en cirkulär ekonomi.
Men jämfört med lättillgängliga C1/C2-produkter, effektiv och hållbar syntes av energirika långkedjiga föreningar från CO2 är fortfarande en stor utmaning.
En gemensam forskargrupp ledd av professor Xia Chuan från University of Electronic Science and Technology i Kina, professor Yu Tao från Shenzhen Institute of Advanced Technology vid den kinesiska vetenskapsakademin och prof. Zeng Jie från University of Science och Technology of China, har utvecklat ett hybridelektro-biosystem som kopplar rumsligt separat CO2 elektrolys med jästjäsning, som effektivt omvandlade CO2 till glukos.
Resultaten publicerades i Nature Catalysis den 28 april.
Det föreslagna rumsligt frikopplade elektrobiosystemet inkluderar CO2 elektrolys och jästjäsning. Den kan konvertera CO2 till glukos eller fettsyror med både hög titer och högt utbyte.
"Ättiksyra är inte bara huvudkomponenten i ättika, utan också en av de utmärkta biosyntetiska kolkällorna. Den kan omvandlas till andra ämnen i livet, såsom glukos. Ättiksyra kan erhållas genom direkt elektrolys av CO2 , men med ultralåg effektivitet. Vi föreslår därför en tvåstegsstrategi för att omvandla CO2 till ättiksyra, med CO som mellanprodukt," sa prof. Zeng.
Följaktligen omvandlade forskarna först CO2 till CO i en membranelektrodenhet med användning av en Ni–N–C enkelatomskatalysator och utvecklade sedan en korngränsrik Cu (GB_Cu)-katalysator för acetatproduktion från elektrokemisk CO-reduktion.
Omvandlingen av koldioxid och vatten till långkedjiga produkter som realiseras genom elektrokemiskt kopplad biologisk fermentering. Kredit:SIAT
GB_Cu uppvisade en hög acetat-Faradaic-effektivitet på upp till 52 % vid -0,67 V jämfört med en reversibel väteelektrod i en typisk flödescellreaktor med tre elektroder som använder 1,0 M KOH vattenhaltig elektrolyt.
"Men det acetat som produceras av konventionella elektrokatalytiska anordningar blandas alltid med elektrolytsalter som inte kan användas direkt för biologisk jäsning", säger prof. XIA.
För att tackla denna utmaning utvecklade forskarna en porös fast elektrolytreaktorutrustning med tjocka anjonbytarmembran för ren ättiksyralösningsseparation och rening. Den arbetade kontinuerligt och stabilt i 140 timmar under en strömtäthet på -250 mA cm -2 , som uppnådde en ultraren ättiksyralösning med en relativ renhet på ~97 viktprocent.
I den följande mikrobiella fermenteringen raderade forskarna alla definierade hexokinasgener (glk1, hxk1, hxk2, YLR446W och emi2) i Saccharomyces cerevisiae för att möjliggöra mikrobtillväxt på ren ättiksyra och effektiv frisättning av glukos in vitro.
Överuttrycket av heterologt glukos-1-fosfatas förbättrade glukostitern ytterligare. S. cerevisiae matades med titrerat acetat från elektrolys, vilket gav en genomsnittlig glukostiter på 1,81 ± 0,14 g·L -1 , motsvarande ett högt utbyte på 8,9 μmol per gram jäst och timme. Liknande resultat observerades hos S. cerevisiae som fick ren ättiksyra.
Dessutom matades en konstruerad S. cerevisiae för produktion av fria fettsyror via titrerande acetat från elektrolys, med en total mängd fria fettsyror (C8 ~C18 ) titer på 500 mg·L -1 .
Ren och koncentrerad ättiksyra från elektrokemisk CO2 reduktion tjänade som kolkälla för S. cerevisiae-fermentering. En sådan plattform för långkedjiga produkter är lovande för storskalig praktisk användning.
"Denna demonstration är en startpunkt för att realisera ljusreaktionsfri konstgjord syntes av viktiga organiska produkter från CO2 ," sa prof. Yu. + Utforska vidare
