Microporeuze geleidende membranen ontwikkeld bij KAUST zullen naar verwachting helpen de toekomst van microbiële elektrosynthese voor CO₂ vorm te geven conversie technologieën. De membranen stimuleren tegelijkertijd de groei van CO₂ -het eten van microben en helpen bij het scheiden van de biochemische producten.

Microbiële elektrosynthese is een veelbelovende strategie om de menselijke ecologische voetafdruk te verkleinen. Het gebruikt specifieke levende microben om CO₂ . te transformeren omgezet in bruikbare chemicaliën in een elektrochemische cel via een reductiereactie onder aangelegde spanning. Met de reductie van CO₂ , vermenigvuldigen de microben zich om een ​​biofilm te vormen op de kathode van de cel, maar hun groei omvat een vervelend meerstaps verrijkingsproces dat meer dan 30 dagen duurt.

Dit verrijkingsproces is een belangrijk knelpunt voor het bereiken van industrieel aantrekkelijke biochemische productie en CO₂ bioconversie. Een ander nadeel zijn de complexe en energie-intensieve technieken die worden ingezet om de producten, die voornamelijk uit acetaat bestaan, te isoleren.

De hoofdauteur Bin Bian, een postdoc in de groep van Pascal Saikaly, en collega's hadden eerder elektrochemische bioreactoren gebruikt die waren uitgerust met geleidende holle vezelmembranen om afvalwater te behandelen. Daarbij ontdekten ze een dikke biofilm die zich na microfiltratie op de holle vezelmembranen had gevormd. "Dit suggereerde dat een vergelijkbaar verrijkingsproces voor CO₂ -het eten van biofilms kan worden bereikt in microbiële elektrosynthesesystemen", zegt Bian.

Geïnspireerd door deze ontdekking ontwierpen de onderzoekers met metaal beklede keramische holle vezelmembranen om geleidende kathoden te vervaardigen die microbiële groei versnellen en acetaat gemakkelijker te scheiden maken. De coating bestond uit uniform verdeelde nikkelnanodeeltjes die de elektrolyse van water in waterstof katalyseren, een belangrijke bemiddelaar in de elektronenoverdracht tussen membraan en microben.

De onderzoekers evalueerden de prestaties van hun membraankathode in abiotisch medium en in aanwezigheid van slib. Ze ontdekten dat in beide gevallen de door nikkel gekatalyseerde productie van waterstof essentieel was voor het stimuleren van de microbiële groei en CO₂ omzetting in acetaat. "Bovendien dienden de holle vezels als CO₂ - leveringskanalen aan de microben die op hun oppervlak zijn geadsorbeerd en bijgevolg de efficiëntie van de CO₂ verbeterden vermindering", zegt Bian.

Microbiële elektrosynthesesystemen die gebruikmaken van de met nikkel beklede holle vezelkathoden, bereikten een stabiele CO₂ bioconversie binnen een maand. "Dit overtrof onze verwachtingen", zegt Bian, die opmerkt dat eerdere systemen minstens drie maanden nodig hadden om stabiel te werken. "Dit is een belangrijk aspect voor toekomstige opschaling", legt hij uit.

Terwijl het werkt aan prestatieverbeteringen, breidt het team nu het reactorvolume en de behandelingscapaciteit van hun microbiële elektrosynthesesysteem uit. Ze onderzoeken ook manieren om hun systeem te integreren met ketenverlengingstechnologie om de bioconversie uit te breiden naar andere biochemicaliën met toegevoegde waarde dan acetaat en methaan.

Het onderzoek is gepubliceerd in Chemical Engineering Journal . + Verder verkennen

Nuttige microben inhaleren koolstofdioxide via een poreuze cilindrische elektrode en scheiden nuttige chemicaliën uit