Kunstmatige upcycling van koolstofdioxide (CO₂ ) op een duurzame manier omzetten in producten met toegevoegde waarde, biedt een kans om milieuproblemen aan te pakken en een circulaire economie te realiseren.

Echter, in vergelijking met gemakkelijk verkrijgbare C1/C2-producten, efficiënte en duurzame synthese van energierijke verbindingen met lange ketens uit CO₂ blijft nog steeds een enorme uitdaging.

Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van Prof. Xia Chuan van de Universiteit van Elektronische Wetenschap en Technologie van China, Prof. Yu Tao van het Shenzhen Institute of Advanced Technology van de Chinese Academie van Wetenschappen, en Prof. Zeng Jie van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, heeft een hybride elektro-biosysteem ontwikkeld, dat ruimtelijk gescheiden CO₂ . koppelt elektrolyse met gistfermentatie, die CO₂ . efficiënt omzet naar glucose.

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Catalysis op 28 april.

Het voorgestelde ruimtelijk ontkoppelde elektro-biosysteem omvat CO₂ elektrolyse en gistfermentatie. Het kan CO₂ . converteren tot glucose of vetzuren met zowel een hoge titer als een hoge opbrengst.

"Azijnzuur is niet alleen het hoofdbestanddeel van azijn, maar ook een van de uitstekende biosynthetische koolstofbronnen. Het kan worden omgezet in andere stoffen in het leven, zoals glucose. Azijnzuur kan worden verkregen door directe elektrolyse van CO2 , maar met een ultra-lage efficiëntie. We stellen dus een strategie in twee stappen voor om CO₂ . om te zetten omgezet in azijnzuur, met CO als tussenproduct", zegt prof. Zeng.

Daarom hebben de onderzoekers eerst CO₂ . omgezet omgezet in CO in een membraanelektrode-assemblage met behulp van een Ni-N-C-katalysator met één atoom, en ontwikkelde vervolgens een korrelgrensrijke Cu (GB_Cu) katalysator voor de productie van acetaat uit elektrochemische CO-reductie.

GB_Cu vertoonde een hoge Faraday-efficiëntie van acetaat tot 52% bij -0,67 V versus een omkeerbare waterstofelektrode in een typische stroomcelreactor met drie elektroden met behulp van 1,0 M KOH waterige elektrolyt.

"Het acetaat dat door conventionele elektrokatalytische apparaten wordt geproduceerd, wordt echter altijd gemengd met elektrolytzouten die niet direct kunnen worden gebruikt voor biologische fermentatie", zegt prof. XIA.

Om deze uitdaging aan te gaan, ontwikkelden de onderzoekers een poreuze vaste elektrolytreactorapparatuur met dikke anionenuitwisselingsmembranen voor scheiding en zuivering van zuivere azijnzuuroplossingen. Het werkte continu en stabiel gedurende 140 uur onder een stroomdichtheid van -250 mA cm ^-2 , die een ultrazuivere azijnzuuroplossing bereikte met een relatieve zuiverheid van ~97% gew.%.

In de volgende microbiële fermentatie verwijderden de onderzoekers alle gedefinieerde hexokinase-genen (glk1, hxk1, hxk2, YLR446W en emi2) in Saccharomyces cerevisiae om microbengroei op zuiver azijnzuur en de efficiënte afgifte van glucose in vitro mogelijk te maken.

De overexpressie van heteroloog glucose-1-fosfatase verbeterde de glucosetiter verder. S. cerevisiae werd gevoed met getitreerd acetaat uit elektrolyse, waarbij een gemiddelde glucosetiter van 1,81 ± 0,14 g·L ^-1 werd verkregen. , wat overeenkomt met een hoge opbrengst van 8,9 μmol per gram gist per uur. Vergelijkbare resultaten werden waargenomen bij S. cerevisiae gevoed met zuiver azijnzuur.

Bovendien werd een gemanipuleerde S. cerevisiae voor de productie van vrije vetzuren gevoed via titratieacetaat uit elektrolyse, met een totaal aan vrije vetzuren (C₈ ~C₁₈ ) titer van 500 mg·L ^-1 .

Zuiver en geconcentreerd azijnzuur uit elektrochemisch CO₂ reductie diende als koolstofbron voor S. cerevisiae-fermentatie. Zo'n platform voor langketenige producten is veelbelovend voor grootschalig praktijkgebruik.

"Deze demonstratie is een startpunt voor het realiseren van lichtreactievrije kunstmatige synthese van belangrijke organische producten uit CO₂ ", zei prof. Yu. + Verken verder

Nieuwe ontdekking kan industriële giststammen verbeteren