Ilustración del proceso de electrosíntesis microbiana mediante el cual los microbios vivos transforman el dióxido de carbono en sustancias químicas útiles en una celda electroquímica a través de una reacción de reducción bajo tensión aplicada. Crédito:2022 KAUST; Heno Hwang
Se espera que las membranas conductoras microporosas desarrolladas en KAUST ayuden a dar forma al futuro de la electrosíntesis microbiana para CO2 tecnologías de conversión. Las membranas estimulan simultáneamente el crecimiento de CO2 -alimentación de microbios y ayuda a la separación de los productos bioquímicos.
La electrosíntesis microbiana es una estrategia prometedora para reducir la huella de carbono humana. Utiliza microbios vivos específicos para transformar CO2 en productos químicos útiles en una celda electroquímica a través de una reacción de reducción bajo voltaje aplicado. Con la reducción de CO2 , los microbios se multiplican para formar una biopelícula en el cátodo de la célula, pero su crecimiento implica un tedioso proceso de enriquecimiento de varios pasos que lleva más de 30 días.
Este proceso de enriquecimiento es un cuello de botella importante para lograr una producción bioquímica industrialmente atractiva y CO2 bioconversión. Otro drenaje son las técnicas complejas y de uso intensivo de energía implementadas para aislar los productos, que consisten principalmente en acetato.
El autor principal Bin Bian, un postdoctorado en el grupo de Pascal Saikaly, y sus compañeros de trabajo habían utilizado previamente biorreactores electroquímicos equipados con membranas conductoras de fibra hueca para tratar aguas residuales. Al hacer esto, descubrieron una gruesa biopelícula formada en las membranas de fibra hueca después de la microfiltración. "Esto sugirió que un proceso de enriquecimiento similar para CO2 -Se podrían lograr biopelículas alimenticias en sistemas de electrosíntesis microbiana", dice Bian.
Inspirados por este descubrimiento, los investigadores diseñaron membranas de fibra hueca de cerámica recubiertas de metal para fabricar cátodos conductores que aceleran el crecimiento microbiano y facilitan la separación del acetato. El recubrimiento constaba de nanopartículas de níquel uniformemente distribuidas que catalizan la electrólisis del agua en hidrógeno, un mediador clave en la transferencia de electrones entre la membrana y los microbios.
Los investigadores evaluaron el rendimiento de su cátodo de membrana en medio abiótico y en presencia de lodo. Descubrieron que, en ambos casos, la producción de hidrógeno catalizada por níquel era esencial para impulsar el crecimiento microbiano y el CO2 conversión en acetato. "Además, las fibras huecas sirvieron como CO2 -canales de entrega a los microbios adsorbidos en su superficie y, en consecuencia, mejoró la eficiencia del CO2 reducción", dice Bian.
Los sistemas de electrosíntesis microbiana que utilizan cátodos de fibra hueca recubiertos de níquel lograron un CO2 estable bioconversión en un mes. "Esto superó nuestras expectativas", dice Bian, y señala que los sistemas anteriores requerían al menos tres meses para alcanzar un funcionamiento estable. "Este es un aspecto importante para la futura ampliación", explica.
Mientras trabaja en mejoras de rendimiento, el equipo ahora está ampliando el volumen del reactor y la capacidad de tratamiento de su sistema de electrosíntesis microbiana. También están investigando formas de integrar su sistema con la tecnología de elongación de cadenas para expandir la bioconversión a bioquímicos de valor agregado distintos del acetato y el metano.
La investigación fue publicada en Chemical Engineering Journal . Los microbios útiles inhalan dióxido de carbono a través de un electrodo cilíndrico poroso y exudan sustancias químicas útiles
