Diagrama esquemático de la síntesis de dióxido de carbono in vitro de moléculas alimentarias de cadena larga de alta energía. Crédito:SIAT
Reciclaje artificial de dióxido de carbono (CO2 ) en productos de valor añadido de manera sostenible representa una oportunidad para abordar los problemas medioambientales y realizar una economía circular.
Sin embargo, en comparación con los productos C1/C2 fácilmente disponibles, la síntesis eficiente y sostenible de compuestos de cadena larga ricos en energía a partir de CO2 sigue siendo un gran desafío.
Un equipo de investigación conjunto dirigido por el Prof. Xia Chuan de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, el Prof. Yu Tao del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen de la Academia de Ciencias de China y el Prof. Zeng Jie de la Universidad de Ciencias y Technology of China, ha desarrollado un electrobiosistema híbrido, acoplando CO2 espacialmente separados electrólisis con fermentación de levadura, que convirtió eficientemente el CO2 a la glucosa.
Los resultados fueron publicados en Nature Catalysis el 28 de abril.
El electrobiosistema espacialmente desacoplado propuesto incluye CO2 electrólisis y fermentación de levaduras. Puede convertir CO2 a glucosa o ácidos grasos con alto título y alto rendimiento.
"El ácido acético no solo es el componente principal del vinagre, sino también una de las excelentes fuentes biosintéticas de carbono. Puede transformarse en otras sustancias en la vida, como la glucosa. El ácido acético se puede obtener por electrólisis directa de CO2 , pero con una eficiencia ultrabaja. Por lo tanto, proponemos una estrategia de dos pasos para convertir el CO2 en ácido acético, con CO como intermediario", dijo el profesor Zeng.
En consecuencia, los investigadores convirtieron primero el CO2 en CO en un conjunto de electrodos de membrana usando un catalizador de un solo átomo de Ni-N-C, y luego desarrolló un catalizador de Cu rico en límites de grano (GB_Cu) para la producción de acetato a partir de la reducción electroquímica de CO.
La conversión de dióxido de carbono y agua en productos de cadena larga realizada por fermentación biológica acoplada electroquímicamente. Crédito:SIAT
GB_Cu exhibió una alta eficiencia de acetato Faradaic de hasta el 52 % a -0,67 V en comparación con un electrodo de hidrógeno reversible en un reactor de celda de flujo de tres electrodos típico que usa electrolito acuoso de KOH 1,0 M.
"Sin embargo, el acetato producido por los dispositivos electrocatalíticos convencionales siempre se mezcla con sales de electrolitos que no se pueden usar directamente para la fermentación biológica", dijo el profesor XIA.
Para hacer frente a este desafío, los investigadores desarrollaron un equipo de reactor de electrolito sólido poroso con membranas gruesas de intercambio de aniones para la separación y purificación de soluciones de ácido acético puro. Trabajó de forma continua y estable durante 140 horas bajo una densidad de corriente de -250 mA cm -2 , que logró una solución de ácido acético ultrapuro con una pureza relativa de ~97 % en peso %.
En la siguiente fermentación microbiana, los investigadores eliminaron todos los genes de hexoquinasa definidos (glk1, hxk1, hxk2, YLR446W y emi2) en Saccharomyces cerevisiae para permitir el crecimiento de microbios en ácido acético puro y la liberación eficiente de glucosa in vitro.
La sobreexpresión de glucosa-1-fosfatasa heteróloga mejoró aún más el título de glucosa. S. cerevisiae se alimentó con acetato titulado procedente de electrólisis, obteniendo un título medio de glucosa de 1,81 ± 0,14 g·L -1 , equivalente a un alto rendimiento de 8,9 μmol por gramo de levadura por hora. Se observaron resultados similares en S. cerevisiae alimentados con ácido acético puro.
Además, se alimentó una S. cerevisiae diseñada para la producción de ácidos grasos libres mediante la titulación de acetato de electrólisis, con un total de ácidos grasos libres (C8 ~C18 ) título de 500 mg·L -1 .
Ácido acético puro y concentrado de CO2 electroquímico la reducción sirvió como fuente de carbono para la fermentación de S. cerevisiae. Tal plataforma para productos de cadena larga es prometedora para un uso práctico a gran escala.
"Esta demostración es un punto de partida para realizar una síntesis artificial sin reacción a la luz de importantes productos orgánicos a partir de CO2. ", dijo el profesor Yu. + Explore más
