Schéma de principe de la synthèse in vitro de dioxyde de carbone de molécules alimentaires à longue chaîne à haute énergie. Crédit :SIAT
Recyclage artificiel du dioxyde de carbone (CO2 ) en produits à valeur ajoutée de manière durable représente une opportunité de s'attaquer aux problèmes environnementaux et de réaliser une économie circulaire.
Cependant, par rapport aux produits C1/C2 facilement disponibles, synthèse efficace et durable de composés à longue chaîne riches en énergie à partir de CO2 reste un énorme défi.
Une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur Xia Chuan de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, le professeur Yu Tao de l'Institut de technologie avancée de Shenzhen de l'Académie chinoise des sciences et le professeur Zeng Jie de l'Université des sciences et technologies Technology of China, a développé un électro-biosystème hybride, couplant le CO2 spatialement séparé électrolyse avec fermentation de levure, qui convertit efficacement le CO2 au glucose.
Les résultats ont été publiés dans Nature Catalysis le 28 avril.
L'électro-biosystème spatialement découplé proposé comprend du CO2 électrolyse et fermentation de levure. Il peut convertir le CO2 au glucose ou aux acides gras avec à la fois un titre élevé et un rendement élevé.
"L'acide acétique n'est pas seulement le composant principal du vinaigre, mais aussi l'une des excellentes sources de carbone biosynthétique. Il peut être transformé en d'autres substances dans la vie, comme le glucose. L'acide acétique peut être obtenu par électrolyse directe du CO2 , mais avec une efficacité ultra-faible. Nous proposons donc une stratégie en deux étapes pour convertir le CO2 en acide acétique, avec du CO comme intermédiaire », a déclaré le professeur Zeng.
En conséquence, les chercheurs ont d'abord converti le CO2 en CO dans un assemblage d'électrodes à membrane à l'aide d'un catalyseur à un seul atome Ni–N–C, puis a développé un catalyseur en Cu riche en joints de grains (GB_Cu) pour la production d'acétate à partir de la réduction électrochimique du CO.
La conversion du dioxyde de carbone et de l'eau en produits à longue chaîne réalisée par fermentation biologique couplée électrochimiquement. Crédit :SIAT
GB_Cu a présenté une efficacité faradique élevée en acétate jusqu'à 52 % à -0,67 V par rapport à une électrode à hydrogène réversible dans un réacteur à cellule d'écoulement à trois électrodes typique utilisant un électrolyte aqueux KOH 1,0 M.
"Cependant, l'acétate produit par les dispositifs électrocatalytiques conventionnels est toujours mélangé avec des sels d'électrolyte qui ne peuvent pas être directement utilisés pour la fermentation biologique", a déclaré le professeur XIA.
Pour relever ce défi, les chercheurs ont développé un équipement de réacteur à électrolyte solide poreux avec des membranes échangeuses d'anions épaisses pour la séparation et la purification d'une solution d'acide acétique pur. Il a fonctionné de manière continue et stable pendant 140 heures sous une densité de courant de -250 mA cm -2 , qui a obtenu une solution d'acide acétique ultra pure avec une pureté relative d'environ 97 % en poids.
Dans la fermentation microbienne suivante, les chercheurs ont supprimé tous les gènes d'hexokinase définis (glk1, hxk1, hxk2, YLR446W et emi2) dans Saccharomyces cerevisiae pour permettre la croissance des microbes sur de l'acide acétique pur et la libération efficace de glucose in vitro.
La surexpression de glucose-1-phosphatase hétérologue a encore amélioré le titre de glucose. S. cerevisiae a été nourri avec de l'acétate titré par électrolyse, obtenant un titre moyen de glucose de 1,81 ± 0,14 g·L -1 , équivalent à un rendement élevé de 8,9 μmol par gramme de levure par heure. Des résultats similaires ont été observés chez S. cerevisiae nourri avec de l'acide acétique pur.
De plus, un S. cerevisiae modifié pour la production d'acides gras libres a été alimenté par titrage d'acétate par électrolyse, avec un total d'acides gras libres (C8 ~C18 ) titre de 500 mg·L -1 .
Acide acétique pur et concentré à partir de CO électrochimique2 la réduction a servi de source de carbone pour la fermentation de S. cerevisiae. Une telle plate-forme pour les produits à longue chaîne est prometteuse pour une utilisation pratique à grande échelle.
"Cette démonstration est un point de départ pour réaliser une synthèse artificielle sans réaction à la lumière d'importants produits organiques à partir de CO2 ", a déclaré le professeur Yu. + Explorez davantage
