Un electrobiosistema híbrido convierte el dióxido de carbono en compuestos de cadena larga ricos en energía
Reciclaje de CO₂ mediante ingeniería electroquímica y metabólica
El reciclado artificial del dióxido de carbono (CO2) para convertirlo en productos de valor añadido de forma sostenible representa una oportunidad para abordar los problemas medioambientales y realizar una economía circular.
La conversión de dióxido de carbono y agua en productos de cadena larga realizada mediante fermentación biológica acoplada electroquímicamente
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Diagrama esquemático de la síntesis in vitro de moléculas alimentarias de cadena larga de alta energía
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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 partirdel CO2 sigue siendo un gran desafío.
Un equipo de investigación conjunto dirigido por el profesor XIA Chuan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, el profesor YU Tao, del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen de la Academia China de Ciencias, y el profesor ZENG Jie, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha desarrollado un electrobiosistema híbrido, que acopla la electrólisis deCO2 espacialmente desacoplada con la fermentación de la levadura, que convierte eficazmenteel CO2 en glucosa.
El electrobiosistema espacialmente desacoplado propuesto incluye la electrólisis deCO2 y la fermentación de la levadura. Puede convertirel CO2 en glucosa o en ácidos grasos con un alto título y un alto rendimiento.
"El ácido acético no sólo es el principal componente del vinagre, sino también una de las excelentes fuentes de carbono biosintéticas. Puede transformarse en otras sustancias en la vida, como la glucosa. El ácido acético puede obtenerse por electrólisis directa delCO2, pero con una eficacia muy baja. Por tanto, proponemos una estrategia de dos pasos para convertirel CO2 en ácido acético, con el CO como intermediario", dijo el profesor ZENG.
En consecuencia, los investigadores convirtieron primeroel CO2 en CO en un conjunto de electrodos de membrana utilizando un catalizador de Ni-N-C de un solo átomo, y luego desarrollaron un catalizador de Cu rico en granos (GB_Cu) para la producción de acetato a partir de la reducción electroquímica del CO.
GB_Cu mostró una alta eficiencia de acetato Faradaic de hasta el 52% a -0,67 V frente a un electrodo de hidrógeno reversible en un reactor típico de celda de flujo de tres electrodos utilizando electrolito acuoso de 1,0 M KOH.
"Sin embargo, el acetato producido por los dispositivos electrocatalíticos convencionales siempre se mezcla con las sales del electrolito, que no pueden utilizarse directamente para la fermentación biológica", dijo el profesor XIA.
Para hacer frente a este reto, los investigadores desarrollaron un equipo reactor de electrolitos sólidos porosos con membranas gruesas de intercambio aniónico para la separación y purificación de la solución de ácido acético puro. Funcionó de forma continua y estable durante 140 horas con una densidad de corriente de -250 mA cm-2, lo que permitió obtener una solución de ácido acético ultrapura con una pureza relativa de ~97% en peso.
En la siguiente fermentación microbiana, los investigadores suprimieron todos los genes de hexoquinasa definidos(glk1, hxk1, hxk2, YLR446W y emi2) en Saccharomyces cerevisiae para permitir el crecimiento del microbio en ácido acético puro y la liberación eficiente de glucosa in vitro.
La sobreexpresión de la glucosa-1-fosfatasa heteróloga mejoró aún más el título de glucosa. S. cerevisiae se alimentó con acetato titulado procedente de la 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 alimentada con ácido acético puro.
Además, se alimentó una S. cerevisiae diseñada para la producción de ácidos grasos libres mediante la titulación de acetato procedente de la electrólisis, con un título total de ácidos grasos libres (C8~C18) de 500 mg-L-1.
El ácido acético puro y concentrado procedente de la reducción electroquímica deCO2 sirvió como fuente de carbono para la fermentación de S. cerevisiae. Esta plataforma para productos de cadena larga es prometedora para su uso práctico a gran escala.
"Esta demostración es un punto de partida para realizar la síntesis artificial sin reacción a la luz de importantes productos orgánicos a partirdel CO2", dijo el profesor YU.
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