Ein chinesisches Forschungsteam hat ein hybrides Elektro-Biosystem entwickelt, das die räumlich getrennte Kohlendioxid-Elektrolyse mit der Hefefermentation koppelt und CO₂ effizient in Glukose umwandelt.

Kohlendioxid-Elektrolyse und Hefegärung

Unter der Leitung von Prof. Xia Chuan von der University of Electronic Science and Technology of China, Prof. Yu Tao vom Shenzhen Institute of Advanced Technology of the Chinese Academy of Sciences und Prof. Zeng Jie von der University of Science and Technology of China ist es Forschenden kürzlich gelungen, mittels eines zweistufigen Verfahrens aus Kohlendioxid (CO₂) energiereiche langkettige Verbindungen zu synthetisieren. Das vorgeschlagene räumlich entkoppelte Elektro-Biosystem umfasst CO₂-Elektrolyse und Hefegärung. Es kann CO₂ mit hohem Titer und hoher Ausbeute in Glukose oder Fettsäuren umwandeln.

“Essigsäure ist nicht nur der Hauptbestandteil von Essig, sondern auch eine der besten biosynthetischen Kohlenstoffquellen. Sie kann in andere Stoffe wie Glukose umgewandelt werden. Essigsäure kann durch direkte Elektrolyse von CO₂ gewonnen werden, allerdings mit sehr geringem Wirkungsgrad. Wir schlagen daher eine zweistufige Strategie zur Umwandlung von CO₂ in Essigsäure vor, mit CO als Zwischenprodukt”, so Prof. Zeng.

Umwandlung mittels Membranelektrodenanordnung

Die Forscher wandelten zunächst CO₂ in einer Membranelektrodenanordnung unter Verwendung eines einatomigen Ni-N-C-Katalysators in CO um und entwickelten dann einen korngrenzenreichen Cu-Katalysator (GB_Cu) für die Acetatproduktion durch elektrochemische CO-Reduktion.

GB_Cu zeigte eine hohe Acetat-Faradaic-Effizienz von bis zu 52 % bei -0,67 V im Vergleich zu einer reversiblen Wasserstoff-Elektrode in einem typischen Drei-Elektroden-Durchflusszellenreaktor unter Verwendung eines wässrigen 1,0 M KOH-Elektrolyten. Das mit herkömmlichen elektrokatalytischen Geräten erzeugte Acetat sei den Forschenden zufolge jedoch immer mit Elektrolytsalzen vermischt, die nicht direkt für die biologische Fermentation verwendet werden können.

Abtrennung und Reinigung notwendig

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher eine poröse Festelektrolyt-Reaktoranlage mit dicken Anionen-Austauschmembranen für die Abtrennung und Reinigung. Diese waren 140 Stunden lang kontinuierlich und stabil bei einer Stromdichte von -250 mA cm-2 im Einsatz, wodurch eine hochreine Essigsäurelösung mit einer relativen Reinheit von etwa 97 % erzielt wurde.

Schematische Darstellung der In-Vitro-Kohlendioxidsynthese von energiereichen, langkettigen Nahrungsmolekülen. (Quelle: Nature.com)

In der anschließenden mikrobiellen Fermentation entfernten die Forscher alle definierten Hexokinase-Gene (glk1, hxk1, hxk2, YLR446W und emi2) in Saccharomyces cerevisiae, um das Wachstum der Mikroben auf reiner Essigsäure und die effiziente Freisetzung von Glukose in vitro zu ermöglichen.

Die Überexpression von heterologer Glukose-1-Phosphatase verbesserte den Glukosetiter weiter. S. cerevisiae wurde mit titriertem Acetat aus der Elektrolyse gefüttert und erhielt einen durchschnittlichen Glucosetiter von 1,81 ± 0,14 g-L-1, was einer hohen Ausbeute von 8,9 μmol pro Gramm Hefe pro Stunde entspricht. Ähnliche Ergebnisse wurden bei Saccharomyces cerevisiae beobachtet, die mit reiner Essigsäure gefüttert wurde.

Darüber hinaus wurde eine für die Produktion freier Fettsäuren optimierte S. cerevisiae über die Titrierung von Acetat aus der Elektrolyse gefüttert, wobei ein Gesamttiter freier Fettsäuren (C8~C18) von 500 mg-L-1 erreicht wurde.

Vielversprechende Ergebnisse

Reine und konzentrierte Essigsäure aus der elektrochemischen CO₂-Reduktion diente als Kohlenstoffquelle für die Fermentation von S. cerevisiae. Eine solche Plattform für langkettige Produkte ist vielversprechend für den praktischen Einsatz im großen Maßstab.

“Diese Studie ist ein Ausgangspunkt für die Realisierung einer lichtreaktionsfreien künstlichen Synthese wichtiger organischer Produkte aus CO₂”, so Prof. Yu.

Die Veröffentlichung finden Sie im Original in englischer Sprache hier.