Màng dẫn điện xốp đa chức năng giúp vi khuẩn ăn theo cách của chúng để chuyển đổi carbon dioxide nhanh hơn

Màng dẫn điện xốp đa chức năng giúp vi khuẩn ăn theo cách của chúng để chuyển đổi carbon dioxide nhanh hơn

    Màng dẫn điện xốp đa chức năng giúp vi khuẩn ăn theo cách của chúng để chuyển đổi carbon dioxide nhanh hơn

    Hình minh họa về quá trình điện tổng hợp của vi sinh vật, nhờ đó các vi sinh vật sống biến đổi carbon dioxide thành các hóa chất hữu ích trong tế bào điện hóa thông qua phản ứng khử dưới điện áp đặt. Ảnh: 2022 KAUST; Heno Hwang

    Membranes help multiply microbial CO2 munching
    Các màng dẫn vi sinh được phát triển tại KAUST được kỳ vọng sẽ giúp định hình tương lai của quá trình điện tổng hợp vi sinh vật cho các công nghệ chuyển đổi CO2. Các màng này đồng thời kích thích sự phát triển của vi khuẩn ăn CO2 và hỗ trợ phân tách các sản phẩm sinh hóa.

    Quá trình tổng hợp điện từ vi sinh vật là một chiến lược đầy hứa hẹn để giảm lượng khí thải carbon của con người. Nó sử dụng các vi sinh vật sống cụ thể để biến đổi CO2 thành các hóa chất hữu ích trong tế bào điện hóa thông qua phản ứng khử dưới điện áp đặt vào. Với việc giảm CO2, các vi khuẩn nhân lên để tạo thành một màng sinh học trên cực âm của tế bào, nhưng sự phát triển của chúng liên quan đến một quá trình làm giàu nhiều bước tẻ nhạt kéo dài hơn 30 ngày.

    Quá trình làm giàu này là một nút thắt lớn để đạt được sản xuất sinh hóa hấp dẫn công nghiệp và chuyển đổi sinh học CO2. Một tiêu chí khác là các kỹ thuật phức tạp và tốn nhiều năng lượng được triển khai để cô lập các sản phẩm, chủ yếu bao gồm axetat.

    Tác giả chính Bin Bian, một postdoc trong nhóm của Pascal Saikaly, và các đồng nghiệp trước đây đã sử dụng lò phản ứng sinh học điện hóa được trang bị màng sợi rỗng dẫn điện để xử lý nước thải. Khi làm việc này, họ đã phát hiện ra một lớp màng sinh học dày được hình thành trên các màng sợi rỗng sau quá trình vi lọc. Bian nói: “Điều này gợi ý rằng một quá trình làm giàu tương tự cho các màng sinh học ăn CO2 có thể đạt được trong các hệ thống điện tổng hợp của vi sinh vật.

    Lấy cảm hứng từ khám phá này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế màng sợi rỗng bằng gốm phủ kim loại để sản xuất các cực âm dẫn truyền xúc tiến sự phát triển của vi sinh vật đồng thời làm cho axetat dễ dàng phân tách hơn. Lớp phủ bao gồm các hạt nano niken phân bố đồng đều xúc tác quá trình điện phân nước thành hydro, chất trung gian chính trong quá trình truyền điện tử giữa màng và vi sinh vật.

    Các nhà nghiên cứu đã đánh giá hiệu suất của cathode màng của họ trong môi trường phi sinh học và khi có bùn. Họ phát hiện ra rằng, trong cả hai trường hợp, việc sản xuất hydro được xúc tác bằng niken là rất cần thiết trong việc thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật và chuyển hóa CO2 thành axetat. Bian cho biết: “Hơn nữa, các sợi rỗng đóng vai trò như các kênh phân phối CO2 đến các vi khuẩn được hấp thụ trên bề mặt của chúng và do đó nâng cao hiệu quả của việc giảm CO2.

    Hệ thống điện tổng hợp của vi sinh vật sử dụng cực âm sợi rỗng phủ niken đạt được sự chuyển đổi sinh học CO2 ổn định trong vòng một tháng. "Điều này vượt quá mong đợi của chúng tôi", Bian nói, lưu ý rằng các hệ thống trước đây cần ít nhất ba tháng để hoạt động ổn định. Ông giải thích: “Đây là một khía cạnh quan trọng để mở rộng quy mô trong tương lai.

    Trong khi làm việc để cải thiện hiệu suất, nhóm nghiên cứu hiện đang mở rộng thể tích lò phản ứng và khả năng xử lý của hệ thống điện tổng hợp vi sinh vật của họ. Họ cũng đang nghiên cứu các cách để tích hợp hệ thống của họ với công nghệ kéo dài chuỗi để mở rộng sự chuyển đổi sinh học sang các chất sinh hóa có giá trị gia tăng khác ngoài axetat và mêtan.

    Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Kỹ thuật Hóa học.

    Zalo
    Hotline