Cercetătorii combină electricitatea și drojdia pentru a transforma CO₂ într-o substanță chimică valorioasă
Cercetători de la Centrul Helmholtz pentru Cercetare în domeniul Mediului (UFZ), în colaborare cu Universitatea BOKU din Viena, au demonstrat că procesele electrochimice și cele microbiene pot fi combinate într-un singur bioreactor pentru a capta dioxidul de carbon (CO₂) și a produce acid itaconic, o substanță chimică de origine biologică utilizată în industrie. Rezultatele au fost publicate în revista Angewandte Chemie International Edition.
Acidul itaconic este un acid organic bio-based folosit la fabricarea plasticurilor biodegradabile, a textilelor, adezivilor și rășinilor, fiind considerat o alternativă sustenabilă promițătoare la substanțele chimice obținute din petrol. La nivel mondial, producția anuală de acid itaconic se ridică la aproximativ 70.000 de tone și este în creștere.
De la CO₂ la sursa de energie a drojdiei
„La scară industrială, acidul itaconic este produs biotehnologic din zahăr cu ajutorul unei ciuperci. Am dezvoltat acum un proces care folosește CO₂ în loc de zahăr ca materie primă, astfel încât să putem pune emisiile în valoare productivă”, explică Falk Harnisch, electrobiotehnolog la UFZ și ultimul autor al studiului.
Echipa a pornit de la un studiu anterior al universității BOKU care arătase că acidul itaconic poate fi produs biotehnologic din metanol. Deoarece microorganismele pot metaboliza o gamă largă de substanțe, cercetătorii au testat o substanță chimic similară care poate fi obținută relativ ușor din CO₂.
„Electricitatea, ideal din surse regenerabile, poate fi folosită pentru a converti CO₂ în formiat, care este înrudit chimic cu metanolul, ambele conținând un singur atom de carbon. Am vrut deci să investigăm dacă drojdia ar putea folosi formiatul ca sursă de energie pentru producția de acid itaconic”, spune Paniz Izadi, cercetătoare în echipa UFZ și prima autoare a studiului.
Compromis între condiții de reacție diferite
Proiectarea electrobioreactorului în care procesele electrochimice și cele microbiene au loc simultan a ridicat numeroase provocări. Conversia electrochimică a CO₂ în formiat funcționează cel mai bine la temperaturi ridicate și un pH alcalin, în prezența cât mai puținor altor substanțe chimice. Tulpină de drojdie Komagataella phaffii, modificată genetic și utilizată în bioreactor, necesită însă condiții complet diferite: temperaturi de aproximativ 30°C, un pH neutru și un mediu bogat în nutrienți.
„Pentru a ne asigura că atât procesele electrochimice, cât și cele microbiene au loc și funcționează cât mai eficient, a trebuit să găsim un compromis între cerințele lor diferite în electrobioreactor”, explică Simone Bachleitner, cercetătoare principală la Institutul de Microbiologie și Biotehnologie Microbiană al universității BOKU.
Un proces funcțional, cu randamente mai mici
Experimentul a reușit, iar drojdia a produs acid itaconic din CO₂, folosind formiatul obținut electrochimic drept sursă de energie. „Am combinat cu succes procesele electrochimice și microbiene în bioreactorul nostru. Un lanț de proces autonom oferă avantaje practice majore, deoarece elimină necesitatea transportării produselor intermediare între instalații separate. Deși randamentul de acid itaconic a fost mai mic decât atunci când s-au folosit zahăr sau metanol, studiul nostru demonstrează clar că CO₂ poate fi convertit în substanțe biochimice complexe și valoroase”, spune Harnisch.
Cercetătorii speră că noul proces va servi drept model pentru aplicații practice și va contribui la dezvoltarea unor instalații la scară industrială. Aceștia intenționează să optimizeze procesele din electrobioreactor și să investigheze aplicabilitatea lor pentru alte microorganisme și produse bio-based.
