KAIST研究人员开发的生物混合系统可从CO2中提取20 倍以上的生物塑料

随着全球气候变化问题的愈演愈烈，需要更多的关注和坚定的努力，重新将其作为“危机”状态来看待，并妥善应对。在回收CO2的各种方法中，电化学CO2转化技术是利用电能将CO2转化为有用的化学物质的技术。由于它易于操作设施，并且可以使用太阳能电池或风力等可再生能源的电力，因此作为一种环保技术可以减少温室气体排放并实现碳中和而受到广泛关注。

KAIST(理事长 Kwang Hyung Lee)30 日宣布，由 Hyunjoo Lee 教授和化学与生物分子工程系特聘教授 Sang Yup Lee 领导的联合研究团队成功开发了一种利用 CO2 高效生产生物塑料的技术，该技术通过开发一种混合系统，将电化学 CO2 转化和微生物生物转化方法联系在一起。3月27日在线发表在《国家科学院院刊(PNAS)》上的研究结果显示世界最高生产力，是同类系统的20多倍。

※ 论文题目：Biohybrid CO2 electrolysis for the direct synthesis of polyesters from CO2

※ 作者信息：Jinkyu Lim(目前在斯坦福直线加速器中心，共同第一作者)，So Young Choi(KAIST，共同第一作者)，Jae Won Lee(KAIST，共同第一作者)，Hyunjoo Lee(KAIST，通讯作者) author), Sang Yup Lee (KAIST, 通讯作者)

为了高效转化CO2，正在积极开发高效电极催化剂和系统。作为转化产物，只有含有一个或最多三个碳原子的化合物在有限的基础上产生。CO、甲酸、乙烯等一碳化合物的生产效率相对较高。这些系统也可以生产乙醇、乙酸和丙醇等多碳液体化合物，但由于需要更多电子的化学反应的性质，在转化效率和产品选择方面存在局限性。

因此，由 Hyunjoo Lee 教授和 KAIST 化学与生物分子工程系特聘教授 Sang Yup Lee 领导的联合研究小组开发了一种技术，通过将电化学转化技术与使用微生物的生物转化方法相结合，从 CO2 中生产生物塑料。

这种电化学-生物混合系统的形式是将发生电化学转化反应的电解槽与培养微生物的发酵罐相连。当 CO2 在电解槽中转化为甲酸，并被送入发酵罐时，在这种情况下，Cupriavidus necator 等微生物会消耗碳源来生产聚羟基脂肪酸酯 (PHA)，这是一种微生物衍生的生物塑料。

根据现有混合概念的研究结果，由于微生物的培养条件导致电解效率低和结果不规则的问题，存在生产率低或停在非连续过程的缺点。

为了克服这些问题，联合研究小组使用气态 CO2 通过气体扩散电极制造了甲酸。此外，该团队还开发了一种“生理相容性阴极电解液”，可用作微生物的培养基，以及一种电解质，可使电解充分发生而不会抑制微生物的生长，而无需进行额外的分离和提纯过程，这使得酸可以直接供应给微生物。

由此，含有由CO2制成的甲酸的电解液进入发酵罐，用于微生物培养，进入电解槽循环使用，最大限度地利用电解液和剩余甲酸。此外，还安装了一个过滤器，以确保只有过滤掉任何和所有可能影响电解的微生物的电解质溶液被供应回电解槽，并且微生物只存在于发酵罐中，设计两个系统可以很好地工作与最高效率一起。

通过开发的混合系统，生产的生物塑料聚 3-羟基丁酸酯 (PHB) 占细胞干重的 83% 来自 CO2，从 4 cm2 电极产生 1.38g PHB，这是世界上第一克(g)水平的生产，比以前的研究生产率高出 20 多倍。此外，混合系统有望在未来应用于各种工业过程，因为它显示了连续培养系统的前景。

通讯作者 Hyunjoo Lee 教授和特聘教授 Sang Yup Lee 指出：“这项研究的成果是可以应用于生产各种化学物质和生物塑料的技术，有望用作制造生物塑料所需的关键部件。在未来实现碳中和。”

该研究得到了CO2还原催化剂及能源装置技术开发项目、多相原子催化剂控制项目和下一代生物炼制源技术开发项目的支持，引领石油替代生态的生化产业科学和信息通信技术部的友好化学技术发展计划。

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