Technical Focus:
Biological and material engineering
Carbon waste conversion
Contaminant remediation
Synthetic biology and metabolic engineering
Joshua Yuan, Profesor Lucy & Stanley Lopata dan ketua Departemen Energi, Lingkungan & Teknik Kimia di Sekolah Teknik McKelvey di Universitas Washington di St. Louis, dan Susie Dai, Profesor Teknik Kimia dan Biomedis MizzouForward di Universitas Missouri, dan kolaborator mereka di Universitas Texas A&M, telah menggunakan elektrokatalisis karbon dioksida untuk menciptakan elektro-biodiesel yang 45 kali lebih efisien dan menggunakan lahan 45 kali lebih sedikit daripada produksi biodiesel berbasis kedelai. Hasil kerja mereka dipublikasikan secara daring pada 31 Oktober di Joule.
"Ide baru ini dapat diterapkan pada ekonomi sirkular untuk memproduksi bahan bakar, bahan kimia, material, dan bahan makanan yang tidak menghasilkan emisi dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi daripada fotosintesis dan dengan emisi karbon yang lebih sedikit daripada petrokimia," kata Yuan, yang memulai pekerjaan dengan Dai di Universitas Texas A&M. "Kami telah secara sistematis mengatasi tantangan dalam elektro-biomanufaktur dengan mengidentifikasi batas metabolisme dan biokimia penggunaan karbon diatomik dan telah mengatasi batas-batas ini."
Tim tersebut menggunakan elektrokatalisis, sejenis reaksi kimia yang diawali dengan transfer elektron ke dan dari reaktan pada permukaan katalis, untuk mengubah karbon dioksida menjadi zat antara yang biokompatibel, seperti asetat dan etanol. Zat antara tersebut kemudian diubah oleh mikroba menjadi lipid, atau asam lemak, dan akhirnya menjadi bahan baku biodiesel, kata Yuan, yang juga merupakan direktur Pusat Penelitian Rekayasa Dekarbonisasi yang Diberdayakan oleh Carbon Utilization Redesign for Biomanufacturing yang didanai oleh National Science Foundation.
Proses mikroba dan katalis baru yang dikembangkan oleh Yuan, Dai, dan tim mereka memungkinkan elektro-biodiesel mereka mencapai efisiensi surya-ke-molekul sebesar 4,5% untuk mengubah karbon dioksida menjadi lipid, yang jauh lebih efisien daripada biodiesel. Fotosintesis alami pada tanaman darat biasanya di bawah 1%, di mana kurang dari 1% energi sinar matahari diubah menjadi biomassa tanaman dengan mengubah CO2 menjadi beragam molekul untuk pertumbuhan tanaman, jelas Yuan.
"Jumlah energi yang dialihkan ke prekursor biodiesel, lipid, bahkan lebih rendah karena lipid memiliki intensitas energi yang tinggi," katanya. "Sebaliknya, proses elektro-biodiesel dapat mengubah 4,5% energi matahari menjadi lipid ketika panel surya digunakan untuk menghasilkan listrik guna menggerakkan elektrokatalisis, yang jauh lebih tinggi daripada proses fotosintesis alami."
Untuk mendorong elektrokatalisis, tim merancang katalis berbasis seng dan tembaga baru yang menghasilkan zat antara karbon diatomik yang dapat diubah menjadi lipid dengan strain bakteri Rhodococcus jostiii (RHA1) yang direkayasa, yang diketahui menghasilkan kadar lipid tinggi. Strain ini juga meningkatkan potensi metabolisme etanol, yang dapat membantu mendorong konversi asetat, zat antara, menjadi asam lemak.
