Biohybride alchemie: het transformeren van afvalwaterverontreinigingen in chemicaliën

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Onderzoekers hebben een nieuwe methode voorgesteld om afvalwaterverontreinigingen met behulp van zonlicht om te zetten in waardevolle chemicaliën, wat een mogelijkheid biedt voor duurzame en circulaire chemische productie.

Conventionele chemische productie is afhankelijk van energie-intensieve processen. Halfgeleiderbiohybriden, die efficiënte materialen voor het verzamelen van licht en levende cellen combineren, zijn een opwindende mogelijkheid gebleken voor degenen die zonne-energie willen gebruiken om chemicaliën te produceren, zeggen de auteurs van deze nieuwe studie.

De uitdaging ligt nu in het vinden van een economisch haalbare en milieuvriendelijke manier om de technologie op te schalen.

Het is gepubliceerd in Natuur Duurzaamheid in oktober.

Het werk werd geleid door professor GAO Xiang van het Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) van de Chinese Academie van Wetenschappen en professor LU Lu van het Harbin Institute of Technology.
De onderzoekers wilden verontreinigende stoffen uit afvalwater direct in de afvalwateromgeving omzetten in halfgeleiderbiohybriden. Het concept omvat het gebruik van de organische koolstof, zware metalen en sulfaatverbindingen die in afvalwater aanwezig zijn als grondstoffen voor de constructie van deze biohybriden, en deze vervolgens om te zetten in waardevolle chemicaliën.

Niettemin varieert echt industrieel afvalwater gewoonlijk in de samenstelling van de belangrijkste organische verontreinigende stoffen, zware metalen en complexe verontreinigende stoffen, die allemaal vaak giftig zijn voor bacteriële cellen en moeilijk efficiënt te metaboliseren zijn. Het bevat ook een hoog gehalte aan zout en opgeloste zuurstof, waarvoor bacteriën nodig zijn met een aëroob sulfaatreductievermogen. Het is dus een uitdaging om afvalwater als grondstof voor bacteriën te gebruiken.

Om dit te ondervangen selecteerden de onderzoekers een snelgroeiende mariene bacterie, Vibrio natriegens, die een uitzonderlijke tolerantie heeft voor hoge zoutconcentraties en een vermogen heeft om verschillende koolstofbronnen te benutten. Ze introduceerden een aerobe sulfaatreductieroute in V. natriegens en trainden de ontwikkelde soort om verschillende metaal- en koolstofbronnen te gebruiken om rechtstreeks uit dergelijk afvalwater halfgeleiderbiohybriden te produceren.

Hun voornaamste doelstof voor de productie was 2,3-butaandiol (BDO), een waardevolle basischemicaliën.

Door een stam van V. natriegens te ontwikkelen, genereerden ze waterstofsulfide, dat een cruciale rol speelde bij het faciliteren van de productie van CdS-nanodeeltjes die efficiënt licht absorberen. Deze nanodeeltjes, bekend om hun biocompatibiliteit, maakten de in-situ creatie van halfgeleiderbiohybriden mogelijk en stelden de niet-fotosynthetische bacteriën in staat licht te gebruiken.

De resultaten toonden aan dat deze door zonlicht geactiveerde biohybriden een aanzienlijk verhoogde BDO-productie vertoonden, waardoor de opbrengsten die met alleen bacteriële cellen konden worden bereikt, werden overtroffen. Bovendien toonde het proces schaalbaarheid, waardoor zonne-energie BDO-productie op een substantiële schaal van 5 liter werd bereikt met behulp van daadwerkelijk afvalwater.

Uit levenscyclusanalyse blijkt dat deze specifieke biohybride route aanzienlijke duurzaamheidswinst oplevert vergeleken met conventionele productieroutes voor 2,3-butaandiol.

“Het biohybride platform heeft niet alleen een lagere ecologische voetafdruk, maar verlaagt ook de productkosten, wat leidt tot een algehele kleinere impact op het milieu in vergelijking met zowel traditionele bacteriële fermentatie als op fossiele brandstoffen gebaseerde BDO-productiemethoden”, aldus prof. GAO. “Opmerkelijk is dat deze biohybriden kunnen worden geproduceerd met behulp van verschillende afvalwaterbronnen.”

De auteurs zeggen dat het werk door zonne-energie aangedreven bioproductie en de omzetting van afval in rijkdom een stap vooruit kan brengen en de weg kan vrijmaken voor een schonere productie en een circulaire economie.