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米测MeLab

2025-06-10

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

化学工业正向可持续发展转型，重点是将过剩副产品转化为有价值商品。苯酚行业面临丙酮过剩问题，全球苯酚生产每吨产生约0.6吨丙酮，年产量约960万吨，但需求仅770万吨。整合电催化和生物工程提供了多种途径，可将这些副产品重新利用为各种有价值的商品。

关键问题

然而，电生物系统转化丙酮主要存在以下问题：

1、找到一种能够在电催化和生物系统之间合适的中间体是至关重要的

由于丙酮的生物毒性，需要找到一种合适的中间体，该中间体应通过电催化以经济有效的方式生产，且要浓缩、无毒，以便微生物能够以高消耗率直接利用。

2、纯异丙醇（IPA）电催化生产仍是一个关键但尚未实现的目标

虽然IPA是理想的中间体，但目前纯IPA的电催化生产尚未实现，这限制了电生物系统对丙酮的高效转化和再利用，阻碍了该系统在工业上的广泛应用。

新思路

有鉴于此，电子科技大学夏川、郑婷婷、中科大曾杰及中山大学于涛等人介绍了一种串联电生物系统，该系统以异丙醇（IPA）为中间原料，有效地将苯酚工业中过量的丙酮转化为有价值的长链化合物。作者开发了一种插层钌电催化剂，该催化剂对丙酮转化为长链化合物的法拉第效率最高可达95.6%。IPA转化，IPA部分电流密度为−240 mA cm⁻²。作者还展示了使用双极膜电极组件装置和插层钌将丙酮完全转化为~100%纯IPA。然后，作者对酿酒酵母进行了代谢工程改造，该酵母可以直接以电生成的纯IPA为碳源，分泌p-香豆酸、游离脂肪酸或番茄红素。这项工作强调了工业副产品再利用的进步，并突出了利用电力重塑传统化学工业的机会。

技术方案：

1、评估了大型流动电解装置中电合成异丙醇（IPA）的成本

作者通过技术经济分析发现电催化将丙酮转化为纯IPA更具成本效益，避免了传统热催化方法的高风险和高能耗。

2、设计了丙酮转化制异丙醇电催化剂

作者通过拉伸应变策略开发了插层钌（I-Ru）催化剂，显著提高了丙酮电化学转化为IPA的效率和选择性，增强了催化剂的稳定性和耐久性。

3、设计了一种反向偏置的膜电极组件用于IPA生产

作者设计了反向偏置的BMEA系统，有效抑制原料/产物交叉，实现了高纯度IPA的高效生产，具有市场竞争力和环境友好性。

4、验证了电转化制异丙醇作为微生物发酵原料的潜力

作者从丙酮中电生纯IPA，然后将合成的IPA作为微生物发酵原料，展示了IPA在生物制造中的巨大潜力。

技术优势：

1、开发了插层钌电催化剂，实现了100%的IPA转化

作者开发了插层钌（I-Ru）电催化剂，实现了丙酮到~100%纯IPA的完全转化，丙酮转化为长链化合物的法拉第效率最高可达95.6%，IPA部分电流密度达到−240 mA cm⁻²，显著提升了电催化效率和产物纯度。

2、提出了电生物系统，拓展了生物催化的应用

作者通过对酿酒酵母进行代谢工程改造，使其能够直接利用电生成的纯IPA作为碳源，高效分泌p-香豆酸、游离脂肪酸或番茄红素等高附加值长链化合物，拓展了生物催化在工业副产品再利用中的应用。

技术细节

丙酮电合成纯IPA的技术经济分析

通过市场调查确认丙酮生产过剩后，作者进行了技术经济分析，评估了大型流动电解装置中电合成异丙醇（IPA）的成本。结果表明，电催化方法将多余丙酮转化为纯IPA更具成本效益，且避免了现有热催化IPA生产方法中氢气的安全风险及更高的费用和能量需求。研究强调了平衡高IPA选择性与低电力成本以实现成本竞争目标的必要性，以及绕过热催化后纯化过程的重要性。

图  IPA介导的丙酮电化学和生物上循环

丙酮转化制异丙醇电催化剂的设计

为解决丙酮转化为纯IPA过程中高能耗和废物密集型路线以及下游纯化需求的双重挑战，作者采用电化学方法，寻找高选择性电催化剂。研究发现，铂基催化剂存在低表观电流效率问题，而钌基催化剂虽具高活性，但氢析出竞争强烈。通过拉伸应变策略，开发出插层钌（I-Ru）催化剂，显著提高了丙酮电化学转化为IPA的法拉第效率（最高达95.6%）和部分电流密度（-240 mA cm⁻²）。实验表明，拉伸应变优化了Ru的电子结构，增强了丙酮活化，同时抑制了析氢反应，提高了催化剂的稳定性和耐久性。理论模拟和实验分析进一步证实了拉伸应变对反应中间体的吉布斯自由能的影响，降低了反应势垒，加速了丙酮的电还原过程。

图  应变Ru催化剂的表征及其对丙酮电还原的催化性能

图  应变Ru催化剂用于丙酮电还原的机理研究

用于纯IPA生产的反应器的构造

I-Ru催化剂在丙酮转化为IPA方面表现出色且易于扩展，但在H型电解槽中回收纯IPA存在困难。作者尝试了固体电解质电池和阳离子膜电极组件（CMEA）装置，但均因膜稳定性差或原料/产物交叉问题而失败。最终，设计了一种反向偏置的膜电极组件（BMEA），采用双极膜分离阴极和阳极，有效抑制了原料/产物交叉。在1 cm²的BMEA反应器中，实现了约80%的最高法拉第效率（FE_IPA）和262 mA cm⁻²的最大部分电流密度（j_IPA）。通过反应物再循环模式，在4.0 V的恒定槽电压下，32小时内实现了丙酮的完全转化，生成的IPA纯度约为99wt%，与商业IPA标准品紧密匹配。此外，作者构建了一个100 cm²的电解堆，连续生产超过20小时，验证了该设计的可扩展性。在100 mA cm⁻²的电流密度下，10小时内实现了100 ml丙酮的完全转化，平均FE_IPA约为36.4%。成本评估显示，每公斤IPA的生产成本为1.14美元，具有市场竞争力。生命周期评估表明，当可再生能源占全球发电量的80%时，BMEA工艺的温室气体排放量可降至1.63 kg CO₂/kg IPA以下，低于传统工艺（1.85 kg CO₂/kg IPA）。

图  直接电合成100%纯IPA

电生成IPA的代谢升级循环

研究提出了一条绿色合成IPA的路线，通过电化学方法从苯酚工业的副产物丙酮中高效生产纯IPA，具有成本低、反应条件温和、操作安全等优点。为了验证其作为微生物发酵原料的潜力，作者对酿酒酵母进行了代谢工程改造，使其能够以电生成的IPA为底物生产高附加值的天然化合物。实验表明，IPA对酿酒酵母无毒性，且能被其天然利用。通过改造的酵母菌株，实现了对香豆酸、游离脂肪酸（FFA）和番茄红素的高效生产。其中，对香豆酸产量在添加IPA时达到4.45 mg/L，是未添加时的21倍；FFA的效价约为67.27 mg/L，主要由C₁₆和C₁₈组成；番茄红素产量显著增加至9.70 mg/L，是未添加时的33倍。此外，研究还对电生物系统进行了全面的碳和能量平衡分析，结果表明，与传统原料如葡萄糖相比，IPA发酵在生产高附加值化学品方面具有竞争力，避免了与食品竞争，减轻了传质和过酸环境等问题，同时消除了发酵过程中pH调节的需要。这些发现突出了IPA作为可持续生物制造原料的巨大潜力，为工业副产品的高效再利用提供了一种新的绿色途径。

图  电合成IPA的微生物发酵

展望

总之，本工作提出一种将苯酚工业剩余丙酮电化学升级为纯度约100%的异丙醇（IPA）的方法，IPA可用于微生物发酵生产长链化合物如对香豆酸、游离脂肪酸和番茄红素。该电生物系统可持续地将工业副产品转化为增值天然产品，体现电催化与生物催化的耦合优势。未来将优化双极膜电极组件（BMEA）降低电压，提高效率和成本效益，并拓宽可合成复杂化学品的范围，推动化学工业向循环经济转型。

参考文献：

Liu, C., Zhao, J., Tang, H. et al. Upcycling surplus acetone into long-chain chemicals using a tandem electro-biosystem. Nat Sustain (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41893-025-01568-y