化学工程师和动物科学家之间的合作创造了一种从动物废弃物中回收有价值工业化学品的系统，代表了朝向循环经济和环境可持续性的一大步。
伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员开发了一种纳滤系统，用于从在生物反应器中发酵的牛粪中分离挥发性脂肪酸（VFAs）——这些有机分子在多个行业的精细化学品生产中至关重要。由于将选择性离子交换膜纳入电化学分离系统，该系统的能效比以往标准电化学过程提高了80%。
“我们能够从像牛粪这样的东西中获得工业化学品，比如VFAs，真是令人难以置信，”伊利诺伊大学化学和生物分子工程教授肖苏说。“通过我们的工作，我们相信我们离循环经济更近了，废物被重新加工成有价值的资源，从而使化学品生产的整体效率和可持续性得以提升。”
该研究由肖苏研究小组的博士后研究助理王淑（Wangsuk Oh）主导。研究成果发表在《先进功能材料》期刊上，并在2025年2月5日的期刊封面内刊登。
VFAs，如醋酸、丁酸和丙酸，是用于广泛产品中的化学基础材料，包括化妆品、食品添加剂、药品和塑料。它们的生产通常涉及对石油化工原料的高碳密集型加工，但最近出现了一种更为节能的替代方法：微生物厌氧消化，其中微生物分解生物废弃物。其广泛实施的主要障碍是缺乏一种高效提取VFAs的方法，以处理生成的化学复杂液体。
伊利诺伊大学的研究人员转向了氧化还原介导的电渗析，这是一种电化学分离技术，肖苏的研究小组对此进行了广泛研究。与标准电渗析一样，它利用电场来捕获带电的化学物质。然而，氧化还原介导的电渗析使用可以按需改变电结构的“氧化还原”分子，从而降低能耗。当与选择性膜结合时，它可以根据化学结构区分VFAs。
“电渗析是一种非常常见的分离技术，主要用于水的淡化，”肖苏说。“问题是，电渗析中通常使用的离子交换膜并不是为了区分化学生产中使用的有价值VFAs而设计的。通过我们的工作，我们设计了具有特定性质的新膜，可以识别和区分不同大小的特定化学物质，例如VFAs。”
为了展示这种技术，肖苏的化学和生物分子工程研究小组与动物科学教授罗德里克·伊恩·麦基（Roderick Ian Mackie）合作。团队发酵了一种牛粪混合物，然后使用氧化还原介导的电渗析纳滤系统从混合物中的长链VFAs和其他化学物质中回收较低重量的VFAs。
“这是一种创新的方法，用于利用集中动物生产设施的废物材料，这些设施对环境造成污染，并将其转化为有价值的工业化学品，”麦基说。
由于分离方法使用电力手段分离分子，而不是化学手段，因此它比传统分离过程效率显著更高，并且产生的化学废物大幅减少。此外，肖苏认为这项技术可以很容易地适应工业环境。
“这项工作的下一阶段是弄清楚如何在完整过程中实施我们的技术，”他说。“这涉及进行更详细的材料设计和开发，使膜的选择性甚至比现在更高。如果我们能做到这一点，那么我们可以进一步降低过程的整体成本和能耗。”
金娜英（Nayeong Kim）和金慧允（Hyewon Kim）也为这项工作做出了贡献。
该研究得到了能源与生物科学研究所通过EBI-Shell项目的支持。
