多功能电化学氧调控装置在精密发酵应用中的突破性进展

为解决传统氧浓度控制技术体积庞大、能耗高的难题，中国科学技术大学团队开发出集成电化学氧还原(ORR)和析氧反应(OER)的便携式电氧调节器(EOC)。该装置通过CoNi-N-C双原子催化剂实现1%-99%宽范围氧浓度调控，体积缩小90%，能耗降低73%。在酵母发酵实验中使细胞生长提升2.6倍、酒精产量翻倍，为合成生物学和生物制药领域提供了革命性氧控方案。

　　

在生物工程领域，精密发酵技术如同一位挑剔的"细胞厨师"，需要精确控制环境中的每一种"调味料"——尤其是氧气(O₂)浓度。从维生素B₁₂生产到重组蛋白表达，微生物的代谢途径对氧浓度变化极为敏感。然而传统氧控系统就像笨重的"氧气管家"，依赖压力摆动吸附(PSA)和膜分离技术，不仅占地面积大、能耗高，还难以实现1%-99%的宽范围精准调控。这种技术瓶颈严重制约了生物制药、食品加工和能源生产等领域的发展。

中国科学技术大学的研究团队在《Device》发表的研究中，创新性地将电化学催化原理引入氧控领域。他们开发的电化学氧调节器(EOC)仅手掌大小，却集成了氧生成与去除双重功能。通过设计特殊的CoNi双原子催化剂(CoNi-N-C)，该装置能像"分子开关"般通过电压方向切换工作模式：正向电压时发生析氧反应(OER)产生高纯氧，反向电压时启动氧还原反应(ORR)消耗环境氧。这种设计理念彻底摆脱了传统技术对庞大气体供应设备的依赖。

研究团队采用膜电极组件(MEA)结构构建反应堆，关键突破在于：1）开发具有Co-Ni协同效应的双原子催化剂，通过X射线吸收精细结构谱(XAFS)证实其2.4?原子间距；2）设计抗腐蚀气体扩散电极(GDE)实现470mL/min氧去除速率；3）建立智能调控系统，通过电压/电流精确控制氧浓度梯度。在5L密闭舱测试中，该装置仅需传统PSA系统27%的能耗即可完成50%-5%氧浓度循环调控。

催化剂性能研究显示，CoNi-N-C在0.1M KOH中表现出卓越的三功能催化活性：ORR半波电位达0.88V（vs.RHE），OER在10mA/cm²下过电位仅322mV，HER过电位为195mV。密度泛函理论计算揭示，Co-Ni原子对通过电子共享优化了反应中间体吸附能，使氧还原极限电位降至0.87V。这种"一石三鸟"的催化特性，使单个设备就能完成传统上需要多台仪器配合的复杂氧控操作。

在酒精发酵验证实验中，EOC展现出精准的"代谢指挥"能力。前期通入50%富氧空气促进酵母增殖（细胞密度提升2.6倍），后期切换为缺氧环境（99%N₂）引导发酵代谢，最终酒精产量达到传统方法的2倍。这种动态调控能力特别适用于需要交替进行好氧/厌氧培养的工业发酵过程。

这项研究的意义不仅在于设备的小型化，更开创了"电化学环境调控"的新范式。其核心突破是：1）首次实现单一设备对氧浓度的双向精准控制；2）通过原子级催化剂设计将反应速率提升至工业适用水平；3）为合成生物学研究提供了可编程的环境调控工具。未来，该技术可拓展至组织工程、药物筛选等领域，或将重新定义生物反应器的设计标准。正如研究者指出，这种将电化学与生物工程交叉融合的思路，为解决生命科学领域的复杂环境控制问题提供了全新路径。