Hvordan mikroorganismer kan hjælpe os med at komme til negative negative emissioner

Mange af de almindelige genstande, vi bruger i vores hverdag - fra byggematerialer til plast til lægemidler - er fremstillet af fossile brændstoffer. For at reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer og reducere drivhusgasemissioner, samfundet har i stigende grad forsøgt at vende sig til planter for at lave de daglige produkter, vi har brug for. For eksempel, majs kan omdannes til majsetanol og plast, lignocellulosesukker kan omdannes til bæredygtige luftfartsbrændstoffer, og maling kan laves af sojaolie.

Men hvad nu hvis planter kunne fjernes fra billedet, eliminerer behovet for vand, gødning, og jord? Hvad hvis mikrober i stedet kunne udnyttes til at lave brændstoffer og andre produkter? Og hvad hvis disse mikrober kunne vokse på kuldioxid, dermed samtidig producere værdifulde varer, samtidig med at en drivhusgas fjernes fra atmosfæren, alt i en reaktor? For godt til at være sandt?

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gjort gode fremskridt med at gøre denne teknologi til virkelighed. Anført af videnskabsmanden Eric Sundstrom, forsker ved Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU), og postdoktor Changman Kim, projektet kombinerer biologi og elektrokemi for at producere komplekse molekyler, alle drevet af vedvarende energi. Med kuldioxid som et af inputene, systemet har potentiale til at fjerne varmefangende gasser fra atmosfæren, eller med andre ord, en negativ emissionsteknologi (NET).

Det videnskabelige samfund såvel som politikere når enighed om, at NET kan være et vigtigt redskab i kampen mod klimaændringer ved at reducere koncentrationen af ​​drivhusgasser i atmosfæren. Berkeley Lab -forskere forfølger en række negative emissionsteknologier. Sundstroms projekt blev lanceret for to år siden under Labs Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program.

Sp. Hvordan startede dette projekt?

På ABPDU, vi arbejder på tværs af en række produkter. Stort set alt fremstillet af den kemiske industri - du kan finde en måde at bruge mikrober til at lave disse byggestenmolekyler, og derefter erstatte den petrokemiske eller endda landbrugsækvivalent til dette produkt. Der er meget magt til at lave stort set alt med biologi. Det er bare et spørgsmål om, hvorvidt det er økonomisk at gøre det.

Et populært område for os lige nu er madproteiner. For eksempel, du kan konstruere en gær til at producere et mælkeprotein. Så, du kan lave kemisk identisk mælk, men fra gær, så du har skåret koen ud. Vi hjælper virksomheder, der fremstiller alle slags produkter, fra madproteiner til biobrændstoffer til biobaserede ski, alle ved hjælp af mikrober. Den røde tråd er, at langt de fleste af disse virksomheder bruger sukker, et relativt dyrt og miljøintensivt materiale, som det primære råstof.

Så, vi havde en idé:kan vi lave den samme slags biofremstilling, men i stedet for at bruge en plantebaseret kulstofkilde, kan vi skære gården ud og direkte bruge kuldioxid som kulstofkilde til mikrobens vækst? Og kan vi bruge elektroner fra vedvarende elektricitet til at levere den nødvendige energi til at generere den samme serie produkter?

Q. Det lyder spændende, men kompliceret. Hvordan ville det egentlig fungere? Og hvad hedder denne teknologi overhovedet?

Folk kalder det forskellige ting. Elektroner til produkter. Eller elektroner til molekyler er populære. Eller elektrobrændstoffer.

Vi kombinerer to trin for at konvertere CO ₂ og elektricitet til bioprodukter i en enkelt reaktor. Dette inkluderer et elektrokemisk trin - spaltning af vand for at producere brint og ilt - og et biokemisk trin, som er den mikrobielle omdannelse af brint, ilt, og CO ₂ til biomasse og i sidste ende produkter.

Den vanskelige del er mikroberne. Hver mikrobe spiser noget for at leve, men meget få mikrober vil spise elektroner. Så, kan vi konvertere elektricitet til noget, som mikrober let vil spise? Og det vi ser på, er faktisk en meget enkel måde at gøre det på:Når du anvender elektrisk strøm over vand ved en bestemt spænding, H2O deler sig i hydrogen og ilt, og så bobler gasserne ud. Og der er grupper af bakterier, der vil forbruge brint som deres energikilde, og derefter vil de bruge kuldioxid som deres kulstofkilde til at vokse. Den del er relativt velkendt.

Det, vi prøver at gøre, er at kombinere de to processer. Du har elektroderne i vandet, bobler gas ud. Og så kan vi tilføje CO ₂ . Nu har vi de tre ingredienser, vi har brug for, brint, ilt, og CO ₂ , alt i vandet, og så kan vi tilføje mikrober, alt i en tank. Ved at kombinere den elektrokemiske proces med den mikrobielle proces, vi kan bruge elektroderne selv til at opløse gasserne i bioreaktoren, forenkle reaktordesignet og spare en masse energi. Det er den spændende del.

Som en del af LDRD -projektet vi optimerede elektrolysebetingelserne og den mikrobielle stamme for gensidig kompatibilitet, og vi satte systemet op til at køre på et solpanel. We also demonstrated that the microbes can be genetically engineered, so we can now produce complex molecules in a single tank, directly from photons and CO ₂ .

Q. What kind of microorganisms do you use, and what were the challenges in getting this system to work?

The electrolysis creates a lot of unwanted stuff. It's never 100% clean and efficient. You get things like hydrogen peroxide, or the electrodes themselves have metals in them that can come off and poison the biology. And so there are a lot of toxicity challenges that you have to overcome to make everything work together in one vessel.

The compatibility between the electrochemistry and the organism is important. The electrochemistry likes to be run at a really high or low pH and high temperature to get efficient hydrogen production. The previous work has pretty much all been with strains that are easy to work with in the lab, but maybe not the best choice for compatibility with these systems. So we're looking at different microbes that thrive under extreme conditions, and that have natural resistance to certain kinds of toxicity.

What we're focused on is trying to get as much electricity as possible, as efficiently as possible, into the bugs and get them to grow happily. We've done that. Now we're starting to think about what we might be able to make, because once we have the bugs happy, then we can talk to the strain engineers, and they can start hacking away at the genes and instead of just growing, the microbes can make a product, such as fuel or building materials. We've now demonstrated that this kind of strain engineering is possible in our system for an example molecule, a natural pigment.

Q. What kind of products would these microbes make?

One of the reasons we like having the oxygen in there is that the organisms that grow with oxygen can produce a wide variety of things. You can make fat, you can make protein, you can make jet fuel directly. There's a lot of cool biology you can do. And there are a lot of people at Berkeley Lab who specialize in genetically engineering these microbes. Berkeley Lab researchers have engineered things like methyl ketones, which are basically a direct diesel fuel replacement. Så, we could literally just have one tank running off a solar panel—right now we have a desk lamp shining on the solar panel—we put CO ₂ in, and once the microbes are engineered, you would get diesel fuel, just rising to the top of the tank. You can skim that off. It's a very clean, simple kind of a process.

Q. How would this work in a real-world setting?

That's a question that the DOE is just starting to really dig in on—where would you put this? You want a concentrated source of CO ₂ , and you also want a low-cost source of renewable energy, be it solar, vind, or hydro. A lot of the current thinking is around ethanol plants in the Midwest, where there's wind power, and the CO ₂ from ethanol plants is almost totally pure. And an ethanol plant already has equipment for doing biology and chemical separations.

Q. How do you envision this technology fitting into the climate change fight?

We need to start pulling CO ₂ out of the atmosphere faster. Instead of carbon capture and storage, these things offer carbon capture and utilization, which provides an economic driver to pull that CO ₂ out of the atmosphere instead of just, say, pumping it underground.

I think electrons-to-molecules technology in general is going to be an answer to electrifying the last few segments of the economy that are still going to be relying on fossil fuels. It's hard to electrify a long-haul jet plane, or a rocket, or a ship. But if you can make the fuel with electricity, that's one way to electrify the rest of transportation.

I don't want to make it seem like biology is the only the only way to do this. But I think biology is an important way to do this and that biological conversion can produce products with a specificity that the other approaches really can't match. I think there is potential to move the bioeconomy in general away from any agricultural feedstocks and onto electricity, which would be a really exciting long-term prospect.