Veel van de algemene artikelen die we in ons dagelijks leven gebruiken, van bouwmaterialen tot plastic en medicijnen, zijn gemaakt van fossiele brandstoffen. Om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, de samenleving heeft steeds meer geprobeerd zich tot planten te wenden om de alledaagse producten te maken die we nodig hebben. Bijvoorbeeld, maïs kan worden omgezet in maïs-ethanol en plastic, lignocellulosesuikers kunnen worden omgezet in duurzame vliegtuigbrandstoffen, en verven kunnen worden gemaakt van sojaolie.

Maar wat als planten van de foto kunnen worden verwijderd, het elimineren van de behoefte aan water, kunstmest, en grond? Wat als microben in plaats daarvan zouden kunnen worden gebruikt om brandstoffen en andere producten te maken? En wat als deze microben zouden kunnen groeien op kooldioxide, dus tegelijkertijd waardevolle goederen produceren en tegelijkertijd een broeikasgas uit de atmosfeer verwijderen, alles in één reactor? Te goed om waar te zijn?

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben goede vooruitgang geboekt bij het omzetten van deze technologie in realiteit. Onder leiding van wetenschapper Eric Sundstrom, een onderzoekswetenschapper bij de Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU), en postdoctoraal geleerde Changman Kim, het project combineert biologie en elektrochemie om complexe moleculen te produceren, allemaal aangedreven door hernieuwbare energie. Met koolstofdioxide als een van de inputs, het systeem heeft het potentieel om warmte-opsluitende gassen uit de atmosfeer te verwijderen, of met andere woorden, een negatieve emissietechnologie (NET).

De wetenschappelijke gemeenschap en beleidsmakers zijn het erover eens dat NET's een belangrijk instrument kunnen zijn in de strijd tegen klimaatverandering door de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer te verminderen. Onderzoekers van Berkeley Lab streven naar een scala aan technologieën voor negatieve emissies. Het project van Sundstrom werd twee jaar geleden gelanceerd in het kader van het Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programma van het Lab.

V. Hoe is dit project begonnen?

Bij de ABPDU, we werken met een scala aan producten. Vrijwel alles wat door de chemische industrie wordt gemaakt - je kunt een manier vinden om microben te gebruiken om die bouwsteenmoleculen te maken, en dan het petrochemische of zelfs het agrarische equivalent van dat product vervangen. Er is veel kracht om vrijwel alles te maken met biologie. Het is alleen de vraag of het rendabel is om het te doen.

Een populair gebied voor ons op dit moment zijn voedingseiwitten. Bijvoorbeeld, je zou een gist kunnen ontwikkelen om een ​​melkeiwit te produceren. Dus, je kunt chemisch identieke melk maken, maar van gist, dus je hebt de koe uitgesneden. We helpen bedrijven die allerlei producten maken, van voedingseiwitten tot biobrandstoffen tot biobased ski's, allemaal met behulp van microben. De rode draad is dat de overgrote meerderheid van deze bedrijven suiker, een relatief duur en milieu-intensief materiaal, als primaire grondstof.

Dus, we hadden een idee:kunnen we dezelfde soort bioproductie doen, maar in plaats van een plantaardige koolstofbron te gebruiken, kunnen we de boerderij uitschakelen en direct koolstofdioxide gebruiken als koolstofbron voor de groei van de microbe? En kunnen we elektronen uit hernieuwbare elektriciteit gebruiken om de nodige energie te leveren om dezelfde reeks producten te genereren?

V. Dat klinkt spannend maar ingewikkeld. Hoe zou dat precies werken? En hoe heet deze technologie eigenlijk?

Mensen noemen het verschillende dingen. Elektronen naar producten. Of elektronen naar moleculen is populair. Of elektrobrandstoffen.

We combineren twee stappen om CO . om te zetten ₂ en elektriciteit in bioproducten in één reactor. Dit omvat een elektrochemische stap - het splitsen van water om waterstof en zuurstof te produceren - en een biochemische stap, dat is de microbiële omzetting van waterstof, zuurstof, en co ₂ tot biomassa en uiteindelijk producten.

Het lastige zijn de microben. Elke microbe eet iets om te leven, maar heel weinig microben zullen elektronen eten. Dus, kunnen we elektriciteit omzetten in iets dat microben gemakkelijk kunnen eten? Dus waar we naar kijken is eigenlijk een heel eenvoudige manier om dat te doen:als je elektrische stroom over water aanbrengt met een bepaalde spanning, de H2O splitst in waterstof en zuurstof, en dan borrelen de gassen eruit. En er zijn groepen bacteriën die waterstof als energiebron zullen verbruiken, en dan gebruiken ze koolstofdioxide als hun koolstofbron om te groeien. Dat deel is relatief bekend.

Wat we proberen te doen, is die twee processen combineren. Je hebt de elektroden in het water, gas uitblazen. En dan kunnen we CO . toevoegen ₂ . Nu hebben we de drie ingrediënten die we nodig hebben, waterstof, zuurstof, en co ₂ , allemaal in het water, en dan kunnen we microben toevoegen, alles in één tank. Door het elektrochemische proces te combineren met het microbiële proces, we kunnen de elektroden zelf gebruiken om de gassen in de bioreactor op te lossen, het ontwerp van de reactor vereenvoudigen en veel energie besparen. Dat is het spannende deel.

Als onderdeel van het LDRD-project, we hebben de elektrolyse-omstandigheden en de microbiële stam geoptimaliseerd voor wederzijdse compatibiliteit, en we hebben het systeem ingesteld om op een zonnepaneel te draaien. We hebben ook aangetoond dat de microben genetisch gemanipuleerd kunnen worden, 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. Dus, 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, wind, 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, zeggen, 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.