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二氧化碳也可以变成汽车燃料(资料图)

二氧化碳变燃料示意图

  近日,美国加州大学洛杉矶分校的一组研究人员进行了一项非常有意义的实验,他们在改造了基因结构的微生物的帮助下,将二氧化碳转化成可以作为汽车、内燃机燃料的异丁醇和异戊醇,使二氧化碳实现不可思议的“反向燃烧”和“闭合循环”。由此我们既可以生产像汽油一样的燃料,同时又能保护现有的基础设施,在一定程度上缓解全球变暖危机。这项技术是如何使二氧化碳发生神奇转变的?作为“碳捕获和利用”新技术,它能为我们创造哪些价值?将二氧化碳变燃料技术背后有着什么样的技术积累?

  用细菌“拼装”碳元素温室气体重获“新生”

  辽宁日报:陈研究员,您好!随着工业的高速发展,人类生存的生态环境正在遭受到严重的破坏。其中影响最大的当属二氧化碳温室效应,加上石化能源紧张。而近日一项美国加州大学公布的研究让人们眼前一亮,这项利用基因改造后的微生物将二氧化碳转化为液体燃料的技术,让我们看到了解决上述问题的曙光。您能简要介绍一下这项技术吗?

  陈晓华:好的。为这项技术做出贡献的是美国加州大学洛杉矶分校萨缪里工程与应用科学学院的研究人员,他们对一种名为富养罗尔斯通氏菌H16的微生物进行了基因改造,使用二氧化碳作为单一碳来源,电力作为唯一的能量输入,在电子生物反应器中生产出异丁醇和异戊醇。

  应该说合理利用二氧化碳已成为世界各国普遍关注的研究课题,二氧化碳是碳氢化合物燃烧的最终产物,性质极为稳定不易活化。近年来人们采用多种方法(如均相和多相催化加氢、电催化、光催化、热解、生物活化等)对二氧化碳进行活化,取得了长足的发展,并合成出甲烷、甲醇、甲酸等有机化合物或高分子化合物。这项研究就是利用生物技术对二氧化碳进行了活化。

  辽宁日报:二氧化碳变燃料需要经历什么样的过程?

  陈晓华:从本质上来讲,加州大学洛杉矶分校的研究人员的这个实验就是通过一种电生物反应器来将电能转化为液体燃料,整个过程类似于生物系统的光合作用。我们知道光合作用就是将光能转化为化学能并将能量储存起来的一种化学反应过程,它可以分为光反应和暗反应两部分,其中光反应必须在光环境下进行,将光能转化为化学能;而暗反应就是将吸收来的二氧化碳转化为糖的过程,这个过程是不需要有光的。研究人员就是通过把生物光合作用的两大部分分开进行来制造新燃料的:首先,利用太阳能电池板将太阳能转化为电能,产生甲酸完成光反应。然后,再利用中间体,也就是之前生成的甲酸来驱动富养罗尔斯通氏菌H16固定二氧化碳产生燃料,实现暗反应。

  辽宁日报:在微观层面富养罗尔斯通氏菌H16是如何工作的?

  陈晓华:与植物的光合作用一样,富养罗尔斯通氏菌H16通过卡尔文循环固定二氧化碳。它工作的方式很像生活中的汽车自动装配生产线:富养罗尔斯通氏菌H16利用乙酰辅酶A (看做是活化了的乙酸)作为流水线的传送带和自动机器人手,以二氧化碳作为原料或零件,将其拼装成4个碳或5个碳的含高能量的有机化合物,最终形成如异丁醇和异戊醇等有机化合物或高分子化合物。

  巧妙利用二氧化碳环保与能源一箭双雕

  辽宁日报:作为转化原料的二氧化碳,可以从哪些地方获得?

  陈晓华:二氧化碳通常是由燃烧有机化合物、细胞的呼吸作用、微生物的发酵作用等所产生的。根据联合国披露的最新数据显示,近年来由于工业化生产等原因,全球二氧化碳浓度已上升至387ppm。所以说作为转化原料的二氧化碳储量丰富。

  辽宁日报:富养罗尔斯通氏菌H16是一种生物,是否它们的工作环境必须恒压恒温?

  陈晓华:生物的生存环境是多样的,尤其是微生物。它的生存环境不是恒温恒压。在一定的温度和压力范围内,它的生活状态是可以维持正常水平的。但是在这个可以缓冲的区间中,存在某一个特定的压力和温度,使该种生物代谢出的产物量达到最大。

  辽宁日报:这种微生物生存、繁殖等的能量来源是什么?

  陈晓华:该菌可以有两种代谢方式,化能自养以及化能异养。即在该生物摄取营养时,依靠营养物质在细胞内进行化学暗反应而获得能量。或者使用有机物氧化分解作为能量来源,进行异养代谢。

  辽宁日报:这种微生物帮我们制造出来的物质都有哪些应用价值?

  陈晓华:这项技术将二氧化碳转化出来的产物主要是异丁醇和异戊醇。

  异丁醇是四个碳的醇,它可作为平台化学品,具有广泛的用途,可生产约40%的石化产品和100%的烃类燃料。所以说异丁醇可作为一种替代汽油的内燃机燃料。另外它还可以用于制造汽油添加剂、石油添加剂、抗氧剂、2,6-二叔丁基对甲酚、乙酸异丁酯(涂料溶剂)、增塑剂、合成橡胶、人造麝香、果子精油和合成药物等。

  异戊醇与亚硝酸钠酯化得到亚硝酸异戊酯,是作用最快的亚硝酸酯类短效血管扩张剂。异戊醇也用来合成镇静催眠药溴米那、阿米妥。异戊醇还可作溶剂和化学分析的试剂,也用作生产增塑剂、摄影药品的原料。它还是燃料油的组分。

  辽宁日报:许多科学家为解决全球变暖问题,设计和实施了许多捕捉空气中二氧化碳的方案,您觉得我们是否可以将碳捕捉与二氧化碳制备燃料这两项技术结合起来为人类造福?

  陈晓华:以这项技术为代表的“碳捕获和利用”可以克服“碳捕获和存储”的诸多缺陷,如难以找到足够的地下存储空间、泄露风险、长期责任问题及公众接受度问题。而且,利用它创造价值也有助于补偿碳捕获的开销。通过碳回收制造液态燃料对于社会的可持续发展也具有重大意义,它有助于降低对石油的依赖。

  但是我们还应该看到这种技术只在一定程度上有助于缓解全球变暖问题,根本解决这个问题还需要从各个方面共同努力,比如减少化石燃料的使用、开发清洁的生物质能源以及其他可替代性的清洁能源和提高能源的利用率等等。

  融多项科技于一身新技术缔造光明未来

  辽宁日报:任何一项技术都不是孤立的,那么这项技术的出现有着什么样的背景呢?

  陈晓华:确实,在科技高速发展的今天,各学科“百花齐放,百家争鸣”,多学科交织、相互联系。电气化学中甲酸盐的(高温高压酶催化)生成,生物学中二氧化碳的固定,以及高级醇的合成,都为电力驱动二氧化碳向多种化学物质的生物转化开启了可能。此外,甲酸盐转化为液体燃料也将在生物质炼制过程中发挥重要作用。

  辽宁日报:您能为读者讲解一下,这项技术是如何融电气化学、生物学等于一身的吗?

  陈晓华:这几项技术的研究都是希望在降低温室气体的主要成分二氧化碳的同时产生高附加值的化学物质或者生物质燃料。这样的研究思路为的是缓解全球性的气候变暖,加快生态系统的碳循环,同时要解决化石燃料使用带来的一系列问题。

  电气化学中的甲酸盐的生成主要是利用高温高压条件下的酶催化反应实现,而生物学中的二氧化碳固定也是由一系列的酶催化反应实现,只是这个过程相比较于电气化学更温和。在这两个过程中都涉及到了电子的转移和传递过程,因此通过电力驱动电子的转移,转向的电子受体不同就会产生不同的化学物质。

  在电化学的过程中,酶催化反应的速度很快,但是不稳定;而生物学的过程中,酶催化反应稳定但速度慢。因此,通过生物学与电化学的互补性研究,才推动了这个领域的发展。

  辽宁日报:这项技术有些扩展应用,您能为我们介绍一下吗?

  陈晓华:这项技术是通过电力来取代生物体中的电子转移所带来的动力。因为生物体中的反应慢,而该技术可以加快反应的速度,因此,该方法可以用来加快生物体中的某些氧化还原反应。

  电能是一种干净无污染的能源,用电能取代汽油驱动各种机器是大家共同的心愿。目前一般使用锂离子电池来储存电力,存储密度很低,但当以液态形式存储燃料时,存储密度能显著提升,并且新方法还具备利用电力作为运输燃料的潜力,而无需改变现有的基础设施。加州大学这次提出的将电能储存为高级醇形式的化学能的方式,就可能为这个领域的发展开辟一条新路。现在随着原油储量的逐渐减少,汽油的价格也在持续地上涨,所以像这类的“生物炼油厂”是绝对值得我们投入精力财力来开发的。

  总而言之,依靠二氧化碳实现“反向燃烧”和“闭合循环”的效益是无比诱人的。由此,我们既可以生产像汽油一样的燃料,同时又能保护现有的基础设施。 (记者/王亮)

  专家档案

  陈晓华中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物资源中心副研究员。1995年前往德国,在德国柏林洪堡大学先后获得了分子生物学硕士及博士,2003年至2011年任职于德国柏林洪堡大学微生物基因工程研究室。研究方向:分子生物学。目前在中科院青岛生物能源与过程研究所微生物资源团队从事有关含碳气体(包括二氧化碳)的生物学综合利用。