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从飞机燃料到服装,微生物让二氧化碳变成日常用品


工厂大量排放二氧化碳 图片来源:pixabay
政府间气候变化专门委员会(IPCC)本月早些时候发布的报告听起来就是“人类的红色代码”。 在这个关键的时刻,我们应该利用一切可能的解决方案来应对全球变暖。
大约四分之一的温室气体排放与我们所使用产品的制造有关。虽然存在少量二氧化碳用于商业,例如添加在饮料和化学工业中,但当前的需求不足以实现有意义的二氧化碳减排。
因此,我们需要找到新的方法将工业制造从制造二氧化碳转变为使用二氧化碳。
好消息是塑料、化学品、化妆品和许多其他产品都需要碳源。如果我们能用二氧化碳代替化石碳氢化合物来生产它们,我们每年就能固定数十亿吨温室气体。
气体发酵
你可能听说过微生物,我们用它们来制作啤酒、烈酒和面包。但我们也可以使用它们来制造乙醇等生物燃料。

发酵后蓬松的面包 图片来源:pixabay
他们通常需要摄入糖,而这就会同人类进行食物竞争。然而,还有一些名叫“产乙酸菌”的微生物,它们可以摄取二氧化碳,并制造包括乙醇在内的多种化学物质。
产乙酸菌被认为是地球上最早的生命形式之一。古代地球的大气与今天的大气大不相同,那时没有氧气,但有大量的二氧化碳。产乙酸菌能够在气体发酵的过程中利用氢能源回收利用这种碳。今天,在许多厌氧环境,例如动物肠道中,都发现了产乙酸菌。
不能使用氧气会使产乙酸菌在构建生物质方面的效率降低,因此他们算是缓慢的生长物。 但有趣的是,这也使他们成为更有效率的生产者。例如,一般进行光合作用的粮食作物的能源效率可能约为 1%。另外,如果利用太阳能生成可再生氢气并用于生产乙酸的气体发酵,该过程的整体能源效率将接近10%-15%。
这意味着产乙酸菌的效率可能是当前大多数工业流程的两倍,这使它们成为更便宜、更环保的选择。也就是说,我们有可能将这种技术推向规模化。
可持续碳循环
在中国、美国和欧洲,气体发酵的规模正在扩大。从2022年开始,工业排放的一氧化碳和氢气将被回收制成乙醇用于商业生产航空燃料,从2024年开始将生产塑料瓶,甚至聚酯服装。
将来,这还可以扩展到生产制造橡胶、塑料、油漆和化妆品等化学品。但是,尽管二氧化碳是比一氧化碳大得多的排放源,商业用途的气体发酵目前还没有使用二氧化碳。一部分原因是它带来了工程和生物工程领域的挑战,而且它还很昂贵。
我们最近在Water Research上发表了一项经济评估,以帮助绘制一条能够广泛利用的产乙酸菌-二氧化碳循环的途径。
我们在生产某些产品时发现了一些经济障碍,但不是所有产品都会面临这种障碍。例如,现在使用二氧化碳-产乙酸菌发酵来生产制造有机玻璃所需的化学品就是可行的。
但与当前的商业运营不同,这将通过可再生氢的生产实现。增加绿色氢气的可用性将大大增加我们利用气体发酵去做的事情。
展望未来
澳大利亚在此方面极具竞争优势,可以成为这项技术的领导者。作为世界上最大的绿色氢项目的东道主,他们有能力生产低成本的可再生氢。
未充分利用的可再生废物流也可以通过产乙酸菌实现碳循环。例如,废水处理厂和垃圾填埋场会产生大量沼气。目前,它既可以作为废物燃烧,也能够产生热量和电力。

沼气生产 图片来源:pixabay
过去的研究表明,沼气可以在碳中和过程中转化为可再生的氢和碳。
我们发现这种碳和氢可以用于气体发酵来制造碳中性产品。与仅燃烧沼气以产生热量和电力相比,这将提供多达12倍的价值。
政府间气候变化专门委员会报告显示要想将全球变暖限制在 2℃ 以下,而二氧化碳的减少是必不可少的。
碳捕获和储存已经成为大多数政府的议程。但是,如果我们改变思维方式,不再将碳视为废物,那么我们就可以将我们的经济激励措施从碳处理转变为碳再利用。
储存在地下的二氧化碳没有价值。但如果我们充分利用它能够制造商品的潜力,这可以支持无数行业转向可持续生产。
翻译:贾荣轩
审校:殷姝雅
引进来源:theconversation
本文来自:中国数字科技馆
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