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环境治理：将碳排放转化为有用的化学物质
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环境治理：将碳排放转化为有用的化学物质
蓝色天空。来源：Pixabay
快速的全球城市化极大改变了地球的面貌，温室气体污染了我们的大气层，并导致全球变暖。现在急需控制人类活动，为子孙后代，寻找更加可持续的替代方式来保护我们星球的剩余资源。
二氧化碳（CO2）一氧化碳（CO）在工业烟气中占很大比例。最近的研究表明，某些微生物能够将这些气体代谢成有用的副产物。因此，现在科学家正尝试利用微生物回收这些气体，将其转化为有用的化学品。这个过程称为"碳捕获和利用"（carbon capture and utilization (CCU)）。这在目前普遍实施的"碳捕获和储存"（carbon capture and storage (CCS)）的基础上又更进了一步
质子的供应促进了用于醋酸盐和挥发性脂肪酸生产的CO电合成，来源:釜山国立大学
然而，这种CCU需要高能量投入，使得这一过程的大规模应用变得困难并且昂贵。那么，如何优化此过程以获得最大输出？
一个由韩国釜山国立大学Jung Rae Kim教授领导的研究小组对生物电化学系统（Bioelectrochemical system ,BES, 一个较新的CCU系统）所出现的问题进行了回答。Kim教授解释说："我们开发了一种'生物电合成工艺'，其中通过使用电力作为还原驱动力，电活性细菌能将CO/CO2转化成有用的代谢物，如醋酸盐和挥发性脂肪酸。科学家们能够优化BES，相较于当前的CO气体系统，能将其效率提高2到6倍。他们的研究结果发表在《生物资源技术》杂志上。
他们使用的两室BES具备几个特殊功能以实现这一点。阴极含有电活性生物膜，阳极通过水电解产生氢离子。这些腔室由离子交换膜（ion exchange membrane,IEM）分割，控制质子和电子在腔室之间的流动。此外，前者含有微生物培养介质，后者则包含控制系统初始pH的机制。此外，还使用了醌电子介质。
他们发现，如果给予合适的IEM（允许质子而不是氧气通过的IEM），阳极室中的酸性pH导致跨膜的质子浓度梯度升高，这是提高醋酸盐产量与在阴极室中合成较长链脂肪酸的关键。醌电子介质提升了电子转移量，增加了产物产量。
Kim教授指出，"由于CO比CO2还原性更强，这样就不难理解，CO的库仑效率是CO2的两倍。CO是大多数钢铁厂的工业废气处理和生物质气化过程中的主要成分。通过该BES转换，它将成为各种生物处理中的价值原料。这是第一个通过BESs使得CO转换在商业上可行的研究。教授进一步强调了这些应用："微生物自我复制，使BES成为一种经济型解决方案，再结合我们已实现的效率和创建的优化系统，应该能使工业界对此产生足够的兴趣，以至于有望在5年内实现相应的商业工业机。
来源：Pixabay
这是一种让地球更清洁、更绿色、更凉爽的方式！
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：国立釜山大学
引文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/pnu-sob021721.php
本文来自：环球科学
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二氧化碳（CO2）一氧化碳（CO）在工业烟气中占很大比例。最近的研究表明，某些微生物能够将这些气体代谢成有用的副产物。因此，现在科学家正尝试利用微生物回收这些气体，将其转化为有用的化学品。这个过程称为"碳捕获和利用"（carbon capture and utilization (CCU)）。这在目前普遍实施的"碳捕获和储存"（carbon capture and storage (CCS)）的基础上又更进了一步
质子的供应促进了用于醋酸盐和挥发性脂肪酸生产的CO电合成，来源:釜山国立大学
然而，这种CCU需要高能量投入，使得这一过程的大规模应用变得困难并且昂贵。那么，如何优化此过程以获得最大输出？
一个由韩国釜山国立大学Jung Rae Kim教授领导的研究小组对生物电化学系统（Bioelectrochemical system ,BES, 一个较新的CCU系统）所出现的问题进行了回答。Kim教授解释说："我们开发了一种'生物电合成工艺'，其中通过使用电力作为还原驱动力，电活性细菌能将CO/CO2转化成有用的代谢物，如醋酸盐和挥发性脂肪酸。科学家们能够优化BES，相较于当前的CO气体系统，能将其效率提高2到6倍。他们的研究结果发表在《生物资源技术》杂志上。
他们使用的两室BES具备几个特殊功能以实现这一点。阴极含有电活性生物膜，阳极通过水电解产生氢离子。这些腔室由离子交换膜（ion exchange membrane,IEM）分割，控制质子和电子在腔室之间的流动。此外，前者含有微生物培养介质，后者则包含控制系统初始pH的机制。此外，还使用了醌电子介质。
他们发现，如果给予合适的IEM（允许质子而不是氧气通过的IEM），阳极室中的酸性pH导致跨膜的质子浓度梯度升高，这是提高醋酸盐产量与在阴极室中合成较长链脂肪酸的关键。醌电子介质提升了电子转移量，增加了产物产量。
Kim教授指出，"由于CO比CO2还原性更强，这样就不难理解，CO的库仑效率是CO2的两倍。CO是大多数钢铁厂的工业废气处理和生物质气化过程中的主要成分。通过该BES转换，它将成为各种生物处理中的价值原料。这是第一个通过BESs使得CO转换在商业上可行的研究。教授进一步强调了这些应用："微生物自我复制，使BES成为一种经济型解决方案，再结合我们已实现的效率和创建的优化系统，应该能使工业界对此产生足够的兴趣，以至于有望在5年内实现相应的商业工业机。
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这是一种让地球更清洁、更绿色、更凉爽的方式！
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：国立釜山大学
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