Molti degli oggetti comuni che usiamo nella nostra vita quotidiana, dai materiali da costruzione alla plastica ai prodotti farmaceutici, sono realizzati con combustibili fossili. Per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili e ridurre le emissioni di gas serra, la società ha cercato sempre più di rivolgersi alle piante per realizzare i prodotti di uso quotidiano di cui abbiamo bisogno. Per esempio, il mais può essere trasformato in etanolo di mais e plastica, gli zuccheri lignocellulosici possono essere trasformati in combustibili per aviazione sostenibili, e le vernici possono essere fatte con olio di soia.

Ma cosa accadrebbe se le piante potessero essere rimosse dall'immagine, eliminando la necessità di acqua, fertilizzante, e terra? E se i microbi potessero invece essere sfruttati per produrre combustibili e altri prodotti? E se questi microbi potessero crescere sull'anidride carbonica, producendo così contemporaneamente beni di valore rimuovendo anche un gas serra dall'atmosfera, tutto in un reattore? Troppo bello per essere vero?

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno compiuto buoni progressi nel trasformare questa tecnologia in realtà. Guidato dallo scienziato Eric Sundstrom, un ricercatore presso l'Unità di sviluppo del processo di biocarburanti e bioprodotti avanzati (ABPDU), e lo studioso postdottorato Changman Kim, il progetto combina biologia ed elettrochimica per produrre molecole complesse, il tutto alimentato da energia rinnovabile. Con l'anidride carbonica come uno degli input, il sistema ha il potenziale per rimuovere i gas che intrappolano il calore dall'atmosfera, o in altre parole, una tecnologia a emissioni negative (NET).

La comunità scientifica e i responsabili delle politiche stanno raggiungendo il consenso sul fatto che i NET possono essere uno strumento importante nella lotta ai cambiamenti climatici riducendo la concentrazione di gas serra nell'atmosfera. I ricercatori del Berkeley Lab stanno perseguendo una gamma di tecnologie per le emissioni negative. Il progetto di Sundstrom è stato lanciato due anni fa nell'ambito del programma Lab's Laboratory Directed Research and Development (LDRD).

D. Come è nato questo progetto?

All'ABPDU, lavoriamo su una vasta gamma di prodotti. Praticamente qualsiasi cosa prodotta dall'industria chimica:puoi trovare un modo per utilizzare i microbi per creare molecole di mattoni, e quindi sostituire il petrolchimico o addirittura l'equivalente agricolo di quel prodotto. C'è un sacco di potere per fare praticamente qualsiasi cosa con la biologia. È solo una questione se sia economico farlo.

Un'area popolare per noi in questo momento sono le proteine ​​alimentari. Per esempio, potresti progettare un lievito per produrre una proteina del latte. Così, puoi fare latte chimicamente identico, ma dal lievito, quindi hai tagliato fuori la mucca. Aiutiamo le aziende che realizzano tutti i tipi di prodotti, dalle proteine ​​alimentari ai biocarburanti agli sci biobased, tutto utilizzando microbi. Il filo conduttore è che la stragrande maggioranza di queste aziende utilizza zucchero, un materiale relativamente costoso e ad alta intensità ambientale, come materia prima primaria.

Così, abbiamo avuto un'idea:possiamo fare questo stesso tipo di bioproduzione, ma invece di utilizzare una fonte di carbonio a base vegetale, possiamo eliminare la fattoria e utilizzare direttamente l'anidride carbonica come fonte di carbonio per la crescita dei microbi? E possiamo usare gli elettroni dell'elettricità rinnovabile per fornire l'energia necessaria per generare la stessa suite di prodotti?

D. Sembra eccitante ma complicato. Come funzionerebbe esattamente? E come si chiama questa tecnologia?

La gente lo chiama cose diverse. Elettroni ai prodotti. O gli elettroni alle molecole sono popolari. O gli elettrocombustibili.

Uniamo due passaggi per convertire la CO ₂ ed elettricità in bioprodotti in un unico reattore. Ciò include una fase elettrochimica, la scissione dell'acqua per produrre idrogeno e ossigeno, e una fase biochimica, che è la conversione microbica dell'idrogeno, ossigeno, e CO ₂ alla biomassa e infine ai prodotti.

La parte difficile sono i microbi. Ogni microbo mangia qualcosa per vivere, ma pochissimi microbi mangeranno gli elettroni. Così, possiamo convertire l'elettricità in qualcosa che i microbi mangeranno prontamente? E quindi quello che stiamo guardando è in realtà un modo molto semplice per farlo:quando applichi corrente elettrica attraverso l'acqua a una certa tensione, l'H2O si divide in idrogeno e ossigeno, e poi i gas fuoriescono. E ci sono gruppi di batteri che consumeranno l'idrogeno come fonte di energia, e poi useranno l'anidride carbonica come fonte di carbonio per crescere. Quella parte è relativamente ben nota.

Quello che stiamo cercando di fare è combinare questi due processi. Hai gli elettrodi nell'acqua, fuoriuscita di gas. E poi possiamo aggiungere CO ₂ . Ora abbiamo i tre ingredienti di cui abbiamo bisogno, idrogeno, ossigeno, e CO ₂ , tutto in acqua, e poi possiamo aggiungere i microbi, tutto in un serbatoio. Combinando il processo elettrochimico con il processo microbico, possiamo usare gli elettrodi stessi per dissolvere i gas nel bioreattore, semplificando la progettazione del reattore e risparmiando molta energia. Questa è la parte eccitante.

Nell'ambito del progetto LDRD, abbiamo ottimizzato le condizioni di elettrolisi e il ceppo microbico per la reciproca compatibilità, and we set the system up to run on a solar panel. 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. Così, 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, vento, 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.