稻草在原地變成氨？澳大利亞研究團隊通過細菌制造氫氣

能源與碳的凈零是我們這個時代最大的挑戰(zhàn)之一。氫是宇宙中最豐富的元素，氫氣也是人類賴以為生的資源。然而，它不能隨時獲得，需要首先“提取”。但世界上大約95%的氫燃料來自化石燃料；氨是多種形式的氮肥前體，傳統(tǒng)上生產(chǎn)氨所需的氫是通過天然氣（主要是甲烷）等化石燃料與蒸汽反應(yīng)或從裂解油餾分中獲得。這些都是能源密集型過程，二氧化碳排放量巨大。因此，人們期望獲得脫碳、可再生、可持續(xù)的氫氣。

為了解釋氫氣的各種生產(chǎn)過程，工業(yè)通常使用顏色來描述氫氣：黑色或棕色氫是由煤炭制成；灰色氫氣由天然氣制成；當(dāng)大多數(shù)釋放的二氧化碳被捕獲時，是藍氫；綠色氫氣是通過電解制成的氫氣，電解是一種使用太陽能或風(fēng)能等可再生能源將水分解成氧氣和氫氣的過程。

今天，由于這項技術(shù)的高成本和商業(yè)準備不足，全球只有不到1%的氫氣是綠色氫氣。

分拆于澳大利亞麥格理大學(xué)的HydGene Renewables公司正在以零碳的過程從可再生植物原料中開發(fā)能夠在農(nóng)場現(xiàn)場生產(chǎn)的高純度氫溶液，解決了長期以來與氫相關(guān)的高昂運輸和儲存成本問題。

這家公司于2020年從大學(xué)獨立出來，現(xiàn)在總部位于悉尼帕拉馬塔國王學(xué)院，擁有一支由8名科學(xué)家組成的團隊，其中路易斯·布朗副教授是HydGene Renewables的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人，擁有生物物理學(xué)博士學(xué)位，并在復(fù)雜蛋白質(zhì)系統(tǒng)的生物工程和表征方面擁有超過15年的經(jīng)驗。

在另一位聯(lián)合創(chuàng)始人羅伯特·威洛斯教授的指導(dǎo)下，該技術(shù)首先由麥格理大學(xué)本科生開發(fā)，他們成功地證明細菌可以重新設(shè)計以生產(chǎn)氫氣，并參加了國際基因工程設(shè)計大賽。布朗說，“學(xué)生團隊開發(fā)了一種從糖中產(chǎn)生生物氫的細菌途徑，不僅贏得了當(dāng)年國際基因工程設(shè)計大賽的最佳能源項目，還提供了一個我們認為具有巨大潛力的想法。”

這家澳大利亞公司利用合成生物學(xué)，使用藻類的DNA重新編碼細菌基因，設(shè)計了一種“下一代生物催化劑”。這種生物催化劑非常穩(wěn)定，并且對通常對微生物有毒的化合物具有耐受性，可以從可再生植物原料（如稻草茬、干草、甘蔗、木片和食品廢物）中以前所未有的速率和產(chǎn)量產(chǎn)生碳中和的高純度氫氣。

直接用于合成生物學(xué)過程的是以上原料的糖分。公司試驗了小麥和大麥秸稈，發(fā)現(xiàn)它們比高粱秸稈好得多。另外，即使干枯或受污染的谷物秸稈也可能被用作原料。團隊估計，一個中等規(guī)模的谷物農(nóng)場就有足夠的秸稈來生產(chǎn)滿足他們所有的能源和肥料所需的氫氣。”

另一方面，建立可再生氫的主要挑戰(zhàn)與儲存和需要將氫氣輸送到其使用地點有關(guān)。存儲成本可能高達0.3美元/千克。運輸成本也大大增加了氫氣成本，公路運輸估計每公里運輸0.23美元/千克。這兩方面的成本已經(jīng)超過了最初成本的90%。況且，僅存儲和運輸所消耗的能量就接近其所承載氫氣的80%之多。

因此該公司第二個特點——只在需要的時間和地點制造氫氣也十分重要。通過自動化和反饋控制的過程調(diào)節(jié)制氫的速率和數(shù)量。不僅消除了任何不必要和危險的氫氣積聚，并克服了儲存氫氣的成本問題，生物催化劑儲放在占地面積小的模塊化元件中，不與耕地競爭，一旦失效可以更換。模塊化元件可以有大有小，以適應(yīng)各行各業(yè)的氫氣需求規(guī)模，包括農(nóng)業(yè)部門（用于供暖、電力、運輸）和化工制造（用于氨生產(chǎn)）。不需要光能或風(fēng)能，氫氣便可以全天候產(chǎn)生。這種安全解決方案填補了可再生能源缺口，并為農(nóng)業(yè)和食品廢物提供了增值機會。這樣生產(chǎn)的氫氣可以達到具有競爭力的每公斤2美元～3美元。

這項技術(shù)可以惠及生物質(zhì)廢物生產(chǎn)商，例如農(nóng)業(yè)、林業(yè)、造紙和紙漿以及食品行業(yè)；氫能源相關(guān)企業(yè)：該技術(shù)可以直接與氫燃料電池技術(shù)相結(jié)合，以現(xiàn)場和按需發(fā)電；氨生產(chǎn)：該技術(shù)還可以與新興的低溫和低壓膜氨生產(chǎn)方法相結(jié)合，在農(nóng)場現(xiàn)場生產(chǎn)肥料。

公司現(xiàn)在也在研究使用合成生物學(xué)方法生產(chǎn)氨的新方法。從長遠來看，可再生氫將有很多大型市場；但在短期內(nèi)，可再生肥料是重中之重，并代表著一個可行的、早期的巨大市場機會。

未來的研究，將繼續(xù)使用合成生物學(xué)工具優(yōu)化工程細菌，包括優(yōu)化菌株、工藝、規(guī)模，還將評估直接在農(nóng)場使用清潔氫氣發(fā)電的商業(yè)化潛力和機會，以及希望找到投資，以了解其他原料市場和供應(yīng)鏈的規(guī)模。