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的高昂運輸和儲存成本問題。

這家公司于2020年從大學獨立出來，現(xiàn)在總部位于悉尼帕拉馬塔國王學院，擁有一支由8名科學家組成的團隊，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，擁有生物物理學博士學位，并在復雜蛋白質(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·威洛斯教授的指導下，該技術首先由麥格理大學本科生開發(fā)，他們成功地證明細菌可以重新設計以生產(chǎn)氫氣，并參加了國際基因工程設計大賽。布朗說，“學生團隊開發(fā)了一種從糖中產(chǎn)生生物氫的細菌途徑，不僅贏得了當年國際基因工程設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，使用藻類的DNA重新編碼細菌基因，設計了一種“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。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)；氫能源相關企業(yè)：該技術可以直接與氫燃料電池技術相結(jié)合，以現(xiàn)場和按需發(fā)電；氨生產(chǎn)：該技術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鏈的規(guī)模。