Många av de vanliga föremålen vi använder i vårt vardagliga liv - från byggmaterial till plast till läkemedel - är tillverkade av fossila bränslen. För att minska vårt beroende av fossila bränslen och minska utsläppen av växthusgaser, samhället har alltmer försökt vända sig till växter för att göra de vardagliga produkter vi behöver. Till exempel, majs kan förvandlas till majsetanol och plast, lignocellulosasocker kan förvandlas till hållbara flygbränslen, och färger kan tillverkas av sojaolja.

Men tänk om växter kunde tas bort från bilden, eliminerar behovet av vatten, gödselmedel, och mark? Vad händer om mikrober istället skulle kunna utnyttjas för att tillverka bränslen och andra produkter? Och tänk om dessa mikrober kunde växa på koldioxid, därmed samtidigt producera värdefulla varor samtidigt som en växthusgas tas bort från atmosfären, allt i en reaktor? För bra för att vara sant?

Forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gjort goda framsteg när det gäller att förvandla denna teknik till verklighet. Leds av forskaren Eric Sundström, forskare vid Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU), och postdoktor Changman Kim, projektet kombinerar biologi och elektrokemi för att producera komplexa molekyler, allt drivs av förnybar energi. Med koldioxid som en av insatserna, systemet har potential att avlägsna värmefångande gaser från atmosfären, eller med andra ord, en negativ utsläppsteknik (NET).

Det vetenskapliga samfundet och beslutsfattarna når enighet om att NET kan vara ett viktigt verktyg i kampen mot klimatförändringar genom att minska koncentrationen av växthusgaser i atmosfären. Berkeley Lab -forskare arbetar med en rad tekniker för negativa utsläpp. Sundstroms projekt lanserades för två år sedan under Labs Laboratory Directed Research and Development (LDRD) -program.

Fråga:Hur startade detta projekt?

På ABPDU, vi arbetar över en rad produkter. Nästan allt som tillverkas av den kemiska industrin - du kan hitta ett sätt att använda mikrober för att göra dessa byggstenmolekyler, och ersätt sedan den petrokemiska eller till och med jordbruksekvivalenten för den produkten. Det finns mycket kraft att göra nästan vad som helst med biologi. Det är bara en fråga om det är ekonomiskt att göra det.

Ett populärt område för oss just nu är matproteiner. Till exempel, du kan konstruera en jäst för att producera ett mjölkprotein. Så, du kan göra kemiskt identisk mjölk, men från jäst, så du har klippt ut kon. Vi hjälper företag som tillverkar alla typer av produkter, från matproteiner till biobränslen till biobaserade skidor, alla använder mikrober. Den röda tråden är att de allra flesta av dessa företag använder socker, ett relativt dyrt och miljöintensivt material, som det primära råmaterialet.

Så, vi hade en idé:kan vi göra samma typ av biotillverkning, men istället för att använda en växtbaserad kolkälla, kan vi stänga av gården och direkt använda koldioxid som kolkälla för mikrobens tillväxt? Och kan vi använda elektroner från förnybar el för att ge den nödvändiga energin för att generera samma produktsvit?

F. Det låter spännande men komplicerat. Hur exakt skulle det fungera? Och vad kallas denna teknik ens?

Folk kallar det olika saker. Elektroner till produkter. Eller elektroner till molekyler är populärt. Eller elbränslen.

Vi kombinerar två steg för att konvertera CO ₂ och elektricitet till bioprodukter i en enda reaktor. Detta inkluderar ett elektrokemiskt steg - klyvning av vatten för att producera väte och syre - och ett biokemiskt steg, som är den mikrobiella omvandlingen av väte, syre, och CO ₂ till biomassa och slutligen produkter.

Den knepiga delen är mikroberna. Varje mikrobe äter något för att leva, men väldigt få mikrober äter elektroner. Så, kan vi omvandla elektricitet till något som mikrober lätt kommer att äta? Och det vi tittar på är faktiskt ett mycket enkelt sätt att göra det:när du tillför elektrisk ström över vatten vid en viss spänning, H2O delas upp i väte och syre, och sedan bubblar gaserna ut. Och det finns grupper av bakterier som kommer att konsumera väte som sin energikälla, och sedan kommer de att använda koldioxid som sin kolkälla för att växa. Den delen är relativt välkänd.

Det vi försöker göra är att kombinera dessa två processer. Du har elektroderna i vattnet, bubblar ut gas. Och sedan kan vi lägga till CO ₂ . Nu har vi de tre ingredienserna vi behöver, väte, syre, och CO ₂ , allt i vattnet, och sedan kan vi lägga till mikrober, allt i en tank. Genom att kombinera den elektrokemiska processen med den mikrobiella processen, vi kan använda elektroderna själva för att lösa upp gaserna i bioreaktorn, förenkla reaktordesignen och spara mycket energi. Det är den spännande delen.

Som en del av LDRD -projektet, vi optimerade elektrolysförhållandena och den mikrobiella stammen för ömsesidig kompatibilitet, och vi ställer in systemet för att köras på en solpanel. Vi visade också att mikroberna kan vara genetiskt konstruerade, 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. Så, 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, vind, 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.