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環境治理：將碳排放轉化為有用的化學物質
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環境治理：將碳排放轉化為有用的化學物質
藍色天空。來源：Pixabay
快速的全球城市化極大改變了地球的麵貌，溫室氣體汙染了我們的大氣層，並導致全球變暖。現在急需控製人類活動，為子孫後代，尋找更加可持續的替代方式來保護我們星球的剩餘資源。
二氧化碳（CO2）一氧化碳（CO）在工業煙氣中占很大比例。最近的研究表明，某些微生物能夠將這些氣體代謝成有用的副產物。因此，現在科學家正嚐試利用微生物回收這些氣體，將其轉化為有用的化學品。這個過程稱為"碳捕獲和利用"（carbon capture and utilization (CCU)）。這在目前普遍實施的"碳捕獲和儲存"（carbon capture and storage (CCS)）的基礎上又更進了一步
質子的供應促進了用於醋酸鹽和揮發性脂肪酸生產的CO電合成，來源:釜山國立大學
然而，這種CCU需要高能量投入，使得這一過程的大規模應用變得困難並且昂貴。那麽，如何優化此過程以獲得最大輸出？
一個由韓國釜山國立大學Jung Rae Kim教授領導的研究小組對生物電化學係統（Bioelectrochemical system ,BES, 一個較新的CCU係統）所出現的問題進行了回答。Kim教授解釋說："我們開發了一種'生物電合成工藝'，其中通過使用電力作為還原驅動力，電活性細菌能將CO/CO2轉化成有用的代謝物，如醋酸鹽和揮發性脂肪酸。科學家們能夠優化BES，相較於當前的CO氣體係統，能將其效率提高2到6倍。他們的研究結果發表在《生物資源技術》雜誌上。
他們使用的兩室BES具備幾個特殊功能以實現這一點。陰極含有電活性生物膜，陽極通過水電解產生氫離子。這些腔室由離子交換膜（ion exchange membrane,IEM）分割，控製質子和電子在腔室之間的流動。此外，前者含有微生物培養介質，後者則包含控製係統初始pH的機製。此外，還使用了醌電子介質。
他們發現，如果給予合適的IEM（允許質子而不是氧氣通過的IEM），陽極室中的酸性pH導致跨膜的質子濃度梯度升高，這是提高醋酸鹽產量與在陰極室中合成較長鏈脂肪酸的關鍵。醌電子介質提升了電子轉移量，增加了產物產量。
Kim教授指出，"由於CO比CO2還原性更強，這樣就不難理解，CO的庫侖效率是CO2的兩倍。CO是大多數鋼鐵廠的工業廢氣處理和生物質氣化過程中的主要成分。通過該BES轉換，它將成為各種生物處理中的價值原料。這是第一個通過BESs使得CO轉換在商業上可行的研究。教授進一步強調了這些應用："微生物自我複製，使BES成為一種經濟型解決方案，再結合我們已實現的效率和創建的優化係統，應該能使工業界對此產生足夠的興趣，以至於有望在5年內實現相應的商業工業機。
來源：Pixabay
這是一種讓地球更清潔、更綠色、更涼爽的方式！
翻譯：曾欣欣
審校：董子晨曦
引進來源：國立釜山大學
引文鏈接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/pnu-sob021721.php
本文來自：環球科學
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二氧化碳（CO2）一氧化碳（CO）在工業煙氣中占很大比例。最近的研究表明，某些微生物能夠將這些氣體代謝成有用的副產物。因此，現在科學家正嚐試利用微生物回收這些氣體，將其轉化為有用的化學品。這個過程稱為"碳捕獲和利用"（carbon capture and utilization (CCU)）。這在目前普遍實施的"碳捕獲和儲存"（carbon capture and storage (CCS)）的基礎上又更進了一步
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然而，這種CCU需要高能量投入，使得這一過程的大規模應用變得困難並且昂貴。那麽，如何優化此過程以獲得最大輸出？
一個由韓國釜山國立大學Jung Rae Kim教授領導的研究小組對生物電化學係統（Bioelectrochemical system ,BES, 一個較新的CCU係統）所出現的問題進行了回答。Kim教授解釋說："我們開發了一種'生物電合成工藝'，其中通過使用電力作為還原驅動力，電活性細菌能將CO/CO2轉化成有用的代謝物，如醋酸鹽和揮發性脂肪酸。科學家們能夠優化BES，相較於當前的CO氣體係統，能將其效率提高2到6倍。他們的研究結果發表在《生物資源技術》雜誌上。
他們使用的兩室BES具備幾個特殊功能以實現這一點。陰極含有電活性生物膜，陽極通過水電解產生氫離子。這些腔室由離子交換膜（ion exchange membrane,IEM）分割，控製質子和電子在腔室之間的流動。此外，前者含有微生物培養介質，後者則包含控製係統初始pH的機製。此外，還使用了醌電子介質。
他們發現，如果給予合適的IEM（允許質子而不是氧氣通過的IEM），陽極室中的酸性pH導致跨膜的質子濃度梯度升高，這是提高醋酸鹽產量與在陰極室中合成較長鏈脂肪酸的關鍵。醌電子介質提升了電子轉移量，增加了產物產量。
Kim教授指出，"由於CO比CO2還原性更強，這樣就不難理解，CO的庫侖效率是CO2的兩倍。CO是大多數鋼鐵廠的工業廢氣處理和生物質氣化過程中的主要成分。通過該BES轉換，它將成為各種生物處理中的價值原料。這是第一個通過BESs使得CO轉換在商業上可行的研究。教授進一步強調了這些應用："微生物自我複製，使BES成為一種經濟型解決方案，再結合我們已實現的效率和創建的優化係統，應該能使工業界對此產生足夠的興趣，以至於有望在5年內實現相應的商業工業機。
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