NREL利用光合作用合成乙烯

NREL官网,2012年09月29日

美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的科学家们论证了一种更好的利用光合作用生产乙烯的方法，这个突破将改变人们生产材料、化学品和运输燃料的方式，并且有助于净化空气。

NREL的科学家们在蓝细菌中引入了一个基因，并且证明，该菌在传代四代后仍保持稳定，同时合成易于收集的乙烯气体。该研究结果发表在Energy & Enviromental Science杂志上。

该微生物Synechocystis sp. PCC 6803能够高速合成乙烯，并且仍有提高空间。该实验室报道的乙烯合成速率是170mg/L/d，高于合成乙醇、丁醇和其他藻类生物燃料的微生物的光合作用速率。

该合成过程并未释放出二氧化碳。相反，还能够回收二氧化碳，因为该微生物能够利用二氧化碳，作为其代谢循环的一部分。

乙烯是全球生产最广的化石原料。但是，目前主要从化石燃料获得，且二氧化碳释放量最大。石油中的长链碳氢化合物经过蒸汽裂解，每生产1吨乙烯释放1.5到3吨二氧化碳。

而NREL的合成过程则利用二氧化碳生产乙烯，二氧化碳是细菌的食物。这样一来，每生产1吨乙烯，二氧化碳少释放6吨，其中3吨由化石燃料裂解所释放，另外3吨由细菌吸收。

NREL首席研究员Jianping Yu称，这是利用旧光子和新光子的差别。旧光子乙烯是指由化石燃料生产乙烯，化石燃料是光合细菌利用数亿年前的太阳能生成的。NREL的生产过程利用的是新光子，光子来自能够直接合成燃料的植物、藻类和细菌。

十年前，由日本崇城大学的Takahira Ogawa领导的科学家团队首次尝试利用蓝细菌Synechococcus 7942通过光合转化合成乙烯。但是，传代到第四代时，该细菌死亡，且不再合成乙烯，Yu称。

NREL研究了另一个蓝细菌Synechocystis 6803，科学家们已经对该细菌研究了很长时间，并且知道如何改变其DNA序列。他们操纵序列，设计了一个乙烯合成基因，该基因更加稳定，并且比原始株活性更强。

该改造过程使微生物能够利用二氧化碳和水合成乙烯，并且使其不丧失合成乙烯的能力。合成的乙烯对生产菌无毒，并且不能被其他可能污染工业过程的微生物利用。

“我们得到的最高产量比很多技术都高，包括乙醇、丁醇和异戊二烯技术”，Yu称，“我们克服了前人遇到的问题，我们的合成过程不会产生氰化物类的毒素，并且更加稳定。且不会为其他微生物提供食物来源。

当培养物生长速度达到最大以后，合成过程可以维持数月，NREL的合作伙伴之一Rich Bolin称。天然合成的乙烯从微生物中释放出来，并刺激持续合成。

在富含氮、磷海水的封闭式光合生物反应器中，能够合成乙烯。乙烯气体挥发，在反应器顶部被收集。然后，合成过程继续进行，包括一步催化聚合过程，从而合成燃料和化学品。连续的生产过程提高了能源转化效率，并且降低了生产成本。

NREL将和潜在的行业合作伙伴进行商讨，将生产过程推向商业化。感兴趣的公司是那些生产乙烯或运输燃料的公司，以及制造光合生物反应器的公司。

“生物分离技术是复杂的，且成本高”，NREL生物科学中心主任Jim Brainard称。“这个系统的优点在于，气体从培养基中分离，且挥发到顶部。这是巨大的进步，无需破坏能够利用二氧化碳、光和水合成产品的培养基。这比像乙醇一样的液液分离更容易。”

NREL是美国能源部的主要实验室，用于可再生能源和能源效率的研发。NREL由可再生能源联盟公司代替美国能源部管理。