奥胡斯大学开发碳捕获与利用新技术，将烟囱废气高效转变为燃料

在全球气候变化的严峻形势下，减少温室气体排放成为当务之急。其中，碳捕获与利用（CCU）技术作为应对气候变化的重要手段，受到了广泛关注。

在传统的 CCU 技术中，吸收塔和解吸塔是两大核心反应场所。当烟囱废气穿过吸收塔时，塔内的胺类化学物质凭借自身与二氧化碳之间的化学反应，能够精准将二氧化碳从废气中捕获，使其融入液体之中。

随后，饱含二氧化碳的液体被输送至解吸塔。在解吸塔内，为了将二氧化碳从液体中释放出来，需要施加高达 120-140 ℃ 的高温。而释放出的二氧化碳，还需经过压缩、储存等一系列后续步骤，才能完成整个碳捕获流程。这一系列操作不仅存在捕获剂易热降解、能源消耗巨大的问题，而且成本高昂，使得传统碳捕获技术在大规模推广应用时面临诸多限制。

近日，来自奥胡斯大学的 Michael Vedel Wegener Kofoed科研团队开发了一项名为生物集成碳捕获与利用（BICCU）新技术，为解决这些难题带来了新的希望。这篇题为“Bio-integrated carbon capture and utilization: at the interface between capture chemistry and archaeal CO2 reduction”的研究成果发表于 Nature communications。

BICCU 技术同样借助吸收塔来捕获二氧化碳，但在解吸环节进行了大胆创新。其摒弃了传统的高温解吸方式，引入了以产甲烷菌为代表的微生物。这些微生物拥有独特的代谢方式，能够在常温或温和的温度范围（20-60℃）内，借助水电解产生的氢气，将溶解在溶液中的二氧化碳转化为甲烷。也就是说，BICCU 技术可以在温和的环境里，将二氧化碳 “加工” 成可以直接利用的能源产品，整个过程更加高效环保。

以叔胺 MDEA 作为捕获剂为例，在吸收过程中，MDEA 碱催化二氧化碳水合形成碳酸氢根，此时体系存在碳酸平衡，有少量可溶性二氧化碳。氢营养型产甲烷菌利用自身基因组编码的固有酶，通过二氧化碳还原途径，以氢气为电子源，将细胞内的可溶性二氧化碳转化为甲烷 。

随着二氧化碳被消耗，碳酸平衡将向生成二氧化碳的方向移动，促使更多二氧化碳从捕获剂中解吸出来，形成一个良性循环。

同时，细胞内的碳酸酐酶（CAs）可能对 BICCU 过程中碳酸平衡的移动起到进一步的调节作用。研究人员推测它可以催化二氧化碳和碳酸氢根之间的相互转化，促进二氧化碳跨细胞膜转移并在细胞内浓缩，从而进一步促进后续 CO2 的转化。

从实际应用角度看，BICCU 技术优势明显。首先是节能，和传统碳捕获技术相比，它不需要在解吸环节使用大量能量来加热解吸二氧化碳。研究显示，BICCU 系统能节省 17-29% 的能源。这不仅降低了能源成本，还减少了因高温操作带来的捕获剂热降解问题，延长了捕获剂的使用寿命，降低了生产成本。

此外，微生物对杂质的强大耐受力也是 BICCU 技术的一大优势。在传统碳捕获技术中，化学催化剂一旦遭遇硫化氢、二氧化硫等杂质，其催化活性往往会受到严重影响，然而，产甲烷菌等微生物却具备强大的适应能力，即便面对含有这些杂质的烟道气，依然能够正常发挥作用。这一特性使得 BICCU 技术无需进行繁琐的气体预处理环节，便可直接处理含有杂质的烟道气，从而提高了整体运行效率。

目前，这项技术还处于“成长阶段”，它的技术成熟度等级（TRL）仅为 2，处于实验室概念验证阶段，也面临着一些挑战，比如对于产甲烷菌转化 CO2 中所必需的氢气，在水中溶解度极低，使得气液传质效率不高，影响微生物获取氢气，从而限制了二氧化碳的转化速率。此外，微生物生长需要合适的酸碱度环境，而捕获剂和二氧化碳反应、微生物转化二氧化碳的过程，都会让体系酸碱度发生变化，从而抑制微生物的活性。如何平衡这一关系，找到适合微生物生长和二氧化碳吸收的最佳条件，也是未来需要解决的问题。

但是相信随着研究的深入，科研人员将不断优化捕获剂和微生物菌株，提高二氧化碳的转化效率和选择性，降低生产成本。或许在不久的将来，这项技术就能走出实验室，应用到工业生产中，帮助工业企业减少碳排放，生产出可持续的燃料和化学品，为实现碳中和目标贡献重要力量。

参考文献：

1.https://scitechdaily.com/co2-eating-bacteria-turn-chimney-smoke-into-sustainable-fuel/

2.https://www.nature.com/articles/s41467-024-51700-3

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