藻類將陽光和二氧化碳轉化為生化能量。這些研究人員利用基因工程、分析和材料科學將這種能量轉化為機會。
藻類是多用途的生物。認識三位致力於釋放全部能量潛能的NREL科學家
作者:齊亞·阿卜杜拉，國家可再生能源實驗室項目經理
NREL的科學家於建平、范偉臣和陶冬(左起)的研究和分析正在推進藻類的生產、加工以及最終轉化為下一代可持續燃料和產品的方式。
食物、肥料、燃料、污染物過濾器——藻類的用途多種多樣，就像每天在實驗室研究有機體的創造性思維一樣國家可再生能源實驗室(NREL)。世界各地都有大量的藻類，從單細胞生物體到濃密的都有。
NREL的研究人員對藻類研究得越多，他們的能源潛力就變得越清晰。藻類生長迅速，可以在所有50個州養殖，在開闊的海洋中茁壯成長，並將陽光和二氧化碳轉化為生化能量。總之，這些屬性可以使工業生產可持續的生物塑料，估計美國每年可以生產50億加侖低碳燃料。
儘管如此，仍需要有針對性的進展來幫助藻類燃料和生物產品打入更廣泛的商業市場。在美國能源部的支持下生物能源技術辦公室(貝托)，NREL研究人員J於一平、范偉成和正在利用科學和分析工具來發掘藻類的能源潛力.
於建平:對喜陽藍藻要求更多
讓二氧化碳發揮作用—創業公司Cemvita Factory是與NREL合作通過與於建平和其他研究人員合作，開發利用藍藻和其他微生物將溫室氣體轉化為有價值的燃料和化學品的途徑，改善二氧化碳利用創新。照片由NREL沃納·斯洛科姆拍攝
是什麼吸引你去研究微藻？
當我還是個大學生的時候，解剖青蛙和魚，我發現那不適合我。我不喜歡殺動物，所以我決定研究植物。
NREL分子生物學家於建平在2015年獲得了R&D 100獎，因為他在藍藻工程將陽光和二氧化碳轉化為乙烯。照片由NREL的丹尼斯·施洛德拍攝
植物最有趣的地方是它們進行光合作用的能力。當我在密西根州立大學讀博士生時，我被介紹給一種模式藍藻，我們可以用遺傳學的工具來研究它，以了解光合作用。在我獲得一些經驗後，我來到了NREL，並開始利用藍藻來生產氫氣和其他用途。
什麼是NREL的藍藻光合能源平台？你試圖解決什麼樣的挑戰？
我試圖用藍藻來解決能源效率的一個基本問題。藍藻將太陽能轉化為儲存在碳碳鍵中的能量。但是他們這樣做的效率很低。陽光中的大部分能量都在途中丟失了。
我的假設是，能量在新陳代謝過程中被消耗，所以有機體可以在快速變化的環境條件下生存，如光照強度、營養供應和溫度。他們需要一種機制來快速消耗能量，這樣他們就不會被燒傷。
我們已經展示了細胞合成碳化合物(如糖原，類似於澱粉)的幾種機制。藍細菌一直在後台製造並降解糖原，最終結果是三磷酸腺苷或ATP——能量被消耗掉了。
因此，操縱糖原循環，正如我們在最近的研究微生物學前沿, 導致更快的生長和更好的光合作用。通過改善能量代謝，如糖原循環，來自陽光的能量轉化潛力可以提高兩到三倍。
史蒂芬妮·范·懷恩:計算藻類碳水化合物——等等
結果出來了—NREL出版公司實驗室分析程序為生物燃料和熱解生物油研究提供經過驗證的方法，為幫助藻類行業微調其工藝提供必要的數據。照片由NREL的丹尼斯·施洛德拍攝
你在NREL的職業生涯專注於藻類和其他種類生物質的分析和表徵。你是怎麼來的？
我讀了土壤科學和精準農業的本科和研究生學位。後來，我被聘為研究助理，在科羅拉多州東部從事灌溉管理工作。在我的大學經歷之後，我從事飲用水和地表水質量方面的工作。在我的學習和職業經歷中，分析化學一直是一條在幕後流淌的河流。
我遇到了一個在NREL工作的朋友，他建議我可能會喜歡在這裡工作。一個從事分析化學工作的團隊有一個職位，我申請並加入了。我真的很想回到類似於我在研究生期間所做的研究中去。
史蒂芬妮·范·懷恩開發和傳播可靠的實驗室分析程序，以幫助識別藻類特有的高價值副產品。丹尼斯·施洛德攝影
什麼是組合藻類加工，也稱為「CAP」？從高層次來看，NREL試圖應對什麼挑戰？
CAP正在尋找一種綜合方法，以最大限度地從具有不同成分的藻類中生產燃料和化學品——無論它們是高蛋白、高碳水化合物還是高脂質。
我們正在研究這些成分，然後優化工藝，儘可能多地利用生物成分。一個過程可能從釋放糖的稀酸預處理開始。然後，通常接下來是提取步驟，以提取脂類或脂肪來製造燃料和生物塑料。這通常會留下富含蛋白質的蛋糕，可以作為食物或飼料成分。
這些步驟中的每一步都會產生一些可以轉化為燃料或增值產品的東西。CAP實際上是將所有這些過程整合到一個生物煉製路徑中。我們已經為微藻開發了它，現在我們正在將這個概念應用於大型藻類海藻和馬尾藻項目.
為了讓藻類在商業層面上可行，你最大的研究重點是什麼？
我們需要開發和完善我們的分析表徵方法，以真正識別所有潛在的燃料和產品。由NREL開發並向公眾開放的實驗室分析程序，對於量化脂肪、蛋白質和碳水化合物的工業非常有幫助，這樣他們就可以對他們的產品和工藝做出正確的決定。NREL和我們團隊的一大重點是在行業和學術研究機構中協調這些方法的使用，這樣我們就可以說同一種語言。
陶冬:用藻類去除聚氨酯中的有毒物質
低碳泡沫、塗料、粘合劑—NREL的聚氨酯化學吸收而不是釋放二氧化碳，可用於將海藻油和其他生物質原料轉化為無毒聚氨酯適合各種應用。2021年，NREL證明了海藻油是製造聚氨酯泡沫的獨特材料。照片由NREL的丹尼斯·施洛德拍攝
你職業生涯中的哪些步驟讓你開始研究藻類？
藻類產生的生物量可以作為一種多用途作物來種植，在食品和能源生產方面都有潛在的用途，就像大豆和玉米一樣。我有食品科學和生物系統工程的研究背景，專注於探索將生物質分餾和轉化為不同產品的方法。NREL的藻類生物煉製項目對我來說是一條理想的職業道路。幾十年來，陸地上的農業精煉廠已經被開發和設計來生產各種各樣的農產品，用於食品、化學品和燃料。在NREL，我們通過利用現有技術和開發新概念，將微藻提煉為不同市場領域的燃料和增值化學品，從而鞏固了這一傳統。
為什麼要換聚氨酯？
陶冬和NREL的同事開發了一種突破性的方法來生產可再生聚氨酯，沒有有毒的前體，這項技術獲得了2020年R&D 100特別表彰獎。照片由NREL沃納·斯洛科姆拍攝
聚氨酯是一種多功能材料，在我們的日常生活中被用於建築隔熱、汽車座椅、家具、鞋類等。然而，聚氨酯的生產涉及有毒的異氰酸酯，可導致呼吸系統問題，並已被列為潛在的致癌物。異氰酸酯的應用受到嚴格管制，以保護工人免受健康危害。
通過開發更環保的替代品，如非異氰酸酯聚氨酯(NIPU)，我們可以為工人創造更安全的工作環境，為消費者創造健康的產品。
我們的NIPU聚合物是使用生物基原料和二氧化碳通過開環聚合工藝生產的。我們的工藝中使用了生物基脂肪酸和二胺來生產具有各種性能屬性的NIPU。通過這種途徑，我們理論上可以從100%可再生材料生產NIPU。換句話說，我們可以替換有毒的化學物質，增加生物成分，並將額外的二氧化碳隔離到最終產品中。
NREL正致力於從藻類中製造這些非異氰酸酯聚合物？
是的，我們開發了基於藻類的尼普產品，如尼普泡沫。我們已經確定，就反應性而言，具有高含量多不飽和脂肪酸的藻類脂質是NIPU泡沫生產的優選原料。我們已經展示了基於藻類的NIPU泡沫的生產，並且我們已經針對廣泛的應用從拉伸強度和導熱性方面對其進行了表徵，並且確定了這些產品在當前市場中的價值。
齊亞·阿卜杜拉Zia Abdullah博士是國家可再生能源實驗室(NREL)生物能源技術辦公室項目的實驗室項目經理。Zia在將生物質熱化學和生物化學轉化為燃料和化學品方面擁有豐富的經驗和成就。他的經驗包括超過25年的生物質轉化工業研發，以及問題解決、新產品開發、業務發展和項目管理。