Биологическое улавливание и использование углерода

Превращать CO2 в продукты звучит как углерод даром. Подвох — в степени окисления: углерод в CO2 уже полностью окислен, это низ энергетической лестницы, а всякая молекула с топливной или пищевой ценностью стоит выше. Биология этого не отменяет: любой маршрут биологического CCU — на самом деле энергетический маршрут, в котором микробы работают строительной бригадой.

Что микробы делают на самом деле#

Рабочие лошадки газовой ферментации — анаэробные ацетогены, бактерии клостридиального типа с путём Вуда–Люнгдаля: один атом углерода восстанавливается на метильной ветви, другой — на карбонильной, и они встречаются как ацетил-КоА, универсальная клеточная строительная единица. Дальше клетка отдаёт ацетат, восстанавливает его до этанола или строит биомассу. Монооксид углерода — удобный субстрат: окисляясь до CO2, он отдаёт клетке электроны, нужные для восстановления следующего атома углерода, поэтому богатые CO промышленные газы и синтез-газ питают собственное превращение сами. Чистый CO2 — нет: ему нужен внешний восстановитель, водород, и стехиометрия беспощадна — восстановление CO2 до этанола или белка расходует водород в количествах, которые доминируют в энергетическом счёте. Если водород получают электролизом, большая часть ценности продукта — воплощённое электричество, а CO2 — скелет, а не топливо. Белковый маршрут — та же химия, направленная на рост: водородные автотрофы, питаемые CO2 и H2, наращивают клетки, которые в высушенном виде состоят по большей части из белка и в кормах заменяют рыбную муку или сою.

Где в итоге оказывается углерод#

Использование и удаление — разные заявления, и различие механическое, а не риторическое. Топливо возвращает свой углерод в атмосферу в момент сжигания — считанные недели после отгрузки. Кормовой белок окисляет животное, которое его съело. Полигидроксиалканоатный полимер держит свой углерод годы и десятилетия: отсрочка с полезно длинным периодом, но не хранение. Заявку на удаление поддерживает лишь продукт, удерживающий углерод вне атмосферы в геологических масштабах времени — по сути захоронение или минерализация. Углерод, вернувшийся в атмосферу, — не удаление; использование замещает ископаемое производство и откладывает возврат, делать это стоит, но относится это к ведомству предотвращённых выбросов. Именно поэтому сертификационные схемы платят за постоянство больше, чем за использование.

Что здесь трудно#

Три вещи. Массоперенос: водород и CO2 плохо растворяются в воде — водород лишь миллиграммы на литр, — так что кормление клеток превращается в газожидкостную инженерию: мелкое диспергирование, реакторы под давлением, новые контактные аппараты ради скорости переноса; обычно именно она, а не биология, ограничивает продуктивность. Термодинамика: превращение не бывает энергетически бесплатным, а донор электронов — H2 или CO — главная статья операционных затрат. Выделение: разбавленные бульоны означают затраты энергии на сепарацию — знакомая всем ферментационным производствам дань. Предельная величина во всём этом — восстановительная мощность: электроны на тонну превращённого углерода, и проект био-CCU живёт или умирает в зависимости от того, откуда они берутся.