Chińscy naukowcy opracowali system, który odzyskuje dwutlenek węgla rozpuszczony w wodach oceanicznych i przekształca go w związki potrzebne do produkcji bioplastiku. Technologia, opisana w prestiżowym czasopiśmie Nature Catalysis, może stać się przełomem w walce z emisjami CO₂ oraz źródłem cennych surowców dla przemysłu chemicznego.

• Zespół z Chińskiej Akademii Nauk zaprezentował pierwszy system, który łączy bezpośredni wychwyt CO₂ z oceanu z jego natychmiastowym przekształceniem w surowiec chemiczny.
• Proces wykorzystuje reakcję elektrochemiczną do wydzielania CO₂ z wody morskiej oraz bakterie Vibrio natriegens, które przetwarzają gaz w kwas bursztynowy – kluczowy składnik biodegradowalnego plastiku PBS (poli(bursztynian butylenu)).
• System pracował nieprzerwanie przez ponad 530 godzin, osiągając 70% skuteczności wychwytu CO₂ z naturalnej wody morskiej pobranej z zatoki Shenzhen.
• Szacowany koszt wychwytu wyniósł ok. 230 USD za tonę CO₂, co czyni technologię konkurencyjną wobec najnowocześniejszych metod dostępnych obecnie na rynku.
• Proces pozwala także na wytwarzanie innych związków o znaczeniu przemysłowym, takich jak kwas mlekowy czy alanina, poprzez zastosowanie alternatywnych szczepów bakterii.

Chińscy naukowcy opracowali nowatorski system, który umożliwia odzyskiwanie dwutlenku węgla (CO₂) rozpuszczonego w wodach oceanicznych, a następnie przekształcanie go w cenne związki organiczne przy udziale bakterii. O wynikach badań poinformowano na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Catalysis”. Opracowana technologia nie tylko pozwala ograniczyć ilość dwutlenku węgla w środowisku, lecz także otwiera drogę do zrównoważonej produkcji biodegradowalnych materiałów i surowców chemicznych, takich jak kwas mlekowy czy alanina – kluczowych w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i tworzyw sztucznych.

Jak przypominają badacze z Chińskiej Akademii Nauk (CAS), oceany odgrywają zasadniczą rolę w globalnym cyklu węglowym, pochłaniając około jednej trzeciej całkowitych emisji CO₂ pochodzących z działalności człowieka. To właśnie dzięki nim tempo globalnego ocieplenia nie jest jeszcze wyższe. Jednak CO₂ rozpuszczony w wodzie morskiej jest bardzo trudno wychwycić i wykorzystać, ponieważ występuje w postaci jonów wodorowęglanowych i węglanowych, a ich stężenie jest stosunkowo niskie. Do tej pory żadnemu zespołowi badawczemu nie udało się skutecznie połączyć bezpośredniego wychwytu dwutlenku węgla z oceanu z jego natychmiastową konwersją biologiczną w wartościowe produkty.

Zespół chińskich naukowców opracował rozwiązanie, które łączy elektrochemiczne wydzielanie CO₂ z wody morskiej z procesem biologicznym opartym na bakteriach modyfikowanych genetycznie. W pierwszym etapie system za pomocą elektrolizy koncentruje i uwalnia rozpuszczony CO₂ z wody, a następnie kieruje go do bioreaktora, gdzie specjalne szczepy mikroorganizmów przekształcają gaz w związki organiczne. Bakterie te zostały zaprojektowane tak, by wykorzystywały dwutlenek węgla jako źródło węgla do biosyntezy prekursorów bioplastików – takich jak polihydroksymaślan (PHA) – materiału w pełni biodegradowalnego i przyjaznego środowisku.

Według autorów badania, system działa w sposób ciągły i może zostać skalowany, co czyni go potencjalnie przydatnym w przemyśle chemicznym i biotechnologicznym. Dzięki niemu możliwe byłoby nie tylko ograniczanie ilości CO₂ w oceanach, lecz także produkcja zielonych surowców chemicznych, które dziś powstają głównie z paliw kopalnych.

Badacze podkreślają, że ich technologia może w przyszłości przyczynić się do powstania zamkniętego obiegu węgla, w którym dwutlenek węgla wychwytywany z atmosfery i oceanów byłby systematycznie przekształcany w użyteczne materiały, bez dalszego zwiększania emisji gazów cieplarnianych.

Przełomowy system

Chiński zespół badaczy zaprezentował przełomowy system, który łączy elektrochemię z fermentacją mikrobiologiczną w celu wychwytywania dwutlenku węgla (CO₂) rozpuszczonego w wodzie morskiej i przekształcania go w cenne surowce chemiczne. Wyniki ich prac opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature Catalysis”. Opracowane rozwiązanie stanowi znaczący krok w stronę praktycznego wykorzystania oceanów jako źródła węgla do produkcji biodegradowalnych materiałów i wpisuje się w globalne wysiłki na rzecz redukcji emisji gazów cieplarnianych.

W opracowanym systemie woda morska jest wprowadzana do reaktora elektrochemicznego, w którym pole elektryczne powoduje rozkład cząsteczek wody i wytwarzanie protonów. Proces ten prowadzi do zakwaszenia roztworu, co z kolei powoduje przekształcenie rozpuszczonych w wodzie związków węglanowych (głównie jonów wodorowęglanowych) w gazowy dwutlenek węgla. W ten sposób badaczom udało się rozwiązać podstawowy problem związany z pozyskiwaniem CO₂ z oceanów — jego bardzo niskie stężenie i silne związanie chemiczne w wodzie morskiej.

Powstały gazowy dwutlenek węgla jest następnie oddzielany za pomocą membrany z włókien kapilarnych, co pozwala na jego skuteczne oczyszczenie i przekierowanie do drugiego modułu systemu – reaktora katalitycznego. W tym etapie wykorzystano katalizator na bazie bizmutu, który umożliwia redukcję CO₂ do kwasu mrówkowego (HCOOH) – związku o szerokim zastosowaniu w przemyśle chemicznym i biotechnologicznym, a także doskonałego substratu do dalszej biokonwersji.

W kolejnym etapie kwas mrówkowy trafia do bioreaktora mikrobiologicznego, w którym specjalnie zmodyfikowane bakterie Vibrio natriegens przekształcają go w kwas bursztynowy (C₄H₆O₄). Ten związek jest kluczowym półproduktem do wytwarzania biodegradowalnego tworzywa poli(bursztynianu butylenu) (PBS) – materiału uznawanego za ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych plastików pochodzenia petrochemicznego. PBS znajduje zastosowanie m.in. w opakowaniach, naczyniach jednorazowych i foliach, które ulegają pełnej biodegradacji w środowisku.

Według autorów badania, opracowany system wykazał wyjątkową stabilność i wydajność działania. Reaktor nieprzerwanie wychwytywał dwutlenek węgla z naturalnej wody morskiej pobranej z zatoki Shenzhen w Chinach przez ponad 530 godzin, utrzymując efektywność wychwytu CO₂ na poziomie około 70%. Oznacza to, że rozwiązanie może być potencjalnie stosowane w praktyce — zarówno do redukcji ilości dwutlenku węgla w oceanach, jak i do wytwarzania wartościowych produktów chemicznych bez konieczności wykorzystania paliw kopalnych.

Naukowcy podkreślają, że ich system jest modułowy i skalowalny, co umożliwia jego dostosowanie do różnych warunków środowiskowych i przemysłowych. W przyszłości technologia ta mogłaby stać się elementem zamkniętego obiegu węgla, w którym CO₂ pochłaniany z atmosfery i oceanów byłby ponownie przekształcany w użyteczne surowce.

230 dolarów za tonę

Chińscy naukowcy zwrócili uwagę, że opracowany przez nich system nie tylko wykazuje wysoką skuteczność w wychwytywaniu i konwersji dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie morskiej, ale także jest ekonomicznie konkurencyjny wobec najbardziej zaawansowanych obecnie technologii wychwytu CO₂. Jak podkreślają autorzy badań, szacowany koszt wychwytu jednej tony dwutlenku węgla wyniósł około 230 dolarów, co stawia ich metodę na poziomie porównywalnym z najlepszymi systemami bezpośredniego wychwytu CO₂ z powietrza (DAC), stosowanymi w laboratoriach i wczesnych instalacjach przemysłowych.

To bardzo istotne, ponieważ koszty wychwytu dwutlenku węgla należą obecnie do głównych barier w rozwoju technologii neutralnych klimatycznie. Zespół z Chińskiej Akademii Nauk podkreśla, że w miarę dalszej optymalizacji procesów elektrochemicznych oraz mikrobiologicznych możliwe będzie obniżenie kosztów produkcji i zwiększenie efektywności całego systemu.

Jednocześnie badacze zauważają, że potencjał technologii nie kończy się na produkcji kwasu bursztynowego, wykorzystywanego do wytwarzania biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Zastosowanie różnych szczepów bakterii w etapie biokonwersji może pozwolić na syntezę szerokiego wachlarza cennych substancji chemicznych, wykorzystywanych w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i spożywczym. Wśród możliwych produktów wymienia się m.in. kwas mlekowy, będący surowcem do produkcji bioplastiku PLA (polilaktydu), oraz alaninę, czyli aminokwas wykorzystywany w biotechnologii i produkcji dodatków żywnościowych.

Zdaniem niezależnych ekspertów, badania chińskiego zespołu stanowią przełomowy krok w kierunku praktycznego wykorzystania oceanów jako źródła dwutlenku węgla oraz jego przetwarzania w użyteczne surowce w sposób przyjazny dla środowiska. Jak zauważył prof. Xiang Chengxiang z California Institute of Technology (Caltech), specjalista w dziedzinie fizyki chemicznej i nauki o materiałach, który nie uczestniczył w badaniach:

– To pierwsza demonstracja procesu, który przekształca dwutlenek węgla z oceanu aż do użytecznego surowca wykorzystywanego do produkcji bioplastiku. Kluczowym elementem jest tu wykorzystanie wychwyconego CO₂ i jego konwersja do monomeru o wysokiej stabilności chemicznej, przy zachowaniu zadowalającej efektywności i opłacalności.

Eksperci wskazują również, że połączenie elektrochemii i biotechnologii w jednym, ciągłym procesie może stać się nowym paradygmatem w gospodarce węglowej – umożliwiając nie tylko ograniczenie emisji CO₂, ale też jego ponowne wykorzystanie w zamkniętym obiegu. W dłuższej perspektywie takie rozwiązania mogłyby wspierać produkcję biopaliw, bioplastików i związków organicznych, zastępujących produkty oparte na paliwach kopalnych.

Naukowcy podkreślają, że kolejnym etapem prac będzie skalowanie systemu i przetestowanie jego działania w warunkach rzeczywistych – np. w pobliżu wybrzeży, w których koncentracja CO₂ w wodzie morskiej jest wyższa. Jeśli wyniki laboratoryjne uda się odtworzyć w skali przemysłowej, opracowana technologia może w przyszłości odegrać kluczową rolę w walce ze zmianami klimatu, a jednocześnie stać się nowym źródłem zrównoważonych surowców dla przemysłu chemicznego.

Źródło: Reuters