Muchos de los artículos comunes que usamos en nuestra vida diaria, desde materiales de construcción hasta plásticos y productos farmacéuticos, se fabrican a partir de combustibles fósiles. Para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, La sociedad ha intentado cada vez más recurrir a las plantas para fabricar los productos cotidianos que necesitamos. Por ejemplo, el maíz se puede convertir en etanol de maíz y plásticos, los azúcares lignocelulósicos se pueden convertir en combustibles de aviación sostenibles, y las pinturas se pueden hacer a partir de aceite de soja.

Pero, ¿y si las plantas pudieran eliminarse de la imagen? eliminando la necesidad de agua, fertilizante, y tierra? ¿Qué pasaría si los microbios pudieran aprovecharse para fabricar combustibles y otros productos? ¿Y si estos microbios pudieran crecer en dióxido de carbono, produciendo así simultáneamente bienes valiosos y al mismo tiempo eliminando un gas de efecto invernadero de la atmósfera, todo en un reactor? ¿Demasiado bueno para ser verdad?

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía han avanzado mucho en convertir esta tecnología en realidad. Dirigido por el científico Eric Sundstrom, un científico investigador en la Unidad de Desarrollo de Procesos de Biocombustibles y Bioproductos Avanzados (ABPDU), y el erudito postdoctoral Changman Kim, el proyecto combina biología y electroquímica para producir moléculas complejas, todo impulsado por energías renovables. Con dióxido de carbono como una de las entradas, el sistema tiene potencial para eliminar los gases que atrapan el calor de la atmósfera, o en otras palabras, una tecnología de emisiones negativas (NET).

Tanto la comunidad científica como los responsables políticos están llegando a un consenso de que los TNE pueden ser una herramienta importante en la lucha contra el cambio climático al reducir la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Los investigadores de Berkeley Lab están buscando una gama de tecnologías de emisiones negativas. El proyecto de Sundstrom se lanzó hace dos años bajo el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) del Laboratorio.

P. ¿Cómo empezó este proyecto?

En la ABPDU, trabajamos en una amplia gama de productos. Prácticamente cualquier cosa fabricada por la industria química:puede encontrar una manera de utilizar microbios para producir esas moléculas de bloques de construcción, y luego reemplazar la petroquímica o incluso el equivalente agrícola de ese producto. Hay mucho poder para hacer prácticamente cualquier cosa con biología. Es solo una cuestión de si es económico hacerlo.

Un área popular para nosotros en este momento son las proteínas alimentarias. Por ejemplo, podría diseñar una levadura para producir una proteína de la leche. Entonces, puedes hacer leche químicamente idéntica, pero de levadura, así que has cortado la vaca. Ayudamos a empresas que fabrican todo tipo de productos, desde proteínas alimentarias hasta biocombustibles y esquís de base biológica, todos usando microbios. El denominador común es que la gran mayoría de estas empresas utilizan azúcar, un material relativamente caro y ambientalmente intensivo, como materia prima primaria.

Entonces, Tuvimos una idea:¿podemos hacer este mismo tipo de biofabricación? pero en lugar de utilizar una fuente de carbono de origen vegetal, ¿Podemos cortar la granja y usar directamente dióxido de carbono como fuente de carbono para el crecimiento del microbio? ¿Y podemos utilizar electrones de electricidad renovable para proporcionar la energía necesaria para generar el mismo conjunto de productos?

P. Eso suena emocionante pero complicado. ¿Cómo funcionaría eso exactamente? ¿Y cómo se llama esta tecnología?

La gente lo llama de diferentes formas. Electrones a productos. O electrones a moléculas es popular. O electrocombustibles.

Combinamos dos pasos para convertir CO ₂ y electricidad en bioproductos en un solo reactor. Esto incluye un paso electroquímico (dividir el agua para producir hidrógeno y oxígeno) y un paso bioquímico, que es la conversión microbiana de hidrógeno, oxígeno, y compañía ₂ a la biomasa y, en última instancia, a los productos.

La parte complicada son los microbios. Cada microbio come algo para vivir, pero muy pocos microbios comen electrones. Entonces, ¿Podemos convertir la electricidad en algo que los microbios puedan comer fácilmente? Entonces, lo que estamos viendo es en realidad una forma muy simple de hacerlo:cuando aplica corriente eléctrica a través del agua a un cierto voltaje, el H2O se divide en hidrógeno y oxígeno, y luego los gases salen burbujeando. Y hay grupos de bacterias que consumirán hidrógeno como fuente de energía, y luego usarán dióxido de carbono como fuente de carbono para crecer. Esa parte es relativamente conocida.

Lo que estamos tratando de hacer es combinar esos dos procesos. Tienes los electrodos en el agua, burbujeando gas. Y luego podemos agregar CO ₂ . Ahora tenemos los tres ingredientes que necesitamos, hidrógeno, oxígeno, y compañía ₂ , todo en el agua, y luego podemos agregar microbios, todo en un tanque. Combinando el proceso electroquímico con el proceso microbiano, podemos usar los propios electrodos para disolver los gases en el biorreactor, simplificando el diseño del reactor y ahorrando mucha energía. Esa es la parte emocionante.

Como parte del proyecto LDRD, optimizamos las condiciones de electrólisis y la cepa microbiana para una compatibilidad mutua, y configuramos el sistema para que funcione con un panel solar. También demostramos que los microbios pueden modificarse genéticamente, por lo que ahora podemos producir moléculas complejas en un solo tanque, directamente de fotones y CO ₂ .

Q. What kind of microorganisms do you use, and what were the challenges in getting this system to work?

The electrolysis creates a lot of unwanted stuff. It's never 100% clean and efficient. You get things like hydrogen peroxide, or the electrodes themselves have metals in them that can come off and poison the biology. And so there are a lot of toxicity challenges that you have to overcome to make everything work together in one vessel.

The compatibility between the electrochemistry and the organism is important. The electrochemistry likes to be run at a really high or low pH and high temperature to get efficient hydrogen production. The previous work has pretty much all been with strains that are easy to work with in the lab, but maybe not the best choice for compatibility with these systems. So we're looking at different microbes that thrive under extreme conditions, and that have natural resistance to certain kinds of toxicity.

What we're focused on is trying to get as much electricity as possible, as efficiently as possible, into the bugs and get them to grow happily. We've done that. Now we're starting to think about what we might be able to make, because once we have the bugs happy, then we can talk to the strain engineers, and they can start hacking away at the genes and instead of just growing, the microbes can make a product, such as fuel or building materials. We've now demonstrated that this kind of strain engineering is possible in our system for an example molecule, a natural pigment.

Q. What kind of products would these microbes make?

One of the reasons we like having the oxygen in there is that the organisms that grow with oxygen can produce a wide variety of things. You can make fat, you can make protein, you can make jet fuel directly. There's a lot of cool biology you can do. And there are a lot of people at Berkeley Lab who specialize in genetically engineering these microbes. Berkeley Lab researchers have engineered things like methyl ketones, which are basically a direct diesel fuel replacement. Entonces, we could literally just have one tank running off a solar panel—right now we have a desk lamp shining on the solar panel—we put CO ₂ en, and once the microbes are engineered, you would get diesel fuel, just rising to the top of the tank. You can skim that off. It's a very clean, simple kind of a process.

Q. How would this work in a real-world setting?

That's a question that the DOE is just starting to really dig in on—where would you put this? You want a concentrated source of CO ₂ , and you also want a low-cost source of renewable energy, be it solar, viento, or hydro. A lot of the current thinking is around ethanol plants in the Midwest, where there's wind power, y el CO ₂ from ethanol plants is almost totally pure. And an ethanol plant already has equipment for doing biology and chemical separations.

Q. How do you envision this technology fitting into the climate change fight?

We need to start pulling CO ₂ out of the atmosphere faster. Instead of carbon capture and storage, these things offer carbon capture and utilization, which provides an economic driver to pull that CO ₂ out of the atmosphere instead of just, decir, pumping it underground.

I think electrons-to-molecules technology in general is going to be an answer to electrifying the last few segments of the economy that are still going to be relying on fossil fuels. It's hard to electrify a long-haul jet plane, or a rocket, or a ship. But if you can make the fuel with electricity, that's one way to electrify the rest of transportation.

I don't want to make it seem like biology is the only the only way to do this. But I think biology is an important way to do this and that biological conversion can produce products with a specificity that the other approaches really can't match. I think there is potential to move the bioeconomy in general away from any agricultural feedstocks and onto electricity, which would be a really exciting long-term prospect.