稻草在原地变成氨？澳大利亚研究团队通过细菌制造氢气

能源与碳的净零是我们这个时代最大的挑战之一。氢是宇宙中最丰富的元素，氢气也是人类赖以为生的资源。然而，它不能随时获得，需要首先“提取”。但世界上大约95%的氢燃料来自化石燃料；氨是多种形式的氮肥前体，传统上生产氨所需的氢是通过天然气（主要是甲烷）等化石燃料与蒸汽反应或从裂解油馏分中获得。这些都是能源密集型过程，二氧化碳排放量巨大。因此，人们期望获得脱碳、可再生、可持续的氢气。

为了解释氢气的各种生产过程，工业通常使用颜色来描述氢气：黑色或棕色氢是由煤炭制成；灰色氢气由天然气制成；当大多数释放的二氧化碳被捕获时，是蓝氢；绿色氢气是通过电解制成的氢气，电解是一种使用太阳能或风能等可再生能源将水分解成氧气和氢气的过程。

今天，由于这项技术的高成本和商业准备不足，全球只有不到1%的氢气是绿色氢气。

分拆于澳大利亚麦格理大学的HydGene Renewables公司正在以零碳的过程从可再生植物原料中开发能够在农场现场生产的高纯度氢溶液，解决了长期以来与氢相关的高昂运输和储存成本问题。

这家公司于2020年从大学独立出来，现在总部位于悉尼帕拉马塔国王学院，拥有一支由8名科学家组成的团队，其中路易斯·布朗副教授是HydGene Renewables的首席执行官兼联合创始人，拥有生物物理学博士学位，并在复杂蛋白质系统的生物工程和表征方面拥有超过15年的经验。

在另一位联合创始人罗伯特·威洛斯教授的指导下，该技术首先由麦格理大学本科生开发，他们成功地证明细菌可以重新设计以生产氢气，并参加了国际基因工程设计大赛。布朗说，“学生团队开发了一种从糖中产生生物氢的细菌途径，不仅赢得了当年国际基因工程设计大赛的最佳能源项目，还提供了一个我们认为具有巨大潜力的想法。”

这家澳大利亚公司利用合成生物学，使用藻类的DNA重新编码细菌基因，设计了一种“下一代生物催化剂”。这种生物催化剂非常稳定，并且对通常对微生物有毒的化合物具有耐受性，可以从可再生植物原料（如稻草茬、干草、甘蔗、木片和食品废物）中以前所未有的速率和产量产生碳中和的高纯度氢气。

直接用于合成生物学过程的是以上原料的糖分。公司试验了小麦和大麦秸秆，发现它们比高粱秸秆好得多。另外，即使干枯或受污染的谷物秸秆也可能被用作原料。团队估计，一个中等规模的谷物农场就有足够的秸秆来生产满足他们所有的能源和肥料所需的氢气。”

另一方面，建立可再生氢的主要挑战与储存和需要将氢气输送到其使用地点有关。存储成本可能高达0.3美元/千克。运输成本也大大增加了氢气成本，公路运输估计每公里运输0.23美元/千克。这两方面的成本已经超过了最初成本的90%。况且，仅存储和运输所消耗的能量就接近其所承载氢气的80%之多。

因此该公司第二个特点——只在需要的时间和地点制造氢气也十分重要。通过自动化和反馈控制的过程调节制氢的速率和数量。不仅消除了任何不必要和危险的氢气积聚，并克服了储存氢气的成本问题，生物催化剂储放在占地面积小的模块化元件中，不与耕地竞争，一旦失效可以更换。模块化元件可以有大有小，以适应各行各业的氢气需求规模，包括农业部门（用于供暖、电力、运输）和化工制造（用于氨生产）。不需要光能或风能，氢气便可以全天候产生。这种安全解决方案填补了可再生能源缺口，并为农业和食品废物提供了增值机会。这样生产的氢气可以达到具有竞争力的每公斤2美元～3美元。

这项技术可以惠及生物质废物生产商，例如农业、林业、造纸和纸浆以及食品行业；氢能源相关企业：该技术可以直接与氢燃料电池技术相结合，以现场和按需发电；氨生产：该技术还可以与新兴的低温和低压膜氨生产方法相结合，在农场现场生产肥料。

公司现在也在研究使用合成生物学方法生产氨的新方法。从长远来看，可再生氢将有很多大型市场；但在短期内，可再生肥料是重中之重，并代表着一个可行的、早期的巨大市场机会。

未来的研究，将继续使用合成生物学工具优化工程细菌，包括优化菌株、工艺、规模，还将评估直接在农场使用清洁氢气发电的商业化潜力和机会，以及希望找到投资，以了解其他原料市场和供应链的规模。