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技術大突破!中研院開發人工固碳循環 可維持6小時

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2022年3月7日
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圖、人工固碳途徑示意圖
 
中央研究院於3月7日宣布,由院長廖俊智帶領研究團隊成功利用合成生物學,開發出人工固碳循環技術,可超越植物光合作用的效率,且能將二氧化碳轉化為再利用的化學品。這是人類史上第二次創造出與自然界不同的固碳循環,此循環可在實驗室反應器中維持6小時,為目前人工固碳效率最高的方法。該研究成果已於今年(2022)2月發表於著名國際期刊《自然催化》(Nature Catalysis)。
 
該論文全文〈A cell-free self-replenishing CO2-fixing system〉,網址:https://www.nature.com/articles/s41929-022-00746-x
 
目前,大氣中的二氧化碳主要是經由植物行光合作用轉化為有機化合物,此過程稱為「固碳」(carbon fixation),是目前空氣中捕碳最有效的方式,但是其速度仍不夠快。
 

大自然植物光合作用有三大限制:
  1. 首先,其所伴隨的固碳過程,是透過植物吸收陽光,以固碳酶(RuBisCO)來固定二氧化碳,並轉化為有機碳儲存在植物體內。但這種固碳酶會受到環境中氧氣影響,產生光呼吸(photorespiration)作用,因而降低固碳效率。
  2. 植物只在生長期有明顯固碳效果;
  3. 且白天捕捉的二氧化碳,其中一半又經由夜晚的呼吸作用釋放出來,也讓固碳效率打折扣。 
以人工固碳途徑突破光合作用限制
 
因此,該研究團隊設計出一個比光合作用更有效率的人工固碳途徑。首先,為解決植物固碳酶也會與氧結合的問題,他們選取2種不受氧氣影響的固碳酶,再加上19個微生物酵素(酶)共同組合而成,排除「光呼吸」作用干擾。此外,此途徑只利用微生物體內的酶,而不使用整個微生物,故能不受植物細胞生長期限制與呼吸作用影響,打造高效的固碳效率。
 
負碳技術:不僅吸碳,還能儲存、轉化再利用
 
同時,團隊所設計的人工固碳循環是一種負碳技術,能進一步將二氧化碳轉換為可再利用的化學品,不但減少碳排,同時也可以增加碳匯,既解決日益嚴重的二氧化碳問題,也可擴及無碳再生能源衍生商品。
 
本研究配合光學即時監控以及輔酶(ATP、NAD(P)H及FAD)再生,提供持續固碳的能量,不斷將二氧化碳轉化為多種常見的化學先驅物(acetyl-CoA、pyruvate及malate),可用來製造多種化學原料,取代石化產品或藥品、食品。廖院長指出,此研究開創了新的反應器固碳途徑,可於室溫環境中進行,彈性運用於不同的場域;未來可配合電化學反應,以綠電達成碳再利用的負碳效果。
 
該技術研究成果,係中研院跨領域資源整合典範,由研究團隊先自行畫設計圖,請物理所機械工廠製作反應器,到應科中心團隊協助建置光學系統,有效監控輔酶再生。歷時7年,終完成此項突破性成果。
 
[註] 碳匯(carbon sink)是能夠儲存碳化合物(特別是二氧化碳)的天然或人工「倉庫」,例如森林、土壤、海洋等。(904字;圖1)


參考資料:
比光合作用更快!中研院設計人工固碳循環 有助負碳技術研發。中央研究院,2022/3/7。


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