利用古老微生物製造碳負材料

甲烷是一種強效的溫室氣體，在農業和污水處理等許多關鍵行業中自然產生。如果我們能在甲烷進入大氣之前捕捉到這種氣體，並將其轉化為有用的材料呢？

位於加州的生物製造公司Mango Materials發明了一種方法來實現這一目標。利用一種特殊的甲烷吃菌混合物，Mango的過程將甲烷轉化為一種可生物降解的聚合物，稱為聚羥基烷酸酯（PHA）。PHA可以進一步合成為100%可生物降解的聚酯顆粒，用以製作耐用產品、面料和柔性薄膜，這些材料擁有塑料的便利特性，但環境足跡卻輕得多。基於PHA的材料在環境中分解的時間是塑料的極小一部分。根據產品的厚度，當這些材料按照要求被處置在廢物處理設施中時，它們最少在幾周或幾個月內就會分解成甲烷和二氧化碳。

“我們正在致力於一個碳負的過程，”Mango的共同創辦人兼首席技術官艾莉森·皮耶哈（Allison Pieja）說。“我們的分析顯示，當全規模運行時，它應該是碳負的。”皮耶哈和她的同事們最近在加州Vacaville的一個污水處理廠建成了一個PHA生產設施，捕獲微生物清理公共供水時產生的甲烷，並將其直接引入與甲烷吃菌共生的生物反應器中。該公司已經生產足夠的PHA來製作示範產品，包括一個可購買的肥皂碟以及兩款時尚原型產品——Allbirds的淨零運動鞋和著名設計師斯特拉·麥卡特尼（Stella McCartney）設計的可持續太陽眼鏡。

他們現在正在加速新設施的運作，以更大規模地提供配方化的PHA顆粒，並最終成為各種環保產品的供應商。“我不知道還有其他哪種生物基塑料替代品擁有與PHA相同的生物降解性特徵，加上其機械性能，這帶來了巨大的市場機會，”首席執行官暨共同創辦人莫莉·摩爾斯（Molly Morse）表示，她在斯坦福大學作為博士生時首次研究了PHA，並與共同創辦人皮耶哈（Pieja）一同進行研究。

與所有生物製造技術一樣，Mango從實驗室規模的概念轉變為高效的商業過程也需要時間。幫助學術界和行業團體跨越這一困難過渡是位於洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）且由美國能源部生物能源技術辦公室資助的先進生物燃料和生物產品過程開發單位（ABPDU）科學家的專長。自2012年創立公司以來，Mango團隊花了數年時間優化其細菌培養——這種細菌自然產生PHA且未經基因改造——以及促使其生成高水平PHA的生長條件。

Mango希望最大化從微生物內部回收的PHA的量和純度；為此，他們開始與由寧·孫（Ning Sun）領導的ABPDU團隊合作。在這段時間裡，他們攜手測試與工業規模相關的設備，以便科學家們在投入自己的試點規模系統之前能確定哪些設備是有效的。

純化優質物質

這些細菌將甲烷轉化為聚羥基烷酸酯 (PHA) 鏈，以儲存能量供日後使用，類似於植物利用將基於二氧化碳的糖串聯起來形成澱粉的方式儲存能量，因此分子會在細胞內累積。Sun 的團隊和 Mango 公司的科學家們並肩合作，測試設備並改進流程，以從生物反應器內的「培養液」中提取細胞，打開細菌細胞壁和細胞膜，然後將 PHA 與其他細胞產物分離。

「我們從 Allison 團隊那裡收到了不同規模的培養液，最大的一批有幾百公升。我們嘗試了不同的回收單元操作，以優化條件並提高回收率以及最終產品的純度。」ABPDU 的科學家 Sun 說。

在 COVID-19 大流行延緩了項目的進度後，該合作項目最終獲得了一個符合目標高產量的流程，Pieja 和她的同事們也知道了他們需要為自己的生產設施投資哪些下游加工設備。

「這項工作對我們來說確實至關重要，它讓我們能夠使用下游加工設施，並接觸到懂得如何使用這些設施的人員。我們能夠徹底驗證多種不同的技術，以了解我們的平台在這些技術中的表現。」Pieja 說，「我們現在擁有一個我們相信將會盈利的流程。」

同時，ABPDU 團隊也獲得了細胞內生物聚合物提取方面的額外專業知識。迄今為止，ABPDU 已與 85 家行業合作夥伴合作，這些合作夥伴從初創企業到成熟的生物技術公司，以及 20 家國家實驗室、研究中心和大學，以協助擴大規模或推出創新的基於生物學的產品。

「我們確實從這次合作中學到了很多東西。該團隊能夠擴大實驗室規模的流程，並測試產品回收設備的不同配置，這將適用於類似的生物聚合物回收。」Sun 團隊的高級流程工程師 Asun Oka 說。

Mango Materials 在 ABPDU 的工作由能源部 (DOE) 的撥款資助。ABPDU 使早期階段的生物燃料、生物材料和生化產品及工藝技術能夠成功地從實驗室擴展到商業應用。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。