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作者：Jinhee Lee, Suk Min Kim, Byoung Wook Jeon, Ho Won Hwang, Eleni G. Poloniataki, Jingu Kang, Sanghyung Lee, Ho Won Ra, Jonggeol Na, Jeong-Geol Na, Jinwon Lee, Yong Hwan Kim
接收时间：24 March 2024
https://doi.org/10.1038/s44286-024-00063-z
nature chemical engineering影响因子：--
背景介绍
钢铁行业作为全球CO2排放的主要来源之一，其脱碳工作对于全球碳中和目标的实现具有举足轻重的作用。当前，主要的CO2排放源于工业过程中的CO燃烧，这一过程不仅排放了大量温室气体，也错失了将CO转化为有用资源的机遇。为了突破这一瓶颈，科学家们一直在探索更为高效和环保的解决方案。
最新的研究提出了一种新颖的酶促CO水合（enCOH）技术，该技术受到自然界Wood-Ljungdahl代谢途径的启发，通过模拟生物体内CO2的固定机制，实现了高效的CO2捕获和转化。在这一过程中，特别选用了两种高效的酶：CO脱氢酶（ChCODH2）和甲酸脱氢酶（MeFDH1），它们不仅活性高，还对多种抑制剂具有出色的耐受性。这使得enCOH技术能够直接将工业废气中的CO转化为甲酸，且转化率高达100%。
更令人振奋的是，该过程能够在温和的条件下进行——室温和中性pH环境下，无需对CO和CO2的比例进行调整。实验中，直接使用未经预处理的废气，就能产生浓度接近2摩尔的铵甲酸盐等多种甲酸盐。此外，研究团队还成功地在钢铁厂现场运行了一个10升规模的固定化酶反应器，通过简单的纯化步骤，就能从废气中获得高纯度的甲酸粉末。
这项突破性的研究不仅展示了将废气资源化、无害化的潜力，更为钢铁行业的绿色转型提供了切实可行的路径。随着技术的不断成熟和优化，未来有望在更大规模的工业生产中实现应用，为全球减碳事业做出实质性贡献。钢铁行业是主要的二氧化碳排放源，对其进行脱碳对于实现碳中和至关重要。摆脱以CO燃烧方法为主的二氧化碳排放方式，是实现整个行业净零碳排放道路上看似简单却艰巨的挑战。
图文解读
a, 体外enCOH的概念概述。这是受微生物WL途径的逆向西方和东方分支的整合启发。
b, enCOH的方案。CODH将CO氧化为CO2，FDH将CO2还原为甲酸。电子媒介（Md）在两种酶之间传递电子。
ACS，乙酰辅酶A合酶；Fd，铁氧还蛋白；ox，氧化态；red，还原态。
a, 选择用于enCOH的CODH和FDH。ChCODH2、ChCODH4和ToCODH是候选的CODH，而MeFDH1、RcFDH和TsFDH是候选的FDH。使用BVox、EVox和NAD+作为电子媒介，通过48小时的测试，确定了每种CODH和FDH组合的甲酸（倒三角）产量（数据表示为n=3个重复的平均值±标准差）。
b, 在封闭系统中通过enCOH的生物转化时间进程。通过气相色谱（GC）测量CO（圆形）和CO2（三角形）的百分比，并通过高效液相色谱（HPLC）测量甲酸（倒三角）的量。通过将Δ甲酸除以ΔCO，计算出enCOH的产率（%，菱形）（数据表示为n=3个重复的平均值±标准差）。
c, 使用同位素13CO和D2O跟踪enCOH。使用13CO气体（洋红色）和D2O（青色）进行测试，并通过质谱测定通过enCOH产生的甲酸的分子量。总共有98.9%（体积/体积）的碳是12C，99.9%（体积/体积）的氢是1H，导致大部分甲酸具有45 g·mol−1的摩尔质量。
a, 使用真实废气（BFG、COG、LDG）进行enCOH的影响。在enCOH中使用了工业废气。随着时间的推移，测量了CO消耗（圆形）、CO2（三角形）和甲酸（倒三角形）的产量，以及产率（%，菱形）（数据表示为n=3个重复的平均值±标准差）。
b, 使用塑料衍生气体对enCOH的影响。在enCOH中使用了来自SRF气化的气体。观察了CO、CO2和甲酸的情况（数据表示为n=3个重复的平均值±标准差）。
a, 实验程序的示意图。带有His6标签的酶被固定在Ni-NTA树脂上，用于十个循环的重用，转换率没有严重损失。反应在室温（rt）下进行，使用橡胶密封的血清瓶（115毫升），含有LDG-净化的反应缓冲液（20 mM EVox，200 mM磷酸钠缓冲液pH 6.5，用净化的LDG气体处理1小时）。随后通过一次性开放式柱子回收固定化酶，用200 mM磷酸钠缓冲液pH 6.5洗涤两次，并在每次反应后重用。
b, 使用LDG进行enCOH的酶的重复重用性。通过使用固定在Ni-NTA琼脂糖珠上的CODH和FDH，测试了酶的重用性。每12小时测量一次CO（圆形）消耗，CO2（三角形）和甲酸（倒三角形）产量，以及产率（%，菱形）（n=1个重复）。阴影带表示十个循环。
图5 | 通过连续气体流动进行enCOH的甲酸生产
a, 在100毫升规模的反应器中，使用不同类型的pH中和剂进行长期操作，持续气体净化（LDG）和pH控制。3D结构（CO、CO2、甲酸和EV）来自PubChem（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov）。
b, 在连续气体流动系统中使用NaOH、KOH或NH4OH作为pH中和剂进行enCOH产生的甲酸（数据表示为n=3个重复的平均值±标准差）。
c, 在100毫升反应器中提取三种甲酸盐。产生的甲酸被纯化为钠、钾或铵甲酸粉末。在氢气生产中，甲酸盐经历脱氢反应，释放氢气并转化为碳酸氢盐。
d, 评估生物催化系统在利用合成气体或工业废气进行甲酸生产时的可行性。在商业规模操作中，LanzaTech的乙醇生产达到10克/升/小时。由于有关催化剂使用和滴定的详细信息有限，直接比较具有挑战性。尽管如此，该系统的乙醇生产率被认为是商业上可行的。
a, 10升酶反应器的方案（连续供应现场LDG）。在大规模反应器中，enCOH在连续气体流动和pH控制系统中进行，酶被固定化。
b, 在现代钢铁公司，10升enCOH反应器的现场操作，连续供应现场LDG（n=1个重复）。
c, enCOH生物催化剂在三个周期内的重复使用（n=1个重复）。阴影带表示三个周期。
编辑 | 欧阳嘉璇
审核 | 王 璟
宣传 | 谢蕴秋
来源丨iSynFox
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