一种新的“生物反应器”可以在转基因微生物和大量二氧化碳的帮助下，将电力存储为液体燃料。这个想法——被一个联邦机构资助研究的项目称为“电燃料”——可以提供能量密度与汽油等燃料相当的电力存储。如果它成功，这种混合生物电系统将提供一种比种植植物并将其转化为生物燃料更有效率的将太阳光转化为燃料的方式。
加州大学洛杉矶分校的化学工程师詹姆斯·廖解释说：“这种方法提供了一种将电能以易于用作运输燃料的形式储存的方式。”廖和他的同事在3月30日出版的《科学》杂志上报告了他们的“集成电-微生物生物反应器”。
为了将电力转化为液体燃料，廖和他的同事专注于Ralstonia eutropha（产氢雷尔氏菌），这是一种土壤微生物，可以使用氢气作为能源，将二氧化碳构建成更多的微生物生长物。目前，该微生物的生物机制已被用于工业用途——例如，大量生产塑料而不是蛋白质。通过调整这种工业微生物的基因，该团队现在已经诱导它大量生产各种丁醇——一种液体燃料。“如果与燃烧工程师交谈，他们会告诉你最简单的真正燃料是丁醇，”普林斯顿大学的化学家安德鲁·博卡斯利说，他没有参与电燃料项目。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
廖的生物反应器的电力来自太阳能电池板。电流流入生物反应器中的电极，生物反应器中充满了水、二氧化碳和R. eutropha。电力启动了一个化学反应，利用二氧化碳制造甲酸盐——二氧化碳与一个氢原子相连，这是一种离子（带电荷），可以替代不溶性氢气作为微生物的能量来源。转基因R. eutropha然后消耗甲酸盐，产生丁醇，以及更多的二氧化碳作为废物——后者被回收回到生化过程中。
然而，R. eutropha并不特别喜欢被电击，因此廖的团队建造了一个“多孔陶瓷杯”来保护微生物免受电流的影响。在光伏电池板的驱动下，生物反应器在80小时内产生了每升140毫克的丁醇燃料，尽管之后它停止了工作。“原则上，我们可以使用相同的方法来生产其他种类的燃料或化学品，”廖说。
这种方法结合了能量密度高的液体燃料的吸引力——每公斤的能量密度比最好的电池高出50倍甚至更多——以及在有限区域内比植物生产更多燃料的潜力。光合作用实现了同样的目标，吸收阳光并将其能量存储在碳水化合物分子的键中——也称为食物，现在也称为燃料。但是光合作用效率低下。例如，玉米转化为乙醇所捕获的阳光原始能量不到0.2%。光伏电池可以将15%的入射光子转化为电力，但这种太阳能电力难以储存。在像廖的电燃料生物反应器中使用太阳能理论上可以将高达9%的入射阳光转化为最终的可储存燃料。“通过将人造设备（具有巨大的改进潜力）与生物二氧化碳固定相结合，我们获得了两全其美，”廖认为，尽管这种效率尚未得到证实。然而，即使是这个演示过程，也比玉米乙醇甚至转基因光合微生物制造丁醇等生物燃料，将更多的阳光转化为液体燃料。此外，廖补充说，“有可能大幅提高生产力，因为Ralstonia是一种工业微生物。”
当然，化学家也可以直接制造液体燃料，可以通过电力或施加高温和高压。例如，博卡斯利的实验室已经创建了一种电化学电池，利用电力将二氧化碳和氢气结合成甲醇，最简单的液态碳氢化合物。美国能源部（DoE）人工光合作用联合中心（位于加利福尼亚州帕萨迪纳市）的化学家内特·刘易斯正试图创造一种完全人造的植物食物制造过程。像廖这样的生物基系统是否能够提供一种更有效率的将电力存储为液体燃料的方法，还有待观察。“如果作者提供了关于所用电流和电池两端电压降的信息，人们就可以计算出能量转换效率，”博卡斯利指出。
但是，这种新型生物反应器及其电燃料证明了一个原理——微生物也可以直接利用电力来证明这一点。“我们现在知道它会奏效，”能源部高级研究计划署-能源副署长埃里克·图恩说，该机构资助这项研究的目的是希望用这种电燃料取代化石燃料。“现在我们必须问一个更难的问题：它会重要吗？”事实上，只有当电燃料工艺能够在大规模、低成本地从电力中高效输送液体燃料时，它才会变得重要。就目前而言，廖的混合工艺在大约80小时后就会失效，这可能是由于R. eutropha的遗传不稳定性、对丁醇中毒的敏感性或其他因素。至于电燃料最终是否会产生影响，图恩说，“我们不知道答案。”