本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
这个想法很简单：大量种植藻类，并收获富含能量的副产品作为化石燃料的替代品。像大型植物一样，微藻利用太阳能将二氧化碳转化为富含能量的分子，然后可以用来合成运输燃料，或生产生物塑料和其他材料。
但是，目前的工艺效率低下，需要大量的水和能源投入。为了扩大藻类生物燃料的生产规模，必须提高端到端流程的效率。
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Halil Berberoglu 博士和 Thomas Murphy 是德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系的研究人员，他们正在从自然过程中汲取灵感，通过设计合成“树”结构来改进藻类培养。他们的系统被称为表面附着生物反应器 (SABR)，模拟树木输送养分和运输树液的方式，同时比传统的培养方法 (德克萨斯大学奥斯汀分校) 更精细地控制输入和生长条件。
在这个概念中，藻类细胞作为光合生物膜在多孔表面上生长，这些表面保持它们的湿润，并为它们提供生长成熟所需的营养。一旦生物膜成熟，就会停止供应某些营养物质，并抑制细胞的生长。此时，为藻类提供必要的输入，以继续进行光合作用并分泌出富含能量的分子，例如游离脂肪酸。这些分子在模仿植物脉络的小通道中被从细胞中带走，并使用蒸发驱动的流动进行浓缩。这些浓缩的富含能量的分子随后可以转化为各种生物燃料。一旦藻类生物膜在几个月后达到其生产寿命的终点，就会将其移除，重新生长新的生物膜至成熟，然后循环继续。通过这种方式，可用的太阳能、水和养分更多地用于燃料前体的生产，而较少用于生长，从而实现更高的太阳能转化率和资源利用效率。
在实验中，Berberoglu 博士和 Murphy 先生已经看到了比传统培养方法更高的效率。Murphy 先生在一封电子邮件中解释说：
“在一个实验中，我们将 SABR 与尺寸相同的悬浮生长光生物反应器并排运行，以比较它们的水和能源效率。SABR 的工作水体积比传统反应器少 25 倍。此外，混合悬浮生长反应器每立方米培养体积需要约 40 瓦的功率，而 SABR 消除了这种功率需求。在 SABR 的某些区域，生长速率是传统反应器的四倍。在整个 SABR 上平均，生长速率与传统反应器大致相等。”
即使有了这些改进，在最大限度地提高生产力的同时最大限度地减少水分流失仍然是一个重大挑战。Murphy 先生再次表示：
“由于蒸发为向生物体输送养分和水分提供了驱动力，因此更快的养分输送需要更快的蒸发。真正的树木也面临着这个挑战。当天气炎热时，叶子会关闭气孔，从而防止过度蒸发，但也阻碍了从土壤中输送养分。这是一种有效的水分管理策略，但话又说回来，树木生长得不是很迅速。目前，我们正在研究在最大限度地提高生产力的同时最大限度地降低水分流失率的策略。”
德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队计划下个月提交其方法和结果以供同行评审。有关 Berberoglu 博士研究的更多信息，请访问他的教员页面此处。
视频来源：德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院教师创新中心。