一種新的“生物反應器”可以在轉基因微生物和大量二氧化碳的幫助下，將電力儲存為液體燃料。這個想法——被一個聯邦機構資助研究的專案稱為“電燃料”——可以提供能量密度與汽油等燃料相當的電力儲存。如果它成功，這種混合生物電系統將提供一種比種植植物並將其轉化為生物燃料更有效率的將太陽光轉化為燃料的方式。
加州大學洛杉磯分校的化學工程師詹姆斯·廖解釋說：“這種方法提供了一種將電能以易於用作運輸燃料的形式儲存的方式。”廖和他的同事在3月30日出版的《科學》雜誌上報告了他們的“整合電-微生物生物反應器”。
為了將電力轉化為液體燃料，廖和他的同事專注於Ralstonia eutropha（產氫雷爾氏菌），這是一種土壤微生物，可以使用氫氣作為能源，將二氧化碳構建成更多的微生物生長物。目前，該微生物的生物機制已被用於工業用途——例如，大量生產塑膠而不是蛋白質。透過調整這種工業微生物的基因，該團隊現在已經誘導它大量生產各種丁醇——一種液體燃料。“如果與燃燒工程師交談，他們會告訴你最簡單的真正燃料是丁醇，”普林斯頓大學的化學家安德魯·博卡斯利說，他沒有參與電燃料專案。
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廖的生物反應器的電力來自太陽能電池板。電流流入生物反應器中的電極，生物反應器中充滿了水、二氧化碳和R. eutropha。電力啟動了一個化學反應，利用二氧化碳製造甲酸鹽——二氧化碳與一個氫原子相連，這是一種離子（帶電荷），可以替代不溶性氫氣作為微生物的能量來源。轉基因R. eutropha然後消耗甲酸鹽，產生丁醇，以及更多的二氧化碳作為廢物——後者被回收回到生化過程中。
然而，R. eutropha並不特別喜歡被電擊，因此廖的團隊建造了一個“多孔陶瓷杯”來保護微生物免受電流的影響。在光伏電池板的驅動下，生物反應器在80小時內產生了每升140毫克的丁醇燃料，儘管之後它停止了工作。“原則上，我們可以使用相同的方法來生產其他種類的燃料或化學品，”廖說。
這種方法結合了能量密度高的液體燃料的吸引力——每公斤的能量密度比最好的電池高出50倍甚至更多——以及在有限區域內比植物生產更多燃料的潛力。光合作用實現了同樣的目標，吸收陽光並將其能量儲存在碳水化合物分子的鍵中——也稱為食物，現在也稱為燃料。但是光合作用效率低下。例如，玉米轉化為乙醇所捕獲的陽光原始能量不到0.2%。光伏電池可以將15%的入射光子轉化為電力，但這種太陽能電力難以儲存。在像廖的電燃料生物反應器中使用太陽能理論上可以將高達9%的入射陽光轉化為最終的可儲存燃料。“透過將人造裝置（具有巨大的改進潛力）與生物二氧化碳固定相結合，我們獲得了兩全其美，”廖認為，儘管這種效率尚未得到證實。然而，即使是這個演示過程，也比玉米乙醇甚至轉基因光合微生物製造丁醇等生物燃料，將更多的陽光轉化為液體燃料。此外，廖補充說，“有可能大幅提高生產力，因為Ralstonia是一種工業微生物。”
當然，化學家也可以直接製造液體燃料，可以透過電力或施加高溫和高壓。例如，博卡斯利的實驗室已經建立了一種電化學電池，利用電力將二氧化碳和氫氣結合成甲醇，最簡單的液態碳氫化合物。美國能源部（DoE）人工光合作用聯合中心（位於加利福尼亞州帕薩迪納市）的化學家內特·劉易斯正試圖創造一種完全人造的植物食物製造過程。像廖這樣的生物基系統是否能夠提供一種更有效率的將電力儲存為液體燃料的方法，還有待觀察。“如果作者提供了關於所用電流和電池兩端電壓降的資訊，人們就可以計算出能量轉換效率，”博卡斯利指出。
但是，這種新型生物反應器及其電燃料證明了一個原理——微生物也可以直接利用電力來證明這一點。“我們現在知道它會奏效，”能源部高階研究計劃署-能源副署長埃裡克·圖恩說，該機構資助這項研究的目的是希望用這種電燃料取代化石燃料。“現在我們必須問一個更難的問題：它會重要嗎？”事實上，只有當電燃料工藝能夠在大規模、低成本地從電力中高效輸送液體燃料時，它才會變得重要。就目前而言，廖的混合工藝在大約80小時後就會失效，這可能是由於R. eutropha的遺傳不穩定性、對丁醇中毒的敏感性或其他因素。至於電燃料最終是否會產生影響，圖恩說，“我們不知道答案。”