本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點。
這個想法很簡單：大量種植藻類，並收穫富含能量的副產品作為化石燃料的替代品。像大型植物一樣，微藻利用太陽能將二氧化碳轉化為富含能量的分子，然後可以用來合成運輸燃料，或生產生物塑膠和其他材料。
但是，目前的工藝效率低下，需要大量的水和能源投入。為了擴大藻類生物燃料的生產規模，必須提高階到端流程的效率。
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Halil Berberoglu 博士和 Thomas Murphy 是德克薩斯大學奧斯汀分校機械工程系的研究人員，他們正在從自然過程中汲取靈感，透過設計合成“樹”結構來改進藻類培養。他們的系統被稱為表面附著生物反應器 (SABR)，模擬樹木輸送養分和運輸樹液的方式，同時比傳統的培養方法 (德克薩斯大學奧斯汀分校) 更精細地控制輸入和生長條件。
在這個概念中，藻類細胞作為光合生物膜在多孔表面上生長，這些表面保持它們的溼潤，併為它們提供生長成熟所需的營養。一旦生物膜成熟，就會停止供應某些營養物質，並抑制細胞的生長。此時，為藻類提供必要的輸入，以繼續進行光合作用並分泌出富含能量的分子，例如遊離脂肪酸。這些分子在模仿植物脈絡的小通道中被從細胞中帶走，並使用蒸發驅動的流動進行濃縮。這些濃縮的富含能量的分子隨後可以轉化為各種生物燃料。一旦藻類生物膜在幾個月後達到其生產壽命的終點，就會將其移除，重新生長新的生物膜至成熟，然後迴圈繼續。透過這種方式，可用的太陽能、水和養分更多地用於燃料前體的生產，而較少用於生長，從而實現更高的太陽能轉化率和資源利用效率。
在實驗中，Berberoglu 博士和 Murphy 先生已經看到了比傳統培養方法更高的效率。Murphy 先生在一封電子郵件中解釋說：
“在一個實驗中，我們將 SABR 與尺寸相同的懸浮生長光生物反應器並排執行，以比較它們的水和能源效率。SABR 的工作水體積比傳統反應器少 25 倍。此外，混合懸浮生長反應器每立方米培養體積需要約 40 瓦的功率，而 SABR 消除了這種功率需求。在 SABR 的某些區域，生長速率是傳統反應器的四倍。在整個 SABR 上平均，生長速率與傳統反應器大致相等。”
即使有了這些改進，在最大限度地提高生產力的同時最大限度地減少水分流失仍然是一個重大挑戰。Murphy 先生再次表示：
“由於蒸發為向生物體輸送養分和水分提供了驅動力，因此更快的養分輸送需要更快的蒸發。真正的樹木也面臨著這個挑戰。當天氣炎熱時，葉子會關閉氣孔，從而防止過度蒸發，但也阻礙了從土壤中輸送養分。這是一種有效的水分管理策略，但話又說回來，樹木生長得不是很迅速。目前，我們正在研究在最大限度地提高生產力的同時最大限度地降低水分流失率的策略。”
德克薩斯大學奧斯汀分校的研究團隊計劃下個月提交其方法和結果以供同行評審。有關 Berberoglu 博士研究的更多資訊，請訪問他的教員頁面此處。
影片來源：德克薩斯大學奧斯汀分校科克雷爾工程學院教師創新中心。