工程师设计技术来防止光生物反应器中的污染

在提供二氧化碳的透明水箱或管子中生长的藻类可以将温室气体转化为其他化合物，例如食品补充剂或燃料。但是这个过程会导致藻类在表面上积聚，使它们变得浑浊并降低效率，需要每隔几周进行一次费力的清理程序。

麻省理工学院的研究人员提出了一种简单而廉价的技术，可以大大限制这种结垢，从而有可能以一种更有效、更经济的方式将不需要的温室气体转化为有用的产品。

关键是在透明容器上涂上可以容纳静电荷的材料，然后在该层上施加非常小的电压。该系统在实验室规模的测试中运行良好，随着进一步的开发，可能会在几年内应用于商业生产。

研究结果发表在《高级功能材料》杂志上，最近麻省理工学院毕业生Victor Leon Ph.D. ' 23，机械工程教授Kripa Varanasi，前博士后Baptiste Blanc和本科生Sophia Sonnert发表论文。

瓦拉纳西指出，无论减少或消除碳排放的努力多么成功，在未来几个世纪内，仍将有过量的温室气体留在大气中，继续影响全球气候。“那里已经有很多二氧化碳，所以我们也必须考虑负排放技术，”他说，指的是从空气或海洋中去除温室气体的方法，或者在它们首先被释放到空气中之前从它们的来源中去除温室气体。

当人们想到二氧化碳减排的生物学方法时，首先想到的通常是种植或保护树木，这确实是大气碳的关键“汇”。但还有其他人。“海洋藻类约占当今地球上吸收的全球二氧化碳的50%，”瓦拉纳西说。这些藻类的生长速度是陆地植物的 10 到 50 倍，它们可以在仅占陆地植物土地足迹十分之一的池塘或水箱中生长。

更重要的是，藻类本身可以成为有用的产品。“这些藻类富含蛋白质，维生素和其他营养素，”瓦拉纳西说，并指出它们每单位土地使用的营养产量远远超过一些传统农作物。

如果附着在煤炭或天然气发电厂的烟气输出上，藻类不仅可以依靠二氧化碳作为营养来源茁壮成长，而且一些微藻物种还可以消耗这些排放物中存在的相关氮和硫氧化物。“每两三公斤一氧化碳2，可以生产一公斤藻类，这些藻类可以用作生物燃料，或用于Omega-3或食物，“瓦拉纳西说。

Omega-3脂肪酸是一种广泛使用的食品补充剂，因为它们是细胞膜和其他组织的重要组成部分，但不能由身体制造，必须从食物中获得。“欧米茄3特别有吸引力，因为它也是一种价值更高的产品，”瓦拉纳西说。

大多数商业种植的藻类是在浅池塘中培养的，而其他藻类则在称为光生物反应器的透明管中生长。对于给定数量的土地，这些管子的产量可以比池塘高 10 到 <> 倍，但它们面临着一个主要问题：藻类往往会积聚在透明的表面上，需要经常关闭整个生产系统进行清洁，这可能需要与周期的生产部分一样长的时间， 从而将总产量减半并增加运营成本。

结垢也限制了系统的设计。管子不能太小，因为结垢会开始阻塞水流通过生物反应器，并且需要更高的泵送速率。

瓦拉纳西和他的团队决定尝试利用藻类细胞的自然特征来抵御污垢。由于细胞在其膜表面自然携带小的负电荷，研究小组认为静电排斥可以用来将它们推开。

这个想法是在容器壁上产生负电荷，这样电场迫使藻类细胞离开壁。要产生这样的电场，需要一种高性能的介电材料，这是一种具有高“介电常数”的电绝缘体，可以在较小的电压下产生较大的表面电荷变化。

“人们以前对[生物反应器]施加电压所做的工作是导电表面，”Leon解释说，“但我们在这里所做的是专门针对非导电表面。

他补充说：“如果它是导电的，那么你通过电流，你就有点电击细胞。我们试图做的是纯粹的静电排斥，所以表面是负的，细胞是负的，所以你会得到排斥。另一种描述它的方式就像一个力场，而在细胞接触表面并受到电击之前。

该团队使用两种不同的介电材料，二氧化硅(本质上是玻璃)和铪(氧化铪)，这两种材料在减少结垢方面都比用于制造光生物反应器的传统塑料更有效。该材料可以应用于非常薄的涂层中，厚度仅为10至20纳米(十亿分之一米)，因此几乎不需要涂覆完整的光生物反应器系统。

“我们在这里感到兴奋的是，我们能够证明纯粹通过静电相互作用，我们能够控制细胞粘附，”瓦拉纳西说。“这几乎就像一个开关，能够做到这一点。

此外，Leon说：“由于我们正在使用这种静电力，我们并不真正期望它是细胞特异性的，我们认为有可能将其应用于藻类以外的其他细胞。在未来的工作中，我们想尝试将其用于哺乳动物细胞，细菌，酵母等。它也可以与其他有价值的藻类一起使用，如螺旋藻，这些藻类被广泛用作食品补充剂。

同一系统可用于通过反转电压来排斥或吸引电池，具体取决于特定应用。瓦拉纳西建议，代替藻类，类似的设置可以用于人类细胞，通过产生一个可以充电以吸引细胞进入正确配置的支架来产生人造器官。

“我们的研究基本上解决了生物污染这一主要问题，这一直是光生物反应器的瓶颈，”他说。“有了这项技术，我们现在可以真正发挥这种系统的全部潜力”，尽管需要进一步开发才能扩展到实用的商业系统。

至于这多久可以准备好进行广泛部署，他说，“如果我们获得合适的资源来推进这项工作，我不明白为什么不在三年内。

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