在供应二氧化碳的透明罐或管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表面上的藻类堆积，使它们变得模糊并降低效率，每两周就需要进行一次费力的清理程序。

麻省理工学院的工程师设计了一种技术来防止光生物反应器中用于CO2捕获的结垢

麻省理工学院的研究人员提出了一种简单且廉价的技术，可以大大限制这种污染，从而有可能以更有效和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一层可以保持静电荷的材料，然后在该层上施加一个非常小的电压。该系统在实验室规模测试中表现良好，进一步开发可能会在几年内应用于商业生产。

该研究结果发表在 Advanced Functional Materials杂志上，由最近麻省理工学院毕业生 Victor Leon PhD '23、机械工程教授 Kripa Varanasi、前博士后 Baptiste Blanc 和本科生 Sophia Sonnert 在一篇论文中发表。

瓦拉纳西指出，无论减少或消除碳排放的努力多么成功，未来几个世纪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，所以我们也必须研究负排放技术，”他说，指的是在温室气体被释放到地球之前从空气或海洋或它们的来源中去除温室气体的方法。首先是空气。

当人们想到减少二氧化碳的生物方法时，首先想到的通常是种植或保护树木，这确实是大气中碳的重要“汇”。但还有其他人。“海洋藻类约占当今地球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比陆生植物快 10 到 50 倍，而且它们可以在仅占陆生植物土地足迹十分之一的池塘或水槽中生长。

更重要的是，藻类本身可以成为一种有用的产品。“这些藻类富含蛋白质、维生素和其他营养物质，”瓦拉纳西说，并指出与某些传统农作物相比，它们每单位土地产生的营养产量要高得多。

如果附着在煤炭或天然气发电厂的烟道气输出上，藻类不仅可以依靠二氧化碳作为营养源茁壮成长，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氧化物和硫氧化物。“每产生两到三公斤 CO 2，​​就会产生一公斤藻类，这些藻类可以用作生物燃料、Omega-3 或食物，”Varanasi 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，但不能由人体制造，必须从食物中获取。“Omega 3 特别有吸引力，因为它也是一种价值更高的产品，”Varanasi 说。

大多数商业化种植的藻类都在浅池中种植，而其他藻类则在称为光生物反应器的透明管中种植。对于一定面积的土地，这些管子的产量是池塘的 7 到 10 倍，但它们面临一个主要问题：藻类往往会在透明表面上堆积，需要经常关闭整个生产系统进行清洁，这可能与周期的生产部分一样长，因此将总产量减半并增加运营成本。

结垢还限制了系统的设计。管子不能太小，因为污垢会开始阻碍水流通过生物反应器并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一种天然特性来抵御污垢。由于细胞在其膜表面自然携带少量负电荷，该团队认为可以利用静电排斥将它们推开。

这个想法是在容器壁上产生负电荷，这样电场就会迫使藻类细胞远离容器壁。要产生这样的电场，需要高性能的介电材料，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] 施加电压所做的一直是导电表面，”Leon 解释说，“但我们在这里所做的是专门针对非导电表面。”

他补充道：“如果它是导电的，那么你就会通过电流，你就会电击细胞。我们试图做的是纯静电排斥，所以表面是负的，电池是负的，所以你得到排斥。描述它的另一种方式就像力场，而在细胞接触表面并受到电击之前。”

该团队使用了两种不同的介电材料，即二氧化硅(主要是玻璃)和氧化铪(氧化铪)，事实证明，与用于制造光生物反应器的传统塑料相比，这两种材料在减少结垢方面的效率要高得多。这种材料可以涂在极薄的涂层中，厚度仅为 10 到 20 纳米(十亿分之一米)，因此几乎不需要涂上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，”Varanasi 说。“这几乎就像一个开关，能够做到这一点。”

此外，Leon 说，“由于我们使用的是这种静电力，我们并不真的期望它是细胞特异性的，我们认为它有可能应用于其他细胞，而不仅仅是藻类。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。” 它还可以与其他有价值的藻类一起使用，例如广泛用作食品补充剂的螺旋藻。

根据特定应用，只需反转电压，即可使用同一系统排斥或吸引细胞。瓦拉纳西建议，可以通过制造可充电的支架来将细胞吸引到正确的配置中，而不是藻类，将类似的设置用于人类细胞来制造人造器官。

“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些系统的全部潜力”，尽管还需要进一步开发才能扩展到实用的商业系统。

至于多久可以准备好广泛部署，他说，“我不明白为什么不在三年的时间框架内，如果我们有合适的资源来推进这项工作的话。”

该研究由能源公司 Eni SpA 通过麻省理工学院能源计划提供支持。