人工智能指导的藻类培养，助力生物燃料研发 - IT思维

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编辑 | 萝卜皮

藻类在固定碳方面非常出色。像其他植物一样，它们从大气中吸收大量二氧化碳，并通过光合作用将其转化为糖。此外，这种黏糊糊的绿色物质比树木生长得更快，可以在不适合种植粮食作物的土地和水中生长。

所有这些都是为什么藻类被认为是应对气候变化的重要工具的原因。也就是说，直到您尝试大规模培养藻类。事实证明，生产足够数量的具有成本效益的藻类具有极大的挑战性，并使藻类生物燃料无法进入市场。

然而，现在研究人员已经利用人工智能以创纪录的速度种植藻类，这将大大降低藻类燃料的成本。

通过使用机器学习来精确调整蓝绿藻（也称为蓝藻）的生长，德克萨斯农工大学（Texas A&M University; TAMU）团队使用户外实验装置，每天每平方米生产蓝藻超过 43 克。这大约是美国能源部最近发布的 25 克/平方米/天目标的两倍。TAMU 合成生物学和可再生产品教授 Joshua Yuan 说：「毫无疑问，这是户外藻类生长速度和生产力最高的报告。」

他们的工艺有可能将藻类生物燃料的价格从目前高昂的每加仑 33 美元降至每加仑 5 美元以下。

新的高产量将使藻类售价达到每吨 309 美元（每吨 281 美元），比 2019 年使用最先进的开放式池塘方法培育的藻类售价的四分之一还要低。

据 Yuan 保守估计，他的团队的工艺有可能将藻类生物燃料的价格从目前每加仑 33 美元（每升 8.71 美元）的高价降至每加仑 5 美元（每升 1.32 美元）以下。

这略高于每加仑 2 至 4 美元（每升 53 美分至 1.06 美元）的玉米乙醇，并且「已经在加利福尼亚州与化石燃料竞争，因为我们可以将碳捕获与碳信用联系起来。」他说，「通过结合碳信用和降低燃料价格，我们可以与化石燃料竞争。此外，这种燃油价格在燃油价格高得多的中国等海外市场具有竞争力。」

藻类已经在商业上用于营养补充剂、化妆品和动物饲料。十年前，人们对藻类生物燃料的兴趣激增：藻类产生的糖和油可以转化为乙醇、柴油和喷气燃料。但 Yuan 说，没有人能想出一种经济的方式来做到这一点并获利。这导致两家最大的藻类生物燃料公司 Solazyme 和 Sapphire 关闭，第三家 Algenol 转向营养和化妆品产品。

2 月初，美国能源部宣布为可以提高藻类系统捕获二氧化碳的能力的项目提供 1900 万美元的资金，以此来减少碳排放并生产用于生物燃料和其他产品的藻类。「理论上的藻类产量是巨大的，比陆地植物好得多，但有一些主要的限制。」Yuan 说，即种植和收获藻类。

在封闭式反应器和开放式池塘系统中，随着藻类的生长和表面浓度的增加，它会阻挡光线到达下面的细胞，从而减缓生长。此外，收获它效率低下且成本高昂。从水中分离藻类的传统方法，如离心、过滤和化学絮凝，可占到总能源消耗的一半，占生产藻类总成本的三分之一。

Yuan 团队在《Nature Communications》上报告的人工智能驱动的半自主藻类培养系统，克服了这些问题。研究人员开发了两种机器学习模型。根据落在水中藻类的光强度和藻类细胞的密度，预测光是如何散射并分布在细胞团中的。与以前的模型不同，这个模型预测 3D 中的光分布。第二个模型预测这种光可用性如何影响增长率。Yuan说，通过结合这两个模型，他们可以计算出不会产生太多阴影的最高藻类浓度，从而使藻类在不断变化的光照条件下以最大速度生长。

「一旦人工智能告诉我们，我们就会在这个浓度下控制藻类的生长，」他说。一旦达到该浓度，研究人员就手动去除部分藻类并添加生长培养基。将来，他们计划通过使移除机器人而不是手动来使系统完全自主。

研究人员还找到了一种让收获更快、更便宜的方法。他们对藻类进行了改造，以产生一种名为柠檬烯的化学物质，使细胞表面具有防水性。结果，细胞试图远离水并聚集在一起，最终变得足够重以沉淀在容器底部并使其更容易去除。

AI 模型可以适应不同的尺寸设置和照明条件，并针对营养和温度等因素进行优化。TAMU 团队将该系统用于他们于 2021 年 9 月测试的 30 升室外池塘。Yuan 说，美国能源部化石能源和碳管理办公室新拨款 200 万美元，他们计划测试从南方公司拥有的发电厂排放的烟气中捕获二氧化碳的技术。

人工智能解决方案公司 Hypergiant 开发了一种小型生物反应器，该反应器也使用人工智能来优化藻类生长。他们的模块化反应器旨在连接到建筑 HVAC 系统。Yuan 说，虽然他的新系统可以设计为小型反应堆，但目前「我们正在尝试扩大直接空气捕获技术。」 他们计划将捕获的二氧化碳用于生长的藻类作为燃料，同时也用于其他更可持续和更具成本效益的用途。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27665-y

相关报道：https://spectrum.ieee.org/ai-could-power-algae-biofuel-growth