【转载】被世界遗忘的生物燃料,仍有科学家为之奋斗
来源: bbrc   发布时间: 2018-06-29 18:08   268 次浏览   大小:  16px  14px  12px
被世界遗忘的生物燃料,仍有科学家为之奋斗

被世界遗忘的生物燃料,仍有科学家为之奋斗

作者: DeepTech深科技

尽管对先进生物燃料投资10年颗粒无收,杰伊·凯斯林(Jay Keasling)仍然不言放弃。

在 2008 年的最后几周,美国能源部邀请了众多官员和媒体参加位于加州埃默里维尔的联合生物能源研究所的成立仪式。这座顶尖实验室位于一座写字楼的顶层,得到了政府 1.25 亿美元的资助,承载着人们对于先进生物燃料厚重的希望。

“这里汇聚了最优秀的人才,大家共同为当下最重大的挑战而努力,”杰伊·凯斯林说道,他是加州大学伯克利分校的合成生物学家,也是该研究所的负责人。

JBEI (该实验室的别称,发音为 jay-bay) 的任务是利用纤维素来生产廉价的生物燃料,这些纤维素来自于柳枝稷之类植物的叶子和根茎而不是玉米之类食用作物的谷粒。实验室的目标不只是乙醇,而要开发出一种可以用于标准汽车、飞机、轮船和卡车的碳中和燃料。如果研制成功,这些燃料会显著减少温室气体的排放和美国对于石油的依赖。

凯斯林不遗余力地推进着该领域的发展并为其进行宣传。除了 JBEI,他还和别人联合成立了几家资金充裕的初创公司,希望能将愿景变成现实,其中就包括 LS9 和 Amyris Biotechnologies。。

但是 10 年过去了,该领域还是一片惨淡。虽然JBEI和其它一些联邦政府支持的生物能源实验室存活了下来,但是大多数先进生物燃料公司,包括凯斯林自己的公司在内,都已经放弃了这个梦想。

美国公司只生产了少量符合布什政府期间制定的可再生能源标准的纤维素燃料,其中多数都是乙醇,用诸如玉米杆之类的农作物残余生成。鉴于这种不足,美国环境保护署只好每年都对先进生物燃料大开绿灯,以保障该行业正常运营。

虽然 JBEI 已经取得了技术上的突破,但是如果现在就使用该研究所的农作物、技术和微生物进行商业化扩张和生产,这种燃料的价格将会是现有燃油的 14 倍。

生产廉价的先进生物燃料要比预期困难的多。“我们可能低估了它的难度并且做了过多的承诺,”凯斯林上个月在 JBEI 的办公室中接受一次采访中承认。。

然而,凯斯林自己并没有放弃生物燃料替代汽油、柴油和航空燃油的希望。

“一夜之间完败”

凯斯林在内布拉斯加州的一个小镇上长大,他家拥有一块玉米地,历经五代人的耕作。在密歇根大学化工专业读研究生时,他就对利用基因工程解决大问题的研究一直很着迷。随后,凯斯林前往斯坦福大学深造,继续在该领域开展博士后研究,并于28岁出任加州大学伯克利分校教授。。

在伯克利他开始从事合成生物学的前沿研究,将酵母和细菌转变成可以生产类异戊二烯的微型工厂。类异戊二烯是一种用来生产橡胶、抗生素和香水的化合物。他和同事取得的最显著的成就是:通过将几种不同生物的 DNA 导入大肠杆菌和酵母,研发了一种青蒿素合成前体的生产工艺。青蒿素是少数几种有效的疟疾治疗药物。该成果是合成生物学领域首个真正意义上的突破。

青蒿素是一种碳氢化合物,在分子结构上和石油很相似,这让大家很自然地想到了生物燃料这一研究方向。在一次早期的采访中,凯斯林将这个过程简单的描述为移除几个基因,再加上别的基因。

2008年初,他的初创公司Amyris 声称将使用基因工程菌,以甘蔗为原料每年生产10亿加仑的生物燃料,每桶价格可低至60美元,所有这一切都会在几年之内实现。

但是随着 2008 年经济萧条的到来,油价在年末从顶峰时期的 150 美元/桶跌到了不到 30 美元/桶。Flagship Pioneering 风投公司的普通合伙人大卫·贝瑞和凯斯林共同于 2005 年创立了 LS9,他说:“当油价低至 30 美元/桶,可再生能源行业的日子就会很难熬,债券和股票市场一夜之间遭到了血洗。”

初创公司也没能逃过一劫。大多数幸存者都转向了其它领域。LS9 转向生产特殊化学品,最终被美国可再生能源集团收购。

Amyris 于 2010 年上市,它从未大规模生产过可再生柴油,目前专注于生产保健品、护肤品以及人工香料和香水。公司发言人拒绝说明他们的生物燃料会是一个什么样的价格,但是凯斯林说价格会是 1.75 美元/升(约 6.63 美元/加仑)。

尽管 10 年前人们对生物燃料充满了热情,但是生产廉价生物燃料一直是一个过于大胆的想法。

首先,你需要尽可能的以一种清洁并且可再生的方式种植、收割、干燥并且运输大量的农作物。接下来,困难的部分才刚刚开始。

从植物的茎秆和叶子中生产燃料需要将植物细胞壁中携带能量的糖类和木质素分子分离开来,但是这二者的结合十分紧密。通常,这个过程需要用到酸、高压和热量。然后,我们需要微生物来消耗这些糖类(大部分是纤维素)以生产燃料。但是没有哪种天然微生物能生产可直接供汽车使用的燃料,因此科学家首先需要利用基因工程来制造这些微生物。

“大家都认为没有取得什么进展,”麻省理工学院化学工程教授格雷戈里·斯特凡诺普洛斯(Gregory Stephanopoulos)说。“从纤维素到糖类再到燃料的技术路线并没有变得更有前景。”。

达到 3 美元 / 加仑

凯斯林不同意这个观点,他认为 JBEI 和其它实验室已经取得了一些重要的科学进展。位于加州的 JBEI 是六个实验室和大学的联合开发中心,该实验室的研究人员已经发表了近 700 篇同行评议学术论文,获得了近 30 项专利并且创立了 6 家公司。

JBEI 的研究人员改造了柳枝稷和高粱的基因,让它们能生产更多的糖类和更少的木质素。它们还研发了一种将木质素转变为离子液体的工艺,这种离子液体是一种可分解生物质的盐类。这样一来,他们将废弃产物转变成了一种可分解植物的有效工具。

最后,科学家们设计了可从这些植物中生产几种“添加式”燃料的微生物,这些燃料包括:航空燃油的前体,蒎烯;汽油的替代物,异戊烯醇;能用来生产“一种极好的柴油”的甜没药烯,凯斯林介绍道。

他还表示,所有这些技术进步可以将下一代生物燃料的价格从最开始的每加仑 30 万美元降低至 35 美元,至少在大规模生产时可以实现这个价格。

当然,当平均汽油价格为 2.5 美元/加仑时,没人会去大规模生产 35 美元/加仑的燃料。因此该实验室正在开始新一轮的研究,希望能缩小成本差距。去年 7 月,JBEI 和其它生物能源研究中心获得了联邦政府新一轮的 2500 万美元/年的资助,和该实验室最开始得到的资助量级相当。

凯斯林说,JBEI 在基金的申请中提出的目标是,在五年内研发出成本小于 3 美元/加仑的生物燃料。

“我不确定我们能在 5 年内实现这个目标,”他说。“坦率的说,如果我们能在 10 年实现就已经很好了。”。

凯斯林认为降低成本的关键在木质素,它含有大量的碳但是却难以分解。JBEI 的研究人员必须改变植物的品种,让木质素更易于分解。然后他们还得修改木质酶,这是一种少有人研究的酶,可以分解木质素,释放更多的碳。最后,他们需要研发新型微生物将剩余的化合物转化成燃料。

将价格降至 3 美元这个临界值的最后手段是将植物中的某些部分转化成阻燃剂或 3D 打印的材料这样的高附加值产品,以补贴生物燃料的成本。

竞争性需求

国际能源署的一项分析指出,为了阻止全球的升温超过2℃,生物能源在总能源需求中的占比需要从2015年的4.5%提高到2060年的17%。但是到目前为止,生物能源的产量远低于达到这个目标所需的速度。除此以外,应用于运输业的生物燃料必须在未来的10年内增加10倍。

对于生物燃料所需土地面积的估算结果差别很大,但在国际能源署于2011年发布的一份报告中写道,为了使生物燃料在本世纪中叶占到运输业所需燃料的近30%,必须有1亿公顷的土地专门用来种植原料。这相当于美国农业用地的九分之一。

“土地资源紧张,拿出大量的土地来生产生物能源这样的想法很可能会受到限制,” 斯坦福大学森林研究所主任克里斯·菲尔德(Chris Field)说。

这项技术还面临着一项严峻挑战,即以何种方式扩大生物燃料的使用达到显著减少总温室效应的目的,这也是使用生物燃料最初的动机。从种植到生产的每一步本身都是能源密集型产业,因此生物燃料对温室效应总的影响很重要。尤其是,研究人员担心如果市场真的得以打开,人们可能会受到不当的利益驱动,例如农民可能会将森林夷为平地以种植农作物,而森林是一种巨大的碳库。

梦想长存

尽管要面对这些挑战,很多学者依然相信生物燃料将对削减温室气体排放起到重要的作用。在美国,超过半数的温室气体排放来自交通工具,如汽车、卡车、轮船和飞机。尽管电动汽车带来了显著的收益,但是该行业的很多领域依然需要使用化石燃料。

亚利桑那州立大学专注于替代能源和车辆的政治学者汉娜·布里茨(Hanna Breetz)认为,在可移动式密集能量存储领域,液体燃料很难被打败,尤其是全球有那么多的能源基础设施都是围绕着液体燃料而建设的。

“液体燃料还将继续是能源系统中的重要组成部分,尤其在交通业,同时我希望生物燃料也会在交通业有一席之地,”她说道。

即使在未来几年中生物燃料会在实验室中取得显著进展,但是要想在交通业中获得真正的市场份额,仍然要等数十年,毕竟每天都有数万亿美元投入到石油的开采和精炼中。凯斯林认为,加速这种转变的进程需要更多来自政府的支持,可能包括对碳排放定价、更高的可再生燃料标准、排放限制等。

凯斯林的实验室已经获得了政府数亿美元的资助,他的初创公司也获得了同等量级的风险投资,上面的话听起来就像是他还在提出更多要求。但是凯斯林表示,为了实现预期的发展速度和规模,逆转日益严重的气候灾害并改革一个根深蒂固的行业,就是需要这样的投入。

令他担心的是最近几年这种政策的前景很暗淡。但是尽管廉价的先进生物燃料遇到了政治和技术层面失败带来的困扰,他仍然相信生物燃料有潜力减少温室气体的排放。

“当我们的政府决定是时候优先进行温室气体减排后,”凯斯林说,“生物燃料将会发挥大作用。”