被世界遺忘的生物燃料，仍有科學家為之奮鬥

儘管對先進生物燃料投資10年顆粒無收，傑伊·凱斯林（Jay Keasling）仍然不言放棄。

在 2008 年的最後幾周，美國能源部邀請了眾多官員和媒體參加位於加州埃默里維爾的聯合生物能源研究所的成立儀式。這座頂尖實驗室位於一座寫字樓的頂層，得到了政府 1.25 億美元的資助，承載著人們對於先進生物燃料厚重的希望。

「這裡匯聚了最優秀的人才，大家共同為當下最重大的挑戰而努力，」傑伊·凱斯林說道，他是加州大學伯克利分校的合成生物學家，也是該研究所的負責人。

JBEI (該實驗室的別稱，發音為 jay-bay) 的任務是利用纖維素來生產廉價的生物燃料，這些纖維素來自於柳枝稷之類植物的葉子和根莖而不是玉米之類食用作物的穀粒。實驗室的目標不只是乙醇，而要開發出一種可以用於標準汽車、飛機、輪船和卡車的碳中和燃料。如果研製成功，這些燃料會顯著減少溫室氣體的排放和美國對於石油的依賴。

圖 | JBEI正在研發新品種的柳枝稷和高粱，它們將含有更多的糖類以及更少的木質素。

凱斯林不遺餘力地推進著該領域的發展並為其進行宣傳。除了 JBEI，他還和別人聯合成立了幾家資金充裕的初創公司，希望能將願景變成現實，其中就包括 LS9 和 Amyris Biotechnologies。

但是 10 年過去了，該領域還是一片慘淡。雖然JBEI和其它一些聯邦政府支持的生物能源實驗室存活了下來，但是大多數先進生物燃料公司，包括凱斯林自己的公司在內，都已經放棄了這個夢想。

美國公司只生產了少量符合布希政府期間制定的可再生能源標準的纖維素燃料，其中多數都是乙醇，用諸如玉米桿之類的農作物殘餘生成。鑒於這種不足，美國環境保護署只好每年都對先進生物燃料大開綠燈，以保障該行業正常運營。

圖 | JBEI 的下一個目標是研發最終能生產先進生物燃料的植物，將價格壓到每加侖 3 美元以下。

雖然 JBEI 已經取得了技術上的突破，但是如果現在就使用該研究所的農作物、技術和微生物進行商業化擴張和生產，這種燃料的價格將會是現有燃油的 14 倍。

生產廉價的先進生物燃料要比預期困難的多。「我們可能低估了它的難度並且做了過多的承諾，」凱斯林上個月在 JBEI 的辦公室中接受一次採訪中承認。

然而，凱斯林自己並沒有放棄生物燃料替代汽油、柴油和航空燃油的希望。

「一夜之間完敗」

凱斯林在內布拉斯加州的一個小鎮上長大，他家擁有一塊玉米地，歷經五代人的耕作。在密歇根大學化工專業讀研究生時，他就對利用基因工程解決大問題的研究一直很著迷。隨後，凱斯林前往斯坦福大學深造，繼續在該領域開展博士後研究，並於28歲出任加州大學伯克利分校教授。

在伯克利他開始從事合成生物學的前沿研究，將酵母和細菌轉變成可以生產類異戊二烯的微型工廠。類異戊二烯是一種用來生產橡膠、抗生素和香水的化合物。他和同事取得的最顯著的成就是：通過將幾種不同生物的 DNA 導入大腸桿菌和酵母，研發了一種青蒿素合成前體的生產工藝。青蒿素是少數幾種有效的瘧疾治療藥物。該成果是合成生物學領域首個真正意義上的突破。

青蒿素是一種碳氫化合物，在分子結構上和石油很相似，這讓大家很自然地想到了生物燃料這一研究方向。在一次早期的採訪中，凱斯林將這個過程簡單的描述為移除幾個基因，再加上別的基因。

2008年初，他的初創公司Amyris 聲稱將使用基因工程菌，以甘蔗為原料每年生產10億加侖的生物燃料，每桶價格可低至60美元，所有這一切都會在幾年之內實現。

圖 | 凱斯林展示位於加州埃默里維爾的頂尖實驗室JBEI

但是隨著 2008 年經濟蕭條的到來，油價在年末從頂峰時期的 150 美元/桶跌到了不到 30 美元/桶。Flagship Pioneering 風投公司的普通合伙人大衛·貝瑞和凱斯林共同於 2005 年創立了 LS9，他說：「當油價低至 30 美元/桶，可再生能源行業的日子就會很難熬，債券和股票市場一夜之間遭到了血洗。」

初創公司也沒能逃過一劫。大多數倖存者都轉向了其它領域。LS9 轉向生產特殊化學品，最終被美國可再生能源集團收購。

Amyris 於 2010 年上市，它從未大規模生產過可再生柴油，目前專註於生產保健品、護膚品以及人工香料和香水。公司發言人拒絕說明他們的生物燃料會是一個什麼樣的價格，但是凱斯林說價格會是 1.75 美元/升（約 6.63 美元/加侖）。

儘管 10 年前人們對生物燃料充滿了熱情，但是生產廉價生物燃料一直是一個過於大膽的想法。

首先，你需要儘可能的以一種清潔並且可再生的方式種植、收割、乾燥並且運輸大量的農作物。接下來，困難的部分才剛剛開始。

從植物的莖稈和葉子中生產燃料需要將植物細胞壁中攜帶能量的糖類和木質素分子分離開來，但是這二者的結合十分緊密。通常，這個過程需要用到酸、高壓和熱量。然後，我們需要微生物來消耗這些糖類（大部分是纖維素）以生產燃料。但是沒有哪種天然微生物能生產可直接供汽車使用的燃料，因此科學家首先需要利用基因工程來製造這些微生物。

圖 | 儘管投入了大量的努力和資金，該領域的一些學者認為過去的10年中我們並沒有取得什麼實質性的進展。

「大家都認為沒有取得什麼進展，」麻省理工學院化學工程教授格雷戈里·斯特凡諾普洛斯（Gregory Stephanopoulos）說。「從纖維素到糖類再到燃料的技術路線並沒有變得更有前景。」

達到 3 美元 / 加侖

凱斯林不同意這個觀點，他認為 JBEI 和其它實驗室已經取得了一些重要的科學進展。位於加州的 JBEI 是六個實驗室和大學的聯合開發中心，該實驗室的研究人員已經發表了近 700 篇同行評議學術論文，獲得了近 30 項專利並且創立了 6 家公司。

JBEI 的研究人員改造了柳枝稷和高粱的基因，讓它們能生產更多的糖類和更少的木質素。它們還研發了一種將木質素轉變為離子液體的工藝，這種離子液體是一種可分解生物質的鹽類。這樣一來，他們將廢棄產物轉變成了一種可分解植物的有效工具。

最後，科學家們設計了可從這些植物中生產幾種「添加式」燃料的微生物，這些燃料包括：航空燃油的前體，蒎烯；汽油的替代物，異戊烯醇；能用來生產「一種極好的柴油」的甜沒藥烯，凱斯林介紹道。

他還表示，所有這些技術進步可以將下一代生物燃料的價格從最開始的每加侖 30 萬美元降低至 35 美元，至少在大規模生產時可以實現這個價格。

當然，當平均汽油價格為 2.5 美元/加侖時，沒人會去大規模生產 35 美元/加侖的燃料。因此該實驗室正在開始新一輪的研究，希望能縮小成本差距。去年 7 月，JBEI 和其它生物能源研究中心獲得了聯邦政府新一輪的 2500 萬美元/年的資助，和該實驗室最開始得到的資助量級相當。

圖 | JBEI正在研發新品種的柳枝稷和高粱，它們將含有更多的糖類以及更少的木質素。

凱斯林說，JBEI 在基金的申請中提出的目標是，在五年內研發出成本小於 3 美元/加侖的生物燃料。

「我不確定我們能在 5 年內實現這個目標，」他說。「坦率的說，如果我們能在 10 年實現就已經很好了。」

凱斯林認為降低成本的關鍵在木質素，它含有大量的碳但是卻難以分解。JBEI 的研究人員必須改變植物的品種，讓木質素更易於分解。然後他們還得修改木質酶，這是一種少有人研究的酶，可以分解木質素，釋放更多的碳。最後，他們需要研發新型微生物將剩餘的化合物轉化成燃料。

將價格降至 3 美元這個臨界值的最後手段是將植物中的某些部分轉化成阻燃劑或 3D 列印的材料這樣的高附加值產品，以補貼生物燃料的成本。

競爭性需求

國際能源署的一項分析指出，為了阻止全球的升溫超過2℃，生物能源在總能源需求中的佔比需要從2015年的4.5%提高到2060年的17%。但是到目前為止，生物能源的產量遠低於達到這個目標所需的速度。除此以外，應用於運輸業的生物燃料必須在未來的10年內增加10倍。

對於生物燃料所需土地面積的估算結果差別很大，但在國際能源署於2011年發布的一份報告中寫道，為了使生物燃料在本世紀中葉佔到運輸業所需燃料的近30%，必須有1億公頃的土地專門用來種植原料。這相當於美國農業用地的九分之一。

「土地資源緊張，拿出大量的土地來生產生物能源這樣的想法很可能會受到限制，」 斯坦福大學森林研究所主任克里斯·菲爾德（Chris Field）說。

這項技術還面臨著一項嚴峻挑戰，即以何種方式擴大生物燃料的使用達到顯著減少總溫室效應的目的，這也是使用生物燃料最初的動機。從種植到生產的每一步本身都是能源密集型產業，因此生物燃料對溫室效應總的影響很重要。尤其是，研究人員擔心如果市場真的得以打開，人們可能會受到不當的利益驅動，例如農民可能會將森林夷為平地以種植農作物，而森林是一種巨大的碳庫。

夢想長存

儘管要面對這些挑戰，很多學者依然相信生物燃料將對削減溫室氣體排放起到重要的作用。在美國，超過半數的溫室氣體排放來自交通工具，如汽車、卡車、輪船和飛機。儘管電動汽車帶來了顯著的收益，但是該行業的很多領域依然需要使用化石燃料。

圖 | JBEI的160名研究人員之一正在實驗室工作。

亞利桑那州立大學專註於替代能源和車輛的政治學者漢娜·布里茨（Hanna Breetz）認為，在可移動式密集能量存儲領域，液體燃料很難被打敗，尤其是全球有那麼多的能源基礎設施都是圍繞著液體燃料而建設的。

「液體燃料還將繼續是能源系統中的重要組成部分，尤其在交通業，同時我希望生物燃料也會在交通業有一席之地，」她說道。

即使在未來幾年中生物燃料會在實驗室中取得顯著進展，但是要想在交通業中獲得真正的市場份額，仍然要等數十年，畢竟每天都有數萬億美元投入到石油的開採和精鍊中。凱斯林認為，加速這種轉變的進程需要更多來自政府的支持，可能包括對碳排放定價、更高的可再生燃料標準、排放限制等。

凱斯林的實驗室已經獲得了政府數億美元的資助，他的初創公司也獲得了同等量級的風險投資，上面的話聽起來就像是他還在提出更多要求。但是凱斯林表示，為了實現預期的發展速度和規模，逆轉日益嚴重的氣候災害並改革一個根深蒂固的行業，就是需要這樣的投入。

令他擔心的是最近幾年這種政策的前景很暗淡。但是儘管廉價的先進生物燃料遇到了政治和技術層面失敗帶來的困擾，他仍然相信生物燃料有潛力減少溫室氣體的排放。

「當我們的政府決定是時候優先進行溫室氣體減排後，」凱斯林說，「生物燃料將會發揮大作用。」

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