生物燃料被世界遗忘的生物燃料，仍有科学家为之奋斗

尽管10年来对先进生物燃料的投资失败了，但杰伊·凯斯林没有放弃。

在2008年的最后几周，美国能源部邀请了许多官员和媒体参加在加利福尼亚州埃默里的联合生物能源研究所的成立仪式。这个顶级实验室位于一栋办公楼的顶层，它已经从政府那里获得了1.25亿美元，承载着人们对先进生物燃料的巨大希望。

加州大学伯克利分校的合成生物学家、该研究所的负责人杰伊·凯斯林(Jay Kaissling)说:“最优秀的人才聚集在这里，我们都在为当前最重要的挑战而共同努力。”。

JBEI(这个实验室的另一个名字，发音为jay-bay)的任务是从纤维素中生产廉价的生物燃料，纤维素来自柳枝稷等植物的叶子和根茎，而不是玉米等粮食作物的谷物。该实验室的目标不仅是乙醇，而且是开发一种可用于标准汽车、飞机、船只和卡车的碳中性燃料。如果开发成功，这些燃料将大大减少温室气体排放和美国对石油的依赖。

图| JBEI正在开发柳枝稷和高粱的新品种，它们将含有更多的糖和更少的木质素。

凯思林不遗余力地推动这一领域的发展并进行宣传。除了JBEI，他还和其他人共同创办了几家资金雄厚的初创企业，希望将他的愿景变成现实，包括LS9和Amyris生物技术。

但是10年过去了，这个领域还是一片惨淡。虽然JBEI和其他联邦政府支持的生物能源实验室幸免于难，但大多数先进的生物燃料公司，包括凯思林自己的公司，都放弃了这个梦想。

美国公司只生产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，其中大部分是乙醇，乙醇是由玉米秸秆等作物残渣生产的。鉴于这一不足，美国环保局不得不每年给先进的生物燃料开绿灯，以确保行业的正常运行。

图| JBEI的下一个目标是开发最终能够生产先进生物燃料的工厂，并将价格降至每加仑3美元以下。

虽然JBEI在技术上有所突破，但如果现在把研究所的作物、技术、微生物用于商业扩张和生产，这种燃料的价格将是现有燃料的14倍。

生产廉价的先进生物燃料比预期的要困难得多。“我们可能低估了它的困难，做出了太多承诺，”凯思林上个月在JBEI办公室接受采访时承认。

然而，凯思林本身并没有放弃生物燃料将取代汽油、柴油和航空空燃料的希望。

《一夜之间迷失》

凯斯林在内布拉斯加州的一个小镇长大。他家有一片玉米地，耕种了五代。当他还是密歇根大学化学工程专业的研究生时，他总是对利用基因工程解决大问题的研究着迷。后来凯斯林去了斯坦福大学深造，继续进行这方面的博士后研究。28岁时，他成为加州大学伯克利分校的教授。

在伯克利，他开始从事合成生物学的前沿研究，将酵母和细菌转化为能够生产类异戊二烯的微型工厂。异戊二烯是一种用于生产橡胶、抗生素和香水的化合物。他和他的同事们取得的最显著的成就是，他们通过将来自几种不同生物的DNA引入大肠杆菌和酵母，开发了青蒿素合成前体的生产工艺。青蒿素是治疗疟疾的少数有效药物之一。这一成就是合成生物学领域第一次真正的突破。

青蒿素是一种碳氢化合物，在分子结构上类似于石油，这让人们自然而然的想到了生物燃料的研究方向。在早期的采访中，凯思林将这个过程描述为简单地移除几个基因并添加其他基因。

2008年初，他的初创公司Amyris声称，它将使用基因工程细菌每年从甘蔗中生产10亿加仑的生物燃料，每桶价格可能低至60美元，所有这些都将在几年内实现。

图|凯思林展示了加州埃默里的顶级实验室JBEI

然而，随着2008年经济萧条的到来，油价从150美元/桶的峰值跌至年底的不到30美元/桶。旗舰创业投资公司的普通合伙人大卫·贝利和凯思林于2005年共同创立了LS9。他说:“当油价低至30美元/桶时，可再生能源行业的生活将非常艰难，债券和股票市场将在一夜之间血流成河。”

初创企业没有逃脱。大多数幸存者转向其他领域。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年推出。它从未大规模生产过可再生柴油。目前主要生产保健品、护肤品、人工香料、香水。公司发言人拒绝透露他们的生物燃料的价格，但凯思林说价格是1.75美元/升(约6.63美元/加仑)。

虽然10年前人们对生物燃料充满热情，但生产廉价的生物燃料一直是一个大胆的想法。

首先，你需要尽可能的以清洁可再生的方式种植、收获、干燥和运输大量的农作物。接下来，困难的部分才刚刚开始。

为了从植物的茎和叶中生产燃料，有必要分离植物细胞壁中携带能量的糖和木质素分子，但是这两者是紧密结合的。通常，这个过程需要酸、高压和热。然后，我们需要微生物来消耗这些糖(主要是纤维素)来生产燃料。但是没有一种天然微生物可以生产出可以直接用于汽车的燃料，所以科学家首先需要利用基因工程来生产这些微生物。

图|尽管付出了很多努力和资金，但这一领域的一些学者认为我们在过去的10年里没有取得任何实质性的进展。

“每个人都认为没有进展，”麻省理工学院化学工程教授格雷戈里·斯特凡诺普洛斯说。"从纤维素到糖再到燃料的技术路线并没有变得更有前景."

最高3美元/加仑

凯斯林不同意这种观点，称JBEI等实验室取得了一些重要的科学进展。JBEI位于加州，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发表了近700篇同行评议的学术论文，获得了近30项专利，成立了6家公司。

JBEI的研究人员修改了柳枝稷和高粱的基因，以生产更多的糖和更少的木质素。他们还开发了一种将木质素转化为离子液体的方法，离子液体是一种可以分解生物质的盐。这样，他们把废品变成了分解植物的有效工具。

最后，科学家设计了能够从这些植物中产生几种“添加剂”燃料的微生物，包括:航空空燃料的前体蒎烯；汽油的替代品异戊烯醇；凯思林介绍，甜没药可用来生产“一种优良的柴油”。

他还说，所有这些技术进步可以将下一代生物燃料的价格从最初的每加仑30万美元降低到35美元，至少在大规模生产中是这样。

当然，当汽油平均价格为2.5美元/加仑时，没有人会以35美元/加仑的价格大规模生产燃料。所以实验室开始新一轮的研究，希望缩小成本差距。去年7月，JBEI等生物能源研究中心收到了联邦政府新一轮2500万美元/年的资助，相当于实验室收到的初期资助。

图| JBEI正在开发柳枝稷和高粱的新品种，它们将含有更多的糖和更少的木质素。

凯斯林说，JBEI在基金申请中的目标是在五年内开发成本低于3美元/加仑的生物燃料。

“我不确定我们能否在五年内实现这个目标，”他说。“坦白说，如果我们能在10年内实现，那就很好了。”

凯思林认为，降低成本的关键在于木质素，木质素含有大量碳，但难以分解。JBEI研究人员不得不改变植物品种，使木质素更容易分解。然后他们还要对很少研究的木质素酶进行修饰，可以分解木质素，释放更多的碳。最后，他们需要开发新的微生物来将剩余的化合物转化为燃料。

将价格降至3美元临界值的最后手段是将植物的某些部分转化为高附加值产品，如阻燃剂或3D打印材料，以补贴生物燃料的成本。

竞争性需求

根据国际能源署的分析，为了防止全球变暖超过2℃，生物能源在总能源需求中的比例需要从2015年的4.5%提高到2060年的17%。但到目前为止，生物能源的产量远远低于实现这一目标所需的速度。此外，用于交通运输的生物燃料必须在未来10年增加10倍。

对生物燃料所需土地面积的估计差异很大，但国际能源署(International Energy Agency)在2011年发布的一份报告指出，为了让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1亿公顷土地专门用于种植原材料。这相当于美国农业用地的九分之一。

斯坦福大学森林研究所所长克里斯·菲尔德说:“由于土地资源短缺，利用大量土地生产生物能源的想法可能会受到限制。”。

这项技术也面临着严峻的挑战，即如何扩大生物燃料的使用范围，达到大幅降低总温室效应的目的，这也是使用生物燃料的最初动机。从种植到生产的每一步都是能源密集型产业，所以生物燃料对温室效应的整体影响非常重要。特别是研究人员担心，如果市场真的开放了，人们可能会被不正当的利益所驱使。例如，农民可能会夷平森林来种植作物，森林是一个巨大的碳库。

梦想永存

尽管面临这些挑战，许多学者仍然认为生物燃料将在减少温室气体排放方面发挥重要作用。在美国，超过一半的温室气体排放来自车辆，如汽车、卡车、船只和飞机。尽管电动汽车带来了显著的好处，但该行业的许多领域仍需要使用化石燃料。