互动科普

生物能源

生物燃料曾为我们描述了一幅美好的未来图景：许多人曾经认为，它们能很好地替代石油。但经过多年研究后，生物燃料不仅没有实现人们的预期，反而遇到了瓶颈。

撰文 戴维· 别洛（David Biello）    翻译 漆新华

 雷奇燃料公司（Range Fuels）的建立本身就是一场风险高而又充满诱惑的赌博。这家高科技公司是由苹果公司前执行官米奇·曼迪奇（Mitch Mandich）吸引了数百万美元的私人资金以及美国政府1.56亿美元的补助和贷款而建立的。美国政府计划在美国佐治亚州的索珀顿建立一家大型生物燃料工厂，每天可以将来自佐治亚州纸浆和造纸工业的1 000吨木屑和木材废料转化为3 000万加仑（1加仑约等于3.785升）乙醇。时任美国能源部长的塞缪尔·博德曼（Samuel Bodman）在2007年11月的奠基仪式上说：“在这个项目中，我们选择雷奇燃料公司作为合作伙伴，是因为我们确信，他们是这个领域中的佼佼者。”

花未开，却已凋谢。2011年初，雷奇燃料公司在一滴乙醇也没卖掉的情况下关闭了刚刚修建的生物提炼厂。公司发现，要将生物质转变为商业上有利可图的可燃液体比预想的要艰难得多。由于昂贵的设备被闲置，公司正在寻求更多的资金支持来解决这个问题。

雷奇燃料公司并不是唯一一家陷入困境的生物燃料公司。加利福尼亚州戈申市的Cilion公司、英格兰吉尔福德郡的TMO可再生能源公司，以及其他一些公司都已经放弃了用植物来制造生物燃料的业务，因为这些生物燃料过于昂贵。虽然科学家、公司CEO和政府决策者们都抱有美好的愿望，美国政府也投入了数亿美元资金，由风险投资公司支持的二十多家美国高新企业也积极参与其中，但经过几十年的努力后，到目前为止，生物燃料还无法在价格和性能上与汽油相竞争。

这非常令人沮丧，因为仅仅在几年前，生物燃料还被看作是解决美国两大问题（石油依赖和气候变化）的理想方案。恐怖主义和石油价格飙升使得依赖中东石油成了特别不明智的选择，而不断上升的全球平均气温，迫使人们抓紧寻找汽车和飞机的替代能源。由于生物燃料来自植物，而植物生长过程中会从大气中吸收二氧化碳，因此从理论上讲，与燃烧化石燃料相比，生物燃料可以减少大气中温室气体的积累。

考虑到近些年来玉米乙醇的快速发展，那种认为生物燃料技术还不符合人们预期的观点恐怕是不合时宜的。美国玉米乙醇的产量已从1979年的5 000万加仑增加到了2010年的130亿加仑。美国政府规定玉米乙醇必须占到全国客运车辆所用燃料的10％，这一政策推动了玉米乙醇的大量增长。但是，这一产品被人们接受，只是因为政府有高额补助。使用乙醇能减少二氧化碳的排放，但这个量很少。此外，生产这130亿加仑乙醇消耗掉了美国约40％的玉米作物，这些作物种植在13万平方千米的农田上。这推动了食物价格上涨，并且在墨西哥湾造成了大量的“死亡地带”，因为流过美国中西部农田的密西西比河最终将农田流失的肥料全部带入到这里。

更加先进的生物燃料技术将弥补这些缺陷：乙醇可以通过玉米植株的纤维质皮和秸杆制得，而不必使用可食用的玉米粒；乙醇还可以用草甚至树木的纤维制得（如Range燃料），而植物的这些部分由纤维素组成，并且人和动物都不吃它们，因此不会影响食品价格。从藻类身上也能“收获”液体燃料，这些藻类能更高效地将水、二氧化碳和阳光转化为油脂，而油脂可以进一步转化为碳氢化合物（烃类）；通过基因工程改造的微生物可以直接分泌碳氢化合物，这样更高效。

但是，迄今为止还没有哪种先进的生物燃料能达到商业化的生产规模。根据美国环保署（EPA）颁布的《可再生燃料标准》（Renewable Fuel Standard），到2011年，美国预计每年要生产1亿加仑的纤维素乙醇。但是在2010年，EPA又将2011年的目标调整回仅仅660万加仑，并且还不清楚这个目标能否实现。

最近的实践表明，要解决先进燃料实用化过程中遇到的挑战，科学和工业上的每一个进步都是非常艰难的。美国政府为解决能源自主和气候变化问题而制定的目标——到2022年，年产360亿加仑生物燃料，看起来要实现也是前途渺茫。“这不是一个简单的问题，这并不比干细胞研究或者这个国家所进行的其他重要科学创新研究的挑战性低，”微生物学家、美国能源部大湖生物能源研究中心（Great Lakes Bioenergy Research Center）主任蒂莫西· 多诺胡（Timothy Donohue）说。位于威斯康星麦迪逊的大湖生物能源研究中心是美国致力于先进生物燃料研究的三大能源部实验室之一。

玉米乙醇：远远不够

到目前为止，玉米乙醇是美国唯一一种达到商业化生产规模的生物燃料，这还得归功于美国政府的财政补贴。根据美国政府审计部门的数据，仅在2010年就拨给了玉米乙醇超过56.8亿美元的财政补贴。发酵是用玉米制造乙醇过程的核心技术。人类花费了9 000年才完善了利用酶和酵母将来源于玉米粒、甘蔗或其他植物的糖发酵为无水乙醇的工艺。在过去十年间，为了扩大美国玉米乙醇的生产量，大量装配有基础设施、不锈钢发酵罐以及其他设备的玉米加工厂在美国的中西部如雨后春笋般涌现。

遗憾的是，玉米乙醇的能源效率不是很高，因此也并不是碳中性的。将乙醇从含酵母和水的发酵液中蒸馏出来需要消耗大量能源，而这些能源通常是通过燃烧天然气和煤等化石燃料来提供的。除此以外，乙醇给汽车提供的动力只相当于等量汽油的2/3。

这些能源输入也会耗费成本，而在没有财政补贴的情况下，玉米乙醇在价格上永远都无法与汽油相抗衡。玉米产量能否提高还受限于肥沃土地的面积。2010年10月，美国国会研究服务部（Congressional Research Service）的报告中指出，即使将2009年全美国的玉米都用于生产乙醇，其产量也只能代替美国汽油消费量的18％。研究人员得出的结论是：企图通过扩大玉米乙醇的产量来显著促进美国的能源安全看起来是不切实际的。

J·克雷格·文特尔（J. Craig Venter）是美国合成基因组公司（Synthetic Genomics）的创始人之一，他提出了一个更为尖锐的问题。他通过计算认为，如果美国所有交通燃料都用玉米乙醇来代替的话，将需要三倍于美国大陆面积的耕地。

纤维素：难以分解

当然，如果利用美国所有的玉米来生产燃料，将会使人和牲畜无粮可食。这就是研究人员和政府决策者将关注转向纤维素乙醇的一个原因。生产纤维素乙醇不需要使用玉米淀粉，而是用玉米植株的其他部位，比如秸秆或其他废弃物，不会影响人们的食物供应。

能够从纤维素废弃物中获取的能源量是巨大的。根据美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的报告，美国每年产生13亿吨的玉米秸秆等纤维素物质，其中的80％可以转化为生物燃料，这些燃料可以代替美国30％的交通燃料。

实现纤维素利用的主要挑战是找到能有效分解植物细胞壁的方法。首先，植物细胞壁中含有木质素，这是一种能对抗重力、支撑植物细胞壁的化合物，它也使木材不能被动物消化。细胞壁还含有半纤维素（hemi cellulose），半纤维素是一种长长的连串复合糖纤维，它们结合在木质素上，使植物细胞壁免受酶的攻击。细胞壁的内侧是纤维质的核心——纤维素，它们由长链的葡萄糖分子组成，而葡萄糖是一种简单的碳水化合物，可以转化为生物燃料。

突破这种有机物屏障的一个灵感来自于切叶蚁。在大湖生物能源研究中心，切叶蚁在塑料箱中乱转，弄出可以将树叶转化为油和氨基酸的真菌洞穴，蚂蚁们实际上要吃的是这些油和氨基酸。蚂蚁消化道内的某些微生物可以将最初吃下的叶子分割成碎屑，工蚁再将这些碎屑转移到真菌洞穴中。通过加入水，蚂蚁收集的另外一组微生物能将这些碎屑转化为油滴——实际上这些蚂蚁构造了一个将纤维素转化为燃料的外部肠道。当然这是一个小模型，但放大后可能就是一个生物燃料工厂。

多诺胡说：“实验室的目标是直接利用这些微生物本身，或者将编码酶的基因分离出来，用于工业过程中分解植物细胞壁。”

另一个灵感来自奶牛，奶牛利用有力的牙齿将草磨碎，然后用大量唾液冲刷，从而将植物细胞分解。在奶牛的消化道内，大量微生物将纤维状的反刍食物发酵为油脂，这些油脂是构成燃料的“模块”。为了模仿奶牛的咀嚼，科学家们尝试利用蒸汽或将草浸泡在由带电分子组成的液体中，来破坏细胞壁。美国北卡罗来纳州牛津市的盐酸清洁技术公司（HCL Cleantech）将植物溶解于浓盐酸中来获取纤维素，然后将酸循环使用以尽可能降低成本。

分解植物细胞壁的另外一种方法是利用一类叫做纤维素酶的酶。白蚁消化道内就有这种酶，它们可以将木材转化为食物。目前在市场上销售的纤维素酶只有一种，由丹麦的诺维信（Novozymes）公司生产。这种酶的价格约为一加仑50美分，价格是传统乙醇发酵用酶的10倍以上。诺维信全球商业开发部总经理辛西娅·布赖恩特（Cynthia Bryant）承认：“酶的成本必须要降下来，否则不会有工业价值。”

加利福尼亚州红衫市的Codexis公司正在尝试制造一种更能让人接受的酶，他们筛选数千种天然酶，并把它们混合，相比在自然界中，这种混合物在工厂中能够更有效地工作。这家公司还在尝试调节促使活细胞产生酶的基因，希望最终能够获得一种超级酶。

即使是超级酶，分解纤维素也会很慢，因为生物相互作用需要时间才能起效，要大规模生产很难。但是，如果玉米或草等能源植物可以自己产生能够分解纤维素的酶呢？这种酶可以隐藏在植物细胞内，一旦受热或有其他一些工业过程触发，它们就会被释放出来，从而将纤维素快速而又容易地降解为糖。

瑞士的农业综合企业Syngenta公司发明了一种将酶嵌入到玉米粒中的方法，利用这种方法，当在工厂里将温度、湿度和酸度调节到适当的条件时，玉米粒本身就能够将淀粉转化为糖。美国农业部顶住来自环境保护主义者和北美磨坊主协会（North American Millers’ Association）等食品供应商的异议，批准了这一工艺，Syngenta公司开发的这种含酶种子今年就将上市销售。

这些工作证明了这个方法的有效性，但是它并没有解决那个问题：玉米最好用来当食物，而不是用来制造燃料。于是，马塞诸塞州美德福德市的Agrivida公司制定了一种替代方案，有望将他们的自有技术应用于玉米秸秆或专用的能源作物柳枝稷中的纤维素。

仅仅是将酶嵌入玉米，可能并不能使纤维素乙醇的价格降低到人们能接受的程度。“纤维素分解生成糖的成本最好是一桶石油的1/3”，化学家帕特里克· 格拉布（Patrick R. Gruber）如是说。他是科罗拉多州英格伍德市Gevo生物技术公司的CEO。实际上，Gevo公司和其他的公司，比如威斯康星麦迪逊的Virent公司，它们都断定，即使以历史上最高位的汽油价格作为比较，先进生物燃料也无法与之竞争。这些公司也不再强调以乙醇为产品了，而是改变它们的工艺，将来自纤维素或甘蔗的糖转化为工业化学品，比如用作塑料瓶子的前体物质（precursor），这些产品的价格比石化燃料要高10倍。

即使由纤维素转化而来的糖通过某些方式变得具有竞争力，这种方法也会对环境和农业造成负担。收割之后，玉米秸秆通常被留在农田里，它们分解后可以改善土壤的肥力。将秸秆打包并拖走会加速土壤的退化，使得土壤无法进行耕种。休斯敦Chevron技术合资公司主管生物燃料和氢气业务的副总裁杰弗里·雅各布（Jeffrey Jacobs）说：“我不确定我们是否完全了解将这些生物质从农田系统中弄走的后果。”一些科学家估计，在美国，如果要不损伤土壤，移走的纤维素要控制在8 000万吨以内，而这8 000万吨纤维素转化为乙醇，只能供应美国汽油需求量的3％。

为了寻找一种更便宜的原材料，荷兰皇家壳牌公司（Royal Dutch Shell）等石油公司正在投资开发以甘蔗取代玉米秸秆发酵来制备乙醇的工艺。甘蔗含有更多的能量，更易于种植，并且，经过巴西政府40多年的努力，目前甘蔗在巴西已有良好生产基础。巴西现在每年能供应约70亿加仑的甘蔗乙醇。壳牌公司全球生物创新部经理杰里米· 席尔斯（Jeremy Shears）透露，壳牌公司已经与巴西乙醇生产商Cosan公司合作成立了一家合资公司，每年可以生产5.81亿加仑甘蔗乙醇。为了获得如此大的增长量，人们需要夷平大量的热带雨林以开辟更多的甘蔗园，加剧对巴西原始环境的破坏。“几乎每个人都知道，农作物生物燃料是受很多限制的，所以，将对地球造成破坏的实际上不是农作物生物燃料，而是大量的纤维素生物燃料，”多诺胡指出，“我们所讨论的是它对全球土地占用和对生物多样性的大范围影响。”

藻油项目：结束或转向

作为一种替代方案，一些科学家选择利用一种光合生物：绿藻。和根生植物相比，它能更有效地将接收到的光子转化为化学能储存起来。

微型藻类是光合作用的巨人。某些藻类对入射太阳光的利用率达到3％，而玉米或甘蔗却只有约1％。它们的绿色来自于叶绿素，叶绿素是一种可以捕获太阳光来将水分解为氢气和氧气的色素。生物体再将氢气与二氧化碳结合，用于制造细胞壁、养分和“脂肪”——植物油。

微藻可以生长在沙漠里，无须占用耕地，可以用不能饮用的咸水甚至污水进行养育，因此这种方法不会取代食物作物也不会消耗宝贵的淡水。这个高效的过程在一定的条件下，可以保证每公顷生产多达4万升的油。如果要用微藻油来代替全美国的交通燃料，“将会占用约27 000平方千米的土地，大约相当于马里兰州那么大。”与他们原先估计的利用玉米乙醇所需要的三倍于美国大陆面积的农田相比较后，美国合成基因组公司表示，“这有着巨大的差别，一个是可行的，另外一个则完全是荒谬的。”

美国圣迭戈的Sapphire能源公司在新墨西哥州拉斯克鲁塞斯附近的沙漠里,占地89平方千米,修建了一系列椭圆形池子试验养殖微藻。这家公司计划在新墨西哥州哥伦布附近的沙漠里建造1 215平方千米的池塘。这家工厂将是美国首家综合微藻生物精炼厂。为了实现这个目标，Sapphire公司已经获得了美国农业部5 000万美元的财政拨款，以及来自美国能源部

5 450万美元的贷款担保。微藻将用从新墨西哥州地下含盐蓄水层抽取的盐水进行培养，而油将被运到位于路易斯安那州的传统精炼厂进行加工。

但是，微藻生物燃料生产商也面临着许多问题。如果他们在开放的池塘里培养微藻，那么他们如何保证这些微藻不会沦为其他掠食者和疾病的牺牲者，或者不被其他天然菌株所污染？如果在生物反应器内培养微藻，如何控制设备成本并防止微藻附着在反应器的内壁呢？他们如何提供促进微藻生长所需要的营养物质，如氮和磷等呢？最后，微藻培养好以后，他们又如何提取出并破开成熟藻的细胞以获得油，而获得这些油所耗的能量还不能多于这些油所能提供的能量。目前还没有哪家公司生产出了足够多的可用的油，更不用说利润了。

微藻体内产生碳氢化合物的过程实质就是它们抵御长期缺乏太阳光和营养物的抗逆反应，这正是微藻产油所面临的最大挑战。在这种胁迫模式下，这些小生命生长缓慢。科学家们将不得不违背这些细胞基本的生物机制，改造它们，使之对压力作出反应的同时还能快速生长。

Sapphire公司已经考察了4 000种藻株并选择了20种来尝试进行改良。如果一切顺利的话，位于哥伦布的工厂每年将可以生产100万加仑微藻油，然后这些油可以精炼成柴油或航空煤油。死亡的微藻细胞可以作为营养物循环回生产过程中，而不是当作动物饲料或其他产品卖掉。“这些生物质很昂贵，而且我们需要它们，”Sapphire公司事务部副总裁提姆·岑克（Tim Zenk）说：“你不能往这个系统中加入大量的营养物，这样赚不到钱。”

这一事实使得美国国家可持续能源实验室（U.S. National Renewable Energy Laboratory）在花费了2 500万美元的研究经 费后，于1996年停止其持续了18年的微藻油研究计划。科学家觉得，他们的微藻油永远也无法和石油竞争，并在计划停止后丢失了数千种特征藻株。现在这些公司通过从海藻中提取Ω-3脂肪酸来赚钱，这些脂肪酸用作营养补充品可以卖到比原油高得多的价格。

唯一一家供应微藻燃料的公司是通过完全避免光合作用来实现商业化生产的。位于旧金山的Solazyme公司以每加仑424美元的价格向美国海军提供了超过8 000 升的油。Solazyme公司在一种常用于发酵胰岛素的工业用大桶里培养微藻，强制性地给微藻供糖，而不是太阳光和水。像其他先进生物燃料公司一样，Solazyme公司将通过制造比燃料价格更昂贵的产品来维持生存，比如用于化妆品的油。另外，该公司正在与Dow化学品公司合作，生产隔热液体等特殊化学品。

合成生物体：前途不明

微藻公司试图通过使用化学品或辐射来改变微生物的遗传密码，从而克服障碍，但是他们还没有切中要害。文特尔曾驾驶着他的游艇巫师II号（Sorcerer II）在海上航行了一年，采集样品，希望找到有用的藻株，结果没有太大的收获。“那就是为什么我们对找到这样一种‘魔藻’不感到乐观的原因，”文特尔说。

现在也许是制造这种魔藻的时候了。

研究人员已经开始通过修改微生物的基因来做这个工作了，比如人体消化道内常见的大肠杆菌（E. coli），这也是一种会引起食物中毒的细菌。杰伊·D·凯斯林（Jay D. Keasling）领导着美国能源部的联合生物能源研究所（DOE's Joint BioEnergy Institute），他们成功地将大肠杆菌转变为了一个有效的“生物工厂”，能将太阳光、二氧化碳和水转化为不同的碳氢化合物，包括生物柴油。更为方便的是，凯斯林将这种细菌改造为可以直接分泌油的生物体，因此不需要杀死它们来获取油。这些油会浮到大桶的上面，从而很容易分离。这种细菌的生长速度比酵母快3倍，还可以在湿热环境下快速生长，具有很强的耐受力，这些都归功于它们在人体消化道内经常忍受无氧和有毒的环境。

对这些“生物工厂”而言，生产高附加值的碳氢化合物仍然是首要选择。加利福尼亚州埃默里维尔市的Amyris公司将酵母改造成可以将糖发酵为金合欢烯（farnesene）的微生物，金合欢烯可以直接出售，也可以转化为某些特殊的化学品，比如角鲨烷（squalane），这是高级化妆品中的一种润肤剂。一开始，这家公司销售平均售价更高的产品，然后转向价格低一些的产品，“比如柴油和燃料，”该公司的首席财务官杰里尔·希尔曼（Jeryl L. Hilleman）解释道。Amyris公司刚刚在巴西开张了第一家生产工厂，作为一家甘蔗发酵厂的附属工厂。

即使是稳定的工程微生物，也很难生产出在量或价格上能与化石燃料竞争的碳氢化合物。文特尔认为：“长期的解决方案是从零开始编码细菌的整套基因，并控制所有的参数。”他的公司已经创造了一种可以分泌油的合成细菌，以及首例完全依靠合成基因组生存的微生物。“我们正在评估数千种菌株和大量的基因变化，”他强调说。

这种方法很有前景，化石燃料巨头埃克森美孚国际公司（ExxonMobil）已经在文特尔的公司投资了6亿美元。但障碍归根结底还是在基础生物学上：即使是最小的基因组也有着数百个神秘基因，科学家对它们的功能一无所知。文特尔这样的生物学“建筑师”可以构建一个基因组，但是他们却不知道要合成一种耐受力好的微生物，用最小的成本使它们生存，并能够生产出大量的油需要哪些基因。文特尔称，这个挑战比他做人类基因组测序时所面临的挑战还要大。

即使有人创造出了这种“魔藻”，可用性也取决于它的培养基成本。目前最便宜的培养基来源是巴西甘蔗，虽然它作为先进生物燃料的原材料还是太贵，但它还是Amyris公司、南部旧金山的LS9公司以及其他一些公司正在使用的原料。与用海藻来生产油一样，感染和其他生物事故都可能会使魔藻停止生产，对某些特化的微生物，这个问题可能更严重，在没有人类帮助的情况下它们可能无法生存。而且，不可避免地，微生物制造生物燃料在生产能力上比用化学法加工原油要差得多。

Amyris公司的首席技术官尼尔· 雷宁格尔（Neil Renninger）承认：“我们不准备通过这种方法来代替石油。只要我们能够解决石油需求的增长这一块的量就已经很棒了。”这个目标强调的重点是，生产出的碳氢化合物分子可以通过现成的输油管运输，可以在现有的精炼厂进行处理，也可以在现今的发动机中燃烧使用。

徒劳无功？

雷宁格尔的观点也反映了其他一些专家的观点，他们认为我们应该降低期望值。目前，作物里含有的所有能量——包括牲畜消耗的植物和用于纸浆、造纸以及其他木材产品的树木——加起来大概是1.8兆亿焦耳，或者相当于世界能源消费量的20％左右。在短期内大大增加这个量是不切实际的，还会造成严重生态后果。“目标应该定位为生产某些专用燃料，比如飞机的燃料之类，”普林斯顿大学的研究者说。

突破还是有可能出现的，寻找一种更好生物燃料的科学探索仍将继续，但是投资者和决策者需要更加理智，不要在这个高风险的赌博上投入太多的钱和政策。各国可以发展电气化交通以摆脱对化石燃料的依赖，这是一个选择。在此之前，玉米和甘蔗将还会被大量用在替代石油上，这会进一步对全球农业系统造成巨大压力，而全球农业正努力为全球70亿人以及牲畜提供食物、衣物和饲料。

“我们可以用不同的交通方式生活，”明尼苏达大学的生态学家戴维·提尔曼（G. David Tilman）说，“但是我们没有食物就无法生存。”