微生物直接把纤维转化成燃油

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作者:价值中国 来源:价值中国 2011-5-13 10:10:15
丁醇(Butanol)一种很有前途的下一代生物燃料,包含的能量多于乙醇(ethanol),而且可以通过石油管道传送。但是,就像乙醇一样,生物丁醇生产也是集中使用食用原料,比如甜菜、玉米淀粉和甘蔗。

现在,加州大学洛杉矶分校(University  of  California,  Los  Angeles)生物分子工程师詹姆斯·廖(James  Liao),已开发出两种方法,使丁醇摆脱对粮食作物的依赖。詹姆斯·廖说,有一项纪录,就是商业化推广了创新的生物燃料工艺,他已经证明,微生物生产先进生物燃料,可以直接用农业废弃物生产,也可以用蛋白质原料生产,比如用藻类。

詹姆斯·廖示范的直接从纤维素向丁醇转化,可以降低成本,生产纤维素生物燃料,这一成本目前还过高。他的蛋白质为基础的工艺,为生物燃料领域提供了全新的原料选择。

虽然它们是可再生能源,但是,生物燃料面临着攻击,这些攻击来自环境和食品活动家,生物丁醇(biobutanol)也不例外:第一代生物丁醇厂正在开发中,它们的运行将依赖玉米为基础的糖和淀粉。“丁醇有一些技术优势,但真正的问题,是用于制造一加仑燃料的作物数量,”杰里米·马丁(Jeremy  Martin)说,他是一位资深科学家,在忧思科学家联盟(Union  of  Concerned  Scientists),这个联盟是马萨诸塞州(Massachusetts)剑桥(Cambridge)的一个吁请团,属于一个广泛联盟的一部分,他们推动国会结束对玉米乙醇利润丰厚的税收抵免(tax  credits)。

詹姆斯·廖的创新可能终止生物丁醇与玉米的关联,这种关联,具有讽刺意味的是,部分原因是他造成的。2008年,詹姆斯·廖开发出一种微生物途径,可以把糖转换为异丁醇(isobutanol),就是丁醇的一种高辛烷值(high-octane)的异构体。这项创新目前正在商业化,实施者是格沃公司(Gevo),就是科罗拉多州(Colorado)恩格尔伍德(Englewood)的一家初创公司,是这么说詹姆斯·廖共同创办的。格沃公司筹资1.07亿美元,是上个月首次公开募股筹集的,可以支持其计划,改造玉米乙醇厂,生产异丁醇。

这些计划就是转向生物燃料生产,采用的是生物质原料,如柳枝稷,玉米秸秆,甘蔗渣(或植物残体)的,但是,进展很慢,这是由于成本较高。美国环境保护机构(U.S.  Environmental  Protection  Agency)的指令是,今年只使用660万加仑的纤维素乙醇,不到3%的2.50亿加仑的目标,这一目标是美国国会四年前设定的。障碍来自需要增加加工步骤,用以分解这些纤维素原料,从而产生糖,进行发酵;这种加工大大提升了成本,使生产设施难以融资。

詹姆斯·廖的直接从纤维素转为丁醇的工艺,在开发中与橡树岭国家实验室(Oak  Ridge  National  Laboratory)的研究人员合作,这种工艺有望简化过程,扩展发酵微生物的性能。关键是增加了詹姆斯?廖的从糖到异丁醇的方法,增加到一种微生物,就是解纤维梭菌,就像是喜欢咀嚼生物质,但通常不会制成丁醇。最初,这种微生物的分离是来自草堆肥(composted  grass),两年前,美国能源部联合基因研究所(Joint  Genome  Institute)完成了它的基因组排列。

这一基因工程成果发表在本月杂志《应用与环境微生物学》(Applied  and  Environmental  Microbiology)上,这一成果是一个单一的有机体,它摄入纤维素,制成异丁醇。詹姆斯·廖说,产量和转化率都很低,但是他说,这种“原理循证”可能是开发过程中最棘手的部分。  “其余的相对简单。不是不重要,而是简单。它就成了一个资金和资源的问题,”詹姆斯·廖说。

下一步是进行基因改良,形成生长较快的梭菌变体或其他微生物。詹姆斯·廖打赌说,这一技术准备好生产,只需要短短两年。

有一个障碍可能使事情慢下来,就是诉讼,是针对詹姆斯?廖的技术的使用权。格沃正在被起诉侵犯了专利权,原告是竞争对手布塔马克斯先进生物燃料公司(Butamax  Advanced  Biofuels),是英国石油公司(BP)和杜邦公司(DuPont)的合资企业,这家公司像格沃一样,也计划把玉米为基础的乙醇植物转化成异丁醇。布塔马克斯公司称,格沃使用基因工程制造丁醇,违反了一项泛美国专利,这项专利是2010年12月发给布塔马克斯公司的。

另一个障碍是担心环境影响大型生物质的使用。今年一月,美国环保局(EPA)向国会颁布了一份报告草案,探讨生物燃料生产对环境的影响。该报告概述了几个问题,都是有关生产生物质为基础的燃料。报告指出,用玉米秸秆(收获后的叶和茎)生产燃料,而不是耕作时把秸秆返回农田来,可能会导致土壤退化,堵塞溪流和河流,增加径流量。环保人士提出,要关注耕种边缘土地,这些土地已经被预留,以增加生物多样性,并提供保护屏障围绕水体。

詹姆斯·廖演示了基因工程改造的大肠杆菌(E.  coli),可以把蛋白质变成异丁醇,也提供了一种潜在的替代品,可替代生物质原料,这种替代品就是快速生长、具有光合作用的藻类。现有的研发项目开发藻类为基础的生物燃料,都寻求转换藻类生产的油脂,油脂约占四分之一的藻类质量。相反,蛋白质约占三分之二。

詹姆斯·廖说,有可能创造一种再生生产系统,其中,生产异丁醇的微生物可以持续,就采用藻类蛋白,以及工业发酵残余物,这是回收利用前一轮的丁醇生产。像藻类一样,发酵残留物主要成分是蛋白质。

“这些结果表明,使用蛋白质进行生物炼制是可行的,”詹姆斯·辽和加州大学洛杉矶分校(UCLA)的同事们这个月的《自然生物技术》杂志上说。

詹姆斯·廖说,利用蛋白质进行生物炼制,制成异丁醇,这有可能在5至10年内实现,因此,纤维素异丁醇很可能首先到来。他承认,藻类为基础的蛋白原料,就像纤维素生物质一样,可能产生不可预见的成本。但有一点是肯定的,詹姆斯?廖说:“它们当然更具有可持续性,胜过石油、煤或糖。”


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