211service.com
Naukowiec wciąż walczący o czyste paliwo, o którym zapomniał świat
Dekada inwestycji w zaawansowane biopaliwa prowadziła donikąd, ale Jay Keasling pozostaje niezrażony. 10 maja 2018
W ostatnich tygodniach 2008 roku Departament Energii USA zaprosił polityków i prasę na ceremonię poświęcenia Joint BioEnergy Institute w Emeryville w Kalifornii. Najnowocześniejsze laboratorium, wspierane przez fundusze federalne w wysokości 125 milionów dolarów, wypełniło ostatnie piętro błyszczącego szklanego budynku biurowego, który odzwierciedlał wielkie nadzieje na zaawansowane biopaliwa.
To zgromadzenie najlepszych ludzi w jednym miejscu do pracy nad tym, co może być jednym z najważniejszych wyzwań naszych czasów, powiedział Jay Keasling, biolog syntetyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i dyrektor naczelny instytutu badawczego.
Misją JBEI (wymawiane jay-bay) było wytwarzanie tanich biopaliw ze źródeł celulozowych, czyli liści i łodyg roślin takich jak proso rózgowe, a nie zbóż roślin spożywczych, takich jak kukurydza. Laboratorium miało na celu wyjście poza etanol, dążąc do stworzenia paliw neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla, które mogłyby napełniać zbiorniki standardowych samochodów, samolotów, statków i ciężarówek. Jeśli im się to uda, obiecają radykalną redukcję emisji gazów cieplarnianych i uzależnienia USA od ropy naftowej (patrz Cena biopaliw ).
JBEI opracowuje rodzaje prosa rózgowego i sorgo, które wytwarzają znacznie więcej cukrów i znacznie mniej ligniny.
Keasling zrobił tyle samo, co każdy pojedynczy człowiek, aby rozwinąć pole i sprzedać obietnicę takich paliw. Oprócz prowadzenia JBEI, współtworzył kilka dobrze finansowanych startupów, w tym LS9 i Amyris Biotechnologies, aby urzeczywistnić tę wizję.
Ale dekadę później pole jest w rozsypce. JBEI i inne laboratoria bioenergetyczne finansowane z funduszy federalnych nadal przetrwały, ale większość zaawansowanych firm biopaliwowych, w tym Keasling, zrezygnowała z tego marzenia.
Amerykańskie firmy produkują tylko odłamek paliw celulozowych wymaganych w ramach standardów paliw odnawialnych wprowadzonych pod koniec ostatniej administracji Busha, a większość z nich to etanol pochodzący z resztek rolnych, takich jak łodygi kukurydzy. Biorąc pod uwagę ten niedobór, Agencja Ochrony Środowiska po prostu co roku wydaje zwolnienia dla zaawansowanych biopaliw, co pozwala branży w dużej mierze kontynuować dotychczasową działalność.
Następnym celem JBEI jest rozwój zakładów, które mogą ostatecznie produkować zaawansowane biopaliwa za mniej niż 3 dolary za galon.
JBEI poczynił postęp naukowy, ale gdyby uprawy, techniki i błędy instytutu zostały dziś wprowadzone na skalę komercyjną, galon powstałego paliwa kosztowałby 14 razy więcej niż płacimy przy dystrybutorze.
Wytwarzanie tanich, zaawansowanych biopaliw okazało się po prostu znacznie trudniejszym problemem, niż się spodziewano. Prawdopodobnie nie doceniliśmy tego i prawdopodobnie też go wyprzedaliśmy, przyznał Keasling w zeszłym miesiącu podczas wywiadu w swoim biurze w JBEI.
Mimo to Keasling nie stracił nadziei na przyszłość, w której biopaliwa będą realnym zamiennikiem benzyny, oleju napędowego i paliwa do silników odrzutowych.
Zmyte przez noc
Keasling dorastał w małym miasteczku w Nebrasce, na farmie kukurydzy, która należała do jego rodziny od pięciu pokoleń. Podczas studiów magisterskich z inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Michigan zafascynował się potencjałem inżynierii genetycznej do rozwiązywania dużych problemów. Udał się do badań podoktoranckich w tej dziedzinie w Stanford, zanim wylądował jako profesor na UC Berkeley w wieku 28 lat.
Tam podjął pionierską pracę w dziedzinie biologii syntetycznej, przekształcając drożdże i bakterie w maleńkie fabryki, które mogą wypluwać izoprenoidy, klasę związków używanych do produkcji gumy, antybiotyków i zapachów. Przede wszystkim on i jego współpracownicy opracowali proces wytwarzania syntetycznego prekursora artemizyniny, jednej z niewielu skutecznych metod leczenia malarii, poprzez wprowadzenie DNA z kilku różnych organizmów do E coli i drożdże. Jest uważany za jeden z pierwszych prawdziwych przełomów w biologii syntetycznej.
Przejście od artemizyniny, węglowodoru molekularnie podobnego do ropy naftowej, do biopaliw nie wymagało dużego skoku w wyobraźni. We wcześniejszych wywiadach Keasling opisane to po prostu kwestia usunięcia kilku genów i dodania kolejnego.
Na początku 2008 roku jego startup Amyris trąbił planuje wyprodukować miliard galonów rocznie biodiesla na bazie trzciny cukrowej z bioinżynieryjnych mikroorganizmów za jedyne 60 dolarów za baryłkę, a wszystko to w ciągu kilku lat (patrz Poszukiwanie idealnego miejsca dla biopaliw).
Keasling prezentuje najnowocześniejsze laboratoria w JBEI w Emeryville w Kalifornii.
Jednak wraz z opanowaniem recesji gospodarczej z 2008 r. ceny ropy spadły ze szczytu blisko $150 za baryłkę do kilku dolarów nieśmiało 30 $ pod koniec roku. David Berry, wspólnik generalny w firmie venture capital Flagship Pioneering, który w 2005 roku był współzałożycielem LS9 z Keasling, nie może się ekscytować gospodarką odnawialną. umyte przez noc.
I zabrali ze sobą wiele startupów. Większość ocalałych przeniosła się do innych linii biznesowych. LS9 przestawił się na produkcję specjalistycznych chemikaliów i ostatecznie został przejęty przez Renewable Energy Group (patrz Dlaczego obietnica taniego paliwa od Super Bugs Fell Short).
Amyris, który poszedł publicznie w 2010 roku nigdy nie produkowała na skalę komercyjną odnawialnego oleju napędowego. Obecnie koncentruje się na nutraceutykach, pielęgnacji skóry oraz sztucznych smakach i zapachach. Rzecznik odmówił podania ceny, jaką firma była w stanie osiągnąć za paliwo, ale Keasling określił ją na 1,75 dolara za litr – czyli około 6,63 dolara za galon.
Pomimo całego entuzjazmu sprzed dekady, produkcja niedrogich zaawansowanych biopaliw zawsze była odważnym pomysłem.
Na początek musisz sadzić, zbierać plony, suszyć i wysyłać ogromne ilości plonów w tak czysty i zrównoważony sposób, jak to tylko możliwe. A potem zaczyna się trudna część.
Wydobywanie paliw z łodyg i liści wymaga oddzielenia naładowanych energią węglowodanów w ścianach komórkowych rośliny od cząsteczek drzewnej ligniny, które ściśle się wokół nich wiążą, zazwyczaj przy użyciu kwasów, ciśnienia i ciepła. Wtedy potrzebujesz drobnoustrojów, które mogą spożywać te węglowodany, głównie celulozę, i usuwać paliwa. Ale nie są znane żadne naturalnie występujące błędy, które produkują typ, który może bezpośrednio napełnić bak istniejących samochodów, więc naukowcy muszą genetycznie modyfikować te, które mogą.
Pomimo wszystkich wysiłków i funduszy, niektórzy w tej dziedzinie uważają, że w ciągu ostatniej dekady nie poczyniono znacznego postępu w zakresie tych wyzwań.
Powszechnie uważa się, że niewiele się zmieniło, mówi Gregory Stephanopoulos, profesor inżynierii chemicznej na MIT. Droga od celulozy przez cukry do paliwa nie wydaje się dziś bardziej obiecująca.
Dotarcie do 3 galonów
Keasling nie zgadza się, twierdząc, że JBEI i inne laboratoria poczyniły znaczące postępy naukowe. Naukowcy z kalifornijskiego instytutu, który służy jako centrum współpracy sześciu laboratoriów badawczych i uniwersytetów, opublikowali prawie 700 recenzowanych artykułów, zdobyli prawie 30 patentów i uruchomili sześć startupów.
Naukowcy z JBEI mają genetycznie zmienione rodzaje prosa rózgowego i sorgo, dzięki czemu produkują znacznie więcej cukrów i znacznie mniej ligniny niż standardowe rośliny. Opracowali również proces przekształcania ligniny w ciecze jonowe, które są solami rozkładającymi biomasę, zamieniając produkt odpadowy w skuteczne narzędzie do dekonstrukcji roślin.
Wreszcie naukowcy opracowali mikroby, które mogą wytwarzać z tych roślin kilka rodzajów paliw typu drop-in, w tym: pinen , prekursor paliwa do silników odrzutowych; izopentenol , który mógłby służyć jako zamiennik benzyny; oraz bisabolen , który produkuje cholernie dobry diesel, mówi Keasling.
Te wspólne postępy obniżyły koszt galonu biopaliwa nowej generacji z około 300 000 dolarów, kiedy zaczynały, do około 35 dolarów, przynajmniej jeśli były produkowane na skalę komercyjną, mówi Keasling.
Ale oczywiście nikt nie zwiększyłby produkcji paliwa o wartości 35 dolarów za galon, gdy średni galon gazu kosztuje 2,50 dolara. Tak więc teraz laboratorium wchodzi w nowy etap badań, którego konkretnym celem jest zmniejszenie tej luki. W lipcu ubiegłego roku JBEI i inne federalne ośrodki badań bioenergetycznych zapewniły odnowione fundusze federalne w wysokości 25 milionów dolarów rocznie, na tym samym poziomie, który instytut otrzymał od samego początku.
JBEI opracowuje rodzaje prosa rózgowego i sorgo, które wytwarzają znacznie więcej cukrów i znacznie mniej ligniny.
Keasling powiedział, że celem określonym we wniosku JBEI o dofinansowanie było opracowanie biopaliw, które można byłoby produkować za mniej niż 3 dolary za galon w ciągu najbliższych pięciu lat.
Nie wiem, czy dotrzemy tam za pięć lat, mówi. Szczerze mówiąc, byłbym w porządku, gdybyśmy to zdobyli za 10 lat.
Keasling uważa, że kluczem do znacznej części tej poprawy jest lignina, która jest znaczny węgla, ale uparcie się go trzyma. Naukowcy z JBEI będą musieli zmienić rośliny, aby łatwiej było zerwać powiązania ligniny. Następnie muszą zmienić ligninazy, mało poznaną klasę enzymów, o których wiadomo, że rozkładają ligninę, aby wydobyć więcej węgla. Wreszcie, muszą opracować nowe zestawy drobnoustrojów, które mogą przekształcić pozostałe związki w paliwa.
Ostatnim elementem planu przekroczenia progu 3 USD jest opracowanie sposobów na przekształcenie niektórych części zakładu w produkty o wyższej wartości, które mogłyby dotować koszty biopaliw, takich jak środki zmniejszające palność lub materiały do drukowania 3D.
Konkurencyjne wymagania
Według analizy przeprowadzonej przez Międzynarodową Agencję Energetyczną, aby świat miał przyzwoitą szansę na powstrzymanie wzrostu globalnych temperatur o więcej niż 2 ˚C, bioenergia musiałaby zapewnić 17% całkowitego zapotrzebowania na energię do 2060 r., w porównaniu z 4,5% w 2015 r. . Jednak jak dotąd wzrost produkcji jest znacznie poniżej tempa wymaganego do osiągnięcia takich celów. Między innymi podaż biopaliw transportowych będzie musiała wzrosnąć dziesięciokrotnie w nadchodzących dziesięcioleciach.
Szacunki dotyczące tego, ile gruntów będzie wymagało, różnią się znacznie, ale aby biopaliwa zaspokoiły prawie 30 procent potrzeb transportowych do połowy stulecia, 100 milionów hektarów musiałoby zostać przeznaczone na uprawę surowców, stwierdziła IEA w 2011 r. raport . To około jednej dziewiątej powierzchni poświęconej rolnictwu w Stanach Zjednoczonych.
Mamy ogromną liczbę konkurujących ze sobą wymagań dotyczących ziemi, a pomysł, że możemy uwolnić ogromne ilości do produkcji energii z biomasy, najprawdopodobniej napotka ograniczenia, mówi Chris Field, dyrektor Stanford Woods Institute.
Poważnym powiązanym wyzwaniem jest zwiększenie skali zaawansowanych biopaliw w sposób, który znacznie zmniejszy całkowite emisje gazów cieplarnianych, i o to właśnie chodzi. Każdy krok od sadzenia do produkcji jest sam w sobie energochłonny, więc szczegóły tego, jak to wszystko robi, mają ogromne znaczenie. W szczególności naukowcy obawiają się, że jeśli rynek kiedykolwiek się rozwinie, może stworzyć przewrotne bodźce, takie jak zachęcanie rolników do niszczenia lasów, które są ogromnymi pochłaniaczami dwutlenku węgla, aby zrobić miejsce dla tego rodzaju upraw.
Sen żywy
Jednak pomimo tych wyzwań istnieją jasne powody, dla których wiele osób od dawna wierzy, że biopaliwa odegrają dużą rolę w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych. W Stanach Zjednoczonych ponad połowa tego zanieczyszczenia pochodzi z zastosowań transportowych, takich jak samochody, przewozy ciężarowe, transport morski i samoloty. Pomimo pewnych znaczących postępów w pojazdach elektrycznych zasilanych bateriami, znaczna część tego sektora nadal może być zasilana tylko paliwami kopalnymi.
Jeden z ponad 160 badaczy JBEI pracujących w laboratorium.
Jeśli chodzi o mobilne, gęste magazynowanie energii, paliwa płynne są po prostu bardzo trudne do pokonania, zwłaszcza że wokół nich zbudowana jest tak duża część światowej infrastruktury energetycznej, mówi Hanna Breetz, politolog zajmujący się paliwami alternatywnymi i pojazdami z Arizona State University. .
Paliwa płynne będą nadal stanowić dużą część przyszłego systemu energetycznego, zwłaszcza w transporcie, i spodziewam się, że biopaliwa będą częścią tego sektora, mówi.
Nawet jeśli laboratoria poczynią znaczące postępy w ciągu najbliższych kilku lat, może minąć dziesięciolecia, zanim te paliwa przejmą rzeczywisty udział w rynku w branży, w której biliony dolarów są utopione w codziennej działalności związanej z wydobyciem i rafinacją ropy naftowej. Przyspieszenie tej transformacji będzie wymagało znacznie większego wsparcia rządowego, potencjalnie obejmującego cenę węgla, wyższe standardy paliw odnawialnych, limity emisji i więcej, mówi Keasling.
Może to brzmieć jak proszenie o wiele kogoś, kogo laboratorium otrzymało setki milionów z funduszy rządowych i którego startupy przeżyły podobne poziomy inwestycji venture. Ale Keasling mówi, że właśnie tego trzeba będzie dokonać, aby przebudować głęboko zakorzeniony przemysł w skali i szybkości wymaganej do przeciwdziałania rosnącym zagrożeniom klimatycznym.
Martwi go to, że perspektywy takiej polityki w ostatnich latach tylko przygasły. Jednak pomimo politycznych i naukowych niepowodzeń, które nękają poszukiwanie tanich, zaawansowanych biopaliw, pozostaje przekonany, że mogą one zmniejszyć emisje.
Kiedy nasz rząd zdecyduje, że nadszedł czas, aby potraktować to priorytetowo, mówi Keasling, myślę, że biopaliwa mogą odegrać dużą rolę.