細菌能變石油?如何激發能量?

2008年01月29日11:09  來源:科技日報

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  德國人卡爾·奔馳研制的第一台以汽油為動力的汽車於1886年1月29日獲得專利,從此汽油汽車風靡全球,燃燒汽油作為動力也似乎成為天經地義的事,然而世界經濟論壇評出的“2008年科技先驅”,卻赫然將細菌“開動”小汽車列入其中。我們是否正在告別汽油汽車時代?真正環保的汽車是否正向我們走來?

  細菌是怎麼激發能量的?

  細菌、基因與汽車之間有何關聯?美國LS9公司就從這三者之間,找到了一把開啟能源寶藏的“金鑰匙”。LS9成立於2005年,創立者是哈佛大學一名遺傳學專家和斯坦福大學一名植物生物學家。他們發明了一種合成生物學的方法,利用生物工程技術,對包括大腸杆菌在內的不同菌株進行了遺傳改造,促使這些微生物充分釋放植物中蘊藏的能量,並最終將這些能量轉換成汽油替代物。

  中國科學院微生物研究所馬延和研究員以我們比較熟悉的乙醇為例,向記者介紹了這種新能源的產生過程:“它的基本路線和燃料乙醇是一致的,但最終產品不同。乙醇主要是利用玉米澱粉或其它碳水化合物加入?,水解轉化為單糖,再通過酵母菌發酵生成﹔而制造這種新能源時,也是以可發酵糖為原料,通過改造細菌的基因,延長生產碳氫化合物的代謝途徑,使中間產物脂肪酸進一步生成最終產品———可以作為燃料的脂肪烴。它的突破正在於對一種新細菌的改造與利用。”

  LS9公司有時會使用標准DNA重組方法將基因插入微生物基因中,有時他們也會用計算機重組這些已知基因或者合成它們。構建的基因工程菌會按照公司要求的鏈長和分子結構來合成分泌碳氫化合物分子。LS9公司負責研究開發的副總裁說,公司可生產成百上千種不同的碳氫化合物分子。這項工藝可生產不含硫的原油,然后通過標准的煉制方法生產汽車燃料,噴氣機燃料,柴油機燃料或者其它石油產品。

  “可再生石油”比乙醇好在哪?

  用玉米、甘蔗等植物生產乙醇來代替汽油,早已成為一種產業化技術,但一直面臨推廣障礙。“乙醇比普通汽油更環保,成本更低,但要把汽油換成乙醇,並不容易,因為整個汽車行業可能都要為此‘傷筋動骨’,”LS9現任總裁羅伯特·沃爾什解釋說:“由於乙醇的腐蝕性,汽車發動機需要改裝,全世界的輸油管道也都要更換成耐腐蝕材料。”而LS9利用微生物技術生產的“可再生石油”,成功破解了這些難題。沃爾什認為,“可再生石油”的真正優勢就是不浪費現有的基礎設施。“它不僅可以直接利用現有的輸油管道輸送,還能為你心愛的跑車提供比其它生物燃料更強勁的動力。”

  馬延和研究員談到,相較醇類而言,烴類作為燃料更具有優勢,LS9公司的這項技術重構了微生物的自然代謝途徑,產生的烴類燃料熱值更高,同時與現有石化工業接軌比較容易,對汽車發動機改進的要求也較低,但由於技術還不夠成熟,產品的市場化應用尚需時日。

  據了解,生產碳氫化合物比酒精的效率要高,因為每加侖碳氫化合物所含的熱量要高大約30%,而生產所用的能量卻少些。酵母產乙醇需要用蒸餾的方法除去其中的水分,但細菌發酵產生的碳氫化合物容易與水分離,所以生產乙醇比碳氫化合物多需要約65%的能量。

  哪種植物與細菌才“夠格”?

  為了確保糧供應,我國已經明確規定不再審批新的以糧食為原料的乙醇加工廠,纖維素和半纖維素將成為生物燃料的主要原料。那麼,什麼樣的植物才具備成為燃料原料的前提條件呢?

  “首先是量要大,價格要低,不與食品、飼料競爭﹔同時,要考慮它與生態系統的關系,也就是說對環境要友好,不影響其它植物的生長﹔它最好還是不佔用耕地而能利用其他邊際土地的,節水節肥不易招虫的……”

  聽到這記者不禁問:“有這樣的植物能同時滿足這麼多條件嗎?”

  “這就需要根據地域特色進行多樣性的布局。比如在潮濕的灘涂地區可以選擇蘆葦,因為它生長快,光合作用強,也不需要太多的肥料﹔山區的話一般選常年生的樹木,而耐旱則是對干旱地區備選植物的起碼要求。目前國外比較重視的有柳枝稷、芒草、蘆葦、胡麻、木薯等等。”

  馬延和研究員補充說:“對微生物來說,它應當有相關的基礎代謝途徑,生產率要高,非致病,容易規模化培養,便於人為改造。符合條件的細菌可以稱為‘能源微生物’,符合條件的植物叫做‘能源植物’。”

  汽車新燃料劍指何方?

  如今,LS9公司已吸收到2000萬美元投資,不少生物燃料研究和利用領域的專家十分看好“可再生石油”的前景。2008年公司將要在加利福尼亞建立中試車間來測試和完善生產工藝,並希望能在未來三到五年內可出售生物柴油或者用於煉制的合成的生物原油。沃爾什表示,公司將在2010年前后實現“可再生石油”的規模化生產,為此,研究人員們面臨的緊迫任務就是將每桶“可再生石油”的成本從目前的三位數,降低到45至50美元。“環保因素,加上價格優勢,我們的產品將足以與石油競爭。”沃爾什說。

  “我們國家也在開展類似的研究,包括用微生物發酵生產碳氫化合物,目前尤其鼓勵利用纖維素降解制乙醇,也在開發乙醇的升級產品丁醇。由於這些燃料的原料是植物,它燃燒時排放的二氧化碳都是植物本身在進行光合作用時吸收的二氧化碳,所以可將二氧化碳的淨排放視為零。”馬延和研究員告訴記者。

  “在開發汽車新能源的研究中,微生物還能起什麼作用?”

  “還可以利用微生物制氫,再進一步制成氫燃料電池﹔此外,微生物發酵可以產生沼氣作為燃料,微生物也能在制造生物柴油中發揮作用。”

  馬延和研究員最后說,從國際上看,我國研制生物燃料的水平是落后的,在能源植物的選擇和培育上需要進一步加強總體布局和規劃,在微生物菌種改造的新技術應用方面差距也比較大,但我們正在不斷努力。工業經濟是依靠化石能源的“化石經濟”,如果生物燃料能大范圍地取代石油,那麼將催生出一種全新的經濟模式。 

      ■新聞緣起

  哈佛大學一名遺傳學專家和斯坦福大學一名植物生物學家發明了一種方法,利用生物工程技術,改變一些細菌(如大腸杆菌)的基因,促使這些變異微生物充分釋放植物中蘊藏的能量,並最終將這些能量轉換成汽油替代物。

  人類一直在探索各種從生物中提取能源的方法,試圖用玉米、甘蔗等生產乙醇代替汽油,減少二氧化碳的排放。這看上去很美,但卻不適合推廣使用。因為乙醇會對輸油管道產生腐蝕性,若要換成乙醇汽油,全球的汽車發動機需要改裝,整個汽車行業要為此“傷筋動骨”。而且,輸油管也都得更換成耐腐蝕材料,成本實在太高。

  而美國LS9生命科技公司利用微生物的“可再生石油”,成功破解了這些難題。他們認為,“可再生石油”的真正優勢就是不浪費現有的基礎設施。“它不僅可以直接利用現有的輸油管道輸送,還能為你心愛的跑車提供比其他生物燃料更強勁的動力。”預計它在2010年左右可投入規模化生產。(據新華網)

  ■相關鏈接

  細菌釋放出清潔的氫燃料


  研究人員日前表示,給細菌投喂醋與污水,再對其施以短促電擊,細菌將能釋放出清潔的氫燃料,用於車輛“加油”,以替代現有的汽油。

  賓夕法尼亞州立大學的布魯斯·洛根(BruceLogan)指出,這種所謂微生物燃料電池,能將幾乎所有可分解的有機材料,轉化為零排放的氫氣燃料。與現在的氫能源汽車相比,這項技術更具環保優勢。因為現有氫汽車燃料所用的氫通常來自化石燃料,即使車子本身不釋放溫室氣體,但在原料生產加工過程也會排放。洛根通過電話採訪說:“這是一項利用可再生有機物質的方法,隻要材料可以生物降解,並且能夠產生氫就可以。”

  這項技術比水電解更為高效,因為水的電解會產生氧氣跟氫氣。洛根說:“這個技術的耗能僅是水電解的十分之一。”細菌做了大部分的工作,分解有機材料,釋放出亞原子微粒,因此所需的電量只是把這些微粒形成氫氣。

  洛根表示,產生的燃料雖然是氣體,而不是液體,但仍可以用作車輛“加油”。整個過程用到纖維素、葡萄糖、醋酸鹽以及其他揮發性酸類。唯一的排放物僅僅是水。

  中國能源科技發展的戰略路線圖

  從中國未來經濟社會發展的戰略需求出發,前瞻世界能源科技發展前沿,制定中國能源科技發展的戰略路線圖,是建設中國能源可持續發展體系、實現能源結構優化目標的重要保証。

  這一路線圖包括近期(至2020年)重點發展節能和清潔能源技術,提高能源效率,力爭突破新一代零排放、多聯產整體煤氣化聯合循環、增壓流化床聯合循環技術等,解決CO2捕捉、儲存與利用的關鍵技術並進行技術示范,推進煤炭高效液化技術、煤基醇醚和烯烴代油技術進入工程示范和大規模應用階段,積極發展安全清潔核能技術和非水能的可再生能源技術,前瞻部署非傳統化石能源技術。

  中期(2030年前后)重點推動核能和可再生能源向主力能源發展。

  遠期(2050年前后)建成中國可持續能源體系,總量上基本滿足中國經濟社會發展的能源需求,結構上對化石能源的依賴度降低到60%以下,可再生能源成為主導能源之一。重點發展可再生能源技術規模化應用和商業化,力爭突破核聚變能技術。 (記者 黃橙)

(責編:張文君)
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