盡管對(duì)先進(jìn)生物燃料投資10年顆粒無(wú)收，杰伊·凱斯林（Jay Keasling）仍然不言放棄。

在 2008 年的最后幾周，美國(guó)能源部邀請(qǐng)了眾多官員和媒體參加位于加州埃默里維爾的聯(lián)合生物能源研究所的成立儀式。這座頂尖實(shí)驗(yàn)室位于一座寫(xiě)字樓的頂層，得到了政府 1.25 億美元的資助，承載著人們對(duì)于先進(jìn)生物燃料厚重的希望。

“這里匯聚了最優(yōu)秀的人才，大家共同為當(dāng)下最重大的挑戰(zhàn)而努力，”杰伊·凱斯林說(shuō)道，他是加州大學(xué)伯克利分校的合成生物學(xué)家，也是該研究所的負(fù)責(zé)人。

JBEI (該實(shí)驗(yàn)室的別稱(chēng)，發(fā)音為 jay-bay) 的任務(wù)是利用纖維素來(lái)生產(chǎn)廉價(jià)的生物燃料，這些纖維素來(lái)自于柳枝稷之類(lèi)植物的葉子和根莖而不是玉米之類(lèi)食用作物的谷粒。實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)不只是乙醇，而要開(kāi)發(fā)出一種可以用于標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)、飛機(jī)、輪船和卡車(chē)的碳中和燃料。如果研制成功，這些燃料會(huì)顯著減少溫室氣體的排放和美國(guó)對(duì)于石油的依賴(lài)。

圖 | JBEI正在研發(fā)新品種的柳枝稷和高粱，它們將含有更多的糖類(lèi)以及更少的木質(zhì)素。

凱斯林不遺余力地推進(jìn)著該領(lǐng)域的發(fā)展并為其進(jìn)行宣傳。除了 JBEI，他還和別人聯(lián)合成立了幾家資金充裕的初創(chuàng)公司，希望能將愿景變成現(xiàn)實(shí)，其中就包括 LS9 和 Amyris Biotechnologies。

但是 10 年過(guò)去了，該領(lǐng)域還是一片慘淡。雖然JBEI和其它一些聯(lián)邦政府支持的生物能源實(shí)驗(yàn)室存活了下來(lái)，但是大多數(shù)先進(jìn)生物燃料公司，包括凱斯林自己的公司在內(nèi)，都已經(jīng)放棄了這個(gè)夢(mèng)想。

美國(guó)公司只生產(chǎn)了少量符合布什政府期間制定的可再生能源標(biāo)準(zhǔn)的纖維素燃料，其中多數(shù)都是乙醇，用諸如玉米桿之類(lèi)的農(nóng)作物殘余生成。鑒于這種不足，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署只好每年都對(duì)先進(jìn)生物燃料大開(kāi)綠燈，以保障該行業(yè)正常運(yùn)營(yíng)。

圖 | JBEI 的下一個(gè)目標(biāo)是研發(fā)最終能生產(chǎn)先進(jìn)生物燃料的植物，將價(jià)格壓到每加侖 3 美元以下。

雖然 JBEI 已經(jīng)取得了技術(shù)上的突破，但是如果現(xiàn)在就使用該研究所的農(nóng)作物、技術(shù)和微生物進(jìn)行商業(yè)化擴(kuò)張和生產(chǎn)，這種燃料的價(jià)格將會(huì)是現(xiàn)有燃油的 14 倍。

生產(chǎn)廉價(jià)的先進(jìn)生物燃料要比預(yù)期困難的多?！拔覀兛赡艿凸懒怂碾y度并且做了過(guò)多的承諾，”凱斯林上個(gè)月在 JBEI 的辦公室中接受一次采訪中承認(rèn)。

然而，凱斯林自己并沒(méi)有放棄生物燃料替代汽油、柴油和航空燃油的希望。

“一夜之間完敗”

凱斯林在內(nèi)布拉斯加州的一個(gè)小鎮(zhèn)上長(zhǎng)大，他家擁有一塊玉米地，歷經(jīng)五代人的耕作。在密歇根大學(xué)化工專(zhuān)業(yè)讀研究生時(shí)，他就對(duì)利用基因工程解決大問(wèn)題的研究一直很著迷。隨后，凱斯林前往斯坦福大學(xué)深造，繼續(xù)在該領(lǐng)域開(kāi)展博士后研究，并于28歲出任加州大學(xué)伯克利分校教授。

在伯克利他開(kāi)始從事合成生物學(xué)的前沿研究，將酵母和細(xì)菌轉(zhuǎn)變成可以生產(chǎn)類(lèi)異戊二烯的微型工廠。類(lèi)異戊二烯是一種用來(lái)生產(chǎn)橡膠、抗生素和香水的化合物。他和同事取得的最顯著的成就是：通過(guò)將幾種不同生物的 DNA 導(dǎo)入大腸桿菌和酵母，研發(fā)了一種青蒿素合成前體的生產(chǎn)工藝。青蒿素是少數(shù)幾種有效的瘧疾治療藥物。該成果是合成生物學(xué)領(lǐng)域首個(gè)真正意義上的突破。

青蒿素是一種碳?xì)浠衔铮诜肿咏Y(jié)構(gòu)上和石油很相似，這讓大家很自然地想到了生物燃料這一研究方向。在一次早期的采訪中，凱斯林將這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單的描述為移除幾個(gè)基因，再加上別的基因。

2008年初，他的初創(chuàng)公司Amyris 聲稱(chēng)將使用基因工程菌，以甘蔗為原料每年生產(chǎn)10億加侖的生物燃料，每桶價(jià)格可低至60美元，所有這一切都會(huì)在幾年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

但是隨著 2008 年經(jīng)濟(jì)蕭條的到來(lái)，油價(jià)在年末從頂峰時(shí)期的 150 美元/桶跌到了不到 30 美元/桶。Flagship Pioneering 風(fēng)投公司的普通合伙人大衛(wèi)·貝瑞和凱斯林共同于 2005 年創(chuàng)立了 LS9，他說(shuō)：“當(dāng)油價(jià)低至 30 美元/桶，可再生能源行業(yè)的日子就會(huì)很難熬，債券和股票市場(chǎng)一夜之間遭到了血洗?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;"/>
初創(chuàng)公司也沒(méi)能逃過(guò)一劫。大多數(shù)幸存者都轉(zhuǎn)向了其它領(lǐng)域。LS9 轉(zhuǎn)向生產(chǎn)特殊化學(xué)品，最終被美國(guó)可再生能源集團(tuán)收購(gòu)。

Amyris 于 2010 年上市，它從未大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)可再生柴油，目前專(zhuān)注于生產(chǎn)保健品、護(hù)膚品以及人工香料和香水。公司發(fā)言人拒絕說(shuō)明他們的生物燃料會(huì)是一個(gè)什么樣的價(jià)格，但是凱斯林說(shuō)價(jià)格會(huì)是 1.75 美元/升（約 6.63 美元/加侖）。

盡管 10 年前人們對(duì)生物燃料充滿了熱情，但是生產(chǎn)廉價(jià)生物燃料一直是一個(gè)過(guò)于大膽的想法。

首先，你需要盡可能的以一種清潔并且可再生的方式種植、收割、干燥并且運(yùn)輸大量的農(nóng)作物。接下來(lái)，困難的部分才剛剛開(kāi)始。

從植物的莖稈和葉子中生產(chǎn)燃料需要將植物細(xì)胞壁中攜帶能量的糖類(lèi)和木質(zhì)素分子分離開(kāi)來(lái)，但是這二者的結(jié)合十分緊密。通常，這個(gè)過(guò)程需要用到酸、高壓和熱量。然后，我們需要微生物來(lái)消耗這些糖類(lèi)（大部分是纖維素）以生產(chǎn)燃料。但是沒(méi)有哪種天然微生物能生產(chǎn)可直接供汽車(chē)使用的燃料，因此科學(xué)家首先需要利用基因工程來(lái)制造這些微生物。

“大家都認(rèn)為沒(méi)有取得什么進(jìn)展，”麻省理工學(xué)院化學(xué)工程教授格雷戈里·斯特凡諾普洛斯（Gregory Stephanopoulos）說(shuō)。“從纖維素到糖類(lèi)再到燃料的技術(shù)路線并沒(méi)有變得更有前景?！?/span>

達(dá)到 3 美元 / 加侖

凱斯林不同意這個(gè)觀點(diǎn)，他認(rèn)為 JBEI 和其它實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取得了一些重要的科學(xué)進(jìn)展。位于加州的 JBEI 是六個(gè)實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的聯(lián)合開(kāi)發(fā)中心，該實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)發(fā)表了近 700 篇同行評(píng)議學(xué)術(shù)論文，獲得了近 30 項(xiàng)zhuanli并且創(chuàng)立了 6 家公司。

JBEI 的研究人員改造了柳枝稷和高粱的基因，讓它們能生產(chǎn)更多的糖類(lèi)和更少的木質(zhì)素。它們還研發(fā)了一種將木質(zhì)素轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子液體的工藝，這種離子液體是一種可分解生物質(zhì)的鹽類(lèi)。這樣一來(lái)，他們將廢棄產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成了一種可分解植物的有效工具。

最后，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了可從這些植物中生產(chǎn)幾種“添加式”燃料的微生物，這些燃料包括：航空燃油的前體，蒎烯；汽油的替代物，異戊烯醇；能用來(lái)生產(chǎn)“一種極好的柴油”的甜沒(méi)藥烯，凱斯林介紹道。

他還表示，所有這些技術(shù)進(jìn)步可以將下一代生物燃料的價(jià)格從最開(kāi)始的每加侖 30 萬(wàn)美元降低至 35 美元，至少在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)價(jià)格。

當(dāng)然，當(dāng)平均汽油價(jià)格為 2.5 美元/加侖時(shí)，沒(méi)人會(huì)去大規(guī)模生產(chǎn) 35 美元/加侖的燃料。因此該實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)始新一輪的研究，希望能縮小成本差距。去年 7 月，JBEI 和其它生物能源研究中心獲得了聯(lián)邦政府新一輪的 2500 萬(wàn)美元/年的資助，和該實(shí)驗(yàn)室最開(kāi)始得到的資助量級(jí)相當(dāng)。

凱斯林說(shuō)，JBEI 在基金的申請(qǐng)中提出的目標(biāo)是，在五年內(nèi)研發(fā)出成本小于 3 美元/加侖的生物燃料。

“我不確定我們能在 5 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，”他說(shuō)。“坦率的說(shuō)，如果我們能在 10 年實(shí)現(xiàn)就已經(jīng)很好了?！?/span>

凱斯林認(rèn)為降低成本的關(guān)鍵在木質(zhì)素，它含有大量的碳但是卻難以分解。JBEI 的研究人員必須改變植物的品種，讓木質(zhì)素更易于分解。然后他們還得修改木質(zhì)酶，這是一種少有人研究的酶，可以分解木質(zhì)素，釋放更多的碳。最后，他們需要研發(fā)新型微生物將剩余的化合物轉(zhuǎn)化成燃料。

將價(jià)格降至 3 美元這個(gè)臨界值的最后手段是將植物中的某些部分轉(zhuǎn)化成阻燃劑或 3D 打印的材料這樣的高附加值產(chǎn)品，以補(bǔ)貼生物燃料的成本。

競(jìng)爭(zhēng)性需求

國(guó)際能源署的一項(xiàng)分析指出，為了阻止全球的升溫超過(guò)2℃，生物能源在總能源需求中的占比需要從2015年的4.5%提高到2060年的17%。但是到目前為止，生物能源的產(chǎn)量遠(yuǎn)低于達(dá)到這個(gè)目標(biāo)所需的速度。除此以外，應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)的生物燃料必須在未來(lái)的10年內(nèi)增加10倍。

對(duì)于生物燃料所需土地面積的估算結(jié)果差別很大，但在國(guó)際能源署于2011年發(fā)布的一份報(bào)告中寫(xiě)道，為了使生物燃料在本世紀(jì)中葉占到運(yùn)輸業(yè)所需燃料的近30%，必須有1億公頃的土地專(zhuān)門(mén)用來(lái)種植原料。這相當(dāng)于美國(guó)農(nóng)業(yè)用地的九分之一。

“土地資源緊張，拿出大量的土地來(lái)生產(chǎn)生物能源這樣的想法很可能會(huì)受到限制，” 斯坦福大學(xué)森林研究所主任克里斯·菲爾德（Chris Field）說(shuō)。

這項(xiàng)技術(shù)還面臨著一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即以何種方式擴(kuò)大生物燃料的使用達(dá)到顯著減少總溫室效應(yīng)的目的，這也是使用生物燃料最初的動(dòng)機(jī)。從種植到生產(chǎn)的每一步本身都是能源密集型產(chǎn)業(yè)，因此生物燃料對(duì)溫室效應(yīng)總的影響很重要。尤其是，研究人員擔(dān)心如果市場(chǎng)真的得以打開(kāi)，人們可能會(huì)受到不當(dāng)?shù)睦骝?qū)動(dòng)，例如農(nóng)民可能會(huì)將森林夷為平地以種植農(nóng)作物，而森林是一種巨大的碳庫(kù)。

夢(mèng)想長(zhǎng)存

盡管要面對(duì)這些挑戰(zhàn)，很多學(xué)者依然相信生物燃料將對(duì)削減溫室氣體排放起到重要的作用。在美國(guó)，超過(guò)半數(shù)的溫室氣體排放來(lái)自交通工具，如汽車(chē)、卡車(chē)、輪船和飛機(jī)。盡管電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)了顯著的收益，但是該行業(yè)的很多領(lǐng)域依然需要使用化石燃料。

亞利桑那州立大學(xué)專(zhuān)注于替代能源和車(chē)輛的政治學(xué)者漢娜·布里茨（Hanna Breetz）認(rèn)為，在可移動(dòng)式密集能量存儲(chǔ)領(lǐng)域，液體燃料很難被打敗，尤其是全球有那么多的能源基礎(chǔ)設(shè)施都是圍繞著液體燃料而建設(shè)的。

“液體燃料還將繼續(xù)是能源系統(tǒng)中的重要組成部分，尤其在交通業(yè)，同時(shí)我希望生物燃料也會(huì)在交通業(yè)有一席之地，”她說(shuō)道。

即使在未來(lái)幾年中生物燃料會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中取得顯著進(jìn)展，但是要想在交通業(yè)中獲得真正的市場(chǎng)份額，仍然要等數(shù)十年，畢竟每天都有數(shù)萬(wàn)億美元投入到石油的開(kāi)采和精煉中。凱斯林認(rèn)為，加速這種轉(zhuǎn)變的進(jìn)程需要更多來(lái)自政府的支持，可能包括對(duì)碳排放定價(jià)、更高的可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)、排放限制等。

凱斯林的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)獲得了政府?dāng)?shù)億美元的資助，他的初創(chuàng)公司也獲得了同等量級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)投資，上面的話聽(tīng)起來(lái)就像是他還在提出更多要求。但是凱斯林表示，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的發(fā)展速度和規(guī)模，逆轉(zhuǎn)日益嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害并改革一個(gè)根深蒂固的行業(yè)，就是需要這樣的投入。

令他擔(dān)心的是最近幾年這種政策的前景很暗淡。但是盡管廉價(jià)的先進(jìn)生物燃料遇到了政治和技術(shù)層面失敗帶來(lái)的困擾，他仍然相信生物燃料有潛力減少溫室氣體的排放。

“當(dāng)我們的政府決定是時(shí)候優(yōu)先進(jìn)行溫室氣體減排后，”凱斯林說(shuō)，“生物燃料將會(huì)發(fā)揮大作用。”