FoodPro Preloader

Den neste generasjonen av biodrivstoff


Amerikanerne brenner gjennom 140 milliarder liter bensin i året. Og selv om sjåførene bytter til mer drivstoffeffektive biler og lastebiler, forventes nasjonens drivstoffbehov å øke med en femtedel i løpet av de neste 20 årene, takket være dramatiske økninger i bruk av bil og fly. Derfor er det i tillegg til å utvikle solenergi, vind og geotermisk energi, politiske beslutningstakere, inkludert president Barack Obama, talsmann for biodrivstoff for å forandre transportkulturen. De snakke

Amerikanerne brenner gjennom 140 milliarder liter bensin i året. Og selv om sjåførene bytter til mer drivstoffeffektive biler og lastebiler, forventes nasjonens drivstoffbehov å øke med en femtedel i løpet av de neste 20 årene, takket være dramatiske økninger i bruk av bil og fly. Derfor er det i tillegg til å utvikle solenergi, vind og geotermisk energi, politiske beslutningstakere, inkludert president Barack Obama, talsmann for biodrivstoff for å forandre transportkulturen.

De snakker ikke om etanol fra mais, men som allerede har vist seg å være søppel og miljøskadelig. I stedet er øynene på en håndfull høyteknologiske laboratorier rundt i USA som perfeksjonerer måter å gjøre tilsvarende til bensin og diesel fra de laveste livsformer på totempolen: gjær, alger og bakterier. Utfordringen er å få nok av disse drivstoffene økonomisk og i en form som er kompatibel med dagens kjøretøyer.

Når neste generasjon biodrivstoff blir tilgjengelig, kan du svinge av den lokale energistasjonen og fylle opp en væske som er nesten identisk med bensin. Det ville bli laget av amerikanske selskaper, ikke sendt fra Midtøsten. Og selv om biodrivstoff frigjør karbondioksid når de blir brent, blir de organismer de er laget av, trekke en tilsvarende mengde karbondioksid fra luftbårne biodrivstoff, som er i hovedsak karbon-nøytral.

Går utover mais
Bensin er raffinert fra råolje. Do-it-yourselfers som ikke vil stole på oljeselskapene, har gått for å utdype lengder for å kjøre sine gamle biler på biodrivstoff, ofte ved å behandle brukt vegetabilsk olje som er reservert fra restaurantens frityrkokere og lagre resultatet i en tank i garasjen . I kommersiell skala er dagens viktigste biobrensel etanol, også kjent som kornalkohol. Det er laget av gjæring av maiskjerner - en biologisk prosess som ligner den som gir oss øl og vin. Sett mais og gjær sammen i et stort fat, og gjæren spiser sukker i kornet og produserer etanol og vann. I dag inneholder mer enn 40 prosent av bensin som selges i USA etanol - vanligvis premixet med bensin for å lage en blanding som heter E10 som er 90 prosent bensin, 10 prosent etanol. På noen få områder, først og fremst Midtvesten, er en blanding som er 85 prosent etanol (E85) også solgt til bruk i kjøretøy med såkalte flexbrenselmotorer.

Korn har vært det råmaterialet du har valgt fordi gjæring er en bevist prosess og på grunn av statlige tilskudd. Landbruksindustrien, som er sterkt gift med etanol, har vært i stand til å overbevise regjeringen om å få tilbake sine interesser. Men de fleste forskere er enige om at etanol-eksperimentet ikke har gått veldig bra. Ifølge en studie publisert av Cornell University forsker David Pimentel, er det nødvendig med 21 pund mais for å produsere bare en liter etanol. Og oppdrett som korn krever en halv liter fossilt brensel.

Så ikke bare kan produksjonen av maisbaserte brennstoffer føre til matmangel, sier eksperter, men prosessen er for ineffektiv for å gjøre en betydelig dugg i våre energibehov uansett. "Når du ser på hva vår etanolproduksjon er og sammenligner det mot hva vår etterspørsel etter transportbrensel er, vil vi ikke komme dit, sier Virginia Lacy, en biodrivstoffkonsulent ved Rocky Mountain Institute, en ideell energipolitisk organisasjon i Colorado .

De fleste forskere er enige om at det er på tide å tømme maisbasert etanol, men de har to motsatte teorier om hvordan man skal fortsette. Jay Keasling, en kjemisk ingeniør ved University of California, Berkeley, er en av flere etterforskere som prøver å lage etanol og relaterte drivstoff fra planter som switchgrass, som vokser raskt og motstår mange skadedyr og sykdommer. Hans største utfordring er å få gjær og andre eksperimentelle mikrober for å fordøye hele planten, inkludert stenglene, som er tøffe å bryte ned. Et annet stikkpunkt for Keaslings metode er at planter krever mye plass, for ikke å nevne tid, å vokse: etterspørselen etter plantebaserte brensel kan overgå vår evne til å produsere dem.

Det er derfor en annen gruppe av forskere, inkludert J. Craig Venter, entreprenør og biolog, hvis institutt for genomforskning i Rockville, MD, spilte en nøkkelrolle i kartlegging av menneskelige genomskader for en sterkere tilnærming. Disse forskerne mener at de beste biodrivstoffene vil omgå grøntplantager - kutte mellemannen helt ut avhengig av alger og noen få mikroorganismer som har en planteknikk for direkte og effektivt å snu sollys inn i energi gjennom fotosyntese. Ordningen har ennå ikke blitt bevist i stor skala. "Jeg har ikke sett noen virkelig gjør en rettferdig beregning av hva alger kan gjøre, " sier Keasling, "og til jeg ser det, er jeg ikke overbevist."

Uansett metode, må forskerne forbedre Mother Nature for å lage en vellykket biobrensel, tinkering med eksisterende mikroorganismer eller til og med å bygge splitter nye. Dusinvis av oppstart produserer brensel fra nye stammer av gjær, alger og bakterier. Flere lover at de i 2011 vil ha produsert bensin eller dieselstatninger som kan pumpes direkte inn i biler. Og selv om disse biodrivstoffene trolig først vil bli levert sammen med tradisjonell bensin eller diesel - så er E10 i dag - en dag kan vi bruke dem alene og si farvel til petroleumsbasert bensin for alltid.

Fra BioWillie til Q Microbe
Keaslings idé om moro er å gjøre mikroorganismer gjøre merkelige ting. "Jeg vil se hvor mye vi kan justere celler og sonde grenser for naturen, " sier han. Mikrober er perfekte små fabrikker fordi de kan bli konstruert for å utføre praktisk talt enhver kjemisk reaksjon. De replikerer også på egenhånd, mens kjemiske reaksjoner i laboratoriet krever en forskers nærvarende oppmerksomhet. Siden Keasling ble med i Berkeley-fakultetet i 1992, har han utviklet bakterier for å produsere livreddende malariamedikamenter og biologisk nedbrytbar plast og for å bryte ned en rekke miljøforurensninger.

Nå har Keasling blitt oppmerksom på energi. I desember 2008 ble han og hans kolleger på Emeryville, Calif. -Baserte Joint BioEnergy Institute, en av tre nye institutter for energiforskning, utviklet bærekraftige biodrivstoff, endret en felles gjærstamme slik at det kunne generere fordøyelsesenzymer som vanligvis brukes av fire forskjellige mikroorganismer . Den jazzed-up gjæren kan fordøye mer av cellulose plantemateriale, pumpe ut opptil 10 ganger så mye biobrensel.

Keasling vokste opp på en mais gård i en liten Nebraska by, så han forstår nedsiden av maisbasert etanol. Bønder gjør brennstoffet ved å kjemisk behandle kornkjerner for å isolere sukkene og deretter mate sukkerene til gjær, som fordøyer dem og utskiller etanol. Ikke bare går maisskallene og stenglene bort, men etanolproduksjonen har drevet opp prisen på mais som brukes til mat ved å redusere tilgjengeligheten. Miljøvernere har også blitt kritiske til bruk av mais, sukkerrør og andre landbruksavlinger fordi de vanligvis trenger mye ferskvann, fossilt brenselrik gjødsel og jord å vokse. Keasling designer nye former for gjær, bakterier og arkea-tre typer enkeltcellede organismer - med spesielle fordøyelsessystemer som kan bryte ned de komplekse stivelsene kjent som cellulose som ikke bare finnes i cornstalks, men i mange gress, busker og trær. Fordi disse plantene ikke er matavlinger, vil de ikke forringe matforsyningen. Hvis vi noen gang håper å erstatte en stor brøkdel av bensin med biodrivstoff, "det kommer til å være gjennom planter, " sier han.

Keasling ser også på å utvikle mikrober for å produsere det han kaller "andre generasjons" biodrivstoff som butanol, isopentanol og heksadekan. Selv om de er like i struktur til etanol, oppfører disse brensene seg mye mer som bensin. De inneholder mer energi per volum; en bil kjører på en gallon etanol vil gå bare 67 prosent så langt som en bil på en gallon bensin; på butanol, kan det gå 80 prosent så langt. Og i motsetning til etanol, kan disse drivstoffene brukes direkte i jet- og dieselmotorer.

Andre innovatører tar lignende tilnærminger. To California-baserte selskaper-Amyris Biotechnologies, som Keasling medstifter i Emeryville i 2003, og LS9 i San Carlos-har konstruert bakterier for å spise planter og utskille biodiesel. Biodiesel er best kjent som drivstoff laget av resirkulert vegetabilsk olje, den typen som brukes av miljøvernere som sanger Willie Nelson, som kaller det "BioWillie." Men vi spiser bare ikke nok pommes frites for å gjøre store mengder drivstoff på denne måten. Qteros, et selskap basert i Hadley, Mass., Bruker en proprietær bakterie som kaller "Q-mikroben" for å bryte ned celluloseplanter og konvertere dem til etanol. Gevo, et bioteknisk firma i Englewood, Colo., Er ingeniørbakterier for å lage isobutanol fra sukkerrør og celluloseavfall. "Dette er ikke en drøm, " sier Frances Arnold, en kjemisk ingeniør ved California Institute of Technology og en av Gevos grunnleggere. "Teknologien fungerer bra."

Faktisk er biodrivstoff egentlig ikke en strekningsmann har brukt mikroorganismer til å gjære planter i etanol siden steinalderen begynte å lage øl rundt 10.000 f.Kr. Dagens arbeid hengsler på engineering en perfekt mikrobe som vil spise hele en plante, behold bare litt av denne maten for seg selv og spy ut resten som et brensel med høy energi. "Vi er på et punkt i biologi, " sier Keasling, "der vi ikke må godta hva naturen har gitt oss."

Pond Scum Revisited
Andre forskere hevder at gjæring ikke er den beste måten å lage drivstoff på. Venter mener at hans mer fremtidsrettet tilnærming vil seire. Den "mest spennende" biodrivstoffen, sier han, vil bli laget av mikrober som, når de blir utsatt for sollys, forbruker karbondioksid og slår den direkte til energi - tilsvarende oppgradering til direkteflyselskap fra en som hadde et langt stoppested. Ideen kan høres for godt til å være sant, men Venter, som er kjent for sin rastløse ambisjon, sier det er mulig.

Jordens energi kommer fra solen. En times sollys er nok til å møte et års verdi for menneskelige energibehov. Men mindre enn en tiendedel av 1 prosent av den energien er fanget av planter. Venter og andre forskere eksperimenterer med fotosyntetiske mikrober som alger og cyanobakterier (noen ganger referert til som blågrønne alger). Ikke bare fjerner disse mikrober karbondioksid fra luften, de vokser også raskt. Noen former dobler på bare 12 timer, mens gress og andre store planter kan ta uker eller måneder for å gjøre det. Fotosyntetiske mikrober lagrer også mye fett, som danner grunnlaget for drivstoff. Biolog Willem Vermaas fra Arizona State University nylig konstruerte cyanobakterier for å akkumulere opptil halvparten av sin tørre vekt i fett; Bare ved å åpne opp cellene, kan han høste de lagrede fettene og konvertere dem, i noen få enkle trinn, til biobrensel. Noen planter, for eksempel soyabønner, lagrer også fett og kan brukes som drivstoffkilder, men Bruce Rittmann, Vermaas kollega i Arizona State, hevder at fotosyntetiske mikrober produserer nesten 250 ganger mer fett per acre.

Konseptet med algerbasert drivstoff er ikke akkurat nytt, og det er fulle av problemer. I 1978 begynte DOE å prøve å lage biodiesel fra alger, men programmet avsluttet 18 år senere etter at regjeringen konkluderte med at konseptet ikke var økonomisk mulig. Alger og cyanobakterier er kompliserte critters: selv om de kan vokse i åpne dammer, kan uønskede mikrobielle stammer lett forurense vannet og forstyrre veksten av drivstoffdannende stammer. Venter alternativ er å vokse alger i gjennomsiktige, utendørs fartøy kalt photobioreactors, men disse beholderne er dyre å bygge og vedlikeholde. De må også bygges slik at den riktige mengden sollys treffer dem for mye eller for lite bremser veksten. Dessuten krever mikroberene og suger ut de lagrede fettene miljøvennlige løsningsmidler, og nye organismer må dyrkes for å erstatte de høstede.

Venter sier at hans nyeste selskap, Synthetic Genomics i La Jolla, California, er godt på vei for å overvinne en av hindringene: Mikrobene kan gjenbrukes flere ganger fordi han har konstruert dem til å slippe ut fett i stedet for å lagre det. I tillegg har han funnet en måte å forhindre uønsket spredning av disse organismer på hvis de noen gang tilfeldigvis slippes ut fra et anlegg; de kan overleve bare hvis de blir matet en kjemikalie de ikke kan produsere på egen hånd. Syntetisk genomikk vil snart teste tilnærmingen på et kommersielt nivå. "Vi har hatt noen virkelig store gjennombrudd, " sier Venter.

Sikret spill i et high-stake spill
Andre selskaper er også godt på vei. San Diego biotechfirma Sapphire Energy hevder at det kunne selge bensin laget av alger innen 2011. Solix Biofuels, en oppstart basert i Fort Collins, Colo., Planlegger å ha sitt første pilotanlegg som kjører i sommer. "Mange sa at vi aldri ville fly, vi ville aldri gå på månen, lyspæren ville aldri fungere. Det som trengs, er mye disiplin og flid for å gå videre, sier Rich Schoonover, Solix sjef driftsleder.

Så hvilken slags mikrobe vil redde jorden? Samir Kaul, en partner hos Khosla Ventures, et venturekapitalfirma i San Francisco Bay Area som støtter oppstart som forfølger begge tilnærminger, sier at selskapene som overlever vil være de som drivstoff kan konkurrere med olje på $ 40 per fat. Venter er enig: "Jeg tror det kommer til å ende opp med å være den største utfordringen: Kan vi bygge disse virkelig store fasilitetene og gjøre det på en kostnadseffektiv, miljøvennlig måte?" Det er et highstakes-spill, og selv forskerne sikrer deres innsatser; Noen av Vents prosjekter innebærer cellulose biodrivstoff, ligner på hva Keasling gjør. Og til tross for Rittmanns tro på cyanobakterier, jobber han også med andre mikrober.

Den som produserer rikelig med biodrivstoff, kan ende opp med å gjøre mer enn bare store penger - de vil lage historie. "Selskapene, landene, som lykkes i dette, vil være de økonomiske vinnere i neste år i samme grad som de oljerike landene er i dag, " sier Venter. Han foreslo selv på sin karakteristiske måte at disse selskapene og nasjonene kunne ende opp med å tenne på en ny industriell revolusjon - en av drivkraften i behovet for å forkaste de miljømessige konsekvensene av den første.

Denne artikkelen ble opprinnelig utgitt med tittelen "The Next Generation of Biofuels" i SA Special Editions 19, 1s, 46-51 (mars 2009)