生物能源在加州

2009-08-28 02:21 作者:何维瑰

生物燃料是目前新能源研发的热点之一。生物能源的直接来源是太阳能，使用的能源媒介是碳。植物通过光合作用积累太阳能，吸收二氧化碳。植物被收割、处理后，以各种不同的方式来提供能源。能源最终消耗后，二氧化碳又被排放到了大气中，完成碳的循环。生物燃料包括所有从生物材料，如玉米、木头、稻秆或麦杆等，通过生物发酵等方法提取的能源形式。从实践角度来讲，只有那些适合大规模生产，产量比较高的植物才适合作为生物能源。目前，已研制成功并投入使用的植物油燃料有菜籽油、棉籽油、棕榈油、豆油、甲醇酯混合油等。液体生物质能源，最有名的就是生物柴油和生物酒精。

生物柴油
生物柴油的来源，是植物油和动物脂肪。植物油和动物脂肪里面含有长链脂肪酸，长链脂肪酸经过酯化反应以后，得到的液体和柴油有很多相似的地方，可以作为柴油的替代燃料使用。由于原料来源于生物，又像柴油，所以这种燃料就被称为生物柴油了。生物柴油热门的主要原因之一，就是不需要对发动机以及燃料进料系统进行大的改动。生物柴油可以在柴油机车上使用，但不能用于一般的汽油机车。

在传统的柴油发动机里面，生物柴油表现的性能和传统柴油差不多。生物柴油中的富氧可以加快燃烧速度，燃料的性质与轻柴油接近，但发动机喷油系统金属会受到甲酯的腐蚀，车子跑起来不那么快。美国能源部和农业部的一项研究表明，在生物柴油的整个生命周期里面，排放的二氧化碳总量仅仅是传统柴油排放的二氧化碳的22%。使用生物柴油，氮氧化物排放与传统柴油相当，排放物导致的臭氧生成量只是传统柴油的一半，一氧化碳排放量也显著降低，几乎没有什么芳香烃排放，也没有二氧化硫，颗粒物也少了很多，可以被称为清洁燃料。科学家指出，美国主要是以国内盛产的黄豆炼制生物柴油。研究替代能源多年的康乃尔大学生态及农业科学教授皮曼塔，对生物柴油的评价极高。他说，根据目前的实验结果，1.5加仑（5.7公升)黄豆可以炼制一加仑生物柴油。皮曼塔指出，此一程序单只生产成本即达每加仑1.8美元左右，已超过目前市售车用柴油的价格，因此若能改善提炼效率、显著降低生产成本，应可吸引经济规模生产所需的投资。壳牌石油公司和德国科冷工业公司正在生物燃料市场进行合作，使生物燃料规模化、商业化。

加州是美国著名的农牧业区，史瓦辛格日前访问中部农业大镇佛瑞斯诺时，亲自驾驶一辆利用"生物柴油"产生动能的轻型货卡到田间收成。当地盛产的豆类是提炼生物柴油的主要原料。如今行驶于美国西部最繁忙的洛杉矶-长堤港区的不少货卡，经过环保单位疏导后，现在都乐于遵照加州能源法，尽量采用生物柴油，以配合降低空气污染的要求。目前在湾区，柏克莱市已在城市公交系统使用生物柴油，并大大的降低了温室效应的污染。波西菲卡市计划在它的城市污水处理系统内使用生物柴油。旧金山市长纽森前些时也推出名为"旧金山油回收"(SFGreasecycle)的废油回收计划。旧金山市拥有1,600多辆公车，正被改装，成为能利用生物能源的汽车。纽森签署的执行令，要求改装工程在年底完成。计划初期，旧金山将通过承包商购买生物柴油，之后，城市的废油回收预计将供应全部公车。

加州伯克利有一个加油站叫生物燃油绿洲。那里的油是用过的食用油制成。这个加油站由五个妇女共同经营，是一个合作项目。自从生物绿洲加油站2003年开业以来，大约有2500名顾客到这个加油站来加油。绿洲加油站出售的生物柴油来自加州北部利用回收菜油生产燃油的唯一一家商业炼油厂。该公司2001年开始营业，目前每天生产大约3700升生物柴油。该公司拥有一个使用生物柴油的卡车队，这些卡车从北加州大约700家饭店那里搜集用过的食用油。这些油被运到处理工厂后就会经过一个加工程序，其中包括过滤，快速搅拌、高温和去除食物残渣和水分清洗过程。分离出来的食品被合成肥料。经过过滤的油便开始它的转换过程。植物油分子经过甲醇和钾的氢氧化物，也被称作灰汁，处理后即被分解。

生物酒精
生物乙醇通常由玉米或生物物料（如农产品废料）制成。大多数在美国使用的乙醇是通过玉米发酵工艺制作的。在生物燃料中，乙醇应该算是推广得比较好的替代能源之一。E85是一种含85％的乙醇和15％汽油的混合燃料。目前总部位于底特律的三大美国汽车公司，通用、福特和克莱斯勒，均积极推动E85的使用，他们已经投入生产几百万辆"复合燃料"（Flex-Fuel）汽车，这种车能使用E85或汽油行驶。在巴西，有50%的汽车可以百分之百地使用乙醇。作为车用燃料，生物丁醇和生物乙醇相比，有很多优点：丁醇能量密度只比汽油低10%；输送方便；辛烷值比汽油好。挥发性差，损失小。丁醇含氧比乙醇低，理论上讲，在不对发动机进行大的改动的条件下，丁醇可以完全替代汽油。目前最成熟的丁醇生产方法使用的原料和乙醇都一样，如甜菜、甘蔗、玉米、麦子等，只不过使用的发酵微生物不同，工艺上差不多，设备也都可以套用。

第二代生物燃料
目前人们还是选用玉米、甘蔗等较易分解成为醣类的作物作为生物乙醇的生产原料，而富含纤维素的木材等，则因为缺乏将纤维素高效转换成醣类的方法，象富含纤维素的木材等，则而无法作为大规模工业生产生物乙醇的原料。这在全球粮食供应日益紧张的今天，成为发展生物燃料的一个瓶颈。

纤维素降解物
利用纤维素大量生产生物燃料，将使现在面临的"与人争粮"的问题得到妥善的解决。麻萨诸塞大学的化学工程教授乔治·.哈伯指出："真正的挑战是第一代生物燃料，因为你是利用玉米之类的农产品来直接生产生物燃料。然而到了第二代生物燃料，也就是所谓的纤维质生物燃料，你是用不可食用的生物原料来制造生物燃料。也就是说，你是利用农业废弃物或能源作物来制造生物燃料，这样你就不再跟粮食生产形成矛盾了。"

哈伯说，纤维质生物原料既丰富又便宜，假如生物燃料将在满足世界能源需求方面发挥重大作用的话，就必须加大力度研究如何利用纤维质生物原料来生产第二代生物燃料。新一期《自然－生物工艺学》杂志上介绍，科学家们在里氏木霉基因中找到一种能够编码产生一种特殊的脢，这种脢能够帮助把植物纤维素高效分解成单糖物质，也就是生产生物乙醇的最佳中间原料。

在生产纤维素乙醇方面处于世界领先地位的加拿大生物技术公司，艾欧基公司的主席兼总裁富迪，最近在美国国会作证时表示，美国能源部和农业部联合进行的一个研究发现，美国每年可以产生10多亿吨可以用来转化成乙醇以及其他生物提炼产品的纤维素原料，也就是说，美国能够产生足够多的纤维素资源，使现有的石油消费减少 30%。他还表示，这种技术也已经存在。他说："纤维乙醇的生产技术不是什么遥远的、神秘的技术，它是确确实实存在的、实用的，而且现在正在被用来生产乙醇。"

同时，加州大学戴维斯分校的马斯卡尔 (Mark Mascal)和尼基庭(Edward B. Nikitin)已开发出新方法，可将纤维素转化成鈇喃基生物燃料。马斯卡尔和尼基庭的新发明就在于此，他们开发出简单的处理程序，直接把纤维素转化成鈇喃基，即以鈇喃为化学基的有机液体。鈇喃基分子的基本单位是由1个氧原子和4个碳原子组成的芬香环，产生的主要产品为5-氯甲基鈇喃甲醛(简称CMF)。5-氯甲基鈇喃甲醛可以同乙醇合成为乙氧基鈇喃甲醛(简称EMF)，此外，5-氯甲基鈇喃甲醛同氢气反应后可产生5-鈇喃甲醛，而这两种化合物都可用做燃料。马斯卡尔认为，迄今为止他们的方法可最有效的将纤维素转化成简单水氧化合物，而且在使用碳物质的效益上，也超过葡萄糖和蔗糖发酵，鈇喃基可以作为未来汽车动力和基础化学物质。

海藻
海藻能控制气候变化─自然吸收大量二氧化碳，能产生能源─因为它能轻易转换成不同形式的燃料。这个构想是透过所谓的"照光式生物反应器"、或装满海藻的巨大透明管，转换以碳为燃料工厂及其它工厂排放的废气。废气与水混合后、投入管内，海藻进行光合作用，吸收大量二氧化碳。

海藻中油的成分很高，美国能源部从1970年代石油危机时，就开始用海藻进行实验将近20年之久，但是后来放弃了。如今油价如此之高，全世界的科学家再一次把眼光放到海藻上。美国明尼苏达大学生物提炼中心的主任罗杰·鲁安说："现在，按照水塘培植海藻的做法，人们很容易就可以生产出19,000公升的燃油，但是同样重量的大豆只能生产190公升的燃油。这就是海藻和大豆的不同，它们的产油量相差100倍。"

加州圣地牙哥的"蓝宝石能源"公司宣称，他们能从海藻提炼出一种没有其他生质燃料缺点的绿色原油。绿色原油化学成分与轻原油相同。该公司首席执行长派尔说，他们的绿色原油能在现行的炼油厂提炼，然后生产出能让现行汽车、卡车使用的燃料，一切就跟目前高污染的汽油、柴油一样。蓝宝石能源公司不愿透露绿色原油的制造细节与地点，仅称希望能在3年内正式对外推出，以及在5年内全面上市。派尔不愿为每桶绿色原油定价，但预料价格应该跟目前从深海油床与油砂钻油一样具有竞争力。此外，该公司已制造出航空燃料版、柴油版与高级石油版的绿色原油。

目前人们还是选用玉米、甘蔗等较易分解成醣类的作物作为生物乙醇的生产原料，因为缺乏将纤维素高效转换成醣类的方法，象富含纤维素的木材等，则无法作为大规模工业生产生物乙醇的原料。这在全球粮食供应日益紧张的今天，成为发展生物燃料的一个瓶颈。

文特尔其人及基因组研究
谈到人造能源微生物前沿领域, 就不能不提到科瑞格·文特尔(Craig Venter)。文特尔在生命科学界是个传奇式的人物，他既是遗传学家和生物高科技创业家，又是帆船运动员，还参加过越战。1947年，文特尔在盐湖城降生。上高中的时候，他曾在游泳队中打破过游泳记录，但却差点因学习成绩不好而退学。他整天不是追女孩就是去冲浪。可以说，他当时对学习根本没什么兴趣。中学毕业后，文特尔参加了海军医院兵团，在新兵智力测试中，他得了最高分，此后被派往越南战场。文特尔后来回到了加利福尼亚，在加州大学圣迭戈分校获得生物化学学士学位，几年后又获得生理学和药理学博士学位，从此走上了科研之路。

1990年10月，人类基因组计划(Human Genome Project)启动，美、英、日、法、德、中六国相继加入其中，按最初的设想，该项目将耗资30亿美元，在2005年完成全人类基因组的测序工作。然而，1998年5月，文特尔的介入打乱了"人类基因组计划"的原有步调。在帕金·埃尔默公司3.3亿美元投资的支持下，文特尔组建了塞莱拉公司--一个私营性质的基因研究机构。文特尔希望超前破译整个人类的基因序列，然后把这些基因序列申请专利，这样整个生物遗传领域将来的发展就得向他的公司变相缴税。这主意太好了，却断了其他公司的财路，对学术界的科研自由(Academic Freedom)也有潜在的威胁。所以，美英政府出面干预，决定投入纳税人的钱破译人类基因组。2000年3月14日，时任美国总统的克林顿与时任英国首相的布莱尔联合发表声明，宣布两国政府都支持把基因组数据向全世界免费公开。文特尔想垄断基因组专利的企图因政府机构将研究成果免费供人们分享而受挫。

有趣的是，文特尔公开了他个人的整个基因序列，这引起了人们对个人医学（Personalized Medicine)的热情：今天任何人都可以很快了解自己的全部基因组序列。一个人的10亿个碱基的完全测序，仅需要1万美元，只需要花费1个人，大约1个月的时间。这些重要的遗传信息，会对个体的诊断和用药有很大帮助。由于人类基因组竞赛没有取得胜利，2002年，塞雷拉公司董事会将文特尔解雇。很快，他从挫折中恢复过来，又开始了一项新的合成生物学计划。合成生物学是指设计、构制自然界不存在或存在的生物体。合成生物学研究如何构建人工生物体，虽然其中涉及到很多实验科学和生物科学，但其目的是工程应用而非科学研究。

将基因组研究用于人造新能源
在过去的数年中，在美国能源部多项基金的支持下，位于洛克威尔的文特尔研究所和基因组研究所已全力开展了将生物染色体中的遗传物质用于能源目的的研究。根据研究情况和与诺贝尔生理医学奖获得者哈密尔顿•史密斯的长期合作，文特尔最终才决定涉足用细菌生产燃料这项新的商业领域。2005年文特尔因此又创立了一家生物高科技公司Synthetic Genomics，希望创造一种人造能源微生物。他打算先完全移除支原体（Mycoplasma genitalium）细胞中的基因物质，再将一条人工合成的染色体植入被掏空的细胞，然后看它是否能存活繁殖；这条人工染色体的成份近似正常的支原体染色体，但基因删除至只剩300个。如果初步实验成功，文特尔将透过新生物来全面探索生物体的生命机能，并建构电脑模型。这项实验从纯科学研究出发，未来有可能延伸至实际应用的领域。一旦新生物能稳定生存，文特尔将尝试逐步改变它的性质，让它具备各种功能。

这项生物技术应用潜力巨大，比如:"创造"出具有特殊功能的新微生物，可以被人们用作替代石油和煤炭的绿色燃料，还能分解火力发电厂排放的二氧化碳，释放氧气或氢气，从而为低成本、高效率制造生物能源找到一条新出路。这种技术还用来帮助清除危险化学物质或辐射等，用于合成能帮助消除过多二氧化碳的细菌。还有一些科学家相信，人造生命将会在未来解决一系列目前人类难以克服的问题，帮我们干一些"脏活累活"，其中包括抵御疾病、"锁住"温室气体和"吃掉"垃圾。许多"古细菌"或特殊生物，具有特殊的特征，如吸收甲烷，吸收CO2，炼石油，冶炼金属，分解垃圾，分析一些难以自然降解的有机物，这些特殊的特征，有可能成为改造地球环境的重要的工具。传统的废物处理厂，实际上整个流程也许可以在某些微生物体内得以实现。现阶段主要还是寻找和利用一些特殊细菌去实践，但人类实际上对这些细菌功能很快就了解透彻，这样就可以对这些细菌的基因组进行人工改造，使其从一种加工厂，演变成另一种加工厂。

在过去数年中，文特尔乘游艇进行了环球旅行，从大海中获得了大量的遗传物质，极大地扩充了其原有的资源库，这些自然物质成为他开展替代燃料研究的重要基础。对文特尔而言，新的研究计划是用细菌或专门设计合成的细菌，完成从植物分解到乙醇产生所需的全部生物过程，此举无疑将进一步降低乙醇的生产成本。目前，文特尔已为此计划筹集到了3000万美元的资金，仅墨西哥的亿万富翁嘎扎个人就注入了1500万美元。2009年石油巨头埃克森公司向文特尔的公司投资6亿美元，表明了传统石油工业界对他的认可。如果文特尔的梦想得以实现，今后城里大街和公路旁站立的将不再是加油站，而是加乙醇站，而乙醇直接来自站内设施中细菌同植物的作用，人们将看不到危险的油罐车四处穿行。

人造微生物给人类带来的后问题
像核技术一样，此项新技术既有巨大潜在利益也有许多风险。人类能制造微生物，但并不代表能控制这些微生物。微生物的自身快速变异能力，以及快速生长繁殖的特性，以及错误地合成某种新的危害的微生物，都可能成为人类发展的梦魇。美国加州大学分子生物学教授戴维·迪默认为，人类制造的任何东西都不可能与那些在自然界中存在了30亿年的生物竞争。尽管专家们从这种新技术中看到了无穷的好处，但很多人对于它可能给人类伦理观念带来的冲击，以及人类最终可能失去对新物种的控制等问题感到担扰。因为任何人造生命都有可能演化成跟地球上现有的生命形式完全不同的生命，成为无法控制的生物。

朱棣文和加州的生物能源产业
加州在发展生物能源上有一张王牌，那就是当今美国联邦政府的能源部长朱棣文(Steven Chu)。朱棣文和加州渊源很深，他祖籍江苏太仓，1948生于美国密苏里州，他的父亲朱汝瑾毕业于清华大学化工系，拥有麻省理工学院博士学位，曾在三所美国大学任教，是国际知名的化学工程专家。母亲李静贞曾就读于麻省理工学院。朱棣文父兄辈中至少有12位拥有博士学位或大学教授职位。

2004年朱棣文被任命为加州劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）主任，是亚裔人士第一次接掌美国能源部所属的国家实验室。劳伦斯伯克利实验室是美国能源部所属的十多所国家实验室之一，大约拥有4000名员工，每年的经费预算是5。2亿美元。朱棣文出任劳伦斯柏克莱国家实验室主任之后，把实验室研究方向转向研究高级生质燃料、人工光合作用和其他太阳能研究上。朱棣文指出，生质能源的未来不在于玉米，而是一般人不会注意到的绿海藻。2009朱棣文出掌美国联邦政府能源部，主要负责能源政策制定。学物理的朱棣文对能源问题有独到的眼光，他认为，过去五年的气候，是在过去150年来，最温暖的几年。温室效应造成大气变暖，使冰雪融化、海平面升高，并改变全球气候。以碳 (carbon)为基础的能源使用需求不断增加，一般认为，这个重要社会问题，可能以科技研究解决；国家实验室近几年来进行有关地球暖化方面研究，发现使用中性碳形式为主的能源，可兼顾能源使用及世界环保需求。他6月12日出席加州理工学院第115届毕业典礼时发表演讲表示，在今后的几十年，美国能源部将帮助发展替代能源和可再生能源，建筑可节约能源80%的新型建筑，制造燃油效率技术领先的汽车，推动开发先进的电池车辆，结束美国对外国石油的依赖，创造新的就业机会。

纵观朱棣文的简历，可以知道他一生中最重要的求学和立业时期都是在加州完成的，他在加州的人脉和威望应该是很有基础的，可以预计，他担任能源部长后对加州仍然会关注的，这对加州的新能源，特别是生物能源的研究和应用将会起到极大的促进作用。相信不久的将来，生物能源会成为加州的又一个高科技产业，为本地的经济繁荣起到巨大的作用。"巧合"的是，英国石油公司（BP）近年斥资5亿美元，提供给能源生物科学研究所（EBI），委托它"执行开创性的研究，目的是生产新的洁净能源"，初期重点锁定供汽车与卡车使用的生物燃料。能源生物科学研究所的研究计划，主要在加州大学柏克莱分校及其附属劳伦斯柏克莱国家实验室。看来英国石油公司已经看好加州这块宝地了，这和朱棣文恐怕也有关系吧。

(文章仅代表作者个人立场和观点)