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臺禹微制圖 自生物能源出現(xiàn)以來，微生物就與之產(chǎn)生了千絲萬縷的聯(lián)系，無論是生物乙醇,、生物柴油還是生物制氫，微生物都是生物反應(yīng)的參與者,。 ■本報記者 胡珉琦 尋找可再生的替代能源一直是科學(xué)家的目標。近日,，一個由英國倫敦帝國學(xué)院和芬蘭圖爾庫大學(xué)的科學(xué)家組成的研究小組開發(fā)出了一種通過大腸桿菌制造丙烷的新技術(shù),，并將研究結(jié)果發(fā)表在了《自然―通訊》雜志上。 自生物能源出現(xiàn)以來,，微生物就與之產(chǎn)生了千絲萬縷的聯(lián)系,，無論是生物乙醇、生物柴油還是生物制氫,，微生物都是生物反應(yīng)的參與者,。而該項研究為實現(xiàn)能源的可再生提供了又一種新的可能――微生物可直接合成燃料分子。 微生物能源新成果 丙烷是一種清潔能源,，它價格低廉,，溫度適應(yīng)范圍寬，燃燒只形成水蒸氣和二氧化碳,，不會對環(huán)境造成污染,。它主要被制成液化石油氣進行儲運和使用，應(yīng)用范圍從野營爐,、汽車到大型供熱系統(tǒng)極為廣泛,。目前，丙烷的生產(chǎn)大都來自于原油和天然氣冶煉的副產(chǎn)品,，而兩者都是不可再生資源。不過,，丙烷被認為是一種可行的生物燃料,。 如今，倫敦帝國學(xué)院和芬蘭圖爾庫大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特殊的生物途徑,，能讓大腸桿菌將脂肪酸轉(zhuǎn)化成丙烷,。簡單說，就是通過一些酶阻斷大腸桿菌中脂肪酸進入細胞膜的生物過程,，并引導(dǎo)脂肪酸進入不同的生物途徑,，最終使大腸桿菌產(chǎn)生丙烷。這些酶分別是硫酯酶,、CAR酶和脫甲基醛加氧酶,。 研究人員指出，目前該方法還處于初級階段,，丙烷的產(chǎn)量還比較低,，但這項驗證性研究確實為可再生能源的生產(chǎn)提供了一條新的途徑,。 糧食乙醇難推廣 人們對生物能源并不陌生。事實上,，早在19世紀,，就出現(xiàn)了現(xiàn)代生物能源乙醇。1902 年,，Deutz 可燃氣發(fā)動機工廠特意將1/3的重型機車利用純乙醇作為燃料,，隨后的1925 年至1945 年間，乙醇被加入到汽油里作為抗暴劑,?？梢哉f安全、清潔是乙醇的主要優(yōu)勢,。 中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員李盛英在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示,，第一代生物能源正是乙醇（俗稱“汽車酒精”）。這類乙醇使用糧食或者甘蔗作為原料,，通過淀粉或者蔗糖發(fā)酵得到的,，而微生物在其中起著至關(guān)重要的作用。生物乙醇發(fā)酵是目前最大規(guī)模的微生物發(fā)酵過程,。 李盛英認為,，由淀粉和蔗糖進行釀酒酵母菌發(fā)酵的技術(shù)已經(jīng)相當成熟了。國際上以美國和巴西為代表的一些國家分別用玉米和甘蔗生產(chǎn)汽車酒精,，應(yīng)用十分廣泛,。但他同時指出，美國和巴西之所以可以將生物乙醇商業(yè)化投產(chǎn),，是由于其糧食產(chǎn)量,、甘蔗種植量要高于其他國家。 據(jù)了解,，我國在“十五”期間批準建設(shè)了4個燃料乙醇生產(chǎn)試點項目：吉林燃料乙醇有限公司,、黑龍江華潤酒精有限公司、河南天冠燃料集團和安徽豐原燃料酒精股份有限公司（中糧生化旗下公司）,，用陳化糧作為生產(chǎn)生物乙醇的原料,。問題是，幾年過后,，國內(nèi)陳化糧的供應(yīng)已經(jīng)達到極限,，無法滿足生物乙醇的原料需求。 “歐盟也同樣面臨糧食產(chǎn)量不足的問題,?！崩钍⒂⒅赋觯屔锶剂吓c糧食競爭土地顯然是行不通的。因此,，目前國際上除美國,、巴西以外，基本已經(jīng)放棄了這類生物乙醇的生產(chǎn)方式,。 纖維素乙醇被寄予厚望 為了不影響糧食產(chǎn)量,，纖維素乙醇應(yīng)運而生，并迅速成為了研究熱點,，李盛英將其看作第二代生物能源,。 所謂纖維素乙醇，就是利用農(nóng)業(yè)廢棄的秸稈,、枝葉等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物能源,，纖維素中的糖和玉米淀粉中含有的葡萄糖一樣，可以用傳統(tǒng)的酵母發(fā)酵成乙醇,。纖維素存在于幾乎所有的植物生命體中,，用纖維素獲取乙醇不但無須擔心原料來源，還能解決作物廢料燃燒污染空氣的問題,。 “問題在于,，如何才能把纖維素轉(zhuǎn)化為可以發(fā)酵的葡萄糖?！崩钍⒂⒅赋隽岁P(guān)鍵所在,。淀粉轉(zhuǎn)化成葡萄糖如今已經(jīng)擁有了成本低廉且高效的淀粉酶，纖維素的酶水解反應(yīng)比酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的速率小兩個數(shù)量級,。目前,，纖維素酶還是世界性難題，轉(zhuǎn)化成本高,，效率卻很低,。 好消息是，荷蘭皇家帝斯曼集團在9月初宣布,，其和美國POET公司的合資企業(yè)POET-DSM先進生物燃料有限公司位于美國愛荷華州埃米茨堡的第一家商業(yè)級纖維素乙醇工廠近日正式竣工投產(chǎn),。該項目名為“LIBERTY項目”，其將廢棄玉米芯,、玉米葉、玉米殼和玉米秸稈等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可再生燃料,。工廠現(xiàn)已正式投產(chǎn),，正在將第一批生物質(zhì)加工成纖維素乙醇，并將持續(xù)運營,。 第一家商業(yè)級纖維素乙醇工廠的投產(chǎn)被視為一項突破性的進步,，纖維素乙醇的商業(yè)價值將得到大大提升。不過，李盛英提到,，國內(nèi)在纖維素乙醇領(lǐng)域的研發(fā)能力與國際水平還存在不小的差距,，目前該項技術(shù)主要被國際酶制劑巨頭所壟斷。 藻類燃料陷低谷 2000年以后,，以藻類燃料為代表的生物柴油一度受到了格外的關(guān)注,，它也成為了第三代生物能源的代表。 生物柴油是以生物質(zhì)資源為原料加工而成的有機燃料,，主要成分是脂肪酸酯,，一般是由菜籽油、大豆油,、回收烹飪油,、動物油等可再生油脂與醇類經(jīng)酯化反應(yīng)制得。 相比較而言,，同樣單位面積的油料作物,，藻類的產(chǎn)油率遠高于普通油料作物。利用光合作用,，藻類將二氧化碳轉(zhuǎn)化為自身的生物質(zhì)從而固定碳元素,，再通過一定的誘導(dǎo)反應(yīng)使藻類自身的碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為油脂，人們只需將藻類細胞內(nèi)的油脂運到細胞外,，進行提煉加工,，就能制成生物柴油。因此,，藻類一度被認為是未來礦物燃料最完美的替代者之一,。 但是，李盛英坦言,，目前藻類的篩選和培育,，尤其是光合生化反應(yīng)技術(shù)，并沒有將藻類光合作用的轉(zhuǎn)化效率提升至可進行產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的水平,?！叭剂鲜且环N消耗速度極其驚人的物質(zhì)，生物能源如果不能實現(xiàn)少能耗,、低成本,、大規(guī)模的生產(chǎn)，就只是一個美好的概念,?！币虼耍J為藻類燃料的商業(yè)化仍需要關(guān)鍵技術(shù)的突破,。 微生物產(chǎn)烴最理想 “然而,，無論是生物乙醇還是生物柴油一般都不是直接作為燃料使用,，而是與普通柴油混合使用，它們與傳統(tǒng)的燃料還是存在差別,?！崩钍⒂⑾颉吨袊茖W(xué)報》記者解釋，傳統(tǒng)的燃料是汽油,、柴油包括航空煤油,，這些燃料的化學(xué)本質(zhì)是烴，包括烷烴,、烯烴,、芳烴，它們是只含碳和氫的化合物,，但乙醇,、生物柴油都含有氧，這會對燃料性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,。氧具有吸濕性,，燃料一旦進水，汽油管路系統(tǒng)腐蝕會很快,。 “因此,，最理想的生物燃料是烴，不含氧的碳氫化合物,?！崩钍⒂娬{(diào)。脂肪烴類生物燃料因高能量密度,、低吸濕性,、與現(xiàn)有發(fā)動機系統(tǒng)及運輸設(shè)備具有良好兼容性等優(yōu)勢被認為是液體化石燃料的最佳替代品。 據(jù)了解,，試圖用微生物來生產(chǎn)烴類化合物是近四五年才興起的研究方向,。除了通過大腸桿菌制造丙烷，青島生物能源與過程研究所李盛英團隊利用大腸桿菌生產(chǎn)脂肪烯烴生物燃料的研究項目也取得一定的成果,，轉(zhuǎn)化率達到了目前國際上已報道的最高水平,。 李盛英認為，丙烷作為氣體在運輸上存在劣勢,，轉(zhuǎn)化成液體需要額外的能耗,。而研究團隊生產(chǎn)的長鏈烯烴是液體，燃燒值接近汽油,，只需稍作純化,，就可以直接加入汽車發(fā)動機燃燒。 “但我們面臨著同樣的難題,，能耗大,，效率低，產(chǎn)量與理論預(yù)測相差甚遠,?！崩钍⒂⑻寡裕芯繄F隊還一度在這個系統(tǒng)中加入光合細菌,，希望借助太陽能達到免除耗電的目標,，誰料生產(chǎn)效率還不如以前。在他看來,，這項可以說是目前最前沿的生物能源技術(shù)想要真正實現(xiàn)應(yīng)用,，轉(zhuǎn)化效率還需要提升至少幾十倍。 不過,，李盛英仍對此抱有足夠的信心,。“無論是纖維素乙醇還是微生物產(chǎn)烴,，一旦它們能低成本商業(yè)化,，那么全球能源消費成本都將大大降低，并減少能源利用對環(huán)境造成的破壞性影響,?！?/P>
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