211service.com
Forskeren kæmper stadig for det rene brændstof, som verden glemte
Et årti med investering i avancerede biobrændstoffer førte ingen vegne hen, men Jay Keasling forbliver uforfærdet. 10. maj 2018
I de sidste uger af 2008 inviterede det amerikanske energiministerium politikere og presse til en indvielsesceremoni for Joint BioEnergy Institute i Emeryville, Californien. Det avancerede laboratorium, støttet af 125 millioner dollars i føderal finansiering, fyldte øverste etage i en glitrende glaskontorbygning, der afspejlede de store håb om avancerede biobrændstoffer.
Det er at samle de bedste mennesker på ét sted for at arbejde på, hvad der kan være en af de vigtigste udfordringer i vor tid, sagde Jay Keasling, en syntetisk biolog ved University of California, Berkeley, og administrerende direktør for forskningsinstituttet.
Missionen for JBEI (udtales jay-bay) var at producere billige biobrændstoffer fra celluloseholdige kilder, hvilket betyder blade og stængler fra planter som skiftegræs snarere end kornene fra fødevareafgrøder som majs. Laboratoriet havde til formål at gå videre end ethanol og stræbte efter at skabe kulstofneutrale brændstoffer, der kunne fylde tankene på standardbiler, fly, skibe og lastbiler. Hvis det lykkedes, lovede det dramatisk at reducere drivhusgasemissioner og USA's afhængighed af olie (se Prisen på biobrændstoffer).
JBEI udvikler typer af skiftegræs og sorghum, der producerer langt mere sukker og meget mindre lignin.
Keasling gjorde lige så meget som enhver enkelt person for at fremme feltet og sælge løftet om sådanne brændstoffer. Ud over at drive JBEI var han med til at stifte flere velfinansierede startups, herunder LS9 og Amyris Biotechnologies, for at omsætte denne vision til virkelighed.
Men et årti senere er feltet i ruiner. JBEI og andre føderalt finansierede bioenergilaboratorier overlever stadig, men de fleste avancerede biobrændstofvirksomheder, inklusive Keaslings, har opgivet drømmen.
Amerikanske virksomheder producerer kun en del af de celluloseholdige brændstoffer, der kræves i henhold til standarder for vedvarende brændstoffer, der blev indført i slutningen af den sidste Bush-administration, og meget af det er ethanol, der stammer fra landbrugsrester som majsstilke. I betragtning af denne mangel udsteder Environmental Protection Agency blot dispensationer for avancerede biobrændstoffer hvert år, hvilket giver industrien mulighed for stort set at fortsætte forretningen som normalt.
JBEI's næste mål er at udvikle anlæg, der i sidste ende kan producere avancerede biobrændstoffer for mindre end $3 pr. gallon.
JBEI har gjort videnskabelige fremskridt, men hvis instituttets afgrøder, teknikker og fejl blev rullet ud i kommerciel skala i dag, ville en gallon af det resulterende brændstof koste 14 gange, hvad vi betaler ved pumpen.
At producere billige avancerede biobrændstoffer endte simpelthen med at blive et langt sværere problem end forventet. Vi har nok undervurderet det og sandsynligvis også oversolgt det, erkendte Keasling i sidste måned under et interview på sit kontor hos JBEI.
Alligevel har Keasling for det første ikke opgivet håbet om en fremtid, hvor biobrændstoffer er en levedygtig erstatning for benzin, diesel og jetbrændstof.
Vasket op natten over
Keasling voksede op i en lille by i Nebraska på en majsfarm, der har været i hans familie i fem generationer. Under kandidatstudier i kemiteknik ved University of Michigan blev han fascineret af genteknologiens potentiale til at løse store problemer. Han fortsatte med at lave postdoktoral forskning i feltet ved Stanford, før han landede som professor ved UC Berkeley i en alder af 28.
Det var der, han påtog sig banebrydende arbejde inden for syntetisk biologi, hvor han omdannede gær og bakterier til små fabrikker, der kunne spytte isoprenoider, en klasse af forbindelser, der bruges til at producere gummi, antibiotika og dufte. Mest bemærkelsesværdigt udviklede han og hans samarbejdspartnere en proces til at producere en syntetisk forløber for artemisinin, en af de få effektive behandlinger mod malaria, ved at indsætte DNA fra flere forskellige organismer i E coli og gær. Det betragtes som et af de første virkelige gennembrud inden for syntetisk biologi.
At gå fra artemisinin, et kulbrinte, der molekylært ligner petroleum, til biobrændstoffer tog ikke et stort spring i fantasien. I tidligere interviews, Keasling beskrevet det som et simpelt spørgsmål om at fjerne nogle få gener og tilføje endnu et.
I begyndelsen af 2008, hans startup Amyris udbasunerede planlægger at producere en milliard gallons om året af en sukkerrør-baseret biodiesel fra dens biokonstruerede mikroorganismer, for så lidt som 60 dollars pr. tønde og det hele inden for et par år (se Søgning efter biobrændstoffers søde sted).
Keasling viser de avancerede laboratorier frem på JBEI i Emeryville, Californien.
Men da den økonomiske recession i 2008 tog fat, væltede oliepriserne fra et toppunkt tæt på $150 tønde til nogle få dollars genert af $30 ved årets udgang. Den vedvarende økonomi er en svær ting at blive begejstret for, når du har at gøre med en tønde olie på 30 USD, siger David Berry, en generel partner hos venturekapitalfirmaet Flagship Pioneering, som grundlagde LS9 sammen med Keasling i 2005. Gælds- og aktiemarkeder vasket op natten over.
Og de tog mange af startups med sig. De fleste af de overlevende skiftede til andre forretningsområder. LS9 gik over til at fremstille specialkemikalier og blev til sidst erhvervet af Renewable Energy Group (se Hvorfor løftet om billigt brændstof fra Super Bugs faldt til kort).
Amyris, som blev offentligt i 2010 aldrig produceret sin vedvarende diesel i kommerciel skala. Det er nu fokuseret på nutraceuticals, hudpleje og kunstige smags- og dufte. En talsmand afviste at oplyse, hvilken pris virksomheden var i stand til at opnå for brændstoffet, men Keasling angav det til 1,75 dollars pr. liter - eller omkring 6,63 dollars pr. gallon.
På trods af al entusiasme for ti år siden, var det altid en dristig idé at producere avancerede biobrændstoffer til en overkommelig pris.
Til at begynde med skal du plante, høste, tørre og sende enorme mængder afgrøder på en så ren og bæredygtig måde som muligt. Og så begynder den svære del.
At drille brændstoffer ud fra stængler og blade kræver, at de energipakkede kulhydrater i plantens cellevægge adskilles fra de træagtige ligninmolekyler, der binder tæt omkring dem, typisk ved hjælp af syrer, tryk og varme. Så har du brug for mikrober, der kan indtage disse kulhydrater, for det meste cellulose, og udskille brændstoffer. Men ingen naturligt forekommende fejl er kendt for at producere den type, der direkte kan fylde tanken på eksisterende biler, så forskerne er nødt til at gensplejse dem, der kan.
På trods af al indsatsen og finansieringen mener nogle i feltet, at der ikke er sket mange reelle fremskridt på disse udfordringer i løbet af det sidste årti eller deromkring.
Den brede opfattelse er, at ikke meget har ændret sig, siger Gregory Stephanopoulos, professor i kemiteknik ved MIT. Vejen fra cellulose til sukker til brændstof ser ikke ud til at være mere lovende i dag.
At komme til en $3 gallon
Keasling er uenig og hævder, at JBEI og andre laboratorier har gjort betydelige videnskabelige fremskridt. Forskere ved California-instituttet, der fungerer som omdrejningspunktet for et samarbejde mellem seks forskningslaboratorier og universiteter, har udgivet næsten 700 peer-reviewede artikler, opnået næsten 30 patenter og lanceret seks startups.
JBEIs forskere har genetisk ændret typer af skiftegræs og sorghum, så de producerer langt mere sukker og meget mindre lignin end standardplanter. De har også udviklet en proces til at omdanne lignin til ioniske væsker, som er salte, der nedbryder biomasse, hvilket gør et affaldsprodukt til et effektivt værktøj til anlægsdekonstruktion.
Endelig har forskere dér konstrueret mikrober, der kan producere flere typer drop-in brændstoffer fra disse planter, bl.a. pinene , en forløber for jetbrændstof; isopentenol , som kunne fungere som en benzinerstatning; og bisabolen , som producerer en pokkers god diesel, siger Keasling.
Disse kollektive fremskridt har drevet prisen på en gallon næste generations biobrændstof ned fra omkring $300.000, da de startede til omkring $35, i det mindste hvis de blev produceret i kommerciel skala, siger Keasling.
Men selvfølgelig ville ingen øge produktionen af et brændstof på $35 pr. gallon, når den gennemsnitlige gallon gas løber på $2,50. Så nu skifter laboratoriet ind i en ny fase af forskning, med det specifikke mål at indsnævre dette hul. Sidste juli sikrede JBEI og andre føderale bioenergiforskningscentre fornyet føderal finansiering på 25 millioner dollars om året, det samme niveau som instituttet har modtaget fra starten.
JBEI udvikler typer af skiftegræs og sorghum, der producerer langt mere sukker og meget mindre lignin.
Det erklærede mål i JBEI's ansøgning om finansieringen var at udvikle biobrændstoffer, der kunne produceres for mindre end $3 pr. gallon i de næste fem år, sagde Keasling.
Jeg ved ikke, at vi når dertil om fem år, siger han. Jeg ville være fint, hvis vi får det om 10 år, ærligt talt.
Keasling mener, at nøglen til meget af den forbedring ligger i lignin, som holder betydelige kulstof, men klynger sig stædigt til det. JBEIs forskere bliver nødt til at ændre planter, så lignins bindinger lettere brydes. Så er de nødt til at ændre ligninaser, en lidet forstået klasse af enzymer, der vides at nedbryde ligninet, for at udvinde mere af kulstoffet. Til sidst skal de udvikle nye sæt mikrober, der kan omdanne de resterende forbindelser til brændstoffer.
Det sidste stykke af planen for at krydse tærsklen på $3 er at udvikle måder at konvertere nogle dele af anlægget til produkter af højere værdi, der kunne subsidiere omkostningerne til biobrændstoffer, såsom flammehæmmere eller materialer til 3-D-print.
Konkurrerende krav
For at verden skal have en anstændig chance for at forhindre de globale temperaturer i at stige mere end 2 ˚C, skal bioenergi levere 17 procent af det samlede energibehov i 2060, op fra 4,5 procent i 2015, ifølge en analyse fra Det Internationale Energiagentur . Men indtil videre er produktionsgevinsten et godt stykke under det tempo, der kræves for at nå sådanne mål. Blandt andet skal udbuddet af biobrændstoffer til transport tidobles i de kommende årtier.
Estimater af, hvor meget jord, der vil kræve, varierer meget, men for at biobrændstoffer skal dække næsten 30 procent af transportbehovet i midten af århundredet, skal 100 millioner hektar dedikeres til dyrkning af råvarerne, konkluderede IEA i en 2011 rapport . Det er omkring en niendedel af det areal, der er dedikeret til landbrug i USA.
Vi har et enormt antal konkurrerende krav til jord, og ideen om, at vi kan frigøre enorme mængder til fremstilling af biomasseenergi, vil sandsynligvis støde på begrænsninger, siger Chris Field, direktør for Stanford Woods Institute.
En alvorlig relateret udfordring er at opskalere avancerede biobrændstoffer på en måde, der reducerer de samlede drivhusgasemissioner markant, hvilket er hele pointen. Hvert trin fra plantning til produktion er energikrævende i sig selv, så detaljerne om, hvordan det hele foregår, betyder meget. Forskere bekymrer sig især om, at hvis markedet nogensinde tager fart, kan det skabe perverse incitamenter, som at opmuntre landmænd til at rasere skove, som er enorme kulstofdræn, for at give plads til denne slags afgrøder.
Drøm i live
Men på trods af disse udfordringer er der klare grunde til, at mange længe har troet, at biobrændstoffer vil spille en stor rolle i at reducere udledningen af drivhusgasser. I USA kommer mere end halvdelen af denne forurening fra transportanvendelser som biler, lastbiler, skibsfart og fly. På trods af nogle bemærkelsesværdige gevinster i batteridrevne elektriske køretøjer, kan meget af denne sektor stadig kun drives med fossile brændstoffer.
En af JBEI's mere end 160 forskere på arbejde i laboratoriet.
Når det kommer til mobil, tæt energilagring, er flydende brændstoffer simpelthen meget svære at slå, især da så meget af verdens energiinfrastruktur er bygget op omkring dem, siger Hanna Breetz, en politolog med fokus på alternative brændstoffer og køretøjer ved Arizona State University .
Flydende brændstoffer vil fortsat være en stor del af energisystemet fremover, især inden for transport, og jeg forventer, at biobaserede brændstoffer vil være en del af den sektor, siger hun.
Selvom laboratorier gør slående fremskridt i de næste par år, kan det stadig tage årtier for disse brændstoffer at erobre reelle markedsandele i en industri med billioner af dollars sunket ind i den daglige forretning med at udvinde og raffinere olie. At fremskynde denne overgang vil kræve langt mere statsstøtte, potentielt inklusive en pris på kulstof, højere standarder for vedvarende brændstoffer, emissionslofter og mere, siger Keasling.
Det kan lyde som at spørge om meget fra en, hvis laboratorium har modtaget hundredvis af millioner i offentlige midler, og hvis startups er brændt igennem lignende niveauer af ventureinvesteringer. Men Keasling siger, at det simpelthen er det, der skal til for at revidere en forankret industri i det omfang og den hastighed, der kræves for at imødegå voksende klimafarer.
Det, der bekymrer ham, er, at udsigterne for sådanne politikker kun er svækket i de senere år. Men på trods af de politiske og videnskabelige fiaskoer, der har plaget søgen efter billige avancerede biobrændstoffer, er han fortsat overbevist om deres potentiale til at reducere emissionerne.
Når vores regering beslutter, at det er tid til at prioritere det, siger Keasling, tror jeg, at biobrændstoffer kan spille en stor rolle.