211service.com
Forskaren som fortfarande kämpar för det rena bränslet som världen glömde
Ett decennium av investeringar i avancerade biobränslen ledde ingenstans, men Jay Keasling förblir oförskämd. 10 maj 2018
Under de sista veckorna av 2008 bjöd det amerikanska energidepartementet in politiker och press till en invigningsceremoni för Joint BioEnergy Institute i Emeryville, Kalifornien. Det toppmoderna labbet, med stöd av 125 miljoner dollar i federal finansiering, fyllde översta våningen i en glittrande kontorsbyggnad i glas som återspeglade de stora förhoppningarna om avancerade biobränslen.
Det är att samla de bästa människorna på en plats för att arbeta med vad som kan vara en av vår tids viktigaste utmaningar, sa Jay Keasling, en syntetisk biolog vid University of California, Berkeley, och verkställande direktör för forskningsinstitutet.
Uppdraget för JBEI (uttalas jay-bay) var att producera billiga biobränslen från cellulosakällor, vilket betyder blad och stjälkar av växter som switchgrass snarare än kornen från matgrödor som majs. Labbet syftade till att gå bortom etanol och sträva efter att skapa koldioxidneutrala bränslen som kunde fylla tankarna på vanliga bilar, flygplan, fartyg och lastbilar. Om de lyckades lovade det att dramatiskt minska utsläppen av växthusgaser och USA:s beroende av olja (se Priset på biobränslen).
JBEI utvecklar typer av switchgrass och sorghum som producerar mycket mer sockerarter och mycket mindre lignin.
Keasling gjorde lika mycket som någon enskild individ för att utveckla fältet och sälja löftet om sådana bränslen. Förutom att driva JBEI var han med och grundade flera välfinansierade startups, inklusive LS9 och Amyris Biotechnologies, för att förverkliga den visionen.
Men ett decennium senare är fältet i spillror. JBEI och andra federalt finansierade bioenergilaboratorier överlever fortfarande, men de flesta avancerade biobränsleföretag, inklusive Keaslings, har gett upp drömmen.
Amerikanska företag producerar bara en bit av de cellulosahaltiga bränslen som krävs enligt standarder för förnybara bränslen som infördes i slutet av den förra Bush-administrationen, och mycket av det är etanol som härrör från jordbruksrester som majsstjälkar. Med tanke på den bristen utfärdar Naturvårdsverket helt enkelt undantag för avancerade biobränslen varje år, vilket gör att industrin i stort sett kan fortsätta som vanligt.
JBEI:s nästa mål är att utveckla anläggningar som så småningom kan producera avancerade biobränslen för mindre än $3 per gallon.
JBEI har gjort vetenskapliga framsteg, men om institutets grödor, tekniker och buggar rullades ut i kommersiell skala idag, skulle en gallon av det resulterande bränslet kosta 14 gånger vad vi betalar vid pumpen.
Att producera billiga avancerade biobränslen blev helt enkelt ett mycket svårare problem än väntat. Vi har förmodligen underskattat det och förmodligen översålt det också, erkände Keasling förra månaden, under en intervju på sitt kontor på JBEI.
Ändå har Keasling inte gett upp hoppet om en framtid där biobränslen är en hållbar ersättning för bensin, diesel och flygbränsle.
Sköljs över natten
Keasling växte upp i en liten stad i Nebraska, på en majsgård som har funnits i hans familj i fem generationer. Under doktorandstudier i kemiteknik vid University of Michigan blev han fascinerad av genteknikens potential att lösa stora problem. Han fortsatte med att göra postdoktoral forskning inom området vid Stanford innan han landade som professor vid UC Berkeley vid 28 års ålder.
Det var där han åtog sig banbrytande arbete inom syntetisk biologi och förvandlade jäst och bakterier till små fabriker som kunde spotta ut isoprenoider, en klass av föreningar som används för att producera gummi, antibiotika och dofter. Framför allt utvecklade han och hans medarbetare en process för att producera en syntetisk prekursor till artemisinin, en av de få effektiva behandlingarna för malaria, genom att infoga DNA från flera olika organismer i E coli och jäst. Det anses vara ett av de första verkliga genombrotten inom syntetisk biologi.
Att gå från artemisinin, ett kolväte som molekylärt liknar petroleum, till biobränslen tog inte ett stort språng i fantasin. I tidigare intervjuer, Keasling beskrivs det är en enkel fråga om att ta bort några gener och lägga till ytterligare en.
I början av 2008, hans startup Amyris trumpetade planerar att producera en miljard liter per år av en sockerrörsbaserad biodiesel från dess biokonstruerade mikroorganismer, för så lite som 60 dollar per fat och allt inom några år (se Söka efter biobränslens söta ställe).
Keasling visar upp de toppmoderna laboratorierna på JBEI i Emeryville, Kalifornien.
Men när den ekonomiska lågkonjunkturen 2008 tog fäste föll oljepriset från en topp nära $150 per fat till några dollar mindre än 30 dollar vid slutet av året. Den förnybara ekonomin är en svår sak att bli upphetsad över när du har att göra med ett fat olja på 30 dollar, säger David Berry, generalpartner på riskkapitalbolaget Flagship Pioneering, som grundade LS9 tillsammans med Keasling 2005. Skuld- och aktiemarknader diskas över natten.
Och de tog med sig många av startupen. De flesta av de överlevande gick över till andra affärsområden. LS9 gick över till att tillverka specialkemikalier och köptes så småningom av Renewable Energy Group (se Varför löftet om billigt bränsle från Super Bugs föll till kort).
Amyris, som blev offentligt 2010, aldrig producerat sin förnybara diesel i kommersiell skala. Det är nu fokuserat på näringsämnen, hudvård och artificiella smaker och dofter. En talesman avböjde att ange vilket pris företaget kunde uppnå för bränslet, men Keasling angav det till $1,75 per liter - eller cirka $6,63 per gallon.
Trots all entusiasm för ett decennium sedan var det alltid en djärv idé att producera avancerade biobränslen till överkomliga priser.
Till att börja med måste du plantera, skörda, torka och transportera enorma volymer av grödor, på ett så rent och hållbart sätt som möjligt. Och sedan börjar den svåra delen.
Att reta ut bränsle från stjälkar och löv kräver att de energipackade kolhydraterna i växtens cellväggar separeras från de träiga ligninmolekylerna som binder tätt runt dem, vanligtvis med hjälp av syror, tryck och värme. Då behöver du mikrober som kan konsumera dessa kolhydrater, mestadels cellulosa, och bajsa ut bränslen. Men inga naturligt förekommande buggar är kända för att producera den typ som direkt kan fylla tanken på befintliga bilar, så forskare måste genmanipulera sådana som kan.
Trots all ansträngning och finansiering anser vissa inom området att det inte har gjorts mycket verkliga framsteg på dessa utmaningar under det senaste decenniet eller så.
Den breda uppfattningen är att inte mycket har förändrats, säger Gregory Stephanopoulos, professor i kemiteknik vid MIT. Vägen från cellulosa till socker till bränsle verkar inte vara någonstans mer lovande idag.
Att komma till en $3 gallon
Keasling håller inte med och hävdar att JBEI och andra laboratorier har gjort betydande vetenskapliga framsteg. Forskare vid California Institute, som fungerar som navet i ett samarbete mellan sex forskningslabb och universitet, har publicerat nästan 700 referentgranskade artiklar, tjänat nästan 30 patent och lanserat sex startups.
JBEI:s forskare har genetiskt förändrat typer av switchgrass och sorghum så att de producerar mycket mer sockerarter och mycket mindre lignin än vanliga växter. De har också utvecklat en process för att omvandla lignin till joniska vätskor, som är salter som bryter ner biomassa, vilket gör en avfallsprodukt till ett effektivt verktyg för anläggningsdekonstruktion.
Slutligen har forskare där konstruerat mikrober som kan producera flera typer av drop-in bränslen från dessa växter, inklusive pinene , en föregångare till flygbränsle; isopentenol , som skulle kunna fungera som en bensinersättning; och bisabolen , som producerar en jäkla bra diesel, säger Keasling.
Dessa kollektiva framsteg har drivit ner kostnaden för en liter nästa generations biobränsle från cirka 300 000 USD när de började till cirka 35 USD, åtminstone om de producerades i kommersiell skala, säger Keasling.
Men naturligtvis skulle ingen öka produktionen av ett bränsle på $35 per gallon när den genomsnittliga gallonen gas går på $2,50. Så nu går labbet in i ett nytt forskningsstadium, med det specifika målet att minska det gapet. I juli förra året säkrade JBEI och andra federala bioenergiforskningscenter förnyad federal finansiering på 25 miljoner dollar per år, samma nivå som institutet har fått från starten.
JBEI utvecklar typer av switchgrass och sorghum som producerar mycket mer sockerarter och mycket mindre lignin.
Det uttalade målet i JBEI:s ansökan om finansieringen var att utveckla biobränslen som skulle kunna produceras för mindre än $3 per gallon under de kommande fem åren, sa Keasling.
Jag vet inte att vi kommer dit om fem år, säger han. Jag skulle vara bra om vi får det om 10 år, ärligt talat.
Keasling tror att nyckeln till mycket av den förbättringen ligger i lignin, vilket håller betydande kol men håller envist fast vid det. JBEI:s forskare kommer att behöva förändra växter så att lignins kopplingar lättare bryts. Sedan måste de förändra ligninaser, en föga förstådd klass av enzymer som är kända för att bryta ner ligninet, för att extrahera mer av kolet. Slutligen måste de utveckla nya uppsättningar av mikrober som kan omvandla de återstående föreningarna till bränslen.
Den sista delen av planen för att passera tröskeln på $3 är att utveckla sätt att omvandla vissa delar av anläggningen till produkter med högre värde som kan subventionera kostnaden för biobränslen, som flamskyddsmedel eller material för 3D-utskrift.
Konkurrerande krav
För att världen ska ha en anständig chans att förhindra att den globala temperaturen stiger med mer än 2 ˚C, skulle bioenergi behöva tillhandahålla 17 procent av den totala energiefterfrågan till 2060, upp från 4,5 procent 2015, enligt en analys från Internationella energibyrån . Men än så länge ligger produktionsvinsterna långt under den takt som krävs för att nå sådana mål. Bland annat kommer utbudet av biobränslen för transporter att behöva tiodubblas under de kommande decennierna.
Uppskattningar av hur mycket mark som skulle krävas varierar kraftigt, men för att biobränslen ska möta nästan 30 procent av transportbehovet vid mitten av seklet, måste 100 miljoner hektar ägnas åt att odla råvarorna, konstaterade IEA i en 2011 Rapportera . Det är ungefär en niondedel av den yta som ägnas åt jordbruk i USA.
Vi har ett enormt antal konkurrerande krav på land, och idén att vi kan frigöra enorma mängder för att göra biomassaenergi kommer mycket troligt att stöta på begränsningar, säger Chris Field, chef för Stanford Woods Institute.
En allvarlig relaterad utmaning är att skala upp avancerade biobränslen på ett sätt som avsevärt minskar de totala växthusutsläppen, vilket är hela poängen. Varje steg från plantering till produktion är energikrävande i sig, så detaljerna i hur det går till spelar stor roll. Forskare oroar sig särskilt för att om marknaden någonsin tar fart, kan den skapa perversa incitament, som att uppmuntra bönder att rasera skogar, som är enorma kolsänkor, för att ge plats för den här typen av grödor.
Dröm levande
Men trots dessa utmaningar finns det tydliga anledningar till att många länge har trott att biobränslen kommer att spela en stor roll för att minska utsläppen av växthusgaser. I USA kommer mer än hälften av denna förorening från transporter som bilar, lastbilar, sjöfart och flyg. Trots några anmärkningsvärda vinster i batteridrivna elfordon kan mycket av denna sektor fortfarande bara drivas med fossila bränslen.
En av JBEI:s mer än 160 forskare som arbetar i labbet.
När det kommer till mobil, tät energilagring är flytande bränslen helt enkelt väldigt svåra att slå, särskilt eftersom så mycket av världens energiinfrastruktur är byggd runt dem, säger Hanna Breetz, en statsvetare fokuserad på alternativa bränslen och fordon vid Arizona State University .
Flytande bränslen kommer att fortsätta att vara en stor del av energisystemet framöver, särskilt inom transporter, och jag förväntar mig att biobaserade bränslen kommer att vara en del av den sektorn, säger hon.
Även om laboratorier gör slående framsteg under de närmaste åren, kan det fortfarande ta decennier för dessa bränslen att ta verkliga marknadsandelar i en industri med biljoner dollar nedsänkta i den dagliga verksamheten med att utvinna och raffinera olja. Att påskynda den övergången kommer att kräva mycket mer statligt stöd, potentiellt inklusive ett pris på kol, högre standarder för förnybara bränslen, utsläppstak och mer, säger Keasling.
Det kan låta som att fråga mycket från någon vars labb har fått hundratals miljoner i statliga medel och vars startups har brunnit igenom liknande nivåer av riskinvesteringar. Men Keasling säger att det helt enkelt är vad det kommer att krävas för att se över en förankrad industri i den skala och hastighet som krävs för att motverka växande klimatfaror.
Det som oroar honom är att utsikterna för en sådan politik bara har minskat de senaste åren. Men trots de politiska och vetenskapliga misslyckanden som har plågat jakten på billiga avancerade biobränslen, är han fortfarande övertygad om deras potential att minska utsläppen.
När vår regering beslutar att det är dags att prioritera det, säger Keasling, tror jag att biobränslen kan spela en stor roll.