生物能源在加州

2009-08-28 02:21 作者:何維瑰

生物燃料是目前新能源研發的熱點之一。生物能源的直接來源是太陽能，使用的能源媒介是碳。植物通過光合作用積累太陽能，吸收二氧化碳。植物被收割、處理後，以各種不同的方式來提供能源。能源最終消耗後，二氧化碳又被排放到了大氣中，完成碳的循環。生物燃料包括所有從生物材料，如玉米、木頭、稻稈或麥桿等，通過生物發酵等方法提取的能源形式。從實踐角度來講，只有那些適合大規模生產，產量比較高的植物才適合作為生物能源。目前，已研製成功並投入使用的植物油燃料有菜籽油、棉籽油、棕櫚油、荳油、甲醇酯混合油等。液體生物質能源，最有名的就是生物柴油和生物酒精。

生物柴油
生物柴油的來源，是植物油和動物脂肪。植物油和動物脂肪裡面含有長鏈脂肪酸，長鏈脂肪酸經過酯化反應以後，得到的液體和柴油有很多相似的地方，可以作為柴油的替代燃料使用。由於原料來源於生物，又像柴油，所以這種燃料就被稱為生物柴油了。生物柴油熱門的主要原因之一，就是不需要對發動機以及燃料進料系統進行大的改動。生物柴油可以在柴油機車上使用，但不能用於一般的汽油機車。

在傳統的柴油發動機裡面，生物柴油表現的性能和傳統柴油差不多。生物柴油中的富氧可以加快燃燒速度，燃料的性質與輕柴油接近，但發動機噴油系統金屬會受到甲酯的腐蝕，車子跑起來不那麼快。美國能源部和農業部的一項研究表明，在生物柴油的整個生命週期裡面，排放的二氧化碳總量僅僅是傳統柴油排放的二氧化碳的22%。使用生物柴油，氮氧化物排放與傳統柴油相當，排放物導致的臭氧生成量只是傳統柴油的一半，一氧化碳排放量也顯著降低，幾乎沒有什麼芳香烴排放，也沒有二氧化硫，顆粒物也少了很多，可以被稱為清潔燃料。科學家指出，美國主要是以國內盛產的黃豆煉製生物柴油。研究替代能源多年的康乃爾大學生態及農業科學教授皮曼塔，對生物柴油的評價極高。他說，根據目前的實驗結果，1.5加侖（5.7公升)黃豆可以煉製一加侖生物柴油。皮曼塔指出，此一程序單只生產成本即達每加侖1.8美元左右，已超過目前市售車用柴油的價格，因此若能改善提煉效率、顯著降低生產成本，應可吸引經濟規模生產所需的投資。殼牌石油公司和德國科冷工業公司正在生物燃料市場進行合作，使生物燃料規模化、商業化。

加州是美國著名的農牧業區，史瓦辛格日前訪問中部農業大鎮佛瑞斯諾時，親自駕駛一輛利用"生物柴油"產生動能的輕型貨卡到田間收成。當地盛產的豆類是提煉生物柴油的主要原料。如今行駛於美國西部最繁忙的洛杉磯-長堤港區的不少貨卡，經過環保單位疏導後，現在都樂於遵照加州能源法，盡量採用生物柴油，以配合降低空氣污染的要求。目前在灣區，柏克萊市已在城市公交系統使用生物柴油，並大大的降低了溫室效應的污染。波西菲卡市計畫在它的城市污水處理系統內使用生物柴油。舊金山市長紐森前些時也推出名為"舊金山油回收"(SFGreasecycle)的廢油回收計畫。舊金山市擁有1,600多輛公車，正被改裝，成為能利用生物能源的汽車。紐森簽署的執行令，要求改裝工程在年底完成。計畫初期，舊金山將通過承包商購買生物柴油，之後，城市的廢油回收預計將供應全部公車。

加州伯克利有一個加油站叫生物燃油綠洲。那裡的油是用過的食用油製成。這個加油站由五個婦女共同經營，是一個合作項目。自從生物綠洲加油站2003年開業以來，大約有2500名顧客到這個加油站來加油。綠洲加油站出售的生物柴油來自加州北部利用回收菜油生產燃油的唯一一家商業煉油廠。該公司2001年開始營業，目前每天生產大約3700升生物柴油。該公司擁有一個使用生物柴油的卡車隊，這些卡車從北加州大約700家飯店那裡蒐集用過的食用油。這些油被運到處理工廠後就會經過一個加工程序，其中包括過濾，快速攪拌、高溫和去除食物殘渣和水分清洗過程。分離出來的食品被合成肥料。經過過濾的油便開始它的轉換過程。植物油分子經過甲醇和鉀的氫氧化物，也被稱作灰汁，處理後即被分解。

生物酒精
生物乙醇通常由玉米或生物物料（如農產品廢料）製成。大多數在美國使用的乙醇是通過玉米發酵工藝製作的。在生物燃料中，乙醇應該算是推廣得比較好的替代能源之一。E85是一種含85％的乙醇和15％汽油的混合燃料。目前總部位於底特律的三大美國汽車公司，通用、福特和克萊斯勒，均積極推動E85的使用，他們已經投入生產幾百萬輛"複合燃料"（Flex-Fuel）汽車，這種車能使用E85或汽油行駛。在巴西，有50%的汽車可以百分之百地使用乙醇。作為車用燃料，生物丁醇和生物乙醇相比，有很多優點：丁醇能量密度只比汽油低10%；輸送方便；辛烷值比汽油好。揮發性差，損失小。丁醇含氧比乙醇低，理論上講，在不對發動機進行大的改動的條件下，丁醇可以完全替代汽油。目前最成熟的丁醇生產方法使用的原料和乙醇都一樣，如甜菜、甘蔗、玉米、麥子等，只不過使用的發酵微生物不同，工藝上差不多，設備也都可以套用。

第二代生物燃料
目前人們還是選用玉米、甘蔗等較易分解成為醣類的作物作為生物乙醇的生產原料，而富含纖維素的木材等，則因為缺乏將纖維素高效轉換成醣類的方法，像富含纖維素的木材等，則而無法作為大規模工業生產生物乙醇的原料。這在全球糧食供應日益緊張的今天，成為發展生物燃料的一個瓶頸。

纖維素降解物
利用纖維素大量生產生物燃料，將使現在面臨的"與人爭糧"的問題得到妥善的解決。麻薩諸塞大學的化學工程教授喬治·.哈伯指出："真正的挑戰是第一代生物燃料，因為你是利用玉米之類的農產品來直接生產生物燃料。然而到了第二代生物燃料，也就是所謂的纖維質生物燃料，你是用不可食用的生物原料來製造生物燃料。也就是說，你是利用農業廢棄物或能源作物來製造生物燃料，這樣你就不再跟糧食生產形成矛盾了。"

哈伯說，纖維質生物原料既豐富又便宜，假如生物燃料將在滿足世界能源需求方面發揮重大作用的話，就必須加大力度研究如何利用纖維質生物原料來生產第二代生物燃料。新一期《自然－生物工藝學》雜誌上介紹，科學家們在裡氏木霉基因中找到一種能夠編碼產生一種特殊的脢，這種脢能夠幫助把植物纖維素高效分解成單糖物質，也就是生產生物乙醇的最佳中間原料。

在生產纖維素乙醇方面處於世界領先地位的加拿大生物技術公司，艾歐基公司的主席兼總裁富迪，最近在美國國會作證時表示，美國能源部和農業部聯合進行的一個研究發現，美國每年可以產生10多億噸可以用來轉化成乙醇以及其他生物提煉產品的纖維素原料，也就是說，美國能夠產生足夠多的纖維素資源，使現有的石油消費減少 30%。他還表示，這種技術也已經存在。他說："纖維乙醇的生產技術不是什麼遙遠的、神秘的技術，它是確確實實存在的、實用的，而且現在正在被用來生產乙醇。"

同時，加州大學戴維斯分校的馬斯卡爾 (Mark Mascal)和尼基庭(Edward B. Nikitin)已開發出新方法，可將纖維素轉化成鈇喃基生物燃料。馬斯卡爾和尼基庭的新發明就在於此，他們開發出簡單的處理程序，直接把纖維素轉化成鈇喃基，即以鈇喃為化學基的有機液體。鈇喃基分子的基本單位是由1個氧原子和4個碳原子組成的芬香環，產生的主要產品為5-氯甲基鈇喃甲醛(簡稱CMF)。5-氯甲基鈇喃甲醛可以同乙醇合成為乙氧基鈇喃甲醛(簡稱EMF)，此外，5-氯甲基鈇喃甲醛同氫氣反應後可產生5-鈇喃甲醛，而這兩種化合物都可用做燃料。馬斯卡爾認為，迄今為止他們的方法可最有效的將纖維素轉化成簡單水氧化合物，而且在使用碳物質的效益上，也超過葡萄糖和蔗糖發酵，鈇喃基可以作為未來汽車動力和基礎化學物質。

海藻
海藻能控制氣候變化─自然吸收大量二氧化碳，能產生能源─因為它能輕易轉換成不同形式的燃料。這個構想是透過所謂的"照光式生物反應器"、或裝滿海藻的巨大透明管，轉換以碳為燃料工廠及其它工廠排放的廢氣。廢氣與水混合後、投入管內，海藻進行光合作用，吸收大量二氧化碳。

海藻中油的成分很高，美國能源部從1970年代石油危機時，就開始用海藻進行實驗將近20年之久，但是後來放棄了。如今油價如此之高，全世界的科學家再一次把眼光放到海藻上。美國明尼蘇達大學生物提煉中心的主任羅傑·魯安說："現在，按照水塘培植海藻的做法，人們很容易就可以生產出19,000公升的燃油，但是同樣重量的大豆只能生產190公升的燃油。這就是海藻和大豆的不同，它們的產油量相差100倍。"

加州聖地牙哥的"藍寶石能源"公司宣稱，他們能從海藻提煉出一種沒有其他生質燃料缺點的綠色原油。綠色原油化學成分與輕原油相同。該公司首席執行長派爾說，他們的綠色原油能在現行的煉油廠提煉，然後生產出能讓現行汽車、卡車使用的燃料，一切就跟目前高污染的汽油、柴油一樣。藍寶石能源公司不願透露綠色原油的製造細節與地點，僅稱希望能在3年內正式對外推出，以及在5年內全面上市。派爾不願為每桶綠色原油定價，但預料價格應該跟目前從深海油床與油砂鑽油一樣具有競爭力。此外，該公司已製造出航空燃料版、柴油版與高級石油版的綠色原油。

目前人們還是選用玉米、甘蔗等較易分解成醣類的作物作為生物乙醇的生產原料，因為缺乏將纖維素高效轉換成醣類的方法，像富含纖維素的木材等，則無法作為大規模工業生產生物乙醇的原料。這在全球糧食供應日益緊張的今天，成為發展生物燃料的一個瓶頸。

文特爾其人及基因組研究
談到人造能源微生物前沿領域, 就不能不提到科瑞格·文特爾(Craig Venter)。文特爾在生命科學界是個傳奇式的人物，他既是遺傳學家和生物高科技創業家，又是帆船運動員，還參加過越戰。1947年，文特爾在鹽湖城降生。上高中的時候，他曾在游泳隊中打破過游泳記錄，但卻差點因學習成績不好而退學。他整天不是追女孩就是去衝浪。可以說，他當時對學習根本沒什麼興趣。中學畢業後，文特爾參加了海軍醫院兵團，在新兵智力測試中，他得了最高分，此後被派往越南戰場。文特爾後來回到了加利福尼亞，在加州大學聖迭戈分校獲得生物化學學士學位，幾年後又獲得生理學和藥理學博士學位，從此走上了科研之路。

1990年10月，人類基因組計畫(Human Genome Project)啟動，美、英、日、法、德、中六國相繼加入其中，按最初的設想，該項目將耗資30億美元，在2005年完成全人類基因組的測序工作。然而，1998年5月，文特爾的介入打亂了"人類基因組計畫"的原有步調。在帕金·埃爾默公司3.3億美元投資的支持下，文特爾組建了塞萊拉公司--一個私營性質的基因研究機構。文特爾希望超前破譯整個人類的基因序列，然後把這些基因序列申請專利，這樣整個生物遺傳領域將來的發展就得向他的公司變相繳稅。這主意太好了，卻斷了其他公司的財路，對學術界的科研自由(Academic Freedom)也有潛在的威脅。所以，美英政府出面干預，決定投入納稅人的錢破譯人類基因組。2000年3月14日，時任美國總統的克林頓與時任英國首相的布萊爾聯合發表聲明，宣布兩國政府都支持把基因組數據向全世界免費公開。文特爾想壟斷基因組專利的企圖因政府機構將研究成果免費供人們分享而受挫。

有趣的是，文特爾公開了他個人的整個基因序列，這引起了人們對個人醫學（Personalized Medicine)的熱情：今天任何人都可以很快瞭解自己的全部基因組序列。一個人的10億個鹼基的完全測序，僅需要1萬美元，只需要花費1個人，大約1個月的時間。這些重要的遺傳信息，會對個體的診斷和用藥有很大幫助。由於人類基因組競賽沒有取得勝利，2002年，塞雷拉公司董事會將文特爾解雇。很快，他從挫折中恢復過來，又開始了一項新的合成生物學計畫。合成生物學是指設計、構制自然界不存在或存在的生物體。合成生物學研究如何構建人工生物體，雖然其中涉及到很多實驗科學和生物科學，但其目的是工程應用而非科學研究。

將基因組研究用於人造新能源
在過去的數年中，在美國能源部多項基金的支持下，位於洛克威爾的文特爾研究所和基因組研究所已全力開展了將生物染色體中的遺傳物質用於能源目的的研究。根據研究情況和與諾貝爾生理醫學獎獲得者哈密爾頓•史密斯的長期合作，文特爾最終才決定涉足用細菌生產燃料這項新的商業領域。2005年文特爾因此又創立了一家生物高科技公司Synthetic Genomics，希望創造一種人造能源微生物。他打算先完全移除支原體（Mycoplasma genitalium）細胞中的基因物質，再將一條人工合成的染色體植入被掏空的細胞，然後看它是否能存活繁殖；這條人工染色體的成份近似正常的支原體染色體，但基因刪除至只剩300個。如果初步實驗成功，文特爾將透過新生物來全面探索生物體的生命機能，並建構電腦模型。這項實驗從純科學研究出發，未來有可能延伸至實際應用的領域。一旦新生物能穩定生存，文特爾將嘗試逐步改變它的性質，讓它具備各種功能。

這項生物技術應用潛力巨大，比如:"創造"出具有特殊功能的新微生物，可以被人們用作替代石油和煤炭的綠色燃料，還能分解火力發電廠排放的二氧化碳，釋放氧氣或氫氣，從而為低成本、高效率製造生物能源找到一條新出路。這種技術還用來幫助清除危險化學物質或輻射等，用於合成能幫助消除過多二氧化碳的細菌。還有一些科學家相信，人造生命將會在未來解決一系列目前人類難以克服的問題，幫我們幹一些"髒活累活"，其中包括抵禦疾病、"鎖住"溫室氣體和"吃掉"垃圾。許多"古細菌"或特殊生物，具有特殊的特徵，如吸收甲烷，吸收CO2，煉石油，冶煉金屬，分解垃圾，分析一些難以自然降解的有機物，這些特殊的特徵，有可能成為改造地球環境的重要的工具。傳統的廢物處理廠，實際上整個流程也許可以在某些微生物體內得以實現。現階段主要還是尋找和利用一些特殊細菌去實踐，但人類實際上對這些細菌功能很快就瞭解透徹，這樣就可以對這些細菌的基因組進行人工改造，使其從一種加工廠，演變成另一種加工廠。

在過去數年中，文特爾乘遊艇進行了環球旅行，從大海中獲得了大量的遺傳物質，極大地擴充了其原有的資源庫，這些自然物質成為他開展替代燃料研究的重要基礎。對文特爾而言，新的研究計畫是用細菌或專門設計合成的細菌，完成從植物分解到乙醇產生所需的全部生物過程，此舉無疑將進一步降低乙醇的生產成本。目前，文特爾已為此計畫籌集到了3000萬美元的資金，僅墨西哥的億萬富翁嘎扎個人就注入了1500萬美元。2009年石油巨頭埃克森公司向文特爾的公司投資6億美元，表明瞭傳統石油工業界對他的認可。如果文特爾的夢想得以實現，今後城裡大街和公路旁站立的將不再是加油站，而是加乙醇站，而乙醇直接來自站內設施中細菌同植物的作用，人們將看不到危險的油罐車四處穿行。

人造微生物給人類帶來的後問題
像核技術一樣，此項新技術既有巨大潛在利益也有許多風險。人類能製造微生物，但並不代表能控制這些微生物。微生物的自身快速變異能力，以及快速生長繁殖的特性，以及錯誤地合成某種新的危害的微生物，都可能成為人類發展的夢魘。美國加州大學分子生物學教授戴維·迪默認為，人類製造的任何東西都不可能與那些在自然界中存在了30億年的生物競爭。儘管專家們從這種新技術中看到了無窮的好處，但很多人對於它可能給人類倫理觀念帶來的衝擊，以及人類最終可能失去對新物種的控制等問題感到擔擾。因為任何人造生命都有可能演化成跟地球上現有的生命形式完全不同的生命，成為無法控制的生物。

朱棣文和加州的生物能源產業
加州在發展生物能源上有一張王牌，那就是當今美國聯邦政府的能源部長朱棣文(Steven Chu)。朱棣文和加州淵源很深，他祖籍江蘇太倉，1948生於美國密蘇里州，他的父親朱汝瑾畢業於清華大學化工系，擁有麻省理工學院博士學位，曾在三所美國大學任教，是國際知名的化學工程專家。母親李靜貞曾就讀於麻省理工學院。朱棣文父兄輩中至少有12位擁有博士學位或大學教授職位。

2004年朱棣文被任命為加州勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）主任，是亞裔人士第一次接掌美國能源部所屬的國家實驗室。勞倫斯伯克利實驗室是美國能源部所屬的十多所國家實驗室之一，大約擁有4000名員工，每年的經費預算是5。2億美元。朱棣文出任勞倫斯柏克萊國家實驗室主任之後，把實驗室研究方向轉向研究高級生質燃料、人工光合作用和其他太陽能研究上。朱棣文指出，生質能源的未來不在於玉米，而是一般人不會注意到的綠海藻。2009朱棣文出掌美國聯邦政府能源部，主要負責能源政策制定。學物理的朱棣文對能源問題有獨到的眼光，他認為，過去五年的氣候，是在過去150年來，最溫暖的幾年。溫室效應造成大氣變暖，使冰雪融化、海平面升高，並改變全球氣候。以碳 (carbon)為基礎的能源使用需求不斷增加，一般認為，這個重要社會問題，可能以科技研究解決；國家實驗室近幾年來進行有關地球暖化方面研究，發現使用中性碳形式為主的能源，可兼顧能源使用及世界環保需求。他6月12日出席加州理工學院第115屆畢業典禮時發表演講表示，在今後的幾十年，美國能源部將幫助發展替代能源和可再生能源，建築可節約能源80%的新型建築，製造燃油效率技術領先的汽車，推動開發先進的電池車輛，結束美國對外國石油的依賴，創造新的就業機會。

縱觀朱棣文的簡歷，可以知道他一生中最重要的求學和立業時期都是在加州完成的，他在加州的人脈和威望應該是很有基礎的，可以預計，他擔任能源部長後對加州仍然會關注的，這對加州的新能源，特別是生物能源的研究和應用將會起到極大的促進作用。相信不久的將來，生物能源會成為加州的又一個高科技產業，為本地的經濟繁榮起到巨大的作用。"巧合"的是，英國石油公司（BP）近年斥資5億美元，提供給能源生物科學研究所（EBI），委託它"執行開創性的研究，目的是生產新的潔淨能源"，初期重點鎖定供汽車與卡車使用的生物燃料。能源生物科學研究所的研究計畫，主要在加州大學柏克萊分校及其附屬勞倫斯柏克萊國家實驗室。看來英國石油公司已經看好加州這塊寶地了，這和朱棣文恐怕也有關係吧。

(文章僅代表作者個人立場和觀點)