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臺(tái)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(bào)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(biāo)。近日,，一個(gè)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(xiàng)研究為實(shí)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(jià)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(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,。它主要被制成液化石油氣進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)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(rèn)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(jiǎn)單說,，就是通過一些酶阻斷大腸桿菌中脂肪酸進(jìn)入細(xì)胞膜的生物過程,，并引導(dǎo)脂肪酸進(jìn)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(jí)階段,，丙烷的產(chǎn)量還比較低，但這項(xiàng)驗(yàn)證性研究確實(shí)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(duì)生物能源并不陌生,。事實(shí)上，早在19世紀(jì),，就出現(xiàn)了現(xiàn)代生物能源乙醇,。1902 年，Deutz 可燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)工廠特意將1/3的重型機(jī)車?yán)眉円掖甲鳛槿剂?，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(shì)。 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(bào)》記者采訪時(shí)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(rèn)為,，由淀粉和蔗糖進(jìn)行釀酒酵母菌發(fā)酵的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)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(shí)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(zhǔn)建設(shè)了4個(gè)燃料乙醇生產(chǎn)試點(diǎn)項(xiàng)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(tuán)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(dá)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?，讓生物燃料與糧食競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)而生，并迅速成為了研究熱點(diǎn),，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(dān)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(gè)數(shù)量級(jí),。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(tuán)在9月初宣布，其和美國POET公司的合資企業(yè)POET-DSM先進(jìn)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(jí)纖維素乙醇工廠近日正式竣工投產(chǎn),。該項(xiàng)目名為“LIBERTY項(xiàng)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(yùn)營,。 第一家商業(yè)級(jí)纖維素乙醇工廠的投產(chǎn)被視為一項(xiàng)突破性的進(jìn)步，纖維素乙醇的商業(yè)價(jià)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(xiàng)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(jī)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(dòng)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(yuǎn)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(xì)胞內(nèi)的油脂運(yùn)到細(xì)胞外，進(jìn)行提煉加工,，就能制成生物柴油,。因此，藻類一度被認(rèn)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的水平,。“燃料是一種消耗速度極其驚人的物質(zhì),，生物能源如果不能實(shí)現(xiàn)少能耗,、低成本,、大規(guī)模的生產(chǎn),，就只是一個(gè)美好的概念?！币虼?，他認(rèn)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(bào)》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(huì)對(duì)燃料性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,。氧具有吸濕性,，燃料一旦進(jìn)水，汽油管路系統(tǒng)腐蝕會(huì)很快,。 “因此,，最理想的生物燃料是烴，不含氧的碳?xì)浠衔??！崩钍⒂?qiáng)調(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(dòng)機(jī)系統(tǒng)及運(yùn)輸設(shè)備具有良好兼容性等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)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(tuán)隊(duì)利用大腸桿菌生產(chǎn)脂肪烯烴生物燃料的研究項(xiàng)目也取得一定的成果，轉(zhuǎn)化率達(dá)到了目前國際上已報(bào)道的最高水平,。 李盛英認(rèn)為,，丙烷作為氣體在運(yùn)輸上存在劣勢(shì)，轉(zhuǎn)化成液體需要額外的能耗,。而研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)機(jī)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(cè)相差甚遠(yuǎn)?！崩钍⒂⑻寡?，研究團(tuán)隊(duì)還一度在這個(gè)系統(tǒng)中加入光合細(xì)菌，希望借助太陽能達(dá)到免除耗電的目標(biāo),，誰料生產(chǎn)效率還不如以前,。在他看來，這項(xiàng)可以說是目前最前沿的生物能源技術(shù)想要真正實(shí)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(duì)此抱有足夠的信心,?！盁o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(fèi)成本都將大大降低,，并減少能源利用對(duì)環(huán)境造成的破壞性影響?！?/P>
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