如果尋求一種更簡(jiǎn)單、更有效的方法，科學(xué)將提供出路。生產(chǎn)纖維素生物燃料當(dāng)然也是這種情況，至少目前來說，需要兩個(gè)步驟來釋放植物中被困住的糖并將其轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家認(rèn)為這一過程的步驟還是太多了。

木質(zhì)纖維素生物質(zhì) - 包括玉米秸稈和柳枝稷等植物的類別 - 可用作生產(chǎn)生物燃料的原料，同時(shí)可以替代目前由石化產(chǎn)品生產(chǎn)的生物制品。但存在阻礙：生物質(zhì)不會(huì)輕易放棄其內(nèi)部蘊(yùn)含的糖。植物受到復(fù)雜的細(xì)胞壁的保護(hù)，在內(nèi)部，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的聚合物 - 每一種都會(huì)帶來自身的挑戰(zhàn)，必須克服生物質(zhì)分解的問題。

NRELs生物科學(xué)中心的高級(jí)科學(xué)家Roman Brunecky說，所有植物基本上都已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬年，讓它們很難變成糖。這些科學(xué)家擁有微生物產(chǎn)生的酶的專業(yè)知識(shí)。他和他的同事發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)的酶有可能簡(jiǎn)化生物燃料和其他生物制品的生產(chǎn)。

十年前，國(guó)會(huì)更加重視可再生燃料以幫助保護(hù)國(guó)家能源安全，但技術(shù)壁壘阻礙了生物乙醇生產(chǎn)商的努力 - 直到現(xiàn)在。NREL正在進(jìn)行的研究可能是克服這些障礙的關(guān)鍵。

微生物消除了一個(gè)關(guān)鍵步驟

通常用于分解生物質(zhì)的過程稱為同時(shí)糖化和發(fā)酵，其工作原理如下：將原料用熱和化學(xué)物質(zhì)預(yù)處理以分離并除去木質(zhì)素和半纖維素組分。剩余的生物質(zhì)通過酶分解成糖，并且將所得到的糖供給給將它們轉(zhuǎn)化成乙醇(或另一種燃料或化學(xué)品)的微生物。

NRNs生物科學(xué)中心的高級(jí)科學(xué)家Yannick Bomble說，我們沒有這樣做。我們用一種微生物就可以做到這一切。

在去年發(fā)表的一篇論文中，Bomble、Brunecky與NREL高級(jí)研究員Michael Himmel一起詳細(xì)介紹了他們?cè)贑aldicellulosiruptor bescii的工作，這是一種在高溫下蓬勃發(fā)展的細(xì)菌。微生物產(chǎn)生稱為CelA的酶，其將生物質(zhì)分解成糖。微生物也將這些糖轉(zhuǎn)化成乙醇。使用另一種嗜熱微生物Bomble也可以做到這一點(diǎn)，熱纖梭菌可以從土壤、堆肥或草食動(dòng)物和溫泉中找到。它分解生物質(zhì)，然后以生成的糖為原料生產(chǎn)高級(jí)生物燃料，如異丁醇或正丁醇。

Bomble說，這本質(zhì)上是一個(gè)“一鍋煮”的過程，他研究細(xì)菌以及它們?nèi)绾畏纸馍镔|(zhì)。這個(gè)過程稱為“整合生物處理”，繞過對(duì)預(yù)處理或添加酶的需求。預(yù)處理很昂貴。如果你能夠獲得更好的微生物和酶來繞過預(yù)處理，這將會(huì)改變游戲規(guī)則。

事實(shí)證明，CelA是目前發(fā)現(xiàn)的唯一可以分解纖維素纖維的酶。CelA還帶來了其他優(yōu)勢(shì)，特別是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成糖的能力比競(jìng)爭(zhēng)催化劑快得多。CelA采用了一種新穎的分解機(jī)制。與在纖維素表面起作用的其他酶不同，CelA可以給纖維素鉆孔。

盡管取得了一些成功，但CelA確實(shí)遇到了障礙。木質(zhì)素就像一種將植物材料固定在一起的膠水，這是一個(gè)很大的問題。如果CelA結(jié)合木質(zhì)素，它就會(huì)卡在那里。它不能移動(dòng)，Bomble說。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，你會(huì)失去酶。你失去的酶越多，轉(zhuǎn)化效率就越低。這就是我們遇到的主要問題。這就是為什么我們要提出消除木質(zhì)素結(jié)合特性的策略。

NREL科學(xué)家Roman Brunecky拿著含CelA的“肉湯”。

酶研究提供了分解的途徑

NREL研究人員正在研究其他方法來攻破植物的防御，包括使用名為AcCel5A的酶。這種來自溫泉細(xì)菌Acidothermus cellulolyticus的酶通過將一種基因插入植物基因組中，然后將其挖掘到其發(fā)育的細(xì)胞壁中，從而削弱生物組織、產(chǎn)生缺口和空隙，使生物質(zhì)分解更容易。曾嘗試其他酶的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們的實(shí)驗(yàn)使植物生長(zhǎng)受阻，但AcCel5A幫助NREL研究人員避免了這一問題，同時(shí)保持了植物產(chǎn)生重要糖的數(shù)量。

科學(xué)家使用AcCel5A與擬南芥(Arabidopsis thaliana) - 一種被認(rèn)為雜草的小型開花植物，取得了特別的成功，因?yàn)樗纳L(zhǎng)速度很快。

Brunecky說，通過使用擬南芥，我們能夠獲得一堆不同的世代的植株，并且比我們使用玉米時(shí)能夠更快地做出調(diào)整，Brunecky在去年與該研究合作撰寫了一篇論文。在兩年的過程中，你只能得到兩個(gè)玉米作物。而當(dāng)時(shí)我們有八九代擬南芥。這確實(shí)使我們能夠完成更多的工作。

像CelA一樣，AcCel5A酶更喜歡高溫 - 高達(dá)約83°C(或約141°F)。但是在那個(gè)溫度下，這種酶基本上超速運(yùn)轉(zhuǎn)并且過分熱情地襲擊了植物。將其工作條件限制在室溫下使酶在植物生長(zhǎng)期間保持理想狀態(tài)。之后，加熱植物材料使酶更有效地釋放植物中鎖定的糖。Himmel說，這是我們二十年前采用這種方法的最初戰(zhàn)略。

據(jù)Brunecky說，沒有計(jì)劃將擬南芥作為生物燃料的原料來種植。相反，從研究中獲得的知識(shí)將用于玉米和其他植物。他補(bǔ)充說，你通常可以將你從擬南芥中學(xué)到的東西應(yīng)用于大多數(shù)其他作物。NREL的研究人員正在努力將AcCel5A引入楊樹。

新技術(shù)可以為工業(yè)提供動(dòng)力

由于2014年在堪薩斯州和愛荷華州開始生產(chǎn)一系列生物質(zhì)轉(zhuǎn)化設(shè)施，木質(zhì)纖維素生物燃料行業(yè)一直面臨挑戰(zhàn)。很少的設(shè)施仍然開放運(yùn)行，來生產(chǎn)商業(yè)應(yīng)用數(shù)量的纖維素生物燃料。其他公司正在轉(zhuǎn)移戰(zhàn)略，以生產(chǎn)高價(jià)值的化工產(chǎn)品而不是燃料。

Himmel說，我們必須幫助確保該行業(yè)取得成功，Himmel與工業(yè)界密切合作，大幅降低將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可用生物燃料和生物制品的成本。這是一段充滿挑戰(zhàn)的時(shí)間。問題是，為什么新的第二代商業(yè)化生物煉制廠按計(jì)劃運(yùn)行卻不能盈利?

他說，問題的一部分是時(shí)機(jī)不好，汽油價(jià)格上漲最初加速了對(duì)生物乙醇的興趣，但汽油成本之后一路下跌。商業(yè)規(guī)模的生物精煉廠也努力尋找他們從初始工藝設(shè)計(jì)升級(jí)所需的資金。在某些情況下，他們使用我們幾十年前用于生產(chǎn)的舊技術(shù)，Himmel說，他是一位39年的NREL老兵。例如，使用常見的預(yù)處理過程需要高溫和使用腐蝕性無機(jī)酸，這要求昂貴的預(yù)處理反應(yīng)器。

Melvin Tucker是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)，他是一位生物化學(xué)家兼高級(jí)科學(xué)家，他與Himmel一起工作了35年，開發(fā)出了一種更好的方法。他將其稱為脫乙酰化和機(jī)械精煉(DMR)，它在較低的溫度(低于沸點(diǎn))下工作，用稀堿代替酸來軟化生物質(zhì)。化學(xué)處理后進(jìn)行機(jī)械處理，加入酶后產(chǎn)生糖和木質(zhì)素。

Tucker說，這與你做土豆時(shí)的方法非常相似。你煮熟它們，并且咀嚼一段時(shí)間。唾液中有酶會(huì)開始分解煮熟的淀粉。然后這種混合物進(jìn)入你的胃，在那里它的高度酸性幫助分解剩余的聚合物。然后，在你的小腸中添加更多的酶，以更加充分地分解糖和其他食物聚合物。本質(zhì)上講，化學(xué)和酶處理步驟都是按順序使用以降解復(fù)雜的原料。

商業(yè)生物精煉廠通常采用的苛刻的預(yù)處理工藝提取纖維素和半纖維素并留下木質(zhì)素 - 但不是以可用的形式。Tucker說，傳統(tǒng)的預(yù)處理，在高溫下用大量酸進(jìn)行烹飪，將木質(zhì)素濃縮成焦油。這種新的DMR工藝不會(huì)很大程度上修改木質(zhì)素，您可以隨時(shí)升級(jí)它。

升級(jí)涉及將分解后可用的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成另一種產(chǎn)物，例如將糖轉(zhuǎn)化為生物乙醇的發(fā)酵過程。國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)確定，通過生產(chǎn)目前由石油生產(chǎn)的化學(xué)品來改善生物精煉廠PDF的整體經(jīng)濟(jì)狀況是有希望的。例如，來自DMR的木質(zhì)素可轉(zhuǎn)化為己二酸，后者是尼龍、聚酯和其他化學(xué)品的前體，并且也可以容易地被催化轉(zhuǎn)化為噴氣燃料。

Himmel說，生物質(zhì)研究的早期重點(diǎn)是生產(chǎn)生物乙醇。在那個(gè)時(shí)候，只有一個(gè)目標(biāo)。現(xiàn)在，有很多來自生物質(zhì)的產(chǎn)品，更加強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的形成。那并不是說研究人員完全忽視了最初的步驟 - 如何最有效地分解生物質(zhì)。Himmel說，我們需要確保所有提出的生物燃料加工步驟都是可行的，并降低風(fēng)險(xiǎn)。