211service.com
De wetenschapper vecht nog steeds voor de schone brandstof die de wereld is vergeten
Een decennium van investeringen in geavanceerde biobrandstoffen leidden nergens toe, maar Jay Keasling blijft onverschrokken. 10 mei 2018
In de laatste weken van 2008 nodigde het Amerikaanse ministerie van Energie politici en pers uit voor een inwijdingsceremonie voor het Joint BioEnergy Institute in Emeryville, Californië. Het ultramoderne laboratorium, ondersteund door $ 125 miljoen aan federale financiering, vulde de bovenste verdieping van een glinsterend glazen kantoorgebouw dat de grote hoop op geavanceerde biobrandstoffen weerspiegelde.
Het brengt de beste mensen op één locatie samen om te werken aan wat misschien wel een van de belangrijkste uitdagingen van onze tijd is, zei Jay Keasling, een synthetisch bioloog aan de University of California, Berkeley, en chief executive van het onderzoeksinstituut.
De missie van JBEI (spreek uit: jay-bay) was om goedkope biobrandstoffen te produceren uit cellulosebronnen, dat wil zeggen de bladeren en stengels van planten zoals switchgrass in plaats van de granen van voedselgewassen zoals maïs. Het laboratorium wilde verder gaan dan ethanol en streefde ernaar koolstofneutrale brandstoffen te maken die de tanks van standaardauto's, vliegtuigen, schepen en vrachtwagens zouden kunnen vullen. Als ze daarin zouden slagen, beloofde het de uitstoot van broeikasgassen en de Amerikaanse afhankelijkheid van olie drastisch te verminderen (zie De prijs van biobrandstoffen).
JBEI ontwikkelt soorten switchgrass en sorghum die veel meer suikers produceren en veel minder lignine.
Keasling deed net zoveel als een enkel individu om het veld vooruit te helpen en de belofte van dergelijke brandstoffen te verkopen. Naast het runnen van JBEI, was hij medeoprichter van verschillende goed gefinancierde startups, waaronder LS9 en Amyris Biotechnologies, om die visie om te zetten in realiteit.
Maar tien jaar later ligt het veld in puin. JBEI en andere door de federale overheid gefinancierde bio-energielaboratoria overleven nog steeds, maar de meeste geavanceerde biobrandstoffenbedrijven, waaronder Keasling's, hebben de droom opgegeven.
Amerikaanse bedrijven produceren slechts een klein deel van de cellulosehoudende brandstoffen die nodig zijn volgens de normen voor hernieuwbare brandstoffen die aan het einde van de laatste regering-Bush zijn ingevoerd, en veel daarvan is ethanol dat is afgeleid van landbouwresten zoals maïsstengels. Gezien dat tekort geeft de Environmental Protection Agency elk jaar eenvoudigweg vrijstellingen voor geavanceerde biobrandstoffen, waardoor de industrie grotendeels door kan gaan met haar normale gang van zaken.
JBEI's volgende doel is om fabrieken te ontwikkelen die uiteindelijk geavanceerde biobrandstoffen kunnen produceren voor minder dan $ 3 per gallon.
JBEI heeft wetenschappelijke vooruitgang geboekt, maar als de gewassen, technieken en bugs van het instituut vandaag op commerciële schaal zouden worden uitgerold, zou een gallon van de resulterende brandstof 14 keer kosten wat we aan de pomp betalen.
Het produceren van goedkope geavanceerde biobrandstoffen bleek uiteindelijk een veel moeilijker probleem dan verwacht. We hebben het waarschijnlijk onderschat en waarschijnlijk ook te veel verkocht, erkende Keasling vorige maand tijdens een interview in zijn kantoor bij JBEI.
Toch heeft Keasling de hoop op een toekomst waarin biobrandstoffen een levensvatbare vervanging zijn voor benzine, diesel en vliegtuigbrandstof niet opgegeven.
's nachts gewassen
Keasling groeide op in een klein stadje in Nebraska, op een maïsboerderij die al vijf generaties in zijn familie is. Tijdens zijn afstuderen in chemische technologie aan de Universiteit van Michigan raakte hij gefascineerd door het potentieel van genetische manipulatie om grote problemen op te lossen. Hij deed postdoctoraal onderzoek in het veld aan Stanford voordat hij op 28-jarige leeftijd als professor aan de UC Berkeley landde.
Het was daar dat hij baanbrekend werk verrichtte in de synthetische biologie, waarbij hij gist en bacteriën transformeerde in kleine fabriekjes die isoprenoïden konden uitspugen, een klasse verbindingen die worden gebruikt om rubber, antibiotica en geuren te produceren. Met name ontwikkelden hij en zijn medewerkers een proces om een synthetische voorloper te produceren van artemisinine, een van de weinige effectieve behandelingen voor malaria, door DNA van verschillende organismen in te brengen in E coli en gist. Het wordt beschouwd als een van de eerste echte doorbraken in de synthetische biologie.
De overstap van artemisinine, een koolwaterstof die moleculair lijkt op aardolie, naar biobrandstoffen was geen grote sprong voorwaarts in de verbeelding. In eerdere interviews zei Keasling beschreven het is een kwestie van een paar genen verwijderen en er nog een toevoegen.
Begin 2008 startte zijn startup Amyris trompetterde is van plan om binnen een paar jaar een miljard gallons biodiesel op basis van suikerriet te produceren uit zijn biotechnologische micro-organismen, voor slechts $ 60 per vat en dat allemaal binnen een paar jaar (zie Zoeken naar de sweet spot van biobrandstoffen).
Keasling pronkt met de ultramoderne laboratoria in JBEI, in Emeryville, Californië.
Maar toen de economische recessie van 2008 doorbrak, daalden de olieprijzen van een piek bijna $ 150 per vat tot een paar dollar verlegen van $ 30 aan het eind van het jaar. De hernieuwbare economie is moeilijk om enthousiast over te worden als je te maken hebt met een vat olie van $ 30, zegt David Berry, een algemene partner bij de durfkapitaalonderneming Flagship Pioneering, die in 2005 samen met Keasling LS9 oprichtte. Schulden- en aandelenmarkten een nacht gewassen.
En ze namen veel van de startups mee. De meeste overlevenden stapten over naar andere bedrijfstakken. LS9 draaide om het maken van speciale chemicaliën en werd uiteindelijk overgenomen door Renewable Energy Group (zie Waarom de belofte van goedkope brandstof van Super Bugs viel).
Amyris, die ging openbaar in 2010 heeft het zijn hernieuwbare diesel nooit op commerciële schaal geproduceerd. Het is nu gericht op nutraceuticals, huidverzorging en kunstmatige smaken en geuren. Een woordvoerder weigerde aan te geven welke prijs het bedrijf voor de brandstof kon bereiken, maar Keasling schatte het op $ 1,75 per liter - of ongeveer $ 6,63 per gallon.
Ondanks al het enthousiasme van tien jaar geleden, was het produceren van betaalbare geavanceerde biobrandstoffen altijd een gewaagd idee.
Om te beginnen moet je enorme hoeveelheden gewassen planten, oogsten, drogen en vervoeren, op een zo schoon en duurzaam mogelijke manier. En dan begint het moeilijke deel.
Om brandstoffen uit stengels en bladeren te verwijderen, moeten de energierijke koolhydraten in de celwanden van de plant worden gescheiden van de houtachtige ligninemoleculen die zich er stevig omheen hechten, meestal met behulp van zuren, druk en warmte. Dan heb je microben nodig die die koolhydraten, meestal cellulose, kunnen consumeren en brandstoffen kunnen uitpoepen. Maar er zijn geen natuurlijk voorkomende bugs bekend die het type produceren dat de tank van bestaande auto's direct kan vullen, dus wetenschappers moeten degenen die dat wel kunnen genetisch manipuleren.
Ondanks alle inspanningen en financiering zijn sommigen in het veld van mening dat er de afgelopen tien jaar niet veel echte vooruitgang is geboekt met deze uitdagingen.
De brede opvatting is dat er niet veel is veranderd, zegt Gregory Stephanopoulos, hoogleraar chemische technologie aan het MIT. Het pad van cellulose naar suikers naar brandstof lijkt tegenwoordig nergens veelbelovender te zijn.
Op weg naar een gallon van $ 3
Keasling is het daar niet mee eens en stelt dat JBEI en andere laboratoria aanzienlijke wetenschappelijke vooruitgang hebben geboekt. Onderzoekers van het California Institute, dat de spil vormt van een samenwerking tussen zes onderzoekslaboratoria en universiteiten, hebben bijna 700 peer-reviewed papers gepubliceerd, bijna 30 patenten verdiend en zes startups gelanceerd.
De onderzoekers van JBEI hebben genetisch gewijzigde soorten switchgrass en sorghum, zodat ze veel meer suikers en veel minder lignine produceren dan standaardplanten. Ze hebben ook een proces ontwikkeld om lignine om te zetten in ionische vloeistoffen, zouten die biomassa afbreken, waardoor een afvalproduct een effectief hulpmiddel wordt voor het afbreken van planten.
Ten slotte hebben wetenschappers daar microben ontwikkeld die verschillende soorten drop-in-brandstoffen uit deze planten kunnen produceren, waaronder: pineen , een voorloper van vliegtuigbrandstof; isopentenol , die zou kunnen werken als vervanging voor benzine; en bisaboleen , die een verdomd goede diesel produceert, zegt Keasling.
Deze collectieve vooruitgang heeft de kosten van een gallon biobrandstof van de volgende generatie verlaagd van ongeveer $ 300.000 toen ze begonnen tot ongeveer $ 35, tenminste als ze op commerciële schaal werden geproduceerd, zegt Keasling.
Maar natuurlijk zou niemand de productie van een brandstof van $ 35 per gallon opvoeren als de gemiddelde gallon gas $ 2,50 kost. Dus nu verschuift het lab naar een nieuwe onderzoeksfase, met als specifiek doel die kloof te verkleinen. Afgelopen juli hebben JBEI en andere federale onderzoekscentra voor bio-energie gezorgd voor hernieuwde federale financiering van $ 25 miljoen per jaar, hetzelfde niveau dat het instituut vanaf het begin heeft ontvangen.
JBEI ontwikkelt soorten switchgrass en sorghum die veel meer suikers produceren en veel minder lignine.
Het vermelde doel in de aanvraag van JBEI voor de financiering was om biobrandstoffen te ontwikkelen die in de komende vijf jaar voor minder dan $ 3 per gallon zouden kunnen worden geproduceerd, zei Keasling.
Ik weet niet of we er over vijf jaar zullen zijn, zegt hij. Ik zou het goed vinden als we dat over 10 jaar zouden krijgen, eerlijk gezegd.
Keasling is van mening dat de sleutel tot een groot deel van die verbetering in lignine ligt, wat geldt: aanzienlijk koolstof maar klampt zich er koppig aan vast. De onderzoekers van JBEI zullen planten moeten veranderen zodat de bindingen van lignine gemakkelijker kunnen worden verbroken. Dan moeten ze ligninasen veranderen, een weinig begrepen klasse van enzymen waarvan bekend is dat ze de lignine afbreken, om meer van de koolstof te extraheren. Ten slotte moeten ze nieuwe sets microben ontwikkelen die de resterende verbindingen in brandstoffen kunnen omzetten.
Het laatste deel van het plan om de drempel van $ 3 te overschrijden, is het ontwikkelen van manieren om sommige delen van de fabriek om te zetten in hoogwaardigere producten die de kosten van biobrandstoffen kunnen subsidiëren, zoals vlamvertragers of materialen voor 3D-printen.
Concurrerende eisen
Wil de wereld een behoorlijke kans hebben om te voorkomen dat de mondiale temperatuur meer dan 2 C stijgt, dan zou bio-energie in 2060 17 procent van de totale energievraag moeten voorzien, tegen 4,5 procent in 2015, volgens een analyse van het International Energy Agency . Maar tot nu toe liggen de productiewinsten ver onder het tempo dat nodig is om dergelijke doelen te bereiken. Onder andere het aanbod van biotransportbrandstoffen zal de komende decennia moeten vertienvoudigen.
Schattingen van hoeveel land daarvoor nodig zou zijn, lopen sterk uiteen, maar om tegen het midden van de eeuw in bijna 30 procent van de transportbehoeften te voorzien, zou 100 miljoen hectare moeten worden besteed aan het verbouwen van de grondstoffen, concludeerde het IEA in een 2011 verslag doen van . Dat is ongeveer een negende van het landbouwareaal in de Verenigde Staten.
We hebben een enorm aantal concurrerende eisen aan land, en het idee dat we enorme hoeveelheden kunnen vrijmaken voor het maken van biomassa-energie zal zeer waarschijnlijk op beperkingen stuiten, zegt Chris Field, directeur van het Stanford Woods Institute.
Een serieuze gerelateerde uitdaging is het opschalen van geavanceerde biobrandstoffen op een manier die de totale uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk vermindert, en dat is het hele punt. Elke stap van planten tot productie is op zichzelf al energie-intensief, dus de details van hoe het allemaal wordt gedaan, zijn van groot belang. In het bijzonder maken onderzoekers zich zorgen dat als de markt ooit van de grond komt, dit perverse prikkels kan creëren, zoals het aanmoedigen van boeren om bossen, die enorme koolstofputten zijn, met de grond gelijk te maken om plaats te maken voor dit soort gewassen.
Droom levend
Maar ondanks deze uitdagingen zijn er duidelijke redenen waarom velen lang hebben geloofd dat biobrandstoffen een grote rol zullen spelen bij het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen. In de Verenigde Staten is meer dan de helft van deze vervuiling afkomstig van transporttoepassingen zoals auto's, vrachtwagens, scheepvaart en vliegtuigen. Ondanks enkele opmerkelijke winsten in elektrische voertuigen op batterijen, kan een groot deel van deze sector nog steeds alleen worden aangedreven met fossiele brandstoffen.
Een van JBEI's meer dan 160 onderzoekers aan het werk in het lab.
Als het gaat om mobiele, dichte energieopslag, zijn vloeibare brandstoffen gewoon erg moeilijk te verslaan, vooral omdat zoveel van de energie-infrastructuur van de wereld eromheen is gebouwd, zegt Hanna Breetz, een politicoloog die zich toelegt op alternatieve brandstoffen en voertuigen aan de Arizona State University .
Vloeibare brandstoffen zullen in de toekomst een groot deel van het energiesysteem blijven uitmaken, vooral in het transport, en ik verwacht dat biogebaseerde brandstoffen deel zullen uitmaken van die sector, zegt ze.
Zelfs als laboratoria de komende jaren opvallende vooruitgang boeken, kan het nog tientallen jaren duren voordat deze brandstoffen echt marktaandeel veroveren in een industrie met biljoenen dollars die zijn verzonken in de dagelijkse activiteiten van het winnen en raffineren van olie. Om die overgang te versnellen, is veel meer overheidssteun nodig, mogelijk inclusief een prijs op koolstof, hogere normen voor hernieuwbare brandstof, emissieplafonds en meer, zegt Keasling.
Dat klinkt misschien als veel gevraagd van iemand wiens lab honderden miljoenen aan overheidsgeld heeft ontvangen en wiens startups zijn doorgebrand vergelijkbaar van niveaus van durfinvesteringen. Maar Keasling zegt dat dit gewoon nodig is om een diepgewortelde industrie te reviseren op de schaal en snelheid die nodig zijn om de groeiende klimaatgevaren het hoofd te bieden.
Wat hem zorgen baart, is dat de vooruitzichten voor een dergelijk beleid de afgelopen jaren alleen maar zijn afgenomen. Maar ondanks de politieke en wetenschappelijke mislukkingen die de zoektocht naar goedkope geavanceerde biobrandstoffen hebben geteisterd, blijft hij overtuigd van hun potentieel om de uitstoot te verminderen.
Als onze regering besluit dat het tijd is om daar prioriteit aan te geven, zegt Keasling, denk ik dat biobrandstoffen een grote rol kunnen spelen.