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【新闻】转基因工程改造细菌合成高能生物燃料云南荸荠

发布时间:2020-10-18 17:35:10 阅读: 来源:钢套钢保温管厂家

转基因工程改造细菌合成高能生物燃料

在需要最小化燃料重量时,高能燃料非常重要。有一种从树木中提炼的化合物蒎烯,经二聚化后生成蒎烯二聚体,已证明其能量密度和航空燃料JP-10相当。佐治亚理工学院与联合生物能源研究院科学家通过转基因工程改造细菌,让它们能合成蒎烯,有望替代JP-10用在导弹发射及其他航空领域。从石油中提炼JP-10供给有限,将来生物燃料有望补其不足,甚至促进新一代发动机的开发。相关研究发表在最近的美国化学协会(ACS)《合成生物学》杂志上。

据报道,在前期生物工程的研究阶段,论文第一作者、佐治亚理工学院研究生斯蒂芬·沙瑞亚在该校副教授帕玛拉·佩拉塔-雅海亚的指导下,已将蒎烯产量提高了6倍。他们在研究替代酶,将其插入大肠杆菌以产生蒎烯,已选定的酶分为两类:3种PS(蒎烯合成酶)和3种GPP(香叶基二磷酸合成酶),通过实验来寻找最佳组合以获得最高产量。目前,他们已将产量提高到32毫克/升。但要和来自石油的JP-10竞争,产量还要提高26倍,佩拉塔-雅海亚说,但这也在生物工程大肠杆菌的可能范围内。

佩拉塔-雅海亚认为,目前的障碍在于系统内部的一个抑制过程。“我们发现,是酶被基质抑制了,这种抑制取决于浓度。”她说,“目前我们需要的是在高浓度基质中不会被抑制的酶,或在整个反应中能维持基质低浓度的方法。这两方面都比较困难,但并非无法克服的。”

每桶石油中能提取的JP-10是有限的,加上树木提取物也帮助不大,供给不足让JP-10价格在25美分/加仑左右,因此生产高能生物燃料替代品比生产汽油或柴油替代品更有优势。“如果你研究汽油替代品,就要与3美分/加仑竞争,这需要一个长期优化的过程。”佩拉塔-雅海亚说,“而我们是在和每加仑25美分竞争,需要的时间更短。”

“虽然我们还处在几毫克/升的水平,但由于我们研究的替代品比柴油或汽油替代品价值更高,也就意味着我们离目标更近。”她说。从理论上讲,要让生产蒎烯的成本低于石油提炼是可能的。如果最终的生物燃料表现良好,将为轻质高能发动机燃料打开新的大门,增加高能燃料的供给。

“我们制造的是一种可持续的、高能量密度的战略性燃料,但还处于前期形式,”佩拉塔-雅海亚说,“我们正在集中制造一种‘试行’燃料,看起来就和来自石油的燃料一样,以适应目前的销售系统。”

新闻扩展:

科研人员研究从废料获取“第二代生物燃料”

也许有一天你下班走到停车场,突然发现汽车没油了,你立刻回到办公室抱起一堆废纸,加入汽车油箱里,顺利地开车回家,赶上了与孩子们共进晚餐。

这当然是一种理想境界。但是与废纸同样富含生物纤维素的农作物秸秆,正在成为科学家们制造生物燃料的新原料。

寻找可替代石油的燃料

事实上,在生物技术领域,生物燃料并不是一个新词汇。

早在1860年,德国人奥托就发明了可利用乙醇做汽车燃料的奥托内燃机。与此类似,20世纪初期,德国工程师狄赛尔发明了可利用花生油做燃料的柴油内燃机。

然而,随着20世纪30年代起对原油的大规模开发,生物燃料的使用骤然下降。上世纪末,生物燃料在石油出现相对短缺的时期才又再次“露面”。

上世纪70年代末发生石油危机时,人们开始用玉米、大豆、甘蔗等高淀粉和高糖含量的食物生产生物乙醇。生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精。可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。

在初中学习生物课时,我们得知,细细咀嚼米饭会觉得有甜味,那是因为在口腔分泌的唾液淀粉酶作用下,米饭中的淀粉转化成了带有甜味的麦芽糖。

生物燃料工业,应用的正是这种原理。人们利用工业化的酶制剂,高效率地将玉米、大豆等所含的淀粉转化为糖(主要是葡萄糖)。

而从糖到酒精(即乙醇)的过程,其应用原理则与千百年来人们的酿酒原理并无二致——通过利用酵母发酵等,将糖分解成为酒精和水。燃料乙醇工业只不过比酿酒工业多了一个蒸馏脱水的过程。

能源紧缺的问题日益突出,随着玉米乙醇、粮食乙醇等燃料的研发成功和推广,以生物乙醇成为代表的生物燃料因其既便宜又干净,在替代石油燃料方面也比较简便易行,被认为是应对能源、环境双重危机的有效方法,颇受青睐。

不过,这种被业界称为“第一代生物燃料”的技术自诞生以来,就因与人争粮争地而饱受争议,科研人员开始着手研究如何从废纸、秸秆等大量废弃材料上获取“第二代生物燃料”。

秸秆变燃油成为可能

与使用糖类和淀粉类原料生产的第一代生物燃料相比,第二代生物燃料不“与人争粮”的巨大优势吸引了越来越多的目光。通过纤维素乙醇特别是利用农作物秸秆的产业化研究已经成为全国生物技术和可再生能源研究的焦点之一。

但有一个难题一直困扰着科研人员。

玉米、大豆等之所以可以由食物变身为燃料乙醇,少不了一种神奇的物质——酶。酶是一种带有活性的蛋白质,可以在特定条件下起到生物催化剂的作用,高效率地催化各种生物化学反应。

然而,与玉米、大豆等主要由淀粉组成不同,秸秆、废纸等主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成的。原来能将淀粉变乙醇的酶制剂,对纤维素“束手无策”。

2014年3月,来自丹麦的工业酶制剂提供商诺维信公司正式推出酶制剂产品诺纤力 赛力二代(Cellic CTec2),成为全球首款可以实现纤维素乙醇商业化量产的工业酶制剂。

诺维信全球执行副总裁托马斯·那奇告诉记者:“生产一加仑的纤维素乙醇,酶制剂的成本在50美分左右,总的生产成本在2美元左右。而且从工艺集成、优化角度以及各种技术的角度来说,我们认为还有下降生产成本的空间。”

每加仑2美元的成本与目前国际市场的汽油价格持平——这意味着,纤维素生物质能源成为了极具竞争力的汽油替代品。

商业化应用仍需时日

中粮集团、中石化、诺维信公司三方计划在2011年第三季度开始建设万吨规模纤维素乙醇示范工程。这意味着,纤维素乙醇产业化将进入快车道,我国的汽车离喝上更加环保、价格更低的“生物乙醇”燃料不远了。

“希望在未来的三到五年之内能够完成商业化示范装置的建设,并能够把最终的产品推向市场。目前做的工作还是在示范项目前期准备。”中粮科学研究院生化研发中心总经理助理林海龙介绍说。

像所有新生的行业一样,虽然在技术上获得重大突破,但其市场如何仍需时间检验。面对过于分散的国内农业现状,纤维素乙醇示范工程也面临着很多艰难险阻。

林海龙说:“秸秆做乙醇根据技术方案的不同,大概是在4—7吨农作物秸秆可以生产1吨乙醇。在中国,我承认它与美国的形式不太一样,农业操作的形式相对来说更分散,如果将来实现秸秆大规模利用,秸秆的收集和物流对中国来说是很严峻的问题。”

面对种种可预见的困难,诺维信中国区总裁柯铭也坦言:“工业精炼还处于一个襁褓期,有很好的发展空间,但它有三个重要的问题需要解决。第一个是有没有现成的技术;第二就是已经有的技术是不是在经济可行性上有竞争力;第三个是从产业结构方面,因为现有的像农林、畜牧业的组织形式主要是为食品生产而进行的,它要为工业提供稳定的一年12个月的原料来源的话,就必须对它的结构进行一些调整,适合工业生产的需要。”

而如果绝大多数的秸秆都去制造生物乙醇了,是否会造成土壤营养成分流失呢?对此,林海龙表示:“在国内、国外都做了许多研究,影响土壤营养活力的不仅仅是秸秆,也包括耕种的方式、土壤中微生物的情况,耕种田地中生物的情况和操作方式。所以国内有学者认为,如果适当的或者按一定比例的用秸秆去加工,并不会影响土地的质量。”

英国发布报告称生物燃料可能没有想象的“绿”

近年来,生物燃料发展迅猛。所谓生物燃料一般是泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料。由于利用的是自然界原本就存在的自然生物,生物燃料被认为可以替代化石燃料,成为可再生能源开发利用的重要方向。

有研究机构预计,到2018年,全球生物燃料(生物乙醇与生物柴油)消费量将达到5110亿升。与此同时,随着油价和粮价的起伏跌宕,生物燃料这两年也处于舆论的风口浪尖。而近日英国《自然·气候变化》月刊刊登的一份研究报告,更是让生物燃料的绿色光环大打折扣。该研究报告称,生物燃料可能加剧空气污染,导致粮食减产,以至有损人类健康。

煤、石油等传统化石能源是目前全球消耗的最主要能源。一项数据显示,2011年化石能源在全球能源消费中的份额高达87%。随着人类不断开采,化石能源的枯竭不可避免,大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。另一方面,化石能源在使用过程中会新增大量温室气体二氧化碳,同时产生一些有污染的烟气,从而威胁全球生态。

在这种情况下,近年来各大能源消费国竞相寻求替代石油的新能源。美国和欧洲不约而同地都选择生物燃料乙醇作为主要的替代运输燃料,并制订了雄心勃勃的开发计划。2007年1月,时任美国总统布什在《国情咨文》中宣称,美国计划在今后10年中将其国内的汽油消费量减少20%,其中15%通过使用替代燃料实现,计划到2017年燃料乙醇的年使用量达到1325亿升,是目前年使用量的7倍。2007年3月,欧盟27国出台了新的共同能源政策,计划到2020年实现生物燃料乙醇使用量占车用燃料的10%。作为最早实施生物燃料产业化政策的国家之一,巴西早在2006年已实现40%以上的汽油消费由乙醇汽油取代,成为世界上唯一不供应纯汽油的国家。

作为生物燃料的一种,乙醇的生产原料为玉米、甘蔗等生物源,是可再生能源。其燃烧所排放的二氧化碳和含硫气体较汽油燃烧所产生的要低,其中二氧化碳排放量可降低30%左右。因而,燃料乙醇被称为“绿色能源”或“清洁燃料”。而且,燃料乙醇燃烧所排放的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳在数量上基本持平,可减少大气污染及抑制温室效应。

2012年8月,全球行业分析有限公司发布全球生物燃料的全球综合报告。报告称,到2018年,全球生物燃料消费量将达到5110亿升。

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