Range Fuels 燃料公司是一項風險高但極具吸引力的押注。這家由前蘋果公司高管米奇·曼迪奇創立的高科技初創公司，吸引了數百萬美元的私人資金，以及美國政府承諾提供的最高 1.56 億美元的撥款和貸款。該計劃是在佐治亞州索珀頓建造一座大型生物燃料工廠。該工廠每天將把 1000 噸木片和佐治亞州龐大的紙漿和造紙行業的廢料轉化為 274,000 加侖的乙醇。“我們選擇 Range Fuels 作為我們在這一努力中的合作伙伴之一，”時任能源部長的塞繆爾·博德曼在 2007 年 11 月的奠基儀式上說，“因為我們真的相信他們是精英中的精英。”
但這批作物已經爛在地裡。今年早些時候，Range Fuels 公司關閉了其新建的生物精煉廠，一滴乙醇都沒有賣出去。該公司發現，將生物質轉化為商業上可行的可燃液體比預期的要困難得多。隨著昂貴的裝置閒置，該公司正在尋找更多資金來嘗試解決這個問題。
Range Fuels 燃料公司並不是唯一一家未能實現目標的生物燃料公司。位於加利福尼亞州戈申的 Cilion 公司、位於堪薩斯州貝斯霍的 Ethanex Energy 公司以及其他公司已經退出了用植物物質製造生物燃料的業務，因為成本太高了。儘管科學家、執行長和政府政策制定者抱有最大的希望，政府投入了數億美元，風險資本資助了二十多家美國初創公司，以及數十年的集中工作，但沒有一種生物燃料能在價格和效能上與汽油競爭，而且前景渺茫。
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這次失敗尤其令人沮喪，因為就在幾年前，生物燃料似乎還是解決美國兩大問題的理想方案：對石油的依賴和氣候變化。恐怖主義和飆升的油價使中東石油成為一種特殊的負擔，而全球平均氣溫的上升突顯了為汽車和飛機尋找替代燃料的必要性。由於生物燃料來自植物，植物在生長過程中會吸收大氣中的二氧化碳，因此與燃燒化石燃料相比，在車輛中燃燒生物燃料理論上可以減緩溫室氣體的積累。
鑑於近年來玉米乙醇的迅速擴張，生物燃料技術未能達到預期可能看起來很奇怪。美國產量從 1979 年的 5000 萬加侖增加到 2010 年的 130 億加侖。然而，政府強制要求供應該國客運車輛燃料的 10% 推動了這種巨大增長，而且該產品之所以能負擔得起，僅僅是因為鉅額聯邦補貼。乙醇幾乎沒有淨二氧化碳排放量的節省。此外，生產這 130 億加侖乙醇消耗了全國玉米作物的大約 40%，耕種面積達 3200 萬英畝農田，推高了食品價格，並在墨西哥灣形成了一個巨大的“死亡區”，密西西比河將中西部玉米田的所有肥料傾瀉到那裡。
用不同工藝製造的更先進的生物燃料有望彌補這些缺陷。乙醇可以從玉米植株的苞葉和秸稈（而不是可食用的穀粒）或草甚至樹木中類似的纖維材料（如 Range Fuels 的情況）中提取的糖中釀造出來。這些植物部分由纖維素組成，纖維素既不作為人類食物，也不作為動物飼料，因此不會影響食品價格。液體燃料也可以從藻類中收穫，藻類更有效地將水、二氧化碳和陽光轉化為可以轉化為碳氫化合物的脂肪，或者更有效的是，從可以**直接**分泌碳氫化合物的基因工程微生物中收穫。
然而，這些先進的生物燃料目前都無法在商業上有意義的規模上執行。根據美國環境保護署的《可再生燃料標準》，到 2011 年，美國應該每年生產 1 億加侖的纖維素乙醇。然而，在 2010 年，環保署將 2011 年的目標回滾至僅 650 萬加侖，而且尚不清楚是否能夠達到這個量。
最近的經驗表明，解決先進生物燃料實際應用挑戰所需的科學或工業改進可能極其困難。美國政府設定的到 2022 年每年生產 360 億加侖生物燃料的目標，作為能源獨立和氣候變化的重要解決方案，似乎是一個更加遙遠的前景。“這不是一個簡單的問題，”威斯康星州麥迪遜市大湖生物能源研究中心主任、微生物學家蒂莫西·多諾休說，該中心是能源部致力於先進生物燃料的三個實驗室之一。“它與這個國家開展的幹細胞或其他重大科學計劃一樣具有挑戰性。”
玉米乙醇：遠遠不夠
到目前為止，玉米乙醇是美國唯一達到商業規模的生物燃料，這要歸功於僅在 2010 年就超過 56.8 億美元的補貼，根據白宮管理和預算辦公室的資料。發酵是玉米制乙醇的核心技術。在過去的 9000 年裡，人類一直在改進利用酶和酵母將玉米粒、甘蔗或其他植物中提取的糖發酵成乙醇的技術。為了在過去十年中擴大美國的產量，玉米磨坊、不鏽鋼發酵罐和其他裝置的廣泛基礎設施像雨後春筍般在整個中西部地區湧現。
不幸的是，玉米乙醇的能源效率不高，因此不是碳中和的。從乙醇發酵後的水和酵母的混合物中蒸餾（基本上是煮沸）乙醇需要大量能量——這些能量通常由燃燒天然氣或煤炭等化石燃料提供。經過這麼多麻煩，一加侖乙醇為車輛提供的能量僅為一加侖汽油的三分之二。
這些能源投入也需要成本，而且在沒有補貼的情況下，玉米乙醇可能永遠無法在價格上與汽油競爭。更大的產量也受到肥沃土地的限制。2010 年 10 月，國會研究服務處報告稱，如果將 2009 年美國玉米作物的全部創紀錄產量用於製造乙醇，它只能替代該國汽油消耗量的 18%。“擴大玉米基乙醇……以顯著提高美國的能源安全可能是不可行的，”研究人員得出結論。
藻類生產商 Synthetic Genomics 的聯合創始人 J·克雷格·文特爾就土地問題提出了更尖銳的觀點。他計算，用玉米乙醇替代美國所有的交通運輸燃料，將需要一個相當於美國大陸三倍大小的農場。
纖維素：難以分解
當然，用全國所有的玉米作物來製造燃料將使人和牲畜都沒有食物。這就是研究人員和政策制定者將注意力轉向纖維素乙醇的原因之一，纖維素乙醇不是從澱粉質玉米粒中生產的，而是從玉米植株的其餘部分——秸稈或“廢料”中生產的，這不會對食品供應產生不利影響。
可以從廢纖維素中收穫的能量潛力巨大。根據橡樹嶺國家實驗室的資料，美國可以產生 14 億噸纖維素材料，如玉米秸稈，其中 80% 可以轉化為生物燃料，取代美國交通運輸燃料的 30%。
找到一種有效分解植物細胞壁的方法是核心挑戰。首先是木質素，這種化合物支撐植物細胞壁抵抗重力，並使木材對動物來說難以消化。然後是半纖維素，一種長而互鎖的複合糖纖維，與木質素支撐物結合在一起，以抵禦攻擊性酶。在這些細胞壁內部是纖維素的纖維狀核心——葡萄糖分子的長鏈，簡單的碳水化合物糖，其中蘊含著將成為生物燃料的能量。
突破有機屏障的一個靈感來自切葉蟻。在大湖生物能源研究中心，切葉蟻在塑膠箱中來回走動，培育真菌洞穴，將葉子材料轉化為昆蟲實際食用的油和氨基酸。螞蟻消化道中的某些微生物將最初的收穫物咀嚼成碎片。工蟻將這些碎片轉移到堆肥洞穴中。另一組螞蟻沉積的微生物將碎片與水結合，轉化為脂滴。本質上，螞蟻構建了一個外部腸道，用於將纖維素轉化為燃料——這或許是生物燃料工廠的一個小型模型。
該實驗室的目標，多諾休說，“是利用這些微生物本身，或者分離出編碼其酶的遺傳物質，並在工業過程中使用它來分解植物細胞壁。”
靈感也來自奶牛，奶牛透過用強壯的牙齒碾碎草並將草浸泡在唾液浴中來分解細胞。在奶牛的腸道中，大量微生物將纖維狀飼料發酵成脂類——燃料的脂肪構件。為了模仿奶牛的咀嚼，科學家們嘗試用蒸汽爆破細胞壁，或者將細胞壁浸泡在由帶電分子組成的液體中。北卡羅來納州牛津市的 HCL Cleantech 公司將植物溶解在濃鹽酸中以獲得內部的纖維素，然後回收酸以儘量降低成本。
另一種方法是使用一類稱為纖維素酶的酶，例如白蟻腸道中將木材轉化為食物的酶。只有一種這樣的酶是商業上可用的——來自丹麥公司諾維信。它的成本約為每加侖 50 美分——是傳統乙醇發酵中使用的酶價格的 10 倍以上。“酶成本必須降低，否則將沒有這個行業，”諾維信全球業務發展經理辛西婭·布萊恩特承認。
加利福尼亞州紅木城的 Codexis 公司正試圖透過篩選數千種天然版本並將它們的部件組合成一種在工廠中比在自然界中工作得更好的混合酶來構建一種更經濟實惠的酶。該公司還在調整導致活細胞產生酶的基因，希望最終得到一種超級酶。
即使是超級酶也必然會緩慢地分解纖維素，因為生物相互作用需要時間才能發揮作用，這使得大規模生產變得困難。但是，如果玉米或柳枝稷等能源作物可以自己生產這些分解纖維素的酶呢？酶會隱藏在植物細胞內，等待熱或其他工業觸發器來啟動它們，從而使纖維素快速輕鬆地降解為其組分糖。
瑞士農業綜合企業巨頭先正達公司已經設計出一種將酶製造能力嵌入玉米粒的方法，使玉米粒本身在工廠中暴露於合適的溫度、溼度和酸度時，可以將澱粉轉化為糖。美國農業部已經批准了這一過程，但遭到了環保主義者和食品生產商（如北美磨坊主協會）的反對，先正達公司含有酶的種子將於今年上市銷售。
這項工作證明了這一原理，但它並沒有解決使用玉米作為燃料而不是食物的問題。作為一種替代方案，馬薩諸塞州梅德福的 Agrivida 公司希望將自己的技術版本應用於玉米秸稈或柳枝稷等專用能源作物的纖維素。
僅靠嵌入式酶可能無法使纖維素乙醇變得經濟實惠。生物技術公司 Gevo 位於科羅拉多州恩格爾伍德的執行長化學家帕特里克·R·格魯伯說，考慮到然後將糖提煉成液體燃料的成本，解鎖的糖“最好是每桶石油成本的三分之一”。事實上，Gevo 和其他公司，如威斯康星州麥迪遜市的 Virent 公司，已經得出結論，即使汽油價格處於歷史高位，先進生物燃料也無法作為燃料競爭。這些公司正在淡化乙醇作為一種產品，而是正在改變其工藝，將糖——無論是來自纖維素還是甘蔗——轉化為工業化學品，如瓶子中塑膠的前體，這些塑膠現在的價格比化石燃料高出 10 倍之多。
即使來自纖維素的糖以某種方式變得具有競爭力，這種方法也會帶來重大的環境和農業負擔。玉米秸稈通常在收穫後留在農田裡，在那裡它會隨著分解而提高土壤的肥力。將秸稈打捆並運走可能會加速土壤退化，使土壤無法種植作物。“我不相信我們完全瞭解從系統中取出所有這些生物質的後果，”雪佛龍技術風險投資公司生物燃料和氫業務副總裁傑弗裡·雅各布斯在加利福尼亞州聖拉蒙說。一些科學家估計，只有 8000 萬噸纖維素材料可以安全地從美國田地中移除，如果轉化為乙醇，將僅供應美國汽油需求的 3%。
為了尋找更便宜的原料，荷蘭皇家殼牌石油公司等石油公司正在投資從甘蔗而不是秸稈發酵的乙醇。甘蔗提供更多的能量，更容易種植，並且在巴西擁有現有的生產基礎設施，這要歸功於政府 40 多年的努力。該國現在每年從甘蔗中供應約 70 億加侖的乙醇。殼牌公司與巴西乙醇製造商 Cosan 成立了一家名為 Raizen 的合資企業，每年生產 5.81 億加侖的甘蔗乙醇，據殼牌公司全球生物創新經理傑里米·希爾斯說。如此大的產量增長將加劇巴西自然棲息地的平整，反過來可能促進亞馬遜雨林的砍伐。“將要摧毀地球的不是作物基生物燃料，每個人似乎都接受作物基生物燃料存在限制。而是無限的纖維素基生物燃料，”普林斯頓大學農業專家蒂莫西·D·瑟欽格指出。“我們談論的是對世界土地利用和生物多樣性的巨大、巨大的影響。”
藻類：要麼死亡，要麼被殺死
作為一種替代方案，一些科學家選擇與一種光合生物合作，這種生物在將入射光子轉化為儲存的化學能方面比紮根植物做得更有效率得多：池塘浮渣。
微觀藻類是光合作用的巨人。某些菌株可以利用 3% 的入射陽光來製造植物物質，而玉米或甘蔗約為 1%。它們的綠色色調來自葉綠素，一種捕獲陽光以將水分解為氫和氧的色素。這些生物體將氫與二氧化碳結合，製造細胞壁、食物和儲存的脂肪——植物油。
藻類可以在沙漠中而不是在耕地上生長，用不可飲用的鹽水甚至汙水滋養，因此這種方法不會取代糧食作物或消耗寶貴的淡水。根據條件，高效工藝有望每英畝產生多達 4,270 加侖的石油。用藻油替代美國所有的交通運輸燃料“將需要一個大約馬里蘭州大小的農場，”Synthetic Genomics 公司的文特爾指出，相比之下，他估計玉米乙醇需要一個相當於美國大陸三倍大小的農場。“這是一個相當大的差異，”文特爾打趣道。“一個可行，另一個簡直是荒謬。”
位於聖地亞哥的 Sapphire Energy 公司正在新墨西哥州拉斯克魯塞斯附近 22 英畝沙漠上的一系列橢圓形池塘中測試藻類水域。該公司計劃在靠近新墨西哥州哥倫布市的地方再建造 300 英畝的池塘。該設施將是美國第一個綜合藻類生產廠，為此 Sapphire 公司已獲得美國農業部 5000 萬美元的撥款和能源部 5450 萬美元的貸款擔保。藻類將在新墨西哥州地下鹽水含水層中的鹽水中生長，石油將被運往路易斯安那州的一家煉油廠。
然而，藻類生物燃料生產商面臨的問題是多方面的。如果他們在露天池塘中種植藻類，他們如何防止這些生物體成為捕食者、疾病或天然菌株汙染的犧牲品？如果他們在生物反應器內種植藻類，他們如何證明裝置費用是合理的，並防止藻類粘在內部？他們如何負擔得起促進藻類生長所需的氮和磷等營養物質？最終，一旦他們種植了藻類，他們如何在不使用與石油可以提供的能量相同或更多能量的情況下，撇去並撕裂成熟的藻類細胞以獲得石油？很少有藻類公司生產出有用的石油量，更不用說利潤了。
最大的挑戰可能是，生產碳氫化合物是藻類防禦長期無陽光或營養物質的手段。然而，在這種應激模式下，這些微小的植物生長緩慢。科學家們將不得不違背這些細胞的基本生物學機制，對它們進行工程改造，使其能夠對應激作出反應，但仍能快速生長。
Sapphire 公司已經調查了 4000 種藻類菌株，並選擇了 20 種進行增強。如果一切順利，哥倫布工廠每年將生產 100 萬加侖的藻油，然後可以將其提煉成柴油或噴氣燃料。死亡的藻類細胞將被回收利用到該過程中作為營養物質，而不是作為動物飼料或其他產品出售；藍寶石公司企業事務副總裁蒂姆·曾克說，生物質“很昂貴，我們需要它”。“你不能向系統中新增大量營養物質並從中賺錢。”
這一事實導致美國國家可再生能源實驗室在耗資 2500 萬美元的研究資金後，於 1996 年關閉了其 18 年的藻油研究計劃。科學家們認為他們的藻油永遠無法與化石油競爭，並在關閉後損失了數千種已表徵的藻類菌株。如今，透過收穫 omega-3 脂肪酸賺錢的藻類公司以遠高於原油的價格將其作為營養補充劑出售。
唯一一家商業交付藻類燃料的公司是透過完全避免光合作用來實現的。位於南舊金山的 Solazyme 公司已向美國海軍供應了超過 20,055 加侖的石油——每加侖 424 美元。Solazyme 公司在通常用於發酵胰島素的工業大桶中種植藻類，強迫其攝取糖而不是陽光和水。與其他先進生物燃料公司一樣，Solazyme 公司將透過生產比燃料更昂貴的產品來維持業務；它銷售用於化妝品的石油，並與陶氏化學公司合作生產特種化學品，如絕緣液。
合成生物體：遺傳學尚不明確
藻類公司試圖透過用化學物質或輻射改變微生物的遺傳密碼來克服障礙，但他們尚未找到強大的組合。文特爾在他的遊艇“Sorcerer II”號上環遊世界一年，在海洋中取樣尋找有益菌株，但沒有明確的贏家。“這就是為什麼我們對在外面找到一種神奇的細菌來完成一切任務並不樂觀的原因，”他說。
也許現在是時候製造那種神奇的細菌了。
研究人員已經開始調整微生物的基因，特別是大腸桿菌，這是一種常見的人類腸道細菌，也可能引起食物中毒。能源部聯合生物能源研究所所長傑伊·D·基斯林已將大腸桿菌轉變為一種高效的生物工廠，可以將陽光、二氧化碳和水轉化為不同的碳氫化合物，包括生物柴油。方便的是，基斯林改變了細菌，使其分泌石油，因此不必為了收穫而殺死它。石油漂浮到大桶頂部，在那裡可以被抽出。這種細菌的生長速度是酵母的三倍，在熱帶溫度下很活躍，而且很耐寒，這要歸功於它能夠承受人類消化道中經常缺氧和有毒的環境。
同樣，更高價值的碳氫化合物將是這些生物工廠的第一個市場（如果有的話）。位於加利福尼亞州埃默裡維爾的 Amyris 公司已經調整了酵母，將糖發酵成法尼烯，可以直接出售，也可以轉化為特種化學品，如角鯊烷，一種高階化妝品中的潤膚劑。該公司正從平均售價較高的產品開始，並將轉向較低的價格，“較低的價格是柴油和燃料產品，”首席財務官傑里爾·L·希勒曼解釋說。Amyris 公司剛剛在巴西開設了其第一個生產工廠，作為甘蔗發酵廠的附屬工廠。
即使是經過強大工程改造的微生物，也可能難以以能夠與化石油競爭的產量或價格生產碳氫化合物。文特爾認為，長期的解決方案“是從頭開始製造整個遺傳密碼並控制所有引數”。他的公司已經創造出一種分泌石油的合成細菌細胞，以及第一個完全依靠合成遺傳密碼生存的生物體。“我們正在評估數千種菌株和大量的基因變化，”他指出。
這種方法的前景足夠光明，以至於化石燃料巨頭埃克森美孚公司已向文特爾的公司投資了 6 億美元。但障礙歸結為基本的生物學：即使是最小的基因組也有數百個神秘的基因，科學家們也不知道它們的功能。像文特爾這樣的生物建築師可以構建基因組，但他們不知道哪些基因是使合成微生物具有耐受性、廉價生存能力和能夠大量生產石油所需的。文特爾稱這一挑戰“比”他測序人類基因組時面臨的挑戰“更大”。
即使有人生產出神奇的細菌，它的可行性也將取決於其食物的成本。目前最便宜的來源是巴西甘蔗，Amyris 公司、位於南舊金山的 LS9 公司和其他公司都在使用甘蔗，儘管它作為先進生物燃料的起點仍然過於昂貴。與藻類一樣，感染和其他生物事故可能會關閉生產桶，對於專門的微生物來說，這個問題可能更加嚴重，因為它們不適合在沒有人類幫助的情況下生存。而且不可避免的是，微生物以批次生產生物燃料的速度比化學加工原油的速度慢。
Amyris 公司自己的首席技術官尼爾·倫寧格承認，“我們不會以這種方式取代石油。我們將增加石油的產量。如果我們能夠處理[僅僅]石油需求的增長，那就太好了。”這個目標強調生產一種碳氫化合物分子，它將在今天的管道中流動，在今天的煉油廠中易於管理，並在今天的發動機中燃燒。
徒勞之舉？
倫寧格的觀點與其他專家的觀點一致，他們認為我們應該降低期望。今天種植的作物中的所有能量——以及牲畜消耗的植物以及為紙漿、紙張和其他木製品收穫的樹木——總共約為 180 艾焦耳，約佔世界能源消耗量的 20%。* 在不久的將來大幅增加這一數字可能不可行，並且會產生重大的社會和生態後果。“目標應該是生產類似於世界飛機燃料供應的東西，”普林斯頓大學的瑟欽格說。
突破仍然是可能的，對更好生物燃料的科學探索仍在繼續，但投資者和政治家明智的做法是不在高風險的賭注上投入大量資金或政策。作為一種選擇，各國可以實現交通運輸電氣化，以減少化石燃料的使用。在他們這樣做之前，玉米和甘蔗將提供任何石油替代品的大部分，進一步加劇全球農業系統已經難以養活 70 億人口加上牲畜的壓力——而且還在不斷增加。
“我們都可以適應不同的交通方式，”明尼蘇達大學的生態學家 G·大衛·蒂爾曼說。“我們不能沒有食物。”
*更正：這句話包含一個錯誤：180 艾焦耳不是 20%，而是目前世界年消耗量的約三分之一。