Range Fuels 燃料公司是一项风险高但极具吸引力的押注。这家由前苹果公司高管米奇·曼迪奇创立的高科技初创公司，吸引了数百万美元的私人资金，以及美国政府承诺提供的最高 1.56 亿美元的拨款和贷款。该计划是在佐治亚州索珀顿建造一座大型生物燃料工厂。该工厂每天将把 1000 吨木片和佐治亚州庞大的纸浆和造纸行业的废料转化为 274,000 加仑的乙醇。“我们选择 Range Fuels 作为我们在这一努力中的合作伙伴之一，”时任能源部长的塞缪尔·博德曼在 2007 年 11 月的奠基仪式上说，“因为我们真的相信他们是精英中的精英。”
但这批作物已经烂在地里。今年早些时候，Range Fuels 公司关闭了其新建的生物精炼厂，一滴乙醇都没有卖出去。该公司发现，将生物质转化为商业上可行的可燃液体比预期的要困难得多。随着昂贵的设备闲置，该公司正在寻找更多资金来尝试解决这个问题。
Range Fuels 燃料公司并不是唯一一家未能实现目标的生物燃料公司。位于加利福尼亚州戈申的 Cilion 公司、位于堪萨斯州贝斯霍的 Ethanex Energy 公司以及其他公司已经退出了用植物物质制造生物燃料的业务，因为成本太高了。尽管科学家、首席执行官和政府政策制定者抱有最大的希望，政府投入了数亿美元，风险资本资助了二十多家美国初创公司，以及数十年的集中工作，但没有一种生物燃料能在价格和性能上与汽油竞争，而且前景渺茫。
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这次失败尤其令人沮丧，因为就在几年前，生物燃料似乎还是解决美国两大问题的理想方案：对石油的依赖和气候变化。恐怖主义和飙升的油价使中东石油成为一种特殊的负担，而全球平均气温的上升突显了为汽车和飞机寻找替代燃料的必要性。由于生物燃料来自植物，植物在生长过程中会吸收大气中的二氧化碳，因此与燃烧化石燃料相比，在车辆中燃烧生物燃料理论上可以减缓温室气体的积累。
鉴于近年来玉米乙醇的迅速扩张，生物燃料技术未能达到预期可能看起来很奇怪。美国产量从 1979 年的 5000 万加仑增加到 2010 年的 130 亿加仑。然而，政府强制要求供应该国客运车辆燃料的 10% 推动了这种巨大增长，而且该产品之所以能负担得起，仅仅是因为巨额联邦补贴。乙醇几乎没有净二氧化碳排放量的节省。此外，生产这 130 亿加仑乙醇消耗了全国玉米作物的大约 40%，耕种面积达 3200 万英亩农田，推高了食品价格，并在墨西哥湾形成了一个巨大的“死亡区”，密西西比河将中西部玉米田的所有肥料倾泻到那里。
用不同工艺制造的更先进的生物燃料有望弥补这些缺陷。乙醇可以从玉米植株的苞叶和秸秆（而不是可食用的谷粒）或草甚至树木中类似的纤维材料（如 Range Fuels 的情况）中提取的糖中酿造出来。这些植物部分由纤维素组成，纤维素既不作为人类食物，也不作为动物饲料，因此不会影响食品价格。液体燃料也可以从藻类中收获，藻类更有效地将水、二氧化碳和阳光转化为可以转化为碳氢化合物的脂肪，或者更有效的是，从可以**直接**分泌碳氢化合物的基因工程微生物中收获。
然而，这些先进的生物燃料目前都无法在商业上有意义的规模上运行。根据美国环境保护署的《可再生燃料标准》，到 2011 年，美国应该每年生产 1 亿加仑的纤维素乙醇。然而，在 2010 年，环保署将 2011 年的目标回滚至仅 650 万加仑，而且尚不清楚是否能够达到这个量。
最近的经验表明，解决先进生物燃料实际应用挑战所需的科学或工业改进可能极其困难。美国政府设定的到 2022 年每年生产 360 亿加仑生物燃料的目标，作为能源独立和气候变化的重要解决方案，似乎是一个更加遥远的前景。“这不是一个简单的问题，”威斯康星州麦迪逊市大湖生物能源研究中心主任、微生物学家蒂莫西·多诺休说，该中心是能源部致力于先进生物燃料的三个实验室之一。“它与这个国家开展的干细胞或其他重大科学计划一样具有挑战性。”
玉米乙醇：远远不够
到目前为止，玉米乙醇是美国唯一达到商业规模的生物燃料，这要归功于仅在 2010 年就超过 56.8 亿美元的补贴，根据白宫管理和预算办公室的数据。发酵是玉米制乙醇的核心技术。在过去的 9000 年里，人类一直在改进利用酶和酵母将玉米粒、甘蔗或其他植物中提取的糖发酵成乙醇的技术。为了在过去十年中扩大美国的产量，玉米磨坊、不锈钢发酵罐和其他设备的广泛基础设施像雨后春笋般在整个中西部地区涌现。
不幸的是，玉米乙醇的能源效率不高，因此不是碳中和的。从乙醇发酵后的水和酵母的混合物中蒸馏（基本上是煮沸）乙醇需要大量能量——这些能量通常由燃烧天然气或煤炭等化石燃料提供。经过这么多麻烦，一加仑乙醇为车辆提供的能量仅为一加仑汽油的三分之二。
这些能源投入也需要成本，而且在没有补贴的情况下，玉米乙醇可能永远无法在价格上与汽油竞争。更大的产量也受到肥沃土地的限制。2010 年 10 月，国会研究服务处报告称，如果将 2009 年美国玉米作物的全部创纪录产量用于制造乙醇，它只能替代该国汽油消耗量的 18%。“扩大玉米基乙醇……以显著提高美国的能源安全可能是不可行的，”研究人员得出结论。
藻类生产商 Synthetic Genomics 的联合创始人 J·克雷格·文特尔就土地问题提出了更尖锐的观点。他计算，用玉米乙醇替代美国所有的交通运输燃料，将需要一个相当于美国大陆三倍大小的农场。
纤维素：难以分解
当然，用全国所有的玉米作物来制造燃料将使人和牲畜都没有食物。这就是研究人员和政策制定者将注意力转向纤维素乙醇的原因之一，纤维素乙醇不是从淀粉质玉米粒中生产的，而是从玉米植株的其余部分——秸秆或“废料”中生产的，这不会对食品供应产生不利影响。
可以从废纤维素中收获的能量潜力巨大。根据橡树岭国家实验室的数据，美国可以产生 14 亿吨纤维素材料，如玉米秸秆，其中 80% 可以转化为生物燃料，取代美国交通运输燃料的 30%。
找到一种有效分解植物细胞壁的方法是核心挑战。首先是木质素，这种化合物支撑植物细胞壁抵抗重力，并使木材对动物来说难以消化。然后是半纤维素，一种长而互锁的复合糖纤维，与木质素支撑物结合在一起，以抵御攻击性酶。在这些细胞壁内部是纤维素的纤维状核心——葡萄糖分子的长链，简单的碳水化合物糖，其中蕴含着将成为生物燃料的能量。
突破有机屏障的一个灵感来自切叶蚁。在大湖生物能源研究中心，切叶蚁在塑料箱中来回走动，培育真菌洞穴，将叶子材料转化为昆虫实际食用的油和氨基酸。蚂蚁消化道中的某些微生物将最初的收获物咀嚼成碎片。工蚁将这些碎片转移到堆肥洞穴中。另一组蚂蚁沉积的微生物将碎片与水结合，转化为脂滴。本质上，蚂蚁构建了一个外部肠道，用于将纤维素转化为燃料——这或许是生物燃料工厂的一个小型模型。
该实验室的目标，多诺休说，“是利用这些微生物本身，或者分离出编码其酶的遗传物质，并在工业过程中使用它来分解植物细胞壁。”
灵感也来自奶牛，奶牛通过用强壮的牙齿碾碎草并将草浸泡在唾液浴中来分解细胞。在奶牛的肠道中，大量微生物将纤维状饲料发酵成脂类——燃料的脂肪构件。为了模仿奶牛的咀嚼，科学家们尝试用蒸汽爆破细胞壁，或者将细胞壁浸泡在由带电分子组成的液体中。北卡罗来纳州牛津市的 HCL Cleantech 公司将植物溶解在浓盐酸中以获得内部的纤维素，然后回收酸以尽量降低成本。
另一种方法是使用一类称为纤维素酶的酶，例如白蚁肠道中将木材转化为食物的酶。只有一种这样的酶是商业上可用的——来自丹麦公司诺维信。它的成本约为每加仑 50 美分——是传统乙醇发酵中使用的酶价格的 10 倍以上。“酶成本必须降低，否则将没有这个行业，”诺维信全球业务发展经理辛西娅·布莱恩特承认。
加利福尼亚州红木城的 Codexis 公司正试图通过筛选数千种天然版本并将它们的部件组合成一种在工厂中比在自然界中工作得更好的混合酶来构建一种更经济实惠的酶。该公司还在调整导致活细胞产生酶的基因，希望最终得到一种超级酶。
即使是超级酶也必然会缓慢地分解纤维素，因为生物相互作用需要时间才能发挥作用，这使得大规模生产变得困难。但是，如果玉米或柳枝稷等能源作物可以自己生产这些分解纤维素的酶呢？酶会隐藏在植物细胞内，等待热或其他工业触发器来启动它们，从而使纤维素快速轻松地降解为其组分糖。
瑞士农业综合企业巨头先正达公司已经设计出一种将酶制造能力嵌入玉米粒的方法，使玉米粒本身在工厂中暴露于合适的温度、湿度和酸度时，可以将淀粉转化为糖。美国农业部已经批准了这一过程，但遭到了环保主义者和食品生产商（如北美磨坊主协会）的反对，先正达公司含有酶的种子将于今年上市销售。
这项工作证明了这一原理，但它并没有解决使用玉米作为燃料而不是食物的问题。作为一种替代方案，马萨诸塞州梅德福的 Agrivida 公司希望将自己的技术版本应用于玉米秸秆或柳枝稷等专用能源作物的纤维素。
仅靠嵌入式酶可能无法使纤维素乙醇变得经济实惠。生物技术公司 Gevo 位于科罗拉多州恩格尔伍德的首席执行官化学家帕特里克·R·格鲁伯说，考虑到然后将糖提炼成液体燃料的成本，解锁的糖“最好是每桶石油成本的三分之一”。事实上，Gevo 和其他公司，如威斯康星州麦迪逊市的 Virent 公司，已经得出结论，即使汽油价格处于历史高位，先进生物燃料也无法作为燃料竞争。这些公司正在淡化乙醇作为一种产品，而是正在改变其工艺，将糖——无论是来自纤维素还是甘蔗——转化为工业化学品，如瓶子中塑料的前体，这些塑料现在的价格比化石燃料高出 10 倍之多。
即使来自纤维素的糖以某种方式变得具有竞争力，这种方法也会带来重大的环境和农业负担。玉米秸秆通常在收获后留在农田里，在那里它会随着分解而提高土壤的肥力。将秸秆打捆并运走可能会加速土壤退化，使土壤无法种植作物。“我不相信我们完全了解从系统中取出所有这些生物质的后果，”雪佛龙技术风险投资公司生物燃料和氢业务副总裁杰弗里·雅各布斯在加利福尼亚州圣拉蒙说。一些科学家估计，只有 8000 万吨纤维素材料可以安全地从美国田地中移除，如果转化为乙醇，将仅供应美国汽油需求的 3%。
为了寻找更便宜的原料，荷兰皇家壳牌石油公司等石油公司正在投资从甘蔗而不是秸秆发酵的乙醇。甘蔗提供更多的能量，更容易种植，并且在巴西拥有现有的生产基础设施，这要归功于政府 40 多年的努力。该国现在每年从甘蔗中供应约 70 亿加仑的乙醇。壳牌公司与巴西乙醇制造商 Cosan 成立了一家名为 Raizen 的合资企业，每年生产 5.81 亿加仑的甘蔗乙醇，据壳牌公司全球生物创新经理杰里米·希尔斯说。如此大的产量增长将加剧巴西自然栖息地的平整，反过来可能促进亚马逊雨林的砍伐。“将要摧毁地球的不是作物基生物燃料，每个人似乎都接受作物基生物燃料存在限制。而是无限的纤维素基生物燃料，”普林斯顿大学农业专家蒂莫西·D·瑟钦格指出。“我们谈论的是对世界土地利用和生物多样性的巨大、巨大的影响。”
藻类：要么死亡，要么被杀死
作为一种替代方案，一些科学家选择与一种光合生物合作，这种生物在将入射光子转化为储存的化学能方面比扎根植物做得更有效率得多：池塘浮渣。
微观藻类是光合作用的巨人。某些菌株可以利用 3% 的入射阳光来制造植物物质，而玉米或甘蔗约为 1%。它们的绿色色调来自叶绿素，一种捕获阳光以将水分解为氢和氧的色素。这些生物体将氢与二氧化碳结合，制造细胞壁、食物和储存的脂肪——植物油。
藻类可以在沙漠中而不是在耕地上生长，用不可饮用的盐水甚至污水滋养，因此这种方法不会取代粮食作物或消耗宝贵的淡水。根据条件，高效工艺有望每英亩产生多达 4,270 加仑的石油。用藻油替代美国所有的交通运输燃料“将需要一个大约马里兰州大小的农场，”Synthetic Genomics 公司的文特尔指出，相比之下，他估计玉米乙醇需要一个相当于美国大陆三倍大小的农场。“这是一个相当大的差异，”文特尔打趣道。“一个可行，另一个简直是荒谬。”
位于圣地亚哥的 Sapphire Energy 公司正在新墨西哥州拉斯克鲁塞斯附近 22 英亩沙漠上的一系列椭圆形池塘中测试藻类水域。该公司计划在靠近新墨西哥州哥伦布市的地方再建造 300 英亩的池塘。该设施将是美国第一个综合藻类生产厂，为此 Sapphire 公司已获得美国农业部 5000 万美元的拨款和能源部 5450 万美元的贷款担保。藻类将在新墨西哥州地下盐水含水层中的盐水中生长，石油将被运往路易斯安那州的一家炼油厂。
然而，藻类生物燃料生产商面临的问题是多方面的。如果他们在露天池塘中种植藻类，他们如何防止这些生物体成为捕食者、疾病或天然菌株污染的牺牲品？如果他们在生物反应器内种植藻类，他们如何证明设备费用是合理的，并防止藻类粘在内部？他们如何负担得起促进藻类生长所需的氮和磷等营养物质？最终，一旦他们种植了藻类，他们如何在不使用与石油可以提供的能量相同或更多能量的情况下，撇去并撕裂成熟的藻类细胞以获得石油？很少有藻类公司生产出有用的石油量，更不用说利润了。
最大的挑战可能是，生产碳氢化合物是藻类防御长期无阳光或营养物质的手段。然而，在这种应激模式下，这些微小的植物生长缓慢。科学家们将不得不违背这些细胞的基本生物学机制，对它们进行工程改造，使其能够对应激作出反应，但仍能快速生长。
Sapphire 公司已经调查了 4000 种藻类菌株，并选择了 20 种进行增强。如果一切顺利，哥伦布工厂每年将生产 100 万加仑的藻油，然后可以将其提炼成柴油或喷气燃料。死亡的藻类细胞将被回收利用到该过程中作为营养物质，而不是作为动物饲料或其他产品出售；蓝宝石公司企业事务副总裁蒂姆·曾克说，生物质“很昂贵，我们需要它”。“你不能向系统中添加大量营养物质并从中赚钱。”
这一事实导致美国国家可再生能源实验室在耗资 2500 万美元的研究资金后，于 1996 年关闭了其 18 年的藻油研究计划。科学家们认为他们的藻油永远无法与化石油竞争，并在关闭后损失了数千种已表征的藻类菌株。如今，通过收获 omega-3 脂肪酸赚钱的藻类公司以远高于原油的价格将其作为营养补充剂出售。
唯一一家商业交付藻类燃料的公司是通过完全避免光合作用来实现的。位于南旧金山的 Solazyme 公司已向美国海军供应了超过 20,055 加仑的石油——每加仑 424 美元。Solazyme 公司在通常用于发酵胰岛素的工业大桶中种植藻类，强迫其摄取糖而不是阳光和水。与其他先进生物燃料公司一样，Solazyme 公司将通过生产比燃料更昂贵的产品来维持业务；它销售用于化妆品的石油，并与陶氏化学公司合作生产特种化学品，如绝缘液。
合成生物体：遗传学尚不明确
藻类公司试图通过用化学物质或辐射改变微生物的遗传密码来克服障碍，但他们尚未找到强大的组合。文特尔在他的游艇“Sorcerer II”号上环游世界一年，在海洋中采样寻找有益菌株，但没有明确的赢家。“这就是为什么我们对在外面找到一种神奇的细菌来完成一切任务并不乐观的原因，”他说。
也许现在是时候制造那种神奇的细菌了。
研究人员已经开始调整微生物的基因，特别是大肠杆菌，这是一种常见的人类肠道细菌，也可能引起食物中毒。能源部联合生物能源研究所所长杰伊·D·基斯林已将大肠杆菌转变为一种高效的生物工厂，可以将阳光、二氧化碳和水转化为不同的碳氢化合物，包括生物柴油。方便的是，基斯林改变了细菌，使其分泌石油，因此不必为了收获而杀死它。石油漂浮到大桶顶部，在那里可以被抽出。这种细菌的生长速度是酵母的三倍，在热带温度下很活跃，而且很耐寒，这要归功于它能够承受人类消化道中经常缺氧和有毒的环境。
同样，更高价值的碳氢化合物将是这些生物工厂的第一个市场（如果有的话）。位于加利福尼亚州埃默里维尔的 Amyris 公司已经调整了酵母，将糖发酵成法尼烯，可以直接出售，也可以转化为特种化学品，如角鲨烷，一种高端化妆品中的润肤剂。该公司正从平均售价较高的产品开始，并将转向较低的价格，“较低的价格是柴油和燃料产品，”首席财务官杰里尔·L·希勒曼解释说。Amyris 公司刚刚在巴西开设了其第一个生产工厂，作为甘蔗发酵厂的附属工厂。
即使是经过强大工程改造的微生物，也可能难以以能够与化石油竞争的产量或价格生产碳氢化合物。文特尔认为，长期的解决方案“是从头开始制造整个遗传密码并控制所有参数”。他的公司已经创造出一种分泌石油的合成细菌细胞，以及第一个完全依靠合成遗传密码生存的生物体。“我们正在评估数千种菌株和大量的基因变化，”他指出。
这种方法的前景足够光明，以至于化石燃料巨头埃克森美孚公司已向文特尔的公司投资了 6 亿美元。但障碍归结为基本的生物学：即使是最小的基因组也有数百个神秘的基因，科学家们也不知道它们的功能。像文特尔这样的生物建筑师可以构建基因组，但他们不知道哪些基因是使合成微生物具有耐受性、廉价生存能力和能够大量生产石油所需的。文特尔称这一挑战“比”他测序人类基因组时面临的挑战“更大”。
即使有人生产出神奇的细菌，它的可行性也将取决于其食物的成本。目前最便宜的来源是巴西甘蔗，Amyris 公司、位于南旧金山的 LS9 公司和其他公司都在使用甘蔗，尽管它作为先进生物燃料的起点仍然过于昂贵。与藻类一样，感染和其他生物事故可能会关闭生产桶，对于专门的微生物来说，这个问题可能更加严重，因为它们不适合在没有人类帮助的情况下生存。而且不可避免的是，微生物以批量生产生物燃料的速度比化学加工原油的速度慢。
Amyris 公司自己的首席技术官尼尔·伦宁格承认，“我们不会以这种方式取代石油。我们将增加石油的产量。如果我们能够处理[仅仅]石油需求的增长，那就太好了。”这个目标强调生产一种碳氢化合物分子，它将在今天的管道中流动，在今天的炼油厂中易于管理，并在今天的发动机中燃烧。
徒劳之举？
伦宁格的观点与其他专家的观点一致，他们认为我们应该降低期望。今天种植的作物中的所有能量——以及牲畜消耗的植物以及为纸浆、纸张和其他木制品收获的树木——总共约为 180 艾焦耳，约占世界能源消耗量的 20%。* 在不久的将来大幅增加这一数字可能不可行，并且会产生重大的社会和生态后果。“目标应该是生产类似于世界飞机燃料供应的东西，”普林斯顿大学的瑟钦格说。
突破仍然是可能的，对更好生物燃料的科学探索仍在继续，但投资者和政治家明智的做法是不在高风险的赌注上投入大量资金或政策。作为一种选择，各国可以实现交通运输电气化，以减少化石燃料的使用。在他们这样做之前，玉米和甘蔗将提供任何石油替代品的大部分，进一步加剧全球农业系统已经难以养活 70 亿人口加上牲畜的压力——而且还在不断增加。
“我们都可以适应不同的交通方式，”明尼苏达大学的生态学家 G·大卫·蒂尔曼说。“我们不能没有食物。”
*更正：这句话包含一个错误：180 艾焦耳不是 20%，而是目前世界年消耗量的约三分之一。