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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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搜尋生質燃料的甜點

文/安東尼歐‧瑞嘉拉多(Antonio Regalado)

四線道的安罕古爾拉公路(Anhanguera Highway)從巴西的金融之都聖保羅通往西北,進入世界上生產力最高的農地之一。從車窗向外望,看到的是蓊鬱的尤加利樹林和乳牛牧場,無數的蟻丘散落其間,甘蔗田綿延到山丘頂的視線盡處。

在104.5公里處右轉,開進科技園區(Techno Park)。這是一塊整整齊齊的企業研究社區,好像從加州郊區切割出來似的。就某種意義來說,的確是這樣沒錯。離入口不遠的一棟建築裡面,有好幾排井然有序的工作站、閃閃發亮的發酵槽和鏗鏘作響的離心機。所有這些機械,幾乎和加州愛莫利維爾(Emeryville)一座廠房的設備一模一樣,連衣帽架也相同。

這棟建築,是艾米瑞斯生物科技公司(Amyris Biotechnologies)設在巴西的據點。艾米瑞斯是美國的研究組織,在蓋茲夫婦基金會(Bill and Melinda Gates Foundation)的捐助下,以研製、增產供應少見的瘧疾藥出名。創辦人傑伊‧基斯林(Jay Keasling)是公認的合成生物學先驅。這項能夠拯救成千上萬條人命的瘧疾藥研發計畫,曾經被《紐約客》(New Yorker)特別報導過。2009年5月,基斯林榮獲生物科技產業組織(Biotechnology Industry Organization)第一次頒發的生物科技人道獎。

比較不為人知的是,艾米瑞斯已經募集到超過1.7億美元的創投資金,經營起生質燃料業務,計畫在巴西生產幾乎全部的生質燃料。葡萄牙語講得流利的比利時人洛爾‧柯利爾(Roel Collier),領導艾米瑞斯的巴西營運活動。他指著12公尺高的鋼槽,經基因改造的酵母正在努力促使甘蔗汁發酵,而巴西這個國家,多的正是甘蔗。「那裡面的是,頂尖的美國技術用在巴西具有競爭優勢的東西上,」他解釋說。

過去兩年,柯利爾肩負的責任,包括運送一桶又一桶的冷凍巴西甘蔗汁,到約一萬公里外的艾米瑞斯加州實驗室。科學家在那裡埋首研究如何將一般酵母細胞的基因重新配線,以消化甘蔗汁(caldo de cana),將它轉成金合歡烯(farnesene)。艾米瑞斯已經證明,金合歡烯這種芳香油能夠轉化為柴油燃料。在變動快速的合成生物學領域,艾米瑞斯的加州實驗室公認是箇中翹楚。合成生物學這個學門,做的事是改寫微生物的去氧核糖核酸(DNA),就像電腦程式碼能夠改寫那樣。研究人員每個星期創造和測試數以萬計經過工程改造的酵母菌株。艾米瑞斯雇用的博士級酵母基因學家,大約和巴西所有大學的基因學家一樣多。

前進糖產地

但是相較於美國,巴西給了艾米瑞斯一個極其重要的優勢:那裡的經濟情況允許艾米瑞斯商業化開發它的技術。巴西是世界上效率最高的糖生產國。這個國家有420座煉糖廠,糖堆積如山。熱帶氣候和積極的企業文化,使巴西執全球糖交易的牛耳。而便宜的糖大量供應,正是艾米瑞斯的技術切實可行的關鍵。

「前往巴西的原因相當清楚:它是驅動我們的技術平台,價格最便宜、供應最便利的糖產地,」基斯林說。基斯林是加州大學柏克萊分校的生物化學工程教授,也領導生質能源聯合研究所(Joint BioEnergy Institute)。美國能源部提撥1.35億美元,成立生質能源聯合研究所,希望從木片、草,以及其他便宜的植物物質提取糖。十到十五年後,由於它所做的研究,在美國取得糖分子可能和目前在巴西一樣便宜。但是現在美國的生質燃料產業,仍繼續以玉米粒中葡萄糖發酵的方式來生產乙醇。玉米是相對昂貴的糖來源,美國的乙醇產業已經發現這一點而大感沮喪。儘管有來自納稅人的補貼,美國的製造商還是無法持續獲利。

巴西的情況則不同,自1970年代政府推動燃料自給自足的計畫之後,它的甘蔗加工廠已能生產便宜的乙醇。這個國家的汽車現在使用的乙醇多於汽油。巴西生產的汽車,約90%能用生質燃料。研究新興技術商業化的紐約公司雷克斯(Lux Research),研究主任馬克‧孟格(Mark Bunger)說,這個產業發現,「地理位置決定命運」。孟格認為,地球上只有少數幾個地方有雨水、陽光和廣袤的土地,能以真正可發揮影響力的規模和價格,製造生質燃料。「我們終於知道,有些地方永遠不行,」他說,「而巴西是經濟面可行的第一個地方。」

艾米瑞斯大約在三年前得到類似的結論──所以在愛莫利維爾和巴西設立了相同的發酵實驗室。加州的科學家修修補補,做出能夠更快將糖化為金合歡烯的酵母菌株,然後把這些微生物郵寄到南國,在熱帶的環境中加以測試。艾米瑞斯計畫今年開始在巴西的戈亞斯(Goias)州興建高聳的發酵廠,完工之後,應該能夠每年生產1億公升的綠色柴油燃料。

艾米瑞斯的燃料和乙醇一樣,都要靠糖發酵做出來。不過,公司的科學家重新設計酵母,希望這種微生物把它處理成可燃燒的碳氫化合物,而不是酒精。這表示,它的綠色燃料的競爭對手不是乙醇,而是從石油提煉出來的柴油,以及從植物油或者動物脂肪做成的生質柴油。艾米瑞斯說,它的燃料相對於這兩者,占有許多優勢。艾米瑞斯的燃料是從可再生來源做成的,這和化石燃料不同。它排放到大氣中的溫室氣體也比較少:該公司估計,它在巴西生產的柴油,排放的溫室氣體將比傳統的柴油少約80%。而且,和其他的生質柴油比較,它那從糖做成的燃料,生產起來比較便宜,也能讓引擎運轉得更好。本來是石油業高階主管的艾米瑞斯執行長約翰‧梅洛(John Melo),一直在和聯邦快遞(FedEx)、維珍大西洋(Virgin Atlantic)、奇異(General Electric)等尋求綠色燃料的公司洽談供油合約。

改造酵母

許多合成生物學家認為,柴油只是起步而已。他們相信,原則上,他們能夠創造一些微生物,生產任何石油產品的替代性產品。但這裡面存在著巨大的風險。艾米瑞斯的酵母菌株後來證明十分脆弱,而這是原先沒想到的。而且,和依賴活微生物的其他生物科技製程一樣,沒人敢說綠色柴油的生產,能否從今天1,000公升的生產批量,經濟有效地升級。「所有的預測,根據的製程規模效率,都不曾以那些規模運轉過,」麻州劍橋的旗艦創業投資公司(Flagship Ventures)執行長諾巴‧艾費揚(Noubar Afeyan)說。艾費揚最近也和人共同創辦合成生物公司,與艾米瑞斯競爭。他們遇到的一大挑戰,是「即使屬於中等規模,也需要砸下數億美元來證明」。

九年前,艾米瑞斯的技術在基斯林的柏克萊實驗室仍然只屬候補計畫。研究人員一直想方設法,要微生物生產商務上實用的產品。基斯林的實驗室加進植物和細菌的DNA之後,終於設計出新的細菌和酵母細胞,能夠大量製造不飽和焦磷酸酯。這種化學物有五個碳原子,有如自然界的樂高(Lego)積木,植物和動物用它來產生異戊二烯化合物。這是包括抗癌藥汰癌勝(Taxol)、維他命E,以及葡萄柚的香味和雌蟑螂的費洛蒙等氣味在內的多種分子裡面的一類。

基斯林曉得,這項發明是無價之寶,因此於2001年申請了他事業生涯中的第一筆專利應用。「我們想要運用各種工具去解決重大的問題,」他說。2004年,機會來了,蓋茲夫婦基金會決定捐出4,260萬美元,支持在基斯林量身打造的微生物協助下製造瘧疾治療藥青蒿素的一項計畫。

青蒿素目前是從主要生長於非洲和亞洲的艾屬綠葉植物(俗稱青蒿)提取,供應不穩定,價格大起大落,2006年每公斤曾經上漲到1,100美元。基斯林的方法是使用基因改造的酵母,從糖產生它,可望解決供應的問題,並使價格急劇降低。這項計畫可能拯救成千上萬,甚至數百萬被宣布不治的瘧疾患者,成了合成生物學有力量將世界變得更好的象徵。蓋茲夫婦的資金用於挹注艾米瑞斯的快速擴張。這是基斯林和三位博士後研究工作者創立的公司,目的是執行瘧疾藥研製計畫。艾米瑞斯的技術長尼爾‧瑞寧格(Neil Renninger)說,2005年底,公司一些員工「日以繼夜,連周末也不休息」,一直在思考他們的技術可以解決其他什麼問題。

艾米瑞斯估計,異戊二烯化合物包括約五萬種不同的分子,接下來要聚焦於何處,實在很難確定。「我們開始遊說創業投資公司,說我們認為一些藥物很有趣,營養食品,甚至燃料都蠻有意思的──你覺得呢?」瑞寧格談起往事。不過,對艾米瑞斯的科學家來說,很難找到像研發抗瘧疾藥那麼有意義的計畫。「這個文化中的人,真的很想救人,不是只想賺大錢,」他說。「因此當你把製造葡萄柚香味的構想丟到他們面前,他們不覺得那很有趣。」

開創新局

2006年年中,情況開始改觀。矽谷兩家最知名的創業投資公司柯柏高拜(Kleiner Perkins Caufield & Byers)和綠色能源專業公司柯斯拉創業投資(Khosla Ventures),願意投資2,000萬美元到該公司。美國國會2005年通過再生能源指令,引發投機性投資各種生質燃料的熱潮。也投資於艾米瑞斯的TPG生物科技(TPG Biotech),常務董事傑佛瑞‧杜伊克(Geoffrey Duyk)回憶往事說,艾米瑞斯一接受了創業投資公司提供的資金,投資人便「蜂擁而進,並將焦點推向燃料」。

投資人屬意延聘時任英國石油公司(British Petroleum)北美地區燃料業務主管的梅洛,來當艾米瑞斯的執行長。梅洛正努力經營他所說的「還算不錯的小業務」,包括龐大的貨車車隊和無數的集散站,創造出高達340億美元的營業收入。他回憶往事說,招聘人員首次打電話給他,說研發抗瘧疾藥的一家生物科技公司有意請他過去效勞時,「我的反應是,『你一定是在開玩笑。我是搞燃料的,會懂什麼啊?』」

在了解了合成生物學的更多細節,也和艾米瑞斯的科學人員見過面之後,梅洛改變了心意。以營業收入來說,燃料是所有業務中最大的,但石油公司只花其中微不足道的一小部分在研究發展上,而且幾乎不做基礎研究。梅洛因此相信,他的老產業到了該變的時候。「有能力改造微生物,表示我們可以當燃料和化學業中的微軟。我們其實等於把軟體寫進發酵槽裡面,」他說。「在我看來,這是開創新局的事。」梅洛引導該公司投入研究發展柴油,因為這是世界上使用最廣的運輸燃料,也經常供不應求。生產正確的分子種類,簡單得叫人驚訝。六個星期內,科學家更換了製造青蒿素的微生物中的一種酵素,便開始生產出金合歡烯。他們早就確認這種芳香油可望轉化成柴油。

「它們看起來像是非常不一樣的計畫──一種是醫藥,另一種是燃料──但是新陳代謝的路徑類似,」柯利爾說。「這是艾米瑞斯跨出的一大步。」金合歡烯是好聞的芳香油,蘋果皮的氣味有一部分就是它。再執行一個化學步驟,也就是氫化,艾米瑞斯就能把酵母製造的金合歡烯化為金合歡花烷(farnesane),這是高度可燃的燃料,和柴油的特質相近。艾米瑞斯認為,金合歡花烷和柴油、汽油等碳氫化合物一樣,不會有影響其他生質燃料的問題存在。比方說,乙醇能和水混合,當水滲入汽油的管路,就有可能出問題。在此同時,從植物提取的生質柴油含有雜質,會在低溫時堵塞引擎。金合歡花烷則不然,只要送進現有的燃料輸配網就行。相對於一般的柴油,它甚至占有一項優勢:不含污染環境的硫。

但是除非大規模運轉,否則這項計畫沒辦法發揮重大的衝擊。可是到現在,沒人能夠十拿九穩,確切知道合成生物學在這樣的規模下,能運作得有多好。基因排序先驅克瑞格‧文特(J. Craig Venter)創辦的合成基因學(Synthetic Genomics)公司,去年和艾克森美孚(ExxonMobil)簽署三億美元的合約,開發生產燃料的藻類。不過,艾克森主管研究發展的副總裁艾米爾‧亞克伯斯(Emil Jacobs)告訴《紐約時報》,說他不想「美化」這項計畫成功的機會。「就運輸燃料來說,如果你不能預知自己是不是能使一項技術升級,那就必須質疑自己是不是需要參與,」他說。

要使它們成為切合實際需求的選項,不是只需要擁有大量生產燃料的能力就行,它們也必須是以很便宜的價格銷售的商品。石油工業的產品,每公升的價格只有可口可樂的一半。艾米瑞斯的製程,主要的成本是什麼?如果乙醇產業的平均值是正確的,那麼它的酵母吃的糖,將占去生產金合歡花烷最終價格的一半以上。

綠色柴油誕生

投資人杜伊克回憶往事說,這些數字,是促使梅洛「把旗子穩穩插進巴西」的部分原因。美國的玉米雖然近在眼前,卻是個爛賭注。2007年,由於美國的乙醇產量激增,玉米價格一飛沖天,數萬名墨西哥人憤而走上街頭,抗議玉米脆餅(tortilla)價格大漲。2008年石油價格下跌,玉米價格卻維持在新高水準,美國許多乙醇製造商不再享有利潤。

生質燃料並不是只有規模、成本,以及和糧食供應競爭的問題需要面對。艾米瑞斯也希望產銷對環境有益的柴油;它的宣傳手冊宣稱,它的「絕不妥協」燃料,釋出到大氣的二氧化碳,會比化石燃料少80%。今天,只有巴西的甘蔗有可能為艾米瑞斯的綠色行銷背書。巴西的研究報告說,甘蔗乙醇產生的能源,約為生產這種燃料耗用能源的七到十倍;相形之下,從玉米生產的乙醇,產生的能源略高於生產它所耗用的能源。雖然種植甘蔗對環境造成什麼樣的衝擊仍有爭議,整個製程耗用的能源低於栽種玉米,卻是相當清楚的。此外,巴西的生質燃料製造商,效率高於其他國家,部分原因在於許多巴西加工廠的壓碎器和蒸餾器,燒的是甘蔗廢料,減少使用化石燃料。

就產品的銷售市場來說,巴西可能也坐擁其他的優勢。這個國家的柴油需求很高,艾米瑞斯不必出口一滴油,業務就能經營得很大。巴西也有很大的增產空間:甘蔗目前只種在約3%的巴西可耕地上,將來可望擴增到現在用於放牧牛隻的土地上,而這樣的土地,超過一億英畝。「甘蔗的產量有可能增為四、五倍,」曾在石油公司當過高階主管的LS9執行長比爾‧赫伍德(Bill Haywood)說,「這是世界上其他地方不了解的。我認為巴西會有高品質的綠色柴油誕生,就像乙醇那樣。」

12月間,艾米瑞斯達成協議,興建它的第一座金合歡烯工廠。這座年產能達一億公升的廠房,將蓋在戈亞斯州新建的波亞維斯塔(Boa Vista)糖及乙醇提煉廠裡面。艾米瑞斯在這筆交易中,同意從工廠原來的業主聖馬丁荷集團(Grupo Sao Martinho)手中買下40%的股份。聖馬丁荷的總裁法比歐‧文杜瑞里(Fabio Venturelli)表示,總值約8,000萬美元的現金與股票,是巴西有史以來最高的加工廠交易價格。

艾米瑞斯希望能夠控制它的第一座大型工廠的興建過程,以確保一切順利。但這家公司計畫最後能夠拿它的技術,交換取得甘蔗汁,因為這麼做比較便宜。它的構想是,請巴西的糖廠花錢改裝工廠,艾米瑞斯則貢獻基因改造酵母,然後接著負責銷售金合歡烯,與糖廠拆分利潤。

路障待排除

雖然商業條件可能相當複雜,艾米瑞斯的基本推銷詞則不然:從許多方面怎麼看都像低科技的這個產業(巴西一半以上的甘蔗,仍然靠揮舞大砍刀的按日計酬零工工人採收),它保證將糖廠化為未來的生質提煉廠,生產比糖或者乙醇更有價值的化學品和燃料。許多巴西公司也有類似的盤算。文杜瑞里2008年當上聖馬丁荷的執行長,首次看到波亞維斯塔提煉廠的藍圖時,注意到有人在空白的地方寫著:「這塊空間留著生產未來從甘蔗提煉的化學品。」

不過,沒有回答的問題還有許多。「我們所有的公司都在尋找,想要站在燃料市場的最前線,它們也看到有機會找艾米瑞斯移轉技術,」巴西最大的甘蔗協會UNICA,技術顧問艾爾佛烈德‧史茲瓦克(Alfred Szwarc)說,「但由於我們不知道價格或者營運成本,目前臆測的成分居多。」

主要不確定的地方,是艾米瑞斯的酵母在工業條件下將如何執行它的工作。這將是合成生物學達到這種規模的第一次,製程肯定會構成其他公司不曾面對的工程問題。叫人關切的一件事是:外來的酵母菌株可能跟著甘蔗汁一起進入發酵槽。在無菌的實驗室試驗中,這不成問題;但在糖廠,不生產合金歡烯的酵母,輕而易舉就能壓倒實驗室製造的品種。

最近有關青蒿素生產計畫的發展也告訴我們,成本可能是個問題。製藥商賽諾菲安萬特(Sanofi Aventis)同意商業化生產瘧疾治療藥,現在卻表示遭遇始料未及的障礙,準備以每公斤350到400美元的價格生產藥品。這很接近從植物提取藥物的平均價格,卻是基斯林接受媒體訪問時,承諾價格的三到四倍。

艾米瑞斯在巴西改造全球燃料業務的夢想可能需要展延,至少延後一段時間。這家公司第一座廠房生產的合金歡烯可能不夠便宜,無法和柴油正面競爭。聖馬丁荷提煉廠生產的合金歡烯,初期將賣到消費性產品市場,價格也許遠高於柴油的售價(它可以用做唇膏或者抗老霜的保濕劑)。

這表示艾米瑞斯的科學家,可能必須花比較長的時間才能改變世界。但梅洛表示,該公司沒有退卻,目標依然是成為燃料市場的主力。「我們要的是產生衝擊,」他說,「拯救成千上萬孩童就是衝擊。至於燃料,講的是規模。如果我們不能升高對二氧化碳(排放量減低)或者綠色生產所做的貢獻,我們將無足輕重。」(翻譯/羅耀宗)



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