Ropa ma konkurenta. Zmutowane mikroby i glony lejemy do baku

W tym roku zaczną działać nietypowe minirafinerie - paliwo będą w nich produkowały... zmutowane jednokomórkowce. Glonowy surowiec po niewielkiej przeróbce można będzie wlać do baku

Na 120 ha półpustyni zajmującej południową część stanu Nowy Meksyk trwają intensywne prace budowlane. W miejscu do niedawna zajętym przez skąpą roślinność powstają rzędy długich basenów. Całość ma być gotowa za pół roku. Potem wszystkie zbiorniki zostaną napełnione wodą, która w ciągu kilkunastu dni powinna przybrać intensywnie zielony kolor szafiru. Ten szafir ma napędzać auta.

Energia z szafiru

Barwę nadadzą wodzie jednokomórkowe glony z grupy zielenic. Ich zadaniem będzie wytworzenie surowca energetycznego - mieszaniny węglowodorów, która pod względem właściwości chemicznych i fizycznych nie będzie wiele odbiegała od ropy naftowej.

Glonowa ropa będzie miała taki sam kolor jak jej mikroskopijni producenci - intensywnie zielony. Będzie więc inna niż ta pochodząca z głębi ziemi, która przybiera barwy od żółto- do czarnobrunatnej. Dla rafinerii nie ma to jednak aż tak dużego znaczenia. Próby pokazały, że z nowego surowca - nosi on już zastrzeżoną nazwę Green Crude - można wyprodukować benzynę, olej napędowy i paliwo lotnicze. W ramach eksperymentu glonowe paliwa łączono z tradycyjnymi i sprawdzono, czy na takiej mieszance mogą latać samoloty i jeździć samochody. Mogły.

Półtora roku temu podjęto więc decyzję o zbudowaniu na półpustynnym gruncie pierwszej minirafinerii. Za dwa lata z fabryki w pobliżu miasteczka Columbus przy granicy z Meksykiem ma wyjeżdżać dziennie około stu baryłek glonowej ropy. Docelowa roczna wydajność zakładu: pół miliona litrów zielonej cieczy. To oczywiście znikoma ilość w porównaniu do zapotrzebowania w paliwo świata czy choćby tylko Meksyku. Ale duży zakład pilotażowy ma sprawdzić, czy fascynująca idea wykorzystania glonów do masowej produkcji paliw dojrzała już do realizacji i czy pomysł ma sens ekonomiczny. A jeśli nie ma, to co zrobić, żeby go nabrał.
Algaeus - pierwsze auto napędzane paliwem z glonów

Potem przyjdzie czas na wielkie komercyjne biorafinerie. Naukowcy z firmy Sapphire Energy (Szafirowa Energia), budujący wytwórnię glonowej ropy w Nowym Meksyku, są przekonani, że stanie się tak w ciągu kilku najbliższych lat. Mają też nadzieję, że w ciągu kolejnej dekady zwiększą dostawy swojego produktu 10-krotnie.

Krowa daje mleko, a glony - ropę

Sapphire Energy niedawno skończyła pięć lat. W glonowym biznesie to sporo. Firmę założyło kilku naukowców z Kalifornii przy wsparciu menedżerów specjalizujących się w przedsięwzięciach biotechnologicznych. Nie zaczynali od zera. Pełnymi garściami czerpali z wiedzy gromadzonej przez lata w dwóch placówkach naukowych o światowej renomie, mających siedziby na przedmieściach San Diego. Pierwsza to The Scripps Research Institute, druga - Centrum Biotechnologii Glonów przy Uniwersytecie Stanu Kalifornia w San Diego. Kluczową rolę odegrał biolog molekularny profesor Stephen Mayfield, szef drugiego ośrodka, a zarazem wiceprezes Sapphire Energy. To on przez wiele lat próbował wyselekcjonować, a następnie zmusić glony, by od razu wytwarzały bioropę. - Chciałbym je udomowić w podobny sposób, jak tysiące lat temu udomowiliśmy krowy i owce - wyjaśnia sens swoich badań. W połowie minionej dekady w takie pomysły prawie nikt nie wierzył. Osiem lat temu Mayfield pracował z kilkoma badaczami, dziś jego zespół liczy kilkadziesiąt osób.

Trzeba przyznać, że jeszcze przed dekadą wielu powodów do optymizmu nie było. W połowie lat 90. zamknięto w USA duży projekt badawczy o nazwie Aquatic Species Programme. Wystartował w 1978 roku i był jedynym tego typu projektem na świecie. Przez prawie 20 lat naukowcy z rządowego instytutu National Renewable Energy Laboratory sprawdzali możliwości wytwarzania biopaliw z glonów. Szukali mikroorganizmów najlepiej nadających się do tego celu. Pod uwagę wzięto trzy tysiące gatunków, około 300 wybrano do dalszych analiz. Szukano odmian zdolnych wyprodukować w krótkim czasie dużą ilość biomasy, mało wrażliwych na zmiany temperatury wody, odpornych na ataki wirusów i nadających się do hodowli w otwartych zbiornikach. A przede wszystkim - zasobnych w tłuszcze, które następnie dałoby się przerobić na biopaliwo. Teoretycznie glony mogą ich wyprodukować dziesiątki razy więcej niż palma oleista, rzepak czy kukurydza. To jedna z zalet fotosyntetyzujących jednokomórkowców.

Algi dojrzewające w laboratoryjnych naczyniach

Drugą jest to, że drobiazg potrzebuje do życia głównie światła słonecznego oraz wody i dwutlenku węgla. W sprzyjających warunkach potrafi się błyskawicznie namnażać, wytwarzając gigantyczną ilość biomasy. Na dodatek nie potrzebuje nawet hektara ziemi uprawnej, a wiele gatunków świetnie się czuje w niezbyt czystej, zasolonej i przenawożonej wodzie. Przy okazji można ją więc oczyścić.

Zalet glonów, jak widać, nie brakuje. Dlaczego więc zrezygnowano z dalszych badań? Po pierwsze, okazało się, że droga do pozyskiwania tłuszczów z glonów jest najeżona trudnościami, długa i żmudna. Po drugie, wśród jednokomórkowców nie znaleziono ideału, który nadawałby się do masowej hodowli. Po trzecie wreszcie, wyliczono, że paliwo glonowe byłoby zbyt drogie. Kosztowałoby bowiem od 40 do 60 dolarów za baryłkę, czyli dwa-trzy razy więcej niż wówczas ropa. Aquatic Species Programme coraz mniej chętnie finansowano, aż w końcu go zamknięto. Paradoksalnie właśnie wtedy badania przyspieszały dzięki osiągnięciom biotechnologii i genetyki.

Naukowcy zorientowali się, że nie trzeba wcale męczyć się z mozolnym „wyciskaniem” tłuszczów z glonów. Odpowiednio zmienione czy - jak mówi Mayfield - udomowione jednokomórkowce powinny same oddać surowiec. Co więcej, nie muszą nim być wcale tłuszcze, które potem trzeba jeszcze przerobić na biodiesel. Mogą to być lekkie frakcje ciekłych węglowodorów, które od razu można rurociągami przesłać do rafinerii i przerobić na benzynę. Upłynęło kilka lat i oto pierwsi odważni badacze zaczęli zakładać w Stanach małe biotechnologiczne laboratoria. Chętnych zaczęło szybko przybywać pięć-sześć lat temu. Pojawiły się też spore pieniądze. W 2008 roku Sapphire Energy ogłosiła, że dostała sto milionów dolarów od funduszy wysokiego ryzyka. Rok później gigant naftowy Exxon Mobil postanowił przeznaczyć na badania nad glonami 600 mln dolarów. Połowę z tego ma dostać Synthetic Genomics, firma sławnego Craiga Ventera, także eksperymentująca z algami. Venter i jego zespół na razie milczą co do wyników swoich badań, za to inne firmy ujawniają nieco szczegółów własnych pomysłów chronionych już dziesiątkami patentów.

Cicho sza, rywal podsłuchuje

Na nadmiar wylewności z ich strony nie ma jednak co liczyć. Sapphire Energy, owszem, od czasu do czasu oprowadza chętnych po centrali pod San Diego i powoli zaczyna układać listę gości mających uświetnić otwarcie zakładu w Nowym Meksyku, lecz wszystkich detali dotyczących hodowli ropodajnych glonów nie ujawnia. Wiadomo, że w laboratorium trwają intensywne badania, których celem było otrzymanie superglonu. Sprawdzono już tysiące szczepów alg. Niektóre z nich hoduje się w taki sposób, aby przyspieszyć wykształcenie się pożądanej cechy. Inne są od razu modyfikowane metodami inżynierii genetycznej. Obawy, że zmieniony organizm wydostanie się ze zbiorników i narobi szkód w środowisku, są bagatelizowane. - Może przetrwać tylko w sztucznym otoczeniu, które dla niego stworzymy. Na zewnątrz zginie - mówi Mayfield.

Venter też uspokaja. Gdy dwa lata temu otwierał w San Diego swoją eksperymentalną instalację, w której zamierzał testować kolejne wersje zmutowanych glonów, żartobliwie zwracał się do burmistrza: „Proszę się nie obawiać: miasto nie zginie”. Mimo to uważa, że na wszelki wypadek należałoby wyposażać mutanty w „samobójcze geny”, które uaktywniałyby się, gdyby osobnik wydostał się z laboratorium, basenu lub zamkniętego bioreaktora. Venter zapowiada też, że jeśli żaden z naturalnie występujących jednokomórkowców nie okaże się odpowiednio elastyczny - czyli podatny na manipulacje genetyczne - a także wytrzymały na choroby i silne nasłonecznienie (więcej światła to szybsza fotosynteza i szybsza produkcja biomasy), wówczas stworzy sztuczną odmianę, pożyczając geny od kilku gatunków.

Jego rywale (i sąsiedzi) z Sapphire Energy nie sądzą, aby to ostatnie było konieczne. Ich glony, wzbogacone już w gen odpowiedzialny za produkcję węglowodorów, sprawują się nadzwyczaj dobrze. Teraz naukowcy próbują je zachęcić do tego, aby polubiły silnie zasoloną wodę. Chcą je również uodpornić na działanie znanego herbicydu Roundup. Wtedy można nim będzie zabijać wszystkie glony „chwasty” próbujące skolonizować zbiorniki. Firma podkreśla jednak, że w basenach w Nowym Meksyku na razie nie będzie organizmów modyfikowanych genetycznie. - Do tej pory nie było to potrzebne. Do uzyskania pożądanych cech wystarczyły inne zaawansowane techniki, takie jak mutageneza czy skrining HTS - wyjaśnia Mayfield. Jednak jego zdaniem w przyszłości bez GMO raczej się nie obejdzie.

Komórkowe fabryki paliw

Identyczny pogląd w tej sprawie mają naukowcy z Joule Unlimited - innej niewielkiej firmy, mającej siedzibę pod Bostonem. Ona z kolei korzysta z wiedzy i wyników doświadczeń badaczy z Massachusetts Institute of Technology oraz Uniwersytetu Harvarda. W połowie stycznia 2012 roku poinformowała, że zgromadziła już 110 mln dolarów potrzebnych na rozpoczęcie budowy fabryki glonowego paliwa. Właściwie - bakteryjnego, ponieważ w tym przypadku surowiec mają wytwarzać maleńkie cyjanobakterie, zwane też sinicami. Są one zaliczane do królestwa bakterii. Jako jedyne w tej wielkiej rodzinie opanowały fotosyntezę.

Biorafineria Sapphire Energy w Nowym Meksyku

Po kilku latach sekretnego rozwiązywania biotechnologicznych łamigłówek w Joule Unlimited otrzymano kilkanaście szczepów zmodyfikowanych cyjanobakterii potrafiących wyprodukować olej napędowy, etanol lub rozmaite mieszaniny węglowodorów dla potrzeb przemysłu chemicznego. Sinice, tak jak zielenice, są dość samowystarczalne - do życia potrzebują jedynie wody, światła słonecznego, dwutlenku węgla i substancji pokarmowych, głównie azotu. Hodowane są w płaskich bioreaktorach, które z daleka wyglądają jak panele fotowoltaiczne, tyle że są zielone. Każdy taki bioreaktor - noszący zastrzeżoną nazwę Solar Converter - nachylony jest w stronę Słońca, aby mógł maksymalnie wykorzystywać jego energię. Z jednej strony do bioreaktora płynie woda z mikroelementami, z drugiej odpływa woda z paliwem, które po odseparowaniu trafia do zbiornika. Planowana wydajność systemu: 150 tys. litrów oleju napędowego lub 240 tys. litrów etanolu rocznie z jednego hektara. Koszt wytworzenia paliwa: 20-30 centów za litr oleju napędowego lub etanolu.

Wszystko to przy założeniu, że uda się uruchomić komercyjną produkcję. Na razie wydajność jest trzy razy niższa, a koszty dwa razy wyższe.

Jesienią 2011 roku Joule Unlimited rozpoczęła ustawianie bioreaktorów w pobliżu miasta Hobbs na granicy stanów Teksas i Nowy Meksyk. Pierwszy moduł o powierzchni dwóch hektarów, składający się z setek zielonych paneli ustawionych w rzędach o długości 100 m oraz centralnej instalacji do odzyskiwania paliwa, ma być oddany w połowie 2012 roku. Komercyjna sprzedaż paliwa zacznie się w 2013 roku. Docelowo ma tu powstać biorafineria o powierzchni 500 ha i rocznej wydajności około 50 mln litrów paliwa.

W rezerwie są kolejne dwa tysiące hektarów gruntu, gdyby się okazało, że zmutowane genetycznie cyjanobakterie spełniają pokładane w nich nadzieje. Aby tak się stało, naukowcy chcą do minimum ograniczyć wszystkie te funkcje życiowe organizmów, które nie są potrzebne do realizacji podstawowego celu. Po co marnować węgiel na wzrost komórki, skoro może się on przydać do wytworzenia kolejnej cząsteczki węglowodoru? Fotosyntetyzujące bakterie mają zostać zmienione w chemiczne mikrowytwórnie paliw.

Dość podobny zamiar mają naukowcy z firmy Algenol mieszczącej się w Fort Myers na Florydzie, a współpracującej z kilkunastoma uczelniami i instytutami w USA, Niemczech i Szwajcarii. Na 15 ha gruntu zamierzają postawić około trzy tysiące swoich fotobioreaktorów z cyjanobakteriami wytwarzającymi etanol w wyniku wewnątrzkomórkowej fermentacji cukrów. Roczna produkcja tego pilotażowego zakładu, którego budowa ruszyła kilka miesięcy temu, ma wynieść około 400 tys. litrów paliwa. „Skromnym” zamiarem Algenolu jest opracowanie metody, dzięki której w 2030 roku można będzie wytworzyć około 60-70 mld litrów etanolu rocznie. Czyli niemal tyle, ile wynosi dziś światowa produkcja tego paliwa popularnego szczególnie w USA i Brazylii.

Czyżby przyszłość paliw miała zależeć nie od tego, co znajdziemy w szybie naftowym, ale w szalce Petriego?

Andrzej Hołdys jest dziennikarzem naukowym i popularyzatorem nauki. Publikuje m.in w "Wiedzy i Życiu", "Polityce", "Gazecie Wyborczej".