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El científico que sigue luchando por el combustible limpio que el mundo olvidó
Una década de inversión en biocombustibles avanzados no llevó a ninguna parte, pero Jay Keasling no se desanima. 10 de mayo de 2018
En las últimas semanas de 2008, el Departamento de Energía de EE. UU. invitó a políticos y prensa a una ceremonia de inauguración del Instituto Conjunto de BioEnergía en Emeryville, California. El laboratorio de última generación, respaldado por $ 125 millones en fondos federales, llenó el último piso de un edificio de oficinas de vidrio reluciente que reflejaba las grandes esperanzas de los biocombustibles avanzados.
Es reunir a las mejores personas en un solo lugar para trabajar en lo que podría ser uno de los desafíos más importantes de nuestro tiempo, dicho Jay Keasling, biólogo sintético de la Universidad de California, Berkeley, y director ejecutivo del instituto de investigación.
La misión de JBEI (pronunciado jay-bay) era producir biocombustibles baratos a partir de fuentes celulósicas, es decir, las hojas y los tallos de plantas como el pasto varilla en lugar de los granos de cultivos alimentarios como el maíz. El laboratorio tenía como objetivo ir más allá del etanol, esforzándose por crear combustibles neutros en carbono que pudieran llenar los tanques de automóviles, aviones, barcos y camiones estándar. Si tenían éxito, prometía reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia estadounidense del petróleo (ver El precio de los biocombustibles).
JBEI está desarrollando tipos de switchgrass y sorgo que producen muchos más azúcares y mucha menos lignina.
Keasling hizo tanto como cualquier individuo para avanzar en el campo y vender la promesa de tales combustibles. Además de dirigir JBEI, cofundó varias empresas emergentes bien financiadas, incluidas LS9 y Amyris Biotechnologies, para convertir esa visión en realidad.
Pero una década después, el campo está en ruinas. JBEI y otros laboratorios de bioenergía financiados con fondos federales aún sobreviven, pero las empresas de biocombustibles más avanzadas, incluida Keasling, han renunciado a ese sueño.
Las empresas estadounidenses están produciendo solo una pequeña parte de los combustibles celulósicos exigidos por los estándares de combustibles renovables establecidos al final de la última administración Bush, y gran parte de eso es etanol derivado de restos agrícolas como tallos de maíz. Dado ese déficit, la Agencia de Protección Ambiental simplemente emite exenciones para biocombustibles avanzados cada año, lo que permite que la industria continúe en gran medida como de costumbre.
El próximo objetivo de JBEI es desarrollar plantas que eventualmente puedan producir biocombustibles avanzados por menos de $3 el galón.
JBEI ha logrado avances científicos, pero si los cultivos, las técnicas y los insectos del instituto se implementaran a escala comercial hoy, un galón del combustible resultante costaría 14 veces lo que pagamos en la bomba.
Producir biocombustibles avanzados baratos simplemente terminó siendo un problema mucho más difícil de lo esperado. Probablemente lo subestimamos y probablemente también lo sobrevendimos, reconoció Keasling el mes pasado, durante una entrevista en su oficina en JBEI.
Aún así, Keasling, por su parte, no ha perdido la esperanza de un futuro en el que los biocombustibles sean un reemplazo viable de la gasolina, el diésel y el combustible para aviones.
Lavado durante la noche
Keasling creció en un pequeño pueblo de Nebraska, en una granja de maíz que ha estado en su familia durante cinco generaciones. Durante sus estudios de posgrado en ingeniería química en la Universidad de Michigan, quedó fascinado por el potencial de la ingeniería genética para resolver grandes problemas. Luego realizó una investigación posdoctoral en el campo en Stanford antes de convertirse en profesor en UC Berkeley a la edad de 28 años.
Fue allí donde emprendió un trabajo pionero en biología sintética, transformando levaduras y bacterias en pequeñas fábricas que podían escupir isoprenoides, una clase de compuestos utilizados para producir caucho, antibióticos y aromas. En particular, él y sus colaboradores desarrollaron un proceso para producir un precursor sintético de la artemisinina, uno de los pocos tratamientos efectivos para la malaria, mediante la inserción de ADN de varios organismos diferentes en E. coli y levadura Se considera uno de los primeros avances reales en biología sintética.
Pasar de la artemisinina, un hidrocarburo molecularmente similar al petróleo, a los biocombustibles no fue un gran salto en la imaginación. En entrevistas anteriores, Keasling descrito es una simple cuestión de eliminar algunos genes y agregar otro.
A principios de 2008, su startup Amyris pregonado planea producir mil millones de galones al año de un biodiesel a base de caña de azúcar a partir de sus microorganismos modificados por bioingeniería, por tan solo $ 60 por barril y todo dentro de unos pocos años (ver Buscando el punto óptimo de los biocombustibles).
Keasling muestra los laboratorios de última generación en JBEI, en Emeryville, California.
Pero a medida que se afianzaba la recesión económica de 2008, los precios del petróleo cayeron desde un máximo cerca de $ 150 por barril a unos pocos dólares menos de $ 30 a finales de año. Es difícil entusiasmarse con la economía renovable cuando se trata de un barril de petróleo de $30, dice David Berry, socio general de la firma de capital de riesgo Flagship Pioneering, quien cofundó LS9 con Keasling en 2005. Mercados de deuda y acciones lavado durante la noche.
Y se llevaron muchas de las nuevas empresas con ellos. La mayoría de los sobrevivientes cambiaron a otras líneas de negocios. LS9 se centró en la fabricación de productos químicos especiales y finalmente fue adquirida por Renewable Energy Group (ver Por qué la promesa de combustible barato de Super Bugs se quedó corta).
Amyris, que se hizo publico en 2010, nunca produjo su diésel renovable a escala comercial. Ahora se enfoca en nutracéuticos, cuidado de la piel y sabores y aromas artificiales. Un portavoz se negó a decir qué precio pudo lograr la empresa por el combustible, pero Keasling lo calculó en $1,75 por litro, o alrededor de $6,63 por galón.
A pesar de todo el entusiasmo de hace una década, producir biocombustibles avanzados asequibles siempre fue una idea audaz.
Para empezar, debe plantar, cosechar, secar y enviar grandes volúmenes de cultivos, de la forma más limpia y sostenible posible. Y entonces comienza la parte difícil.
Extraer los combustibles de los tallos y las hojas requiere separar los carbohidratos llenos de energía en las paredes celulares de la planta de las moléculas de lignina leñosa que se unen estrechamente a su alrededor, generalmente usando ácidos, presión y calor. Entonces necesita microbios que puedan consumir esos carbohidratos, principalmente celulosa, y expulsar combustibles. Pero no se sabe que ningún insecto natural produzca el tipo que pueda llenar directamente el tanque de los automóviles existentes, por lo que los científicos necesitan diseñar genéticamente los que puedan.
A pesar de todo el esfuerzo y la financiación, algunos en el campo creen que no ha habido mucho progreso real en estos desafíos durante la última década más o menos.
La opinión general es que no ha cambiado mucho, dice Gregory Stephanopoulos, profesor de ingeniería química en el MIT. El camino de la celulosa a los azúcares y al combustible no parece ser más prometedor en la actualidad.
Llegar a un galón de $ 3
Keasling no está de acuerdo y argumenta que JBEI y otros laboratorios han logrado avances científicos significativos. Los investigadores del instituto de California, que sirve como centro de colaboración entre seis laboratorios de investigación y universidades, publicaron casi 700 artículos revisados por pares, obtuvieron casi 30 patentes y lanzaron seis nuevas empresas.
Los investigadores de JBEI han alterado genéticamente tipos de pasto varilla y sorgo para que produzcan muchos más azúcares y mucha menos lignina que las plantas estándar. También desarrollaron un proceso para convertir la lignina en líquidos iónicos, que son sales que descomponen la biomasa, convirtiendo un producto de desecho en una herramienta eficaz para la destrucción de plantas.
Finalmente, los científicos han diseñado microbios que pueden producir varios tipos de combustibles directos de estas plantas, que incluyen pineno , un precursor del combustible para aviones; isopentenol , que podría funcionar como reemplazo de la gasolina; y bisaboleno , que produce un diesel muy bueno, dice Keasling.
Estos avances colectivos han reducido el costo de un galón de biocombustible de próxima generación de alrededor de $ 300,000 cuando comenzaron a alrededor de $ 35, al menos si se produjeron a escala comercial, dice Keasling.
Pero, por supuesto, nadie aumentaría la producción de un combustible de $ 35 por galón cuando el galón promedio de gasolina cuesta $ 2.50. Así que ahora el laboratorio está pasando a una nueva etapa de investigación, con el objetivo específico de reducir esa brecha. En julio pasado, JBEI y otros centros federales de investigación de bioenergía obtuvieron fondos federales renovados de $25 millones al año, el mismo nivel que el instituto ha recibido desde el principio.
JBEI está desarrollando tipos de switchgrass y sorgo que producen muchos más azúcares y mucha menos lignina.
El objetivo declarado en la solicitud de JBEI para la financiación era desarrollar biocombustibles que pudieran producirse por menos de $3 el galón en los próximos cinco años, dijo Keasling.
No sé si vamos a llegar allí en cinco años, dice. Estaría bien si conseguimos eso en 10 años, francamente.
Keasling cree que la clave de gran parte de esa mejora radica en la lignina, que sostiene considerable carbono, pero se aferra a él obstinadamente. Los investigadores de JBEI tendrán que alterar las plantas para que los enlaces de lignina se rompan más fácilmente. Luego tienen que alterar las ligninasas, una clase poco entendida de enzimas conocidas por descomponer la lignina, para extraer más carbono. Por último, necesitan desarrollar nuevos conjuntos de microbios que puedan convertir los compuestos restantes en combustibles.
La pieza final del plan para cruzar el umbral de $3 es desarrollar formas de convertir algunas partes de la planta en productos de mayor valor que podrían subsidiar el costo de los biocombustibles, como retardantes de llama o materiales para impresión 3D.
Demandas competitivas
Para que el mundo tenga una oportunidad decente de evitar que las temperaturas globales aumenten más de 2 ˚C, la bioenergía debería proporcionar el 17 % de la demanda total de energía para 2060, frente al 4,5 % en 2015, según un análisis de la Agencia Internacional de Energía. . Pero hasta ahora, las ganancias de producción están muy por debajo del ritmo requerido para alcanzar tales objetivos. Entre otras cosas, la oferta de biocombustibles para el transporte tendrá que multiplicarse por diez en las próximas décadas.
Las estimaciones de la cantidad de tierra que se requeriría varían ampliamente, pero para que los biocombustibles satisfagan casi el 30 por ciento de las necesidades de transporte a mediados de siglo, se tendrían que dedicar 100 millones de hectáreas al cultivo de materias primas, concluyó la AIE en 2011. reporte . Eso es aproximadamente una novena parte del área dedicada a la agricultura en los Estados Unidos.
Tenemos una gran cantidad de demandas en competencia sobre la tierra, y es muy probable que la idea de que podemos liberar grandes cantidades para generar energía de biomasa se encuentre con limitaciones, dice Chris Field, director del Instituto Stanford Woods.
Un desafío serio relacionado es aumentar los biocombustibles avanzados de una manera que reduzca significativamente las emisiones totales de gases de efecto invernadero, que es el punto central. Cada paso, desde la siembra hasta la producción, consume mucha energía por derecho propio, por lo que los detalles de cómo se hace todo son muy importantes. En particular, a los investigadores les preocupa que si el mercado alguna vez despega, podría crear incentivos perversos, como alentar a los agricultores a arrasar los bosques, que son enormes sumideros de carbono, para dar paso a este tipo de cultivos.
Sueña con vida
Pero a pesar de estos desafíos, existen razones claras por las que muchos han creído durante mucho tiempo que los biocombustibles desempeñarán un papel importante en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. En los Estados Unidos, más de la mitad de esta contaminación proviene de usos de transporte como automóviles, camiones, barcos y aviones. A pesar de algunas ganancias notables en los vehículos eléctricos que funcionan con baterías, gran parte de este sector todavía solo puede funcionar con combustibles fósiles.
Uno de los más de 160 investigadores de JBEI trabajando en el laboratorio.
Cuando se trata de almacenamiento de energía denso y móvil, los combustibles líquidos son simplemente muy difíciles de superar, particularmente porque gran parte de la infraestructura energética mundial se construye a su alrededor, dice Hanna Breetz, politóloga enfocada en combustibles y vehículos alternativos en la Universidad Estatal de Arizona. .
Los combustibles líquidos seguirán siendo una gran parte del sistema energético en el futuro, especialmente en el transporte, y espero que los biocombustibles sean parte de ese sector, dice.
Incluso si los laboratorios logran un progreso sorprendente en los próximos años, estos combustibles aún podrían tardar décadas en obtener una participación de mercado real en una industria con billones de dólares invertidos en el negocio diario de extracción y refinación de petróleo. Acelerar esa transición requerirá mucho más apoyo del gobierno, lo que podría incluir un precio sobre el carbono, estándares más altos para combustibles renovables, límites de emisiones y más, dice Keasling.
Eso puede sonar como pedirle mucho a alguien cuyo laboratorio ha recibido cientos de millones en fondos del gobierno y cuyas nuevas empresas se han quemado. similares de niveles de inversión de riesgo. Pero Keasling dice que eso es simplemente lo que se necesitará para revisar una industria arraigada a la escala y la velocidad necesarias para contrarrestar los crecientes peligros climáticos.
Lo que le preocupa es que las perspectivas de tales políticas solo se han atenuado en los últimos años. Pero a pesar de los fracasos políticos y científicos que han plagado la búsqueda de biocombustibles avanzados y baratos, sigue convencido de su potencial para reducir las emisiones.
Cuando nuestro gobierno decida que es hora de priorizar eso, dice Keasling, creo que los biocombustibles podrían desempeñar un papel importante.