利用微生物制造新火箭燃料 稱其『能量密度比任何石油產(chǎn)品都高』

自1903年以來，人類開始利用火箭推進(jìn)飛行器探索宇宙。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，人類不再滿足于近地探索，中國、美國等大國相繼宣布了宇宙深空探索計(jì)劃。

從近地探索邁向深空探索，火箭的飛行速度、航程等性能需要相應(yīng)地提升。因此，高能量密度燃料的設(shè)計(jì)和制備越來越受到國內(nèi)外研究者的重視。

據(jù)了解，在飛行器體積一定的情況下，燃料密度越大則所能攜帶的燃料越多；而燃燒熱值越高則單位體積燃料所提供的能量越大，對(duì)于提高飛行器的性能越有利。

近日，美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室宣布開發(fā)了一種新的能量密集型生物燃料。他們稱，這種燃料的動(dòng)力足以發(fā)射火箭，且預(yù)計(jì)該生物燃料的能量密度比任何石油產(chǎn)品都高，包括領(lǐng)先的航空和火箭燃料JetA和RP-1。

這些燃料候選分子被稱為多環(huán)丙烷脂肪酸甲酯，其驚人的能量潛力來自結(jié)構(gòu)的基本化學(xué)性質(zhì)。

多環(huán)丙烷分子含有多個(gè)三角形的三碳環(huán)，使每個(gè)碳碳鍵形成一個(gè)尖銳的60度角。與燃料中常見的較大的環(huán)結(jié)構(gòu)或碳-碳鏈相比，這種張力鍵中的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為更多的燃燒能量。此外，這些結(jié)構(gòu)使燃料分子在小體積內(nèi)緊密地聚集在一起，增加了任何給定油箱內(nèi)燃料的質(zhì)量，從而增加了總能量。

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人是合成生物學(xué)先驅(qū)、能源部聯(lián)合生物能源研究所首席執(zhí)行官杰·基斯林，他的團(tuán)隊(duì)由JBEI（科學(xué)生物能源研究中心辦公室）和ABPDU（先進(jìn)生物燃料工藝示范單元-勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室）的科學(xué)家組成。

杰·基斯林長期以來一直關(guān)注環(huán)丙烷分子，他發(fā)現(xiàn)，目前兩個(gè)已知的具有三碳環(huán)的有機(jī)化合物都是由鏈霉菌天然代謝產(chǎn)生的。

團(tuán)隊(duì)對(duì)以上兩個(gè)有機(jī)化合物之一的顎沙霉素進(jìn)行了研究。顎沙霉素于1990年被發(fā)現(xiàn)，之所以這樣命名，是因?yàn)樗八从械奈鍌€(gè)環(huán)丙烷環(huán)使它看起來像一個(gè)長滿尖牙的下巴。

他們研究了原始菌株中編碼構(gòu)建顎沙霉素的酶的基因，以及相關(guān)鏈霉菌的基因組，希望重新混合現(xiàn)有的細(xì)菌機(jī)制，以創(chuàng)造出一種具有可立即燃燒的燃料特性的新分子。

之后，他們又在原始菌株中發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)構(gòu)建這些高能環(huán)丙烷分子的酶是聚酮化合物合酶，該酶能夠組裝所有必要的成分來制造多環(huán)丙烷脂肪酸甲酯。

由工程鏈霉菌產(chǎn)生的脂肪酸含有多達(dá)七個(gè)環(huán)丙烷環(huán)鏈在一個(gè)碳主鏈上，被稱為燃料霉素，在此基礎(chǔ)上，只需要一個(gè)額外的化學(xué)處理步驟就可以用作燃料。

研究人員還對(duì)這種生物燃料的能量密度進(jìn)行了評(píng)估。

一方面，利用核磁共振光譜分析多環(huán)丙烷脂肪酸甲酯，證明了難以捉摸的環(huán)丙烷環(huán)的存在；另一方面，使用計(jì)算機(jī)模擬來對(duì)比了這些化合物與傳統(tǒng)燃料的性能。

模擬數(shù)據(jù)表明，這種生物燃料在室溫下是安全和穩(wěn)定的，其能量密度值將超過每升50兆焦耳。普通汽油為每升32兆焦耳，最常見的噴氣燃料JetA和流行的基于煤油的火箭燃料RP1約為35兆焦耳。

接下來，對(duì)于多環(huán)丙烷脂肪酸甲酯的優(yōu)化分為兩個(gè)方向。

其一，幫助這種生物燃料進(jìn)一步“減負(fù)”，即去除每個(gè)分子上的兩個(gè)氧原子。氧原子增加了重量但沒有燃燒益處，適當(dāng)脫氧能進(jìn)一步優(yōu)化多環(huán)丙烷脂肪酸甲酯。

其二，努力提高細(xì)菌的生產(chǎn)效率，以產(chǎn)生足夠的燃燒測(cè)試。目前，工程鏈霉菌的生產(chǎn)力有限，無法生產(chǎn)足夠數(shù)量的多環(huán)丙烷脂肪酸甲酯。10公斤的燃料才能在真正的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試。團(tuán)隊(duì)正在研究如何修改多酶生產(chǎn)途徑以產(chǎn)生不同長度的多環(huán)丙烷化分子。長鏈的固體燃料將用作某些火箭燃料，短鏈可能更適合噴氣燃料，中間的可能是柴油替代分子。

這種生物燃料除了超高能量密度，另一個(gè)不可忽視的優(yōu)點(diǎn)是，其在生產(chǎn)和使用過程中具有生態(tài)優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)生產(chǎn)中，該類燃料只能以石油為原料，使用劇毒合成工藝制備而來。多環(huán)丙烷脂肪酸甲酯則是由以植物物質(zhì)為食的細(xì)菌生產(chǎn)，原料通常為不可食用的農(nóng)業(yè)殘留物，以及為預(yù)防野火而清除的灌木叢。相對(duì)于石油產(chǎn)生的燃料，使用過程中將顯著降低溫室氣體的產(chǎn)生量。