Hledání sladkého místa pro biopaliva

Čtyřproudá dálnice Anhangüera vede severozápadně z brazilského finančního hlavního města São Paulo do jedné z nejproduktivnějších zemědělských oblastí na světě. Pohled z okna auta odhaluje plantáže chlupatých eukalyptů a pastviny pro krávy plné termitišť. Přes vrcholky kopců se mizí pole cukrové třtiny.

Na kilometru 104,5 odbočíte doprava a vstoupíte do Techno Parku, uklizené podnikové výzkumné čtvrti, která vypadá, jako by byla vytržena z předměstí Kalifornie. A svým způsobem má. V budově nedaleko od vchodu jsou řady úhledně uspořádaných pracovních stanic, lesklé fermentační tanky a cinkající odstředivky. Všechny tyto stroje jsou téměř přesnou replikou zařízení v zařízení v Emeryville, CA. Dokonce i věšáky jsou stejné.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z března 2010

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Budova je brazilskou základnou Amyris Biotechnologies, americké výzkumné organizace oslavované za svou práci v rámci grantu od Nadace Billa a Melindy Gatesových na zpřístupnění vzácného léku na malárii. Její zakladatel Jay Keasling je považován za průkopníka syntetické biologie a projekt zaměřený na malárii, který by mohl zachránit mnoho tisíc životů, byl uveden v New Yorker. Loni v květnu získal Keasling první Biotechnologickou humanitární cenu organizace Biotechnology Industry Organization.

Méně medializované je, že Amyris získala více než 170 milionů dolarů rizikového kapitálu, aby se dostala do obchodu s biopalivy, a že její současné plány počítají s výrobou téměř veškerého paliva v Brazílii. Roel Collier, belgický plynně portugalsky, který vede brazilské operace Amyris, ukazuje na 12 metrů vysokou ocelovou nádrž, ve které si geneticky modifikované kvasinky pochutnávají na šťávě z cukrové třtiny, která je v této zemi tak hojná. Uvnitř je špičková americká technologie aplikovaná na konkurenční výhodu Brazílie, vysvětluje.

Poslední dva roky zahrnovaly Collierovy odpovědnosti přepravu sudů mražené brazilské šťávy z cukrové třtiny do kalifornské laboratoře Amyris, vzdálené asi 10 000 kilometrů. Tam vědci geneticky přepojili běžné kvasinkové buňky, aby trávily caldo de cana, jak se šťáva nazývá, a přeměnili ji na farnesen, vonný olej, který Amyris ukázal, že lze přeměnit na motorovou naftu. V rychle se rozvíjejícím oboru syntetické biologie – disciplíně, která se snaží přepsat DNA mikroorganismů, jako by to byl počítačový kód – jsou kalifornské laboratoře Amyris považovány za nejmodernější. Výzkumníci každý týden vytvářejí a testují desítky tisíc umělých kmenů kvasinek. Společnost zaměstnává téměř tolik doktorandů kvasinkových genetiků jako všechny univerzity v Brazílii.

Vstupní surovina: Plantáž cukrové třtiny poblíž města Campinas. Každý akr poskytuje dostatek šťávy z cukrové třtiny na výrobu 3 000 litrů etanolu.

Brazílie však nabízí Amyris jednu zásadní výhodu oproti Spojeným státům: tamní ekonomické podmínky umožňují komerční využití technologie. Brazílie je nejvýkonnějším producentem cukru na světě. Obrovské hromady se ho hromadí ve 420 rafineriích cukrové třtiny v zemi. Díky tropickému počasí a agresivní obchodní kultuře země dominuje celosvětovému obchodu s cukrem. A obrovské zásoby levného cukru jsou klíčem k tomu, aby byla technologie Amyris praktická.

Důvod, proč jet do Brazílie, byl celkem jasný; je to nejlevnější a nejsnáze dostupný zdroj cukru pro napájení technologické platformy, říká Keasling, profesor biochemického inženýrství na Kalifornské univerzitě v Berkeley, který také vede Joint BioEnergy Institute, což je úsilí ve výši 135 milionů dolarů financované ministerstvem USA. Energie k extrakci cukrů z dřevěných štěpků, trávy a jiné levné rostlinné hmoty. Za 10 až 15 let by díky jeho práci mohly být molekuly cukru dostupné v USA tak levně, jako jsou v současnosti v Brazílii. V současnosti však americký průmysl biopaliv pokračuje ve výrobě etanolu fermentací glukózy v kukuřičných zrnech. A kukuřice je poměrně nákladným zdrojem cukru, jak ke své tísni zjistil americký etanolový průmysl. Navzdory subvencím daňových poplatníků nebyli američtí výrobci schopni dosáhnout konzistentních zisků.

Příběh je jiný v Brazílii, kde továrny na cukrovou třtinu vyrábějí levný etanol od té doby, co vláda v 70. letech zahájila tlak na nezávislost na palivech. Automobilový park země nyní spotřebuje více etanolu než benzínu. Téměř 90 procent automobilů vyrobených v Brazílii může jezdit na biopalivo. Průmysl si uvědomil, že geografie je osud, říká Mark Bunger, ředitel výzkumu Lux Research, newyorské firmy, která studuje komercializaci vznikajících technologií. Z Bungerova pohledu jen málo míst na planetě má déšť, slunce a zemskou hmotu potřebnou k výrobě biopaliv v rozsahu a ceně, které mohou mít skutečný dopad. Pochopení, ke kterému se dostáváme, je, že na některých místech se to nikdy nestane, říká, a Brazílie je prvním místem, kde má ekonomika smysl.

Amyris dospěla k podobnému závěru asi před třemi lety – proto její identické fermentační laboratoře v Emeryville a Brazílii. Vědci v Kalifornii se zabývají kvasinkami, aby rychleji přeměnily cukr na farnesen; pak jsou brouci letecky odesláni na jih pro testování v tropických podmínkách. Letos Amyris plánuje zahájit stavbu věžovitého fermentačního komplexu v brazilském státě Goiás. Až bude hotový, měl by být schopen vyrobit 100 milionů litrů

zelená nafta každý rok.

Stejně jako etanol bude palivo Amyrisu vyrobeno fermentací cukru. Ale vědci společnosti přepracovali kvasinky tak, aby je mikrobi zpracovávali na hořlavé uhlovodíky místo alkoholu. To znamená, že konkurencí pro jeho zelené palivo není etanol, ale nafta vyrobená z ropy a také bionafta vyrobená z rostlinného oleje nebo živočišného tuku. Amyris říká, že jeho palivo má oproti oběma řadu výhod. Na rozdíl od fosilních paliv se vyrábí z obnovitelných zdrojů. Přispívá také méně skleníkových plynů do atmosféry: společnost počítá, že její brazilská nafta bude vypouštět asi o 80 procent méně skleníkových plynů než konvenční nafta. A ve srovnání s jinými bionaftami bude jeho výroba na bázi cukru levnější a umožní motorům, které je používají, lépe pracovat. Generální ředitel Amyris, bývalý ropný manažer jménem John Melo, vyjednává se společnostmi, které hledají zelené palivo, včetně Federal Express, Virgin Atlantic a General Electric.

Továrna na kvasnice: V demonstračním zařízení Amyris v Brazílii se uhlovodíky vyrábějí ve fermentační věži.

Pro mnoho syntetických biologů je nafta jen začátek. Věří, že v zásadě mohou vytvořit mikroorganismy pro výrobu náhrad za jakýkoli ropný produkt. Jsou tu ale obrovská rizika. Kmeny kvasinek Amyris se ukázaly jako neočekávaně zranitelné. A stejně jako u jiných biotechnologických procesů, které jsou závislé na živých mikroorganismech, nikdo nedokáže říci, zda lze výrobu zelené nafty ekonomicky navýšit z dnes vyráběných 1000-litrových šarží. Všechny předpovědi jsou založeny na efektivitě z rozsahu pro procesy, které nikdy nebyly provozovány v těchto měřítcích, říká Noubar Afeyan, generální ředitel Flagship Ventures v Cambridge, MA a spoluzakladatel LS9, konkurenčního startupu v oblasti syntetické biologie. Velkým problémem je, že jeho prokázání vyžaduje stovky milionů dolarů, a to i ve středním měřítku.

Před devíti lety byla technologie Amyris stále jen zkušebním projektem v Keaslingově laboratoři v Berkeley. Výzkumníci hledali způsoby, jak přimět mikroorganismy k výrobě komerčně užitečných produktů. Přidáním DNA z rostlin a bakterií nakonec Keaslingova laboratoř navrhla nové bakterie a kvasinkové buňky, které by mohly produkovat velké množství isopentenylpyrofosfátu. Se svými pěti atomy uhlíku je chemikálie jakýmsi Lego blokem přírodního světa; rostliny a zvířata z něj vytvářejí isoprenoidy, členy velké třídy molekul, která zahrnuje protirakovinný lék taxol, vitamín E a vůně, jako jsou grapefruity a feromony švábů.

Keasling věděl, že vynález je cenný, a v roce 2001 podal první patentovou přihlášku své kariéry. Chtěli jsme použít nástroje na skutečný problém, říká. Šance přišla v roce 2004, kdy se Nadace Billa a Melindy Gatesových rozhodla věnovat 42,6 milionů dolarů na projekt, který by vyráběl antimalariku artemisinin s pomocí Keaslingových mikrobů vyrobených na zakázku.

Artemisinin se v současnosti získává ze sladkého pelyňku, pěstovaného převážně v Africe a Asii. Nabídka drogy je nestabilní a ceny se divoce mění; v roce 2006 dosáhly 1 100 dolarů za kilogram. Použitím geneticky modifikovaných kvasnic k jejich výrobě z cukru Keaslingův přístup sliboval vyřešit problém s dodávkami a dramaticky snížit cenu. Díky své šanci zachránit tisíce – možná miliony – lidí, kteří by jinak mohli zemřít na malárii, se projekt stal symbolem potenciálu syntetické biologie změnit svět k lepšímu. Gatesovy peníze zaplatily za rychlou expanzi Amyris, kterou Keasling a tři jeho postdoktori založili, aby provedli projekt malárie. Koncem roku 2005, říká technický ředitel Amyris, Neil Renninger, někteří ve společnosti trávili noci a víkendy přemýšlením o tom, jaké další problémy by jejich technologie mohla vyřešit.

Uvnitř fermentoru geneticky modifikované kvasinky metabolizují cukr a produkují farnesen, vonný uhlovodíkový olej.

Amyris odhaduje, že rodina isoprenoidů zahrnuje asi 50 000 různých typů molekul, takže nebylo ani zdaleka jasné, kam se zaměřit dál. Když jsme začali prezentovat VC, řekli jsme, že existují některé léky, které považujeme za zajímavé, a nutraceutika a dokonce paliva – co si o tom myslíte? vzpomíná Renninger. Ale bylo těžké najít projekt tak smysluplný pro Amyrisovy vědce jako malárie. To byla skutečně kultura lidí, kteří chtějí zachraňovat životy a nevydělávat spoustu peněz, říká. Takže když před ně hodíte výrobu grapefruitové příchuti – no, není to příliš zajímavé.

Věci se začaly měnit v polovině roku 2006, kdy dvě z nejznámějších společností rizikového kapitálu ze Silicon Valley, Kleiner Perkins Caufield a Byers a specialista na zelenou energii Khosla Ventures, nabídly, že do společnosti investují 20 milionů dolarů. Americký Kongres schválil v roce 2005 mandáty pro obnovitelná paliva, což spustilo vlnu spekulativních investic do všech druhů biopaliv. Geoffrey Duyk, výkonný ředitel společnosti TPG Biotech, která do společnosti také vložila peníze, vzpomíná, že jakmile Amyris přijala finanční prostředky, přišli investoři a zaměřili se na paliva.

Investoři se začali dvořit Melovi, tehdejšímu šéfovi severoamerického obchodu s palivy British Petroleum, aby se stal generálním ředitelem Amyris. Melo provozoval to, čemu říká, pěkný malý podnik zahrnující obrovské vozové parky nákladních vozidel a desítky terminálů, které generovaly příjmy ve výši 34 miliard dolarů. Když mu náborář poprvé zavolal ohledně biotechnologické společnosti s projektem malárie, vzpomíná si: Moje reakce byla: ‚To si snad děláš srandu. Jsem palivový chlap,

tak co mě zajímá?'

Když se Melo dozvěděl více o syntetické biologii a setkal se s Amyrisovými vědeckými pracovníky, změnil názor. Paliva jsou podle tržeb největší ze všech podniků, ale jako procento zisku utrácejí ropné společnosti jen nepatrné částky na výzkum a vývoj a téměř nic na základní výzkum. Melo se rozhodl, že jeho staré odvětví je zralé na změnu. Schopnost modifikovat mikroby [znamená], že můžeme být Microsoftem paliv a chemikálií, kde ve skutečnosti píšeme software, který jde do fermentační nádrže, říká. To pro mě změnilo hru. Melo nasměroval společnost k práci na naftě, celosvětově nejrozšířenějším palivu pro dopravu, které je často nedostatkové. Výroba správného typu molekuly se ukázala překvapivě snadná. Během šesti týdnů vědci změnili jediný enzym ve svých broucích produkujících artemisinin a začali produkovat farnesen, olej, který identifikovali jako potenciální prekurzor nafty.

Vypadají jako velmi odlišné projekty – jeden je lék a druhý palivo – ale metabolická cesta je podobná, říká Collier. To byl velký pokrok Amyris. Farnesene je příjemně vonící olej, který částečně odpovídá za vůni jablečných slupek. Provedením jednoho dalšího chemického kroku, hydrogenace, může Amyris přeměnit farnesen vyrobený v kvasnicích na farnesan, vysoce hořlavé palivo s vlastnostmi podobnými naftě.

Kmeny kvasinek jsou testovány na účinnost.

Jako uhlovodík jako nafta a benzín nebude farnesan podléhat problémům, které postihly jiná biopaliva, sází Amyris. Etanol se například může mísit s vodou, což může způsobit potíže, když se voda dostane do benzinových potrubí. Bionafta pocházející z rostlin mezitím obsahuje nečistoty a může při nízkých teplotách ucpat motory. Na druhou stranu Farnesane lze jednoduše vypustit do stávající distribuční sítě paliva. Oproti běžné naftě má dokonce výhodu: neobsahuje žádnou znečišťující síru.

Projekt však bude mít dopad pouze v případě, že jej bude možné nasadit v masivním měřítku. A nikdo si zatím není jistý, jak dobře bude syntetická biologie v takovém měřítku fungovat. Synthetic Genomics, společnost založená průkopníkem genového sekvenování J. Craigem Venterem, dosáhla v loňském roce dohody s ExxonMobil ve výši 300 milionů dolarů na vývoj řas produkujících palivo. Viceprezident společnosti Exxon pro výzkum a vývoj, Emil Jacobs, však řekl New York Times, že nechce zkazit šance projektu. U paliv pro dopravu, pokud nevidíte, zda můžete technologii rozšířit, musíte si položit otázku, zda je vůbec nutné se do toho zapojit, řekl.

Schopnost vyrábět paliva v úžasných množstvích není jediná věc, kterou potřebují, aby se staly realistickou možností. Jsou to také komodity, které se prodávají za nejnižší ceny. Produkt ropného průmyslu, litr za litr, je poloviční než cena Coca-Coly. Kde budou hlavní náklady ve výrobním procesu Amyris? Pokud by průměry etanolového průmyslu byly pravdivé, cukr, kterým se kvasinky živí, by představoval více než polovinu konečné ceny výroby farnesanu.

Tyto výpočty byly součástí toho, co vedlo Mela k tomu, aby vlajku pevně zavěsil v Brazílii, vzpomíná investor Duyk. Americká kukuřice, i když na dosah ruky, by byla špatná sázka. Do roku 2007 prudce rostoucí produkce etanolu v USA vystřelila ceny kukuřice tak vysoko, že desítky tisíc Mexičanů demonstrovaly za cenu tortilly. Když ceny ropy v roce 2008 klesly a ceny kukuřice zůstaly na rekordních úrovních, mnoho amerických výrobců etanolu již nemohlo vytvářet zisk.

Dělník drží láhve konečného produktu Amyris, motorové nafty.

Rozsah, cena a konkurence s dodávkami potravin nejsou jedinými problémy biopaliv. Amyris chtěl prodávat svou naftu jako dobrou pro životní prostředí; jeho brožury tvrdí, že jeho paliva bez kompromisů uvolní do atmosféry o 80 procent méně oxidu uhličitého než fosilní paliva. Dnes je brazilská cukrová třtina jedinou plodinou, která může podpořit zelený marketing Amyris. Brazilské studie říkají, že etanol z cukrové třtiny poskytuje asi 7 až 10krát více energie, než kolik je potřeba k výrobě paliva; naproti tomu etanol vyrobený z kukuřice vytěží jen o něco více, než spotřebuje jeho výroba. Zatímco dopad pěstování cukrové třtiny na životní prostředí zůstává sporný, je jasné, že tento proces vyžaduje méně energie než pěstování kukuřice. A co víc, brazilští výrobci biopaliv jsou efektivnější než ti v jiných zemích, částečně proto, že mnoho brazilských továren spaluje odpad z cukrové třtiny, aby poháněly své drtiče a destilátory, čímž se omezuje používání fosilních paliv.

Brazílie jako trh může přinést i další výhody. Poptávka země po naftě je vysoká, takže Amyris by mohl vybudovat slušný byznys, aniž by kdy vyvezl kapku. Brazílie má také prostor pro zvýšení produkce: cukrová třtina se nyní pěstuje na přibližně 3 procentech brazilské orné půdy, ale plodina by se mohla rozšířit na více než 100 milionů akrů, které se v současnosti používají k pastvě dobytka. Produkci třtiny byste pravděpodobně mohli zčtyřnásobit a pětinásobit, říká Bill Haywood, generální ředitel společnosti LS9 a bývalý výkonný ředitel ropné společnosti. To zbytek světa špatně chápe. Myslím, že Brazílie bude zrodem vysoké kvality

zelená nafta, stejně jako tomu bylo u etanolu.

V prosinci společnost Amyris dosáhla dohody o vybudování své první továrny na farneseny, zařízení s kapacitou 100 milionů litrů ročně, které bude postaveno uvnitř nově postaveného mlýna na cukr a etanol Boa Vista v Goiás. V rámci transakce Amyris souhlasil s nákupem 40procentního podílu v mlýně od jeho vlastníka Grupo São Martinho. Jeho celková platba, kolem 80 milionů dolarů v hotovosti a zásobách, byla podle prezidenta São Martinho Fábio Venturelliho nejvyšší cenou, která kdy byla zaplacena za frézovací kapacitu v Brazílii. Amyris chtěla mít kontrolu nad výstavbou svého prvního velkého závodu, aby se ujistila, že půjde hladce. Nakonec však společnost plánuje vyměnit svou technologii za přístup k šťávě z cukrové třtiny, což je levnější přístup. Záměrem je nechat brazilské cukrovary platit za modernizaci svých závodů, zatímco Amyris přispívá svými geneticky modifikovanými kvasinkami. Amyris by pak prodal farnesen a o zisk se dělil s mlýnem.

Ačkoli obchodní podmínky mohou být komplikované, základní názor Amyris není: v průmyslu, který je v mnoha ohledech low-tech (více než polovina brazilské cukrové třtiny je stále rozsekána nádeníky s mačetami), slibuje, že proměnit mlýny ve futuristické biorafinérie schopné vyrábět chemikálie a paliva cennější než cukr nebo etanol. Mnoho brazilských společností uvažovalo podobným způsobem. Když se Venturelli stal v roce 2008 generálním ředitelem São Martinho a poprvé viděl plány mlýna Boa Vista, všiml si, že někdo napsal poznámku na prázdnou plochu. Stálo tam: Tento prostor pro budoucí chemikálie na bázi cukrové třtiny.

Zůstává však spousta otázek. Všechny naše společnosti se snaží být v čele trhu s palivy a v Amyrisu vidí šanci na transfer technologií, říká Alfred Szwarc, technický poradce UNICA, největší brazilské asociace cukrové třtiny. Ale protože neznáme cenu ani provozní náklady, je to zatím hodně spekulací.

Hlavní nejistotou je, jak si kvasinky Amyris povedou v průmyslových podmínkách. Bude to jeden z prvních případů, kdy syntetická biologie dosáhla takového rozsahu, a tento proces bude jistě představovat technické problémy, kterým žádná jiná společnost dosud nečelila. Jedna obava: divoké kmeny kvasinek by se mohly dostat do fermentačních nádrží spolu se šťávou z cukrové třtiny. Ve sterilních laboratorních experimentech to není problém. Ale v mlýně na cukrovou třtinu by kvasinky, které neprodukují farnesen, mohly snadno přemoci odrůdu vytvořenou v laboratoři.

Nedávný vývoj v projektu artemisinin také naznačuje, že problémem by mohly být náklady. Výrobce léků Sanofi Aventis, který souhlasil s komerční výrobou antimalarika, říká, že narazil na neočekávané překážky a nyní plánuje vyrábět lék za 350 až 400 dolarů za kilogram. To se blíží průměrné ceně verze odvozené z rostlin, ale je to třikrát až čtyřikrát dražší, než Keasling sliboval v rozhovorech pro média.

V Brazílii bude možná potřeba alespoň na čas odložit sny Amyris o transformaci globálního obchodu s palivy. První závod společnosti nemusí vyrábět farnesen dostatečně levně, aby mohl konkurovat naftě. Místo toho bude farnesen vyrobený v závodě São Martinho zpočátku prodán na trh se spotřebitelskými produkty, kde může vyžadovat mnohem vyšší ceny, než jaké se platí za naftu. (Lze jej použít mimo jiné jako hydratační prostředek do rtěnek nebo krémů proti stárnutí.)

To znamená, že vědci Amyris možná budou muset ještě chvíli počkat, než změní svět. Ale Melo říká, že společnost neustoupila ze svého cíle stát se hlavní silou na trhu s palivy. Všem nám jde o dopad, říká. Záchrana tisíců dětí má dopad. U paliv je to vodní kámen. Pokud nedokážeme škálovat náš příspěvek k emisím CO2 nebo zelené produkci, budeme irelevantní.

Antonio Regalado je přispívajícím korespondentem pro Věda v Latinské Americe a bývalý redaktor v TR. Sídlí v Sao Paulu.

skrýt