最高能量密度! Jay D. Keasling院士团队生物合成高能生物燃料, 可取代火箭燃料

将石油转化为燃料是人类在 1800 年代首次发明的原油化学。与此同时，数十亿年来，科研人员一直在研究以细菌生产碳基能量分子。

气候变化是世界各国所面对的巨大挑战，而减少全球经济对石油的依赖将大大减缓气候变化的步伐。农业和生物技术的进步，促进了可替代某些化石燃料的乙醇和生物柴油的大规模生产。尽管这些生物燃料优势明显，但仍然无法应用在海陆空长途运输、重型机械运作以及火箭领域， 这些领域需要高功率和高能量重量比的石油衍生碳氢化合物作为高能燃料 。

这些化合物由于富含具有张力键角的环状分子，可比非环状分子储存更多的能量，因此很难被非石油来源的化合物所替代。

近日，由 美国国家工程院院士、劳伦斯伯克利国家实验室的Jay D. Keasling教授带领团队 的一组生物燃料专家设计聚环丙烷化分子用作高能燃料，并且在细菌中合成了 聚环丙烷化脂肪酸甲酯 （polycyclopropanated fatty acid methyl ester, POP-FAME） 新型生物燃料 ，能量密度大于 50 MJ/L 。

该燃料预计其能量密度比当今使用的最先进的重型燃料更大，包括美国宇航局使用的火箭喷气燃料 。

为了生产这种高能生物燃料，他们鉴定了一种能够形成聚环丙烷化脂肪酸（POP-FA）的迭代型聚酮合酶（iterative polyketide synthase, iPKS）（图1），随后通过异源表达系统获得POP-FA，对其分子结构进行鉴定并命名为 燃料霉素 （fuelimycin）。

接下来，他们通过改造异源表达系统增加燃料霉素的产量，获得POP-FAME，并计算其燃烧焓、能量密度（作为净热值）和蒸气压，数据表明POP-FAME有望取代HTPB等固体火箭推进剂。此外，燃料霉素生物合成途径具备生产多种高能量密度生物燃料的潜力。相关工作发表于 Cell Press 旗下期刊 Joule 。

基于iPKS的聚环丙烷化天然产物的生物合成，来源 | Joule

新燃料的候选分子被称为polycyclopropanated fatty acid methyl esters（简称POP-FAMEs），它们由 七组环丙烷环 组成。 这些是由三个碳原子结合成三角形的环，这迫使这些键形成一个 60度的角度 。这个锐角的应变能力拥有很高的潜在能量，可以在燃烧过程中释放出来。

POP-FAME和可再生以及不可再生燃料的能量密度。不同 POP途径衍生分子结构和通过净热值计算的能量密度如图所示。燃料霉素衍生的POP-FAME（红色突出显示）的能量密度与合成的不可再生火箭燃料 JP-10 和 RJ5接近。 ，来源 | Joule

桑迪亚国家实验室的科学家们随后对所产生的燃料进行了计算机模拟，以估计其跟传统燃料相比的特性。这项分析显示，新的燃料在室温下是安全稳定的，并且其能量密度将 超每升50兆焦耳(MJ/L) 。

这比现有的燃料有了很大的提高，因为汽油的能量密度约为32MJ/L，而普通的喷气机和火箭燃料的能量密度最高约为35MJ/L。

这种增加的能量密度可以帮助车辆在一个油箱中走得更远或减少火箭发射所需的燃料量，这样就可以为货物节省出更多的空间和重量。与此同时，从细菌中生产燃料可以直接减少对环境的影响。

项目负责人Jay Keasling表示： “这种生物合成途径为生产高能量密度燃料提供了一条清洁途径，在这项工作之前，这种燃料只能使用剧毒合成工艺从石油中生产出来。由于这些燃料将由以植物物质为食的细菌生产——植物物质由从大气中提取的二氧化碳制成——在发动机中燃烧它们将显着减少相对于石油产生的任何燃料的温室气体添加量。”

伯克利实验室高级研究中心的研究科学家Eric Sundstrom表示： “ 这项工作背后的更大财团Co-Optima获得了资助，不仅考虑从生物基原料中重新制造相同的燃料，还考虑如何制造具有更好性能的新燃料。我们正在努力调整链的长度以针对特定的应用。较长链的燃料将是固体，非常适合于某些火箭燃料的应用，较短的链可能更适合于喷气燃料，在中间的可能是一种柴油替代分子。”