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自 1903 年以来，人类开始利用火箭推进飞行器来探索宇宙。随着现代技术的不断发展，人类不再满足于近地探索，中国、美国等大国相继宣布了宇宙深空探索计划。
从近地探索迈向深空探索，火箭的飞行速度、航程等性能需要相应地提升。因此，高能量密度燃料的设计和制备越来越受到国内外研究者的重视。
据了解，在飞行器体积一定的情况下，燃料密度越大则所能携带的燃料越多；而燃烧热值越高则单位体积燃料所提供的能量越大，对于提高飞行器的性能越有利。
近日，美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室宣布开发了一种新的能量密集型生物燃料。他们称，这种燃料的威力足以发射火箭，且预计该生物燃料的能量密度比任何石油产品都高，包括领先的航空和火箭燃料 JetA 和 RP-1。
这项工作得到了美国能源部科学办公室和能源效率与可再生能源办公室的支持。相关论文以题“Biosynthesis of polycyclopropanated high energy biofuels”发表在 Joule 期刊上。
▲图丨论文截图（来源：Joule）
这些燃料候选分子被称为 POP-FAMEs(多环丙烷脂肪酸甲酯)，其惊人的能量潜力来自结构的基本化学性质。
多环丙烷分子含有多个三角形的三碳环，使每个碳碳键形成一个尖锐的 60 度角。与燃料中常见的较大的环结构或碳-碳链相比，这种张力键中的势能转化为更多的燃烧能量。此外，这些结构使燃料分子在小体积内紧密地聚集在一起，增加了任何给定油箱内燃料的质量，从而增加了总能量。
该项目的负责人是合成生物学先驱、能源部联合生物能源研究所(JBEI)首席执行官 Jay Keasling，他的团队由 JBEI（科学生物能源研究中心办公室） 和 ABPDU（先进生物燃料工艺示范单元-劳伦斯伯克利国家实验室） 的科学家组成。
Jay Keasling 长期以来一直关注环丙烷分子，他发现，目前两个已知的具有三碳环的有机化合物，都是由链霉菌天然代谢产生的。
团队对以上两个有机化合物之一的颚沙霉素进行了研究。颚沙霉素于 1990 年被发现，之所以这样命名，是因为它前所未有的五个环丙烷环使它看起来像一个长满尖牙的下巴。
他们研究了原始菌株 (S. roseoverticillatus)中编码构建颚沙霉素的酶的基因，以及相关链霉菌的基因组，希望重新混合现有的细菌机制，以创造出一种具有可立即燃烧的燃料特性的新分子。
之后，他们又在名为 S. albireticuli 的菌株中发现，负责构建这些高能环丙烷分子的酶是聚酮化合物合酶，该酶能够组装所有必要的成分来制造 POP-FAME 。
由工程链霉菌产生的脂肪酸含有多达七个环丙烷环链在一个碳主链上，被称为燃料霉素，在此基础上，只需要一个额外的化学处理步骤就可以用作燃料。
研究人员还对这种生物燃料的能量密度进行了评估。
一方面，利用核磁共振光谱分析 POP-FAME，证明了难以捉摸的环丙烷环的存在；另一方面，使用计算机模拟来对比了这些化合物与传统燃料的性能。
模拟数据表明，这种生物燃料在室温下是安全和稳定的，其能量密度值将超过每升 50 兆焦耳。普通汽油为每升 32 兆焦耳，最常见的喷气燃料 JetA 和流行的基于煤油的火箭燃料 RP1 约为 35兆焦耳。
接下来，对于 POP-FAME 的优化分为两个方向。
其一，帮助这种生物燃料进一步“减负”，即去除每个分子上的两个氧原子。氧原子增加了重量但没有燃烧益处，适当脱氧能进一步优化 POP-FAME。
其二，努力提高细菌的生产效率，以产生足够的燃烧测试。目前，工程链霉菌的生产力有限，无法生产足够数量的 POP-FAME。10 公斤的燃料才能在真正的火箭发动机中进行测试。团队正在研究如何修改多酶生产途径以产生不同长度的多环丙烷化分子。届时，长链的固体燃料将用作某些火箭燃料，短链可能更适合喷气燃料，中间的可能是柴油替代分子。
这种生物燃料除了超高能量密度，另一个不可忽视的优点是，其在生产和使用过程中具有生态优势。
传统生产中，该类燃料只能以石油为原料，使用剧毒合成工艺制备而来。POP-FAME 则是由以植物物质为食的细菌生产，原料通常为不可食用的农业残留物，以及为预防野火而清除的灌木丛。相对于石油产生的燃料，使用过程中将显著降低温室气体的产生量。
参考资料：
https://www.genengnews.com/topics/bioprocessing/industrial-biotech/harnessing-bacteria-to-make-jet-fuel-more-than-just-an-explosive-idea/
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220630160038.htm
