二氧化碳人工合成淀粉，“喝西北风”成为现实？碳中和意义重大

作者：流程工业发布时间：2021-09-26

近期，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在淀粉人工合成方面取得突破性进展，在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。相关成果于9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》上。

在全球气温变暖的严峻挑战下，怎样处理二氧化碳成了“老大难”。作为碳排放大户的能源类企业，还会因为二氧化碳的过量排放，直接影响到企业的生存发展。

有没有这样一种可能，把这种已经威胁到了地球环境的气体，转变成人类生存所必须的淀粉？这似乎是天方夜谭，但现在，已经被中国科学家变成了现实。

二氧化碳→淀粉

淀粉是小麦、玉米等人类粮食的主要成分，只能由农作物通过光合作用，将太阳能、二氧化碳和水转化而成。

但日前，来自中国科学院天津工业生物技术研究所（下称“天津工业生物所”）的科研人员，取得了一项突破性进展——不需要土地种植农作物，而是像酿造啤酒一样，淀粉可以从工厂中直接制造出来。

而这个过程中所需要的原材料，就是令人头疼的二氧化碳。

我国科学家成功实现二氧化碳到淀粉的从头合成，这在国际上尚属首次，相关成果于北京时间9月24日发表在国际顶尖杂志《科学》上，受到全球瞩目。

在该研究中，天津工生所从头设计出11步主反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究团队采用一种类似“搭积木”的方式，联合中科院大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一（C1）化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物聚合成碳六（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物）。 这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍 ，向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步，为创建新功能的生物系统提供了新科学基础。

利用人工途径从二氧化碳合成淀粉

从能量角度看，光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。因此，将光能高效地转变为化学能并储存下来成为关键。

“我们想到了光能—电能—化学能的能量转变方式。”天津工业生物所副所长王钦宏说：“首先，光伏发电将光能转变为电能，通过光伏电解水产生氢气；然后，通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能。这个过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率。”

科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终优中选优，使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉。

据科研团队介绍，在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器，年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。

对碳中和意义重大

当今世界，全球正面临气候变暖、粮食危机等一系列难题， 二氧化碳的转化利用与粮食淀粉的工业合成 ，正是应对挑战的重大科技之一。

该成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有很长的距离，但如果成本能降低到可与农业种植相比的经济可行性，将有机会节省超过90%的土地和淡水资源，并消除化肥和农药对环境的负面影响，对于提高人类粮食安全水平，促进“碳中和”的生物经济发展都具有重大意义。

我国提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，这项技术为“双碳”目标的实现提供了一种新的思路。

“如果能够在经济可行性上与农业种植可以竞争的话，它会对我们的粮食安全，到二氧化碳的利用，到我们‘双碳’的目标，都会起到非常重大的支撑作用。”论文通讯作者、天津工业生物所所长马延和说。

关于人工合成淀粉的产业化问题，马延和表示，计划在未来5至10年内，建立工业示范，以工业尾气为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。

论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬说：“我们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，然后再设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。”

科研人员表示，如果人工合成淀粉示范可以达到理论能量转换效率的80%，那么10度电大约可以合成1公斤淀粉，这项成果具有相当大的应用潜力。

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