新能源消费新蓝海：人类伟大突破，中国利用CO₂和氢能首次人工合成淀粉

 

新能源绿色电力消费新蓝海出现。

 

9月23日，中国科学院召开新闻发布会宣布，该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。 

 

这是人类历史上伟大的突破。成果得到国内外相关领域专家的高度评价，认为是“典型的0到1原创性突破”，是“扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”，其“不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义”，“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。

 

那么新的颠覆性研究成果与绿电有何关系？

 

淀粉是“粥饭”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分，也是重要的工业原料。目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。农作物种植通常需较长周期，并使用大量土地、淡水等资源和肥料、农药等农业生产资料。

 

此项研究的伟大之处就在于“逆天而行”。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。

 

从技术上看，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。

 

按照目前技术参数推算，在能量供给充足条件下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量（按我国玉米淀粉平均亩产量计算）。

 

相关成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子提供了新技术路线。如果未来该系统过程成本能够降低至与农业种植相比具有经济可行性，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源，同时减少农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。

 

在这一成果公布之前，熟悉能源行业的人都知道，二氧化碳和氢能主要来自能源领域。其中新能源电解水制取氢气是未来风电、光伏等新能源绿电最重要的应用场景之一。二氧化碳是气候变暖最主要因素，是碳中和的革命对象。化石能源企业如果想做到碳中和必须捕捉其排放出的二氧化碳。

 

目前化石能源企业在进行碳捕捉的成本中需要考虑封存成本，按照生态环境部环境规划院研究，预计到2025年碳封存成本依然高达50-60元/吨，这相当于当前的中国碳交易价格。如果未来捕集到的高浓度二氧化碳可以大规模用于制取淀粉，将是一个双赢的格局。

 

2025-2060年CCUS各环节技术成本

 

 

来源：生态环境部环境规划院《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）――中国CCUS路径研究》

 

二氧化碳捕集、封存与利用（CCUS）技术一直是全球重点研究方向，只是一直以来成本较为高昂，其中就包括较为高昂的封存成本。在原先CCUS的应用场景中，通过二氧化碳、氢能等原料制取各种绿色化工原料，其前景已经得到广泛认可。但是将二氧化碳、氢能直接转换成替代粮食的淀粉还是第一次。

 

而且在原先所有关于未来电力需求预测中并未考虑到这一全新应用。这也意味着，利用绿电+氢能+二氧化碳制取淀粉将为绿电消费开辟一个全新的应用蓝海。

 

不过这一成果到真正大规模应用尚需较长时日。中科院副院长、党组成员周琪表示，该成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。

 

尽管如此，这依然是一个值得期待的全新领域。

 

文：瓦叔  来源：能见微信号（图片来源网络 侵删）